CC BY
35Геометрическая и физическая параметризация в конечно-элементном пакете Flux V.10.1.2 Cedrat
как подход к оптимизации датчиков скорости/положения
Во второй части статьи продолжен рассказ о применении методов параметризации для создания проекта автомобильного датчика Холла ферромагнитного зубчатого ротора,геометрического, конечно-элементного и физического описания модели в препроцессоре Flux v.10.1.2 Cedrat.
Окончание. Начало в№ 4 '2008
Светлана СЫСОЕВА
Создание проекта датчика. Описание магнита
Для описания модели датчика потребуются минимум две координатных системы. Пусть декартова СК CoordSys_MAIN определяется как дочерняя для глобальной СК с координатами центра (0,0,0) и нулевыми углами поворота. Можно также создать параметр ANGLE_STATOR_Z = 0 и назначить его как параметр поворота вокруг оси Z первой СК с тем, чтобы модифицировать его значение при позиционировании в финальном проекте сборки датчика (рис. 5а).
Рис. Ба. Окно создания новой СК CoordSys_MAIN с введенными параметрами
В финальном проекте она будет соответствовать центру ротора, и ее назначение — позиционирование датчика в финальном проекте. Пусть CoordSys_MAG_SENSOR (рис. 5б) определяется как дочерняя относительно локальной системы CoordSys_MAIN, и точка начала отсчета смещена по оси X на 30 мм. В окончательном проекте это расстояние будет изменено на параметрическое значение, складываемое из внешнего радиуса зуба ротора, воздушного зазора, толщины ИС, расстояния между ИС и магнитом и половины его высоты (TOOTH_OR+AIRGAP+IC_TH+ +L+MAGNET_HGHT/2).
Рис. 5б. Окно создания новой СК CoordSys_MAG SENSOR с введенными параметрами
Но в открытом или вновь созданном проекте MAGNET_3D.FLU эти параметры не создаются, и для облегчения ввода координат магнита пусть первая координата CoorSys_MAG_SENSOR берется вначале как некоторое числовое значение, как будет ясно далее, в данной модели соответствующее сумме TOOTH_OR+AIRGAP+IC_TH. Все прочие параметры координат точек Origin и углов вращения для обеих СК задаются как нулевые.
После создания координатные системы и параметры можно увидеть в дереве данных и графической зоне. Для отображения графической зоны существует много возможностей, доступных c пунктом главного меню View или посредством кнопок панели инструментов.
Следующий основной шаг — это создание 4 точек и линий контура вращения магнита в плане XOY, переключение к которому осуществляется по команде View, Z Plane view.
Моделирование магнита как второго основного компонента магнитной системы датчика и ИС (опционно) будет осуществляться в СК CoordSys_MAG_SENSOR.
Для создания контура магнита необходимо два числовых параметра:
• радиус MAGNET_R = 4 мм;
• высота MAGNET_HGHT = 6 мм.
Воспользовавшись командой Point в папке
дерева данных Geometric entities (способы вызова команды аналогичны подробно описанным ранее для ротора), определим первую точку в центре СК CoordSys_MAG_SENSOR, вторую — как смещенную влево по оси Y от начала координат на величину MAGNET_R, X и Z для обеих точек принимаются нулевыми. Теперь эти точки также видны в дереве дан-
Таблица 2. Геометрическое описание контура вращения магнита посредством точек в CooгdSys_ MAG_SENSOR
Порядковый номер точки Координатная система Локальные декартовы координаты
Первая (X) Вторая (Y) Третья (Z)
CoordSys MAG SENSOR 0 0 0
0 MAGNET_R 0
MAGNET_HGHT MAGNET_R 0
MAGNET_HGHT 0 0
ных, программа ведет нумерацию автоматически. Следующие две точки задаются аналогично, в соответствии с таблицей 2.
Точки вручную соединяются линиями. Следующий шаг — автоматическое построение контура (Build faces), затем — создание трансформации. Результат построения СК и контура вместе с окном создания трансформации показан на рис. 5в.
Рис. 5в. Результат построения СК и контура вместе с окном создания трансформации TRANS_ROT_X
Для данной модели интерес представляет угловая трансформация, вызываемая, например, из дерева данных как команда Transformation из папки Geometric tools. В открывшемся диалоговом окне New Transformation задаем имя трансформации TRANS_ROT_X, устанавливаем угловой тип трансформации
Rotation defined by angles and existing pivot point, выбираем CoordSys_MAG_SENSOR как координатную систему, а в графической зоне в качестве опорной выбираем Pointl. Угол вращения относительно оси X — 90°, углы вращения относительно осей Y и Z — нулевые.
