Solutions Opera
Des solutions avancées axées sur la simulation d'applications basse fréquence et de particules chargées
Solutions Opera pour les applications électromagnétiques basse fréquence
La solution de simulation Opera est une suite logicielle d'analyse par éléments finis qui permet aux utilisateurs d'effectuer des simulations de systèmes électromagnétiques (EM) et électromécaniques en 2D et en 3D. Opera complète le portefeuille SIMULIA EM existant grâce à ses performances en matière de simulation basse fréquence, très utiles pour la conception d'aimants, de moteurs électriques et d'autres machines électriques.
- Statique
- Électromagnétique dynamique
- Mouvement
- Quench
- Thermique et mécanique
- Particules chargées
Module statique
Le module Statique d'Opera, qui est largement utilisé dans les applications scientifiques et d'ingénierie, calcule les champs magnétostatiques et électrostatiques. Il utilise la méthode FEA pour résoudre les équations de Maxwell à l'état statique dans un modèle discrétisé. Dans le cas des champs magnétostatiques 3D, les algorithmes du module Statique traitent différemment les volumes incluant des sources magnétiques des volumes ne contenant pas de sources. En appliquant cette méthode, le module évite les erreurs d'annulation pouvant survenir avec des méthodes alternatives. Par conséquent, la précision de la solution est souvent bien supérieure à celle attendue pour une analyse par éléments finis. Dans ce module, les utilisateurs peuvent spécifier les propriétés du matériau magnétique, par exemple linéaire, non linéaire, isotrope, anisotrope, laminé ou aimant permanent. En 3D, les utilisateurs sont en mesure de simuler des bobines/solénoïdes avec une extrême précision. La méthode propriétaire d'Opera déploie l'intégralité de Biot-Savart pour calculer les champs magnétiques des bobines. Opera-3D inclut une bibliothèque pratique permettant de définir facilement des formes standard, comme des solénoïdes ou des circuits. Il offre également aux utilisateurs une flexibilité incomparable qui facilite la création de bobines, quelle que soit la topologie. L'option Diélectrique dissipatif permet aux utilisateurs de simuler les champs électriques résultants de la charge des diélectriques à conductivité faible.
Module électromagnétique dynamique
Le module électromagnétique dynamique Opera calcule les champs électromagnétiques variant dans le temps et l'intensité du courant de Foucault dans les appareils et systèmes électromagnétiques. Le calcul inclut les courants de Foucault induits par des conducteurs simples mobiles. Cela implique que le mouvement ne modifie pas la géométrie, par exemple un disque rotatif ou un tuyau infini de section transversale constante.
Trois différents types de solutions dynamiques peuvent être appliqués, chacun ayant une forme diverse de variation dans le temps :
- La solution Harmonique calcule les courants CA à l'état stationnaire, c'est-à-dire que tous les champs et tensions oscillent à la même fréquence.
- La solution Transitoire calcule les courants de Foucault transitoires induits par les champs des courants d'entraînement, les conditions aux limites et les champs externes qui changent en fonction du temps d'une manière prédéfinie.
- La solution Vitesse fixe calcule les courants de Foucault induits par le mouvement qui ne modifie pas la géométrie du modèle. Les champs source et les conditions d'entraînement ne varient pas.
Module Mouvements électromagnétiques
Le module Mouvements électromagnétiques d'Opera calcule les champs variables dans le temps et les courants de Foucault dans les appareils qui présentent un mouvement linéaire ou de rotation pouvant induire un re-maillage pendant la solution. Certaines parties de la géométrie, en particulier le maillage par éléments finis, peuvent se déplacer indépendamment selon des vitesses contrôlées par l'utilisateur ou calculées au fil de l'analyse. Cette analyse transitoire considère que les courants de Foucault sont induits dans le support conducteur sous l'effet des champs magnétiques en mouvement et la variation dans le temps des sources du modèle.
Ce module a été conçu pour inclure la modélisation dynamique de tous les types de machines électriques, comprenant par exemple des aimants permanents, l'induction, la réluctance commutée, la réluctance synchrone et les machines synchrones. Il peut analyser les effets de commutation, les réponses transitoires, les performances à l'état stationnaire et les effets locaux instables.
