のこのチュートリアルでは、SimScaleを使用してマグネットリフティングマシンのElectromagnetics (電磁界)シミュレーションを実行する方法を紹介します。
概要
このチュートリアルでは、以下の方法を説明します:
- 電磁気シミュレーションのセットアップと実行
- 外部流れ領域の作成
- シミュレーションに複数の材料とその他の物性を割り当てます
- 自動標準メッシュ生成アルゴリズムによるメッシュ生成
SimScaleのワークフローに沿って説明します:
- シミュレーション用CADモデルの準備
- シミュレーションの設定
- メッシュの作成
- シミュレーションの実行と結果の解析
1. CADモデルの準備と解析タイプの選択
まず、下のボタンをクリックしてください。ジオメトリを含むチュートリアルプロジェクトがWorkbenchにコピーされます。
以下の図は、チュートリアルプロジェクトをインポートした後に表示されるものを示しています。
形状は実際のマグネットリフティングマシンで構成されています。シーンツリーで確認できるように、複数のパーツで構成されています。
1.1 ジオメトリの準備
このチュートリアルで使用するジオメトリは、電磁気シミュレーションの準備ができていません。バルブの複数のソリッドパーツが含まれています。シミュレーションを設定するために、流体領域が必要です。
流体領域を作成するには、Edit a copy アイコンをクリックして CADモードに入ります。
以下の手順を実行します:
- External flow volume (外部流れボリューム)を選択します。設定パネルが表示されるので、ボックスの寸法を定義します。
- Apply をクリックします。
一番最後のパーツリストの下に Flow regionという 新しいボリュームエンティティがあることに注意してください(図5参照)。この新しいジオメトリをワークベンチに戻すには、 Save as copy ボタンを使用します。
変更された形状(Flow regionを含む)は、元のバルブ形状のコピーとして Geometries に表示されます。
1.2 シミュレーションの作成
新しいジオメトリ「Copy of Magnetic Lifting Machine」をクリックし、 Create Simulationボタンをクリックします。必要に応じてシミュレーションの名前を変更できます。
シミュレーションタイプの選択ウィジェットが開きます:
を選択します。
解析タイプとして Electromagnetics (電磁界)を選択し、 Create Simulation をクリックします。
この時点で、シミュレーションツリーが左側のサイドパネルに表示されます。
2. シミュレーションの設定
2.1 Materialsの定義
このシミュレーションでは、最初に流体領域にAir (空気)が存在する状態から開始します。次に、Copper (銅)、Steel (鋼)、 AISI 1008 steelをソリッドボディに割り当てます。したがって、このシミュレーションでは4つの材料を使用します。材料を設定する際はMaterialsの右にある +ボタン をクリックします。下図に示すように、SimScale材料ライブラリーが開きます:
Air (空気)を選択し、 Applyをクリックします。これは、シミュレーション全体を通して空気が流体領域で認識されることを意味します。デフォルト値のままで、流体領域全体をこの材料に割り当てます。
材料Copper (銅)に同じ手順を繰り返し、コイルに割り当てます。材料の名前を Copper Windings に変更します。ソリッドパーツを表示するには、 流体領域を非表示にし、図11に示すようにCoil (コイル)を選択します。
Steel (鋼)についても同様の手順を繰り返し、図 12 に示すように Load に割り当てます。流体領域がまだ隠れていることに注意してください。材料の名前を Typical Steel - Workpieceに変更します。
材料特性を変更します。すなわち、Electric conductivity (電気伝導率)を 1.03e+7 \(S/m\) に、Magnetic permeability type (透磁率タイプ)を Nonlinear isotropic (非線形等方性)に変更します。次に、 B(H) を設定する必要があります。これにはテーブルを使用します。以下のCSVファイル B(H)_Typical Steel をダウンロードし、プロジェクトにアップロードしてください。
Steel (鋼)についてもう一度手順を繰り返し、以下のように9つのボリュームに割り当て、名前を 「AISI 1008 Steel - Core 」に変更します。
Electric conductivity (電気伝導率)の値をデフォルトのままにして、材料特性の Magnetic permeability type (透磁率のタイプ) を Nonlinear isotropic (非線形等方性)に変更します。 B(H) のCSVファイルをアップロードします。
2.2 コイルの割り当て
シミュレーションツリーの Coilに Coil 1 と Coil 2 という2つの閉コイルを割り当てます(コイルのポップアップのTopologyをClosedにしてください)。面を選択し、図14と図15に示すようにそれぞれの値を変更してください。内側の面とコイルが見えるまで、外側の面をすべて非表示にします。面を非表示にするには、面を選択して右クリックし、ドロップダウンから Hide selection (選択部分を非表示)オプションを選択します。両図に示すように、面が見えるまで続けます。 Topology (トポロジー)、Number of turns (巻き数)、Wire diameters(線形)、 (I) Current (電流) の値を必ず変更してください。
図 15 に示すように、 Coil2についても手順を繰り返します。
2.3 Boundary conditions (境界条件)の割り当て
このシミュレーションには境界条件はありません。
2.4 Result control