Выдавливание — скорейший способ применения созданной трансформации TRANS_ ROT_X, которая будет применена четыре раза для создания 15 новых контуров и четырех объемов. Результат объемного моделирования отобразится в графической зоне, а в дереве данных будут показаны новые сгенерированные программой контуры и объемы. Геометрическое описание магнита завершено (рис. 5г).
Рис. 5г. Окно применения созданной трансформации TRANS_ROT_X для выдавливания с результатом объемного моделирования
В данный момент или непосредственно перед объемным моделированием создают точки и линии сетки и назначают геометрическим точкам и линиям. Для контроля узловой плотности создается одна точка сетки MeshPoint_MAGNET с весом в 1 мм, которую можно выделить цветом на вкладке Appearance, далее она назначается (привязывается) к 4 геометрическим точкам контура вращения. Для облегчения деления цилиндрических объемов, построенных методом экструзии, используют генератор MeshGeneratorExtrusive_Transf_ROT_X, который был автоматически создан Flux на этапе построения объемов с опцией Add volumes and associated extrusion mesh generator.
Также для контроля числа узлов на линии в направлении экструзии создается одна линия сетки MeshLine_MAGNET и назначается 4 линиям — дугам внешнего контура.
В диалоговом окне New Mesh Line (рис. 5д), открывающемся в результате выполнения команды, создадим линию MeshLine_MAGNET арифметического типа с 4 сегментами и выделим ее цветом. Результат отобразится в дереве данных. Назначим линию сетки с помощью пункта меню Mesh, Assign mesh information, Assign mesh line to lines (рис. 5е). В открывшемся диалоговом окне выберем из графической зоны, удерживая нажатой клавишу CTRL, линии контура и назначим для них линию сетки MeshLine_MAGNET.
Наконец, заключительный шаг — это наложение сетки на линии, контуры и объемы.
Рис. 5д. Окно создания новой линии сетки
Рис. 5е. Окно назначения линии сетки дугам внешнего контура
Результат последовательного выполнения команд Mesh, Mesh, Mesh lines, Mesh faces, Mesh volumes показан на рис. Зж, результат выполнения команды Mesh, Mesh, Generate second order elements — на рис. Зз.
і—■-!. -а Z 2 ". 4-І -■ ■ ■ » J 1 - ■
■ ' :'v4- №- " :Ч£?Г .] У. :І' ' 1 1 ' ' ч ; ' ■ ■■ .. . -" j ■ *
==- - |
Рис. 5ж. Результат последовательного выполнения
команд Mesh, Mesh, Mesh lines, Mesh faces,
Mesh volumes
воппввнвнк
■ ■ ■ - j їх ..■■■'
Затем рекомендуется импортировать проект MAGNET_3D.FLU в проект HALL_SENSOR_ 3D.FLU, и здесь же опционно можно выполнить геометрическое описание ИС (альтернатива — в отдельном проекте IC_3D.FLU, где также потребуется создание аналогичных СК).
Но перед импортированием рекомендуется удалить сетку и сместить точки контура вращения по оси X на величину MAGNET_ HGHT/2 (при этом для оптимального позиционирования в финальный проект можно задать смещение CoordSys_MAG_SENSOR по оси X как 36). Если выполнить смещение координаты для каждой точки с 1 по 4 на MAGNET_HGHT/2, СК CoordSys_MAG_SENSOR окажется в центре магнита. Теперь можно сохранить и закрыть проект.
Геометрическое описание датчика
Следующая фаза моделирования — создание проекта датчика HALL_SENSOR_3D. На рис. б представлен результат моделирования геометрии датчика в рамках данного проекта. Вид, показанный на рис. б, не является стандартным. Во Flux вращение вида очень удобно осуществляется с мышью: поместив
■ . - п - ■ -a J КІТ- ГТГ . - . , ь. -.1
"
у
ІІ1ІІ 21
1 i'j=_
Рис. 6. Результат геометрического описания проекта датчика
курсор близко к центру объекта, кликнув и удерживая левую кнопку нажатой, можно перемещать вид.
Моделирование начинается с импортирования объекта магнита из проекта MAGNET_3D (команда меню Project, Import, Import Flux object) и построения опционной модели ИС. В открывшемся окне с помощью стандартной кнопки открытия файлов выберем названия с установленным фильтром Geometry и подтвердим выбор. Единичные объекты и общий вид проекта созданного ранее магнита после применения команды Apply отобразится в графической зоне.
Создадим несколько важных параметров, одним из которых является L = 1 мм — расстояние между магнитом и датчиком [4, 7, 10-11, 14], другие (в мм) описывают геометрию ИС (TLE4921 Infineon):
IC_LH = 3.71, IC_WH = 5.38, IC_TH = 1, IC_CUT=1, IC_HALL_FROM_TOP = 1.53, IC_HALL_L=2.5, IC_HALL_FROM_LEFT_TO_ HALL_CENTER =2.67, LEAD_WH_MAX=0.6, LEAD_WH_MAX_H = 0.75, LEAD_WH =0.4, LEAD_TH = 0.2, LEAD_LH = 18, LEAD_K=4, LEAD_SPACE=1.27, LEAD_FACE_FROM_ BOTTOM=0.2.