Il calcule également les pertes par courants de Foucault dans tous les matériaux, notamment les aimants permanents. Les calculs peuvent inclure l'entraînement électrique dans des conditions normales et de défaillance, ainsi qu'une charge mécanique dynamique. Le module calcule, à chaque pas de temps, la force électromagnétique des pièces en mouvement (rotation ou translation) et applique un mouvement incrémentiel suivi par un nouveau calcul des champs magnétiques.
Module Quench
Ce module analyse le processus de quench des aimants supraconducteurs. Le module Quench d'Opera simule l'élévation de la température d'un aimant supraconducteur pendant le quench, ainsi que la transition vers l'état résistif alors que le quench se propage dans l'aimant. La chaleur qui déclenche le quench peut provenir de différentes sources. En général, dans un système à courant continu, cela est dû à une défaillance du système cryogénique, à une montée en pression trop rapide du système ou à une introduction délibérée dans des situations de test. Nous pouvons intégrer cette chaleur dans une simulation en tant que propriété de surface ou de volume, ou bien via des pertes ohmiques ou d'hystérésis dépendantes du taux dans les matériaux, en raison des flux de courant ou des champs qu'ils présentent. Dans ce cas, nous obtenons une anisotropie significative dans les propriétés du matériau, car la conductivité thermique domine le long de la direction de bobinage, ce qui requiert des techniques de modélisation spécifiques pour une meilleure efficacité et une plus grande précision.
Le module Quench utilise des techniques avancées d'éléments finis (FE) pour modéliser le comportement transitoire non linéaire d'un aimant pendant un quench. L'ensemble du processus de quench est analysé grâce à un algorithme qui combine la solution électromagnétique aux solutions thermiques et de circuit (pour définir les courants des bobines).
Module d'analyse thermique et de contrainte
Le module Analyse thermique d'Opera calcule la température en régime stationnaire ou transitoire, les flux thermiques et les champs gradient thermique dus à l'échauffement électromagnétique ou aux sources de chaleur externes. L'utilisateur peut spécifier les propriétés thermiques, telles que le tenseur de conductivité ou la densité spécifique de la chaleur et de la source de chaleur en fonction de la position. Les propriétés thermiques peuvent dépendre de la température, ce qui conduit à une analyse non linéaire.
En mode autonome, l'utilisateur définit la distribution de l'entrée de chaleur dans le module thermique. Dans une simulation multiphysique, d'autres modules de la solution Opera assurent la distribution de la chaleur. Il est possible d'inclure plusieurs sources de chaleur dans un seul calcul (par exemple, chaleur des courants de Foucault et pertes de fer au sein d'un moteur). Le module thermique calcule la distribution de température dans le modèle. Si les propriétés du matériau dépendent de la température, il peut modifier la solution électromagnétique. Le module analyse des contraintes examine les contraintes induites par l'expansion thermique. Les simulations thermiques et électromagnétiques ultérieures peuvent calculer la déformation causée pour obtenir des résultats précis.
Le solveur de contraintes peut résoudre les contraintes statiques linéaires en 2D ou en 3D. Les résultats comprennent les déformations, les tensions et les contraintes. En trois dimensions, le solveur de contrainte calcule également les modes naturels de la structure, c'est-à-dire les valeurs propres et les vecteurs propres.
Module Particules chargées
Le module Particules chargées d'Opera calcule l'interaction des particules chargées dans les champs électrostatiques et magnétostatiques. Il utilise la méthode des éléments finis pour résoudre les équations de Maxwell à l'état stationnaire dans un modèle discrétisé. En outre, il fournit une solution autoconsistante incluant les effets de la charge spatiale, des champs auto-magnétiques et des mouvements relativistes.
Le module Particules chargées fournit un ensemble complet de modèles d'émetteurs. Cet ensemble inclut l'émission thermo-ionique et d'effet de champ à partir de surfaces, l'émission secondaire à partir de surfaces et dans les volumes (utilisé pour modéliser l'ionisation de gaz), ainsi que des modèles pour les plasmas magnétisés et non magnétisés. Il est possible d'ajouter différents types de particules chargées, dont la charge et la masse peuvent être définies individuellement par l'utilisateur.
Dans une analyse multiphysique, le module Particules chargées peut simuler la chaleur générée par le faisceau de particules.
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