Result controlにより、計算プロセス中のモデル内の特定の場所だけでなく、グローバルな収束挙動を観察することができます。したがって、シミュレーションの品質と結果の信頼性の重要な指標となります。Reult controlの Calculate inductances (インダクタンスの計算) を忘れずにオンにしてください。
a. Forces and Torques (力とトルク)
このシミュレーションでは、バルブの 荷重に Forces and torques コントロールを設定します。 Result control > Forces and torques の下にある + アイコンをクリックして設定パネルを開きます。図 16 に示す座標を Torque reference point (トルク基準点)として選択します。
2.5 NumericsとSimulation control
このシミュレーションのNumericsとSimulation controlは 、デフォルト値で最適化されているため、変更する必要はありません。
3. Mesh (メッシュ)
メッシュの作成には、 Automatic アルゴリズムを使用することをお勧めします。これは、高精度に自動化されており、ほとんどの形状で良好な結果が得られます。
このチュートリアルでは、メッシュのFineness (細かさ)のレベル5を使用します。メッシュの詳細化を行いたい場合は、 Fineness スライダーをより高い詳細化レベルまでスライドさせるか、Region refinement (領域の細分化)を使用することで、メッシュの細分化を行うことができます。
| ご存知でしたか？ |
| Automaticメッシャーは、物理ベースのメッシングを使用して、ほとんどの関心領域をキャプチャするボディフィットメッシュを作成します。 |
4. 解析の実行
シミュレーションを開始します。Simulation runsの隣にある + アイコンをクリックします。ダイアログボックスが開きますので、Runに名前を付けてシミュレーションを開始します。
結果が計算されている間、Solution Fieldsまたは Post-process resultsをクリックして、ポストプロセッサーで中間結果を見ることができます。結果はリアルタイムで更新されます！
マシンが選択したインスタンスによっては、シミュレーションが終了するまでに5-10分かかる場合があります。終了後、図19に示すようにオンラインポストプロセッサーにアクセスします。
5. ポスト処理
5.1 Magnetic Flux Density (磁束密度の絶対値)
ポストプロセッサーに入ったら、Parts Colorフィルターの ColoringをMagnetic Flux Density Magnitude (磁束密度の絶対値)に変更します。
- 上部のリボンから Cutting Plane (切断面) フィルターをクリックします。
- Position (位置)を適宜調整し、Orientation (平面の向き)を Z 軸に設定します。
- 磁束密度の大きさを表現するために Coloring (色付け)をMagnetic Flux Magnitude に変更します。
- 磁束の流れる方向を可視化するためにVector (ベクトル)トグルをオンにします。
- 切断面が見えるように、 Clip modelトグルをオンにします。
数秒後、モデルの内部を示すクリップが表示されます。
Coloring を変更することで、異なるパラメータを表示することができます。このチュートリアルでは、 Electric Current Density Magnitude (電流密度の絶対値)とMagnetic Field Magnitude (磁場の絶対値)も見ていきます。
5.2 Electric Current Density Magnitude (電流密度の絶対値)
Electric Current Density Magnitude (電流密度の絶対値)を表示するには、以下の手順に従います:
- 上部のリボンを使って Cutting Plane (切断面)フィルターを作成します。
- 切断面の Orientation (向き)を Y方向に変更します。
- 平面の Coloring (色付け)をElectric Current Density Magnitude (電流密度の絶対値)に設定します。
- Vector (ベクトル)を オンにして、Vector field (ベクトル場)をElectric Current Density Magnitude (電流密度の絶対値)にします。
図22から、電流の流れの強さと方向を見ることができます。太く密に詰まった線は電流密度が高いことを示し、細く間隔のあいた線は電流密度が低いことを示します。線の方向は、正電荷が通る道を示しています。これらの線の連続性は、電流が途切れることなく流れていることを示します。
5.3 Magnetic Field Magnitude (磁場の絶対値)
- 上のリボンを使って Cutting Plane (切断面)フィルターを作成します。
- Cutting Plane (切断面)の Orientation (向き)を Z方向に調整します。
- 平面の Coloring (色付け)を Magnetic Field Magnitude (磁場の絶対値)に設定します。
- Vecrtors (ベクトル) をオンにして、Vector field (ベクトル場)を Magnetic Field (磁場)にします。
図23から、磁場の強さと方向を表す磁場の矢印がわかります。長くて間隔が狭い矢印は、より強く集中した磁場を示し、短くて間隔が狭い矢印は、より弱い磁場を示します。矢印の方向は、磁石の北極から南極に向かう北極の経路を示し、磁場の連続的な性質を明らかにする閉じたループを形成します。
5.4 Forces and Torques (Loadにかかる力とトルク)
力とトルクの 結果は、シミュレーションにおいて特に重要です。負荷は指定された力とトルクを受け、Coil1 と Coil2 の抵抗とインダクタンスも見ることができます。結果を表で見てみましょう:
SimScaleポストプロセッサーで結果をさらに分析します。ポストプロセッサの使用方法については、 ポスト処理ガイド をご覧ください。