Создадим как дочернюю для CoordSys_ MAG_SENSOR декартову СК CoordSys_IC, облегчающую ввод точек в плане XOY, со следующими координатами центра, соответствующего центру между элементами Холла: (X = -MAGNET_HGHT/2-L, Y=0, Z = -IC_ WH/2+IC_HALL_FROM_LEFT_TO_HALL_CE NTER). В связи с тем, что имена параметров — довольно сложны, особое значение приобретают возможности Flux по их редактированию. Имя любого параметра в любой момент описания проекта может быть изменено, причем, если параметр был задан в качестве аргумента для создания другого объекта, например СК, автоматически обновляются ссылки на параметр с новым именем — не придется вспоминать, где использовался параметр, и выполнять ручное редактирование ссылки на него.
Описание точек плана ИС посредством параметрических координат в CoordSys_IC приведено в таблице 3.
Затем точки вручную соединяются линиями, по команде Build faces программа выполняет автоматическое генерирование контура.
Таблица 3. Описание точек плана ИС посредством параметрических координат
Порядковый номер точки Координатная система Локальные декартовы координаты
Первая (X) Вторая (Y) Третья (Z)
11 COORDSYS_IC -IC HALL FROM LEFT TO HALL CENTER IC_HALL_FROM_TOP-IC_CUT 0
12 - IC_HALL_FROM_LEFT_TO_HALL_CENTER+ IC_CUT IC_HALL_FROM_TOP 0
13 IC_WH-IC_HALL_FROM_LEFT_TO_HALL_CENTER IC_HALL_FROM_TOP 0
14 IC WH-IC HALL FROM LEFT TO HALL CENTER -IC_LH+IC_HALL_FROM_TOP 0
15 -IC HALL FROM LEFT TO HALL CENTER -IC_LH+IC_HALL_FROM_TOP 0
Таблица 4. Описание точек плана правого среднего вывода (вид с лицевой стороны ИС) посредством параметрических координат
Порядковый номер точки Координатная система Локальные декартовы координаты
Первая (X) Вторая (Y) Третья (Z)
21 LEAD_SPACE/2-LEAD_WH_MAX/2 0 0
22 LEAD_SPACE/2+LEAD_WH_MAX/2 0 0
23 LEAD_SPACE/2+LEAD_WH_MAX/2 -LEAD_WH_MAX_H 0
24 COORDSYS_IC_LEADS LEAD_SPACE/2-LEAD_WH_MAX/2 -LEAD_WH_MAX_H 0
25 LEAD_SPACE/2-LEAD_WH/2 -LEAD_WH_MAX_H 0
26 LEAD_SPACE/2+LEAD_WH/2 -LEAD_WH_MAX_H 0
27 LEAD_SPACE/2+LEAD_WH/2 -LEAD_LH 0
28 LEAD_SPACE/2-LEAD_WH/2 -LEAD_LH 0
Таблица 5. Описание точек плана выступающего участка ИС посредством параметрических координат
Порядковый номер точки Координатная система Локальные декартовы координаты
Первая (X) Вторая (Y) Третья (Z)
29 COORDSYS IC LEADS -XOY_WH/2 IC_LH 0
30 -XOY_WH/2 IC_LH+ XOY_LH 0
31 XOY_WH/2 IC_LH+ XOY_LH 0
32 XOY_WH/2 IC_LH 0
Для выдавливания контура на высоту 1С_ТН создается и применяется трансформация Тгаш£_1С_ТН.
Можно продолжить построение выводов ИС в соответствии с таблицей 4, учитывая, что выводы центрированы относительно корпуса ИС, а центр между элементами Холла несколько смещен.
Создадим дочернюю для СооЫ8у8_1С декартову СК СооЫ8у8_1С_ЬБА08, облегчающую ввод точек в плане ХОУ, с координатами центра (1С_НАЬЬ_РКОМ_ЬБРТ_ TO_HALL_CENTER+IC_WH/2, 1С_РН+1С_НАРЬ_РКОМ_ТОР, LEAD_FACE_FROM_BOTTOM).
Далее вручную создадим 8 соединительных линий и получим автоматический контур.
Затем необходимы две трансформации переноса TRANSF_LEADS_SPACE1 и TRANSF_ LEADS_SPACE2 — для распространения контура вывода влево и вправо на 1,27 мм.
Для полноты картины ИС можно даже достроить участок вверху микросхемы шириной 1,9 мм, лежащий в плоскости XOY CoordSys_IC_LEADS и выступающий относительно верхнего края ИС на 0,15 мм, толщиной также 0,2 мм. Создадим два параметра XOY_LH и XOY_WH, затем параметрически зададим точки контура в СК CoordSys_IC_LEADS в соответствии с таблицей 5 и соединим их линиями.
Выполним вначале автоматическое построение контуров, созданных по точкам
и линиям, затем посредством команды Propagate faces распространим контур вывода. Все контуры выводов, включая выступающий участок, вместе выдавливаются командой Extrude, Extrude faces в результате применения трансформации — трансляции TRANSF_LEADS_TH на толщину LEAD_TH = = 0.2.
После выполнения автоматического построения недостающих контуров и объемов (Build, Build volumes) и проверки геометрии проект может быть сохранен и закрыт.
Геометрическое описание сборки всего устройства
Для геометрического моделирования сборки должен быть создан новый проект и сохранен под именем, например, FINAL_SENSOR_ 3D.FLU.
Импорт геометрии объекта ротора датчика выполняется из проекта ROTOR_3D.FLU, при этом для более легкого совмещения прежде импортирования координатная система CoordSys_ROTOR должна быть перемещена вниз на высоту TOOTH_HGHT/2. Впрочем, это легко осуществить и после импортирования, непосредственно отредактировав параметры в дереве данных и изменив координату Z СК CoordSys_ROTOR на TOOTH_HGHT/2.
Следующая фаза — импортирование объекта датчика. Если значения СК и парамет-
Рис. 7. Результат импортирования двух созданных объектов ротора и статора в финальный проект — оптимальное позиционирование:
а) вид Standard view 1;
б) вид Z plane view, увеличенный по команде Zoom region;
в) результат применения команд X plane view и Opposite view
ров соответствуют тем, что были приведены выше, датчик и ротор будут позиционированы относительно друг друга без погрешностей (рис. 7).
Создадим параметр AIRGAR=1, а далее модифицируем смещение СК CoordSys_MAG_ SENSOR относительно CoordSys_MAIN к значению TOOTH_OR+AIRGAP+IC_TH+L+ +MAGNET_HGHT/2 — все эти параметры в финальном проекте созданы в результате импортирования.
Затем еще два геометрических параметра могут быть индивидуально модифицированы. Это угол положения ротора ANGLE_Z и угол положения датчика ANGLE_STATOR_Z, имитирующий позиционирование датчика относительно ротора в координатной системе CoordSys_MAIN. Переключившись к виду Z plane view, с командой Zoom region для участка региона модифицируем значения, используя опцию Edit array для выбранных в дереве данных с клавишей CTRL параметров. Результат применения команды Apply для модифицированных значений ANGLE_STATOR_Z=7.5° показан на рис. 8а, можно далее отклонить применение, вернув прежние значения и повторно выполнив команду. Кнопочная команда Cancel отменяет только непримененные значения и обеспечивает выход из редактирования.
Рис. 8а. Результат применения команды Apply для модифицированных в окне Edit array значений параметра ANGLE_STATOR_Z
Создадим еще 4 параметра, имитирующие смещения (погрешности или допуски) оптимального позиционирования датчика по осям DELTA_X=0, DELTA_Y=0, DELTA_Z=0, TETTA=0 (имитирующий угол наклона датчика в плоскости XOY CoordSys_MAIN) [9, 13]. Можно создать и параметр ALPHA=0, отображающий вращение датчика в плоскости YOZ в CoordSys_MAIN, рассмотренное в [5]. Для имитации поворота вокруг оси Y, имитирующего наклон датчика, создадим параметр TILT=0.
Модифицируем центр CoordSys_MAG_ SENSOR как точку с координатами (TOOTH_ OR+AIRGAP+IC_TH+L+MAGNET_HGHT/ 2+DELTA_X, DELTA_Y, DELTA_Z) и зададим угол поворота вокруг оси X как параметр ALPHA, угол поворота вокруг оси Y как параметр TILT, поворот вокруг оси Z как параметр TETTA (рис. 8б).
ГЛ'"ЯЗУ
Рис. 8б. Модификация СК CooгdSys_MAG_SENSOR для имитации смещений датчика вследствие погрешностей монтажа
Выбирая с клавишей CTRL в дереве данных все параметры одновременно, их можно индивидуально модифицировать: для того чтобы изучать влияние допусков на работоспособность датчика в процессе решения модели (рис. 8в-и). Если ранее еще можно было имитировать малые смещения магнита по оси X с целью экспериментального изучения влияния d и L [7, 12], то совершенно невозможно было представить экспериментальное изучение наклона датчика (рис. 8з). С про-
■ а - ш _ - -- . . J . * ь „їв:1" г. w_ г . ‘ . _ : . і , - л ь L
і і"1!. , М К I
'drSumlilc РлгіпсІ- «■■iJtCia,!] Рі ІТ:П TiJCJJПTi_¥ДП T1JT.J .TTTTC.TL. Зі
г1'- Г-- г і— - —■'■ I
ЦІШІГТ' -иаЫЯ! 1 1
...
Рис. 8в. Влияние воздушного зазора и имитация смещения датчика относительно оптимального (рис. 7б) по оси X вследствие допусков
—---------
Рис. 8г. Влияние расстояния L и имитация смещения магнитной системы датчика относительно оптимального (рис. 7б) по оси X вследствие допусков
Рис. 8д. Имитация смещения датчика относительно оптимального (рис. 7б) по оси Y
Рис. 8е. Влияние ненулевого относительно оптимального (рис. 7б) угла наклона датчика в плоскости XOY
Рис. 8ж. Имитация смещения датчика относительно оптимального (рис. 7б) по оси Ъ
Рис. 8з. Имитация наклона датчика относительно оптимального положения в плоскости ХОЪ
Рис. 8и. Имитация поворота датчика относительно оптимального положения в плоскости YOZ
Рис. 9. Модификации геометрических параметров ротора и магнита:
а) доступные к модификации геометрические параметры ротора и магнита;
б—д) модификация числа зубьев ротора:
б) использование проекта РАТТЕРМ_РОТОР_3О.Р1_и как основы для создания проекта РОТОР_30_у_1.РШ и модификация параметра ТООТН_К;
в) результат 15-кратного распространения автоматически сгенерированного контура;
г) результат 15-кратного распространения контура, линии, соединяющей соседние зубцы, 15-кратного выдавливания точки 2 и удаления линии 1;
д) результат однократного выдавливания всех выбранных контуров;
е) результат однократного выдавливания всех выбранных контуров с удаленным или несуществующим внутренним контуром
граммным пакетом Flux v. 10.1 параметр TILT может быть многократно модифицирован, и влияние наклона датчика можно будет изучать. Сейчас можно сохранить проект.
Тогда в будущем рекомендуется создать DELTA_X, DELTA_Y, DELTA_Z, TETTA, TILT и ALPHA, а также AIRGAP, в проекте датчика непосредственно перед импортом объекта датчика в новый проект (ALPHA, а также AIRGAP, можно создать и в проекте ротора, имитируя наклон ротора, а не датчика). Но эти действия целесообразны, если планируется изучать поведение только одного датчика с разными роторами. А если необходимо изучить разные датчики и разные роторы, все эти перечисленные параметры можно создать в проекте ANONYMOYS, сохранить этот проект под именем TOLERANCES и затем импортировать в этот проект различные устройства, модифицируя посредством этих параметров при этом СК.
О модификациях и оптимальном геометрическом описании датчика
В текущем открытом проекте FINAL_ SENSOR_3D.FLU можно также выполнять любые доступные модификации геометрических параметров ротора и статора (рис. 9а).
Можно даже наблюдать вычисляемый в мм параметр T = 2*PI*TOOTH_OR/TOOTH_K на вкладке Evaluated information окна Edit Geometric Parameter, но варьировать этот параметр можно только за счет изменения значения TOOTH_OR.
Легко будет переписать значение TOOTH_K, например на 1З, но невозможно будет применить это изменение для быстрых модификаций числа зубьев ротора в модели. Дело в том, что число применений трансформаций в пакете не параметризуется, должно быть указано только числовое значение.
Для выполнения модификации числа зубьев необходимо будет найти проект РАТТЕЯЫ_ЯОТОЯ_3О.РШ, о котором говорилось в первой части статьи, а если такой проект не был создан — вернуться в проект ротора, сохранить его под другим именем, удалить или сделать несуществующими последовательно объемы, все распространенные контуры, кроме Басе1, линии и точки, созданные программой автоматически, и тогда модифицировать ТООТН_К на 15. Для последующих модификаций рекомендуется сохранить паттерн зуба во вспомогательном проекте РАТТЕЯЫ_ЯОТОЯ_3О.РШ.
Далее для создания модифицированного ротора потребуется применить 15-кратную угловую трансформацию для распространения линии и контура паттерна, опционно — выдавливания линии 1 (которую, в принципе, после создания паттерна можно удалить, поскольку программа строит контуры авто-
матически), после чего повторить однократное выполнение команд создания геометрических объектов — контуров и объемов.
Рекомендуется сохранить модифицированный ротор под новым именем, например, ROTOR_3D_v_1. FLU и импортировать данный объект в новый проект, также с уникальным названием.
Следует отметить, что при удалении объектов и особенно при построении своей собственной первой модели пользователь неизбежно будет сталкиваться с обнаружением дефектов в результате выполнения команды Check geometry, которую рекомендуется всегда выполнять перед построением объемов. После обнаружения дефекты, обозначающие пересечения линий и контуров, блокирующие построение объемов, будут записаны в папку дерева данных Geometry, Geometric entities, Geometric defects. Во Flux с целью коррекции дефектов с командой Edit array пользователю доступна возможность модифицировать принятие во внимание единичных объектов, осуществлять их скрытие и восстанавливать видимость (Set invisible/ Set visible). Данная команда вызывается во Flux3D как контекстная для любых типов объектов, в том числе и для геометрических дефектов.
Но особенно важно подчеркнуть, что во Flux можно выполнять также игнорирование объектов во время построения поверхностей и объемов. Специальные атрибуты, называемые nature, ассоциируются с точками, линиями и поверхностями. Возможность модификации атрибутов nature доступна пользователю именно с командой Edit array (рис. 4ж).
Для атрибута nature любого объекта допускается устанавливать следующие функции:
• STANDARD;
• IN_AIR;
• NO_EXIST (несуществующий).
Если следовать описанию, в данной модели в результате выполнения команды Check geometry из пункта меню Geometry дефекты не будут обнаружены, и для значений nature всех объектов должно быть указано значение STANDARD.
Но чтобы показать, как работает команда, пользователь перед построением объемов выдавливанием может удалить или установить значение NO EXIST для автоматически построенных внутренних контуров геометрии, соответствующих отверстию под вал. После применения трансформации TRANSF_ROTOR_Z будет получено описание модели, как на рис. 9е.
Дальнейшие модификации этой модели, такие как повторное автоматическое конструирование контуров и применение трансформаций, могут вызывать дефекты, средства борьбы с которыми те же — удаление или игнорирование объектов, а также скрытие для обнаружения в графической зоне.
Рекомендуется сохранить модифицированный ротор под новым именем, например ROTOR_3D_v_2. FLU, и при последующем
импортировании новому проекту также дать уникальное имя.
Можно и в проекте FINAL_SENSOR_ 3D.FLU удалить объемы, распространенные контуры, линии и точки ротора в текущем проекте, повторив описанную ранее последовательность действий. Но это более трудоемкий вариант, и ввиду повышенных в этом случае затрат вычислительных ресурсов, времени и внимания пользователя оптимальным решением будет именно модификация объектов в отдельных проектах. Главные принципы геометрического и конечно-элементного конструирования во Flux представляют собой описание элементарных частей структуры (объекты Flux) именно в независимых проектах и затем их быструю компоновку в новом проекте Flux.
Синхронизация между проектами как объектами, объединенными в новый проект, во Flux не поддерживается, но параметризация описания и индивидуальная модификация каждого объекта с компоновкой всего в несколько действий позволяет свести проблемы модификаций сборок на нет.
Еще раз акцентируем внимание на этапах оптимального геометрического описания модели с переменными объектами датчика ферромагнитного зубчатого ротора.
Фазы геометрического описания будут включать:
1) Создание проекта-основы TOLERANCES с введенными параметрами имитации допусков и сохранение его под новым именем, например FINAL_SENSOR_3D.FLU_ v_1.FLU.
2) Импорт созданного объекта ротора из проекта ROTOR_3D.FLU или другого, например, проекта ROTOR_3D_v_1.FLU, который создается и разрабатывается отдельно, возможно на основе импорта элементарного паттерна PATTERN_ROTOR_3D.FLU.
3) Импорт объекта датчика из проекта HALL_SENSOR_3D.FLU или других, вариант — импорт только объекта магнита из проекта MAGNET_3D.FLU
4) Позиционирование (модификация координат центра СК CoordSys_MAG_SENSOR как TOOTH_OR+AIRGAP+IC_TH+L+ +MAGNET_HGHT/2, DELTA_Y, DELTA_Z), задание углов поворота и ALPHA, TILT, TETTA.
5) Добавление бесконечного бокса. Построение домена или помещение бесконечного бокса Infinite box — это завершающая фаза геометрического и начало конечно-элементного описания модели всего устройства.
Завершение геометрического описания и генерация сетки модели
Работа может быть продолжена в проекте FINAL_SENSOR_3D.FLU, в рамках которого последовательно импортировался объект ро-
тора, объект датчика и выполнялось их позиционирование.
Наконец, выполним этап 5 и поместим бесконечный бокс посредством команды Geometry, Infinite box, New.
Об этой возможности Flux необходимо сказать дополнительно. Это также метод трансформации модели. Домен экстерьера (называемый infinite, что означает бесконечный) привязывается к домену устройства через трансформацию пространства.
Возможно создание кубического типа бесконечного бокса, который центрирован в глобальной координатной системе с точкой его центра с глобальными координатами (0,0,0). Кубический бокс объединяет 16 точек и 32 линии, размеры которых задаются пользователем. Цилиндрический тип — альтернативная возможность Flux — размещается вдоль осей X, Y или Z, центрирован также в точке с координатами (0,0,0) в глобальной координатной системе, но объединяет 32 точки и 32 линии. Размеры точек и линий задает пользователь.
Для определения размеров бесконечного бокса пользователь должен обладать некоторыми специальными знаниями. Рекомендуется устанавливать расстояние между устройством и поверхностью интерьера, по меньшей мере, равным размерам устройства в данном направлении. Необходимо отметить, что во Flux существуют различные команды для измерений геометрических параметров, в частности, измерение расстояния между двумя точками (рис. 10), что помогает определить высоту созданного устройства — порядка 55 мм.
Размеры бесконечного бокса связаны с генерируемой сеткой. Во Flux 3D число элементов на толщине бокса должно быть, по крайней мере, равным двум (элементы второго порядка) или трем (элементы первого порядка). Вычисления необходимо выполнять, руководствуясь следующими принципами:
• для вычисления глобального или локального количества внутри устройства нужно повысить качество сетки бесконечного бокса;
• для вычисления поля, создаваемого снаружи устройства, необходимо определить бокс более значительного размера и сетку внутри сделать более высокого качества.
Рис. 10. Измерение расстояния между двумя точками во Flux
Создадим новый бесконечный бокс командой Infinite box, установим кубический тип его геометрии и зададим его размеры в соответствии с показанными в диалоговом окне (рис. 11а). Впоследствии рекомендуется параметризиро-вать размеры бокса для быстрой регулировки размеров в течение генерации сетки.
Необходимо отметить, что процесс построения бокса во Flux максимально проиллюстрирован. Справа в диалоговом окне ввода параметров появляется картинка, переключение к которой осуществляется кнопкой Picture. Результат создания бокса отобразится в графической зоне после выполнения команды (рис. 11б).
Бесконечный бокс — это геометрический объект, для которого также необходимо выполнить автоматическое построение контуров кнопкой Build faces.
Перед построением объемов геометрию следует проверить (Check geometry). Объемы строятся автоматически (Build volumes), их можно увидеть в дереве данных, а также
в графической зоне, установив невидимыми поверхности (контекстная команда Set invisible) и установив видимость для объемов (Set visible).
Для лучшей визуализации дальнейшего процесса установлены невидимыми близлежащие к наблюдателю контуры экстерьера и интерьера.
Конечно-элементное описание модели
Средства, доступные для генерации сетки, те же самые, что и описанные прежде: точки сетки, линии сетки и генераторы сетки.
Для наложения той же самой сетки на контуры (построенные распространением) используется связанный с трансформацией генератор сетки MeshGeneratorLinked_Transf_ ROTOR_ROT.
Для того чтобы наложить сетку на контуры в слоях, построенных при помощи экструзии, будет использоваться генератор сетки MeshGeneratorExtrusive_T ransf_ROTOR_ ROT. Чтобы производить слоистую сетку в объемах, построенных методом экструзии, будет использоваться генератор сетки MeshGeneratorExtrusive_ Transf_ROTOR_Z.
Генераторы сетки экструзии создаются и задействуются Flux автоматически в фазе построения контуров и объемов (опция построения для распространения: Add faces and associated linked mesh generator, для экструзии: Add volumes and associated extrusion mesh generator).
Для контроля плотности бесконечного бокса также предполагается использование, возможно с модификацией веса, предопределенных точек сетки LARGE и MEDIUM.
Процесс генерации сетки модели включает:
1) Модификацию двух предопределенных точек сетки (пусть LARGE = 12 мм, MEDIUM = = 8 мм).
2) Назначение точек MEDIUM и LARGE точкам бокса — внутренним и внешним соответственно.
3) Генерирование сетки для линий, контуров, объемов, генерация элементов второго порядка.
Перед началом работы следует перейти в контекст сетки. Значения и цветовое отображение LARGE и MEDIUM можно модифицировать непосредственно в дереве данных, используя команду Edit array.
Для назначения точек LARGE точкам экстерьера бокса выполним команду Assign mesh point to points, кликнув по стрелке вправо, выберем эти точки, удерживая клавишу CTRL, затем повторим все то же самое для MEDIUM и точек интерьера бокса.
Затем для лучшей визуализации точек бесконечного бокса, к которым будут назначаться точки сетки, необходимо модифицировать видимость точек сетки в пункте меню Display командой Display mesh points (рис. 12а).
Рис. 11. Завершающий этап создания геометрии модели — помещение бесконечного бокса:
а) окно ввода параметров бокса;
б) результат выполнения команды Infinite box;
в) результат выполнения команд Build faces,
Build volumes и модификации свойств видимости близлежащих к наблюдателю контуров экстерьера и интерьера
Домен вычисления будет покрыт сеткой в следующем порядке: генерирование сетки для линий, контуров, объемов и генерирование элементов второго порядка.
Результат выполнения команды Mesh, Mesh lines показан на рис. 12б, Mesh, Mesh faces — на рис. 12в-г, а также на рис. 12д.
Рис. 12а. Результат создания и назначения точек сетки
____,___-
Рис. 12б. Результат генерирования сетки для линий — выполнения команды Mesh, Mesh lines
Р'ГПЇ-ЇГЩТЛ . . J ■ а к * -1 ■Ч ■: ■■ J ■■ В ■ ‘ '
и ш
■ -я - і . “■ . . j j і ■ і -і % . і ■ » '
L+ -V Т. . - Z ". ч. 4 ■ ■ ■ ■ ■ - ■ 1 1 ■ .• ■
И . ~ ■ rL ': - г *■-• . | . t /
и ..-ГУ -■ ■ /
Рис. 12в, г. для контуро г) увеличенн Результат генерирования сетки i выполнения команды Mesh, Mesh faces; ое изображение результата
Рис. 12д. Увеличенное изображение результата генерирования сетки для контуров для модифицированного проекта, созданного для изучения только магнитной системы (без ИС)
Результат выполнения команды Mesh, Mesh volumes лучше будет визуализирован в зоне истории. Для генерирования элементов второго порядка предназначена команда Mesh, Generate second order elements. Результат выполнения команды можно также увидеть в зоне истории. Теперь можно сохранять и закрывать проект.
Физическое описание модели
В датчике ферромагнитного зубчатого ротора используются следующие основные материалы, ответственные за функциональность устройства:
• постоянный магнит из материала SmCo — гомогенного редкоземельного материала с анизотропными свойствами;
• магнитомягкая сталь ротора с нелинейной B(H) характеристикой.
Источником магнитной энергии является только энергия магнитного поля магнита.
В магнитостатическом применении (Magneto Static application) есть три случая:
1) статический;
2) геометрическое параметризованное вычисление;
3) физическое параметризованное вычисление.
Для магнитостатического исследования согласно первому случаю устанавливается фиксированное значение AIRGAP, все параметры допусков определяются нулевыми.
Для геометрической параметризации геометрические параметры ротора, зазора, допусков варьируются с некоторым шагом, вначале с большим, затем для некоторых параметров шаг может быть уменьшен/увеличен.
Для физической параметризации варьируются физические параметры материалов.
Сохраним созданный ранее проект под именем PHYS_SENSOR_3D.FLU.
Первый шаг физического описания разработанной модели во Flux — определение физического применения (3D Magneto Static) (рис. 13а). МКЭ функции для скалярных и векторных потенциалов поля во Flux для этого применения выбираются автоматически (рис. 13б).
Рис. 13а. Определение магнитостатического 3D-применения
Рис. 13б. Автоматическое назначение МКЭ функций для скалярных и векторных потенциалов в магнитостатическом применении 3D
іі.гііт'ігіі.-'іт.-.‘і
= Р—
V Е==
V л - Лшм
=Е“ -і" л — - ■- е»; ■,
Рис. 13в. Окно создания материала магнита
После активации физического применения становится доступным физический контекст описания модели. Два материала — SMCO и STEEL — создаются непосредственно в физическом описании по команде меню Physics, New Material (рис. 13в).
Пусть магнит намагничен вдоль X-оси в координатной системе CoordSys_MAG_SENSOR, с остаточной намагниченностью Br (T) = 0,9 Тл. Коэффициенты относительной магнитной проницаемости ^ назначим для оси X — 1.15, для осей Y и Z — по 1. Самарий-кобальтовые магниты и магниты из материала NdFeB хорошо аппроксимируются линейной кривой намагничивания. Магниты — это анизотропные материалы, так как намагниченность зависит от направления.
Материал STEEL пусть имеет следующие характеристики:
• начальный коэффициент относительной проницаемости — 3500;
Рис. 13г. Окно создания материала стали
Рис. 13д. Создание объемов магнита
Рис. 13е. Назначение объемов магнита геометрическим объемам
• поле насыщения — 1, 75 Тл;
• регулировочный коэффициент кривой
Knee adjustment — 0,075.
В дальнейшем эти значения могут быть па-раметризрованы — с тем, чтобы их изменять и контролировать перед запуском сценария решения.
Второй материал с нелинейной B(H) назначается для всех участков ротора с валом.
Объемы, необходимые для создания физического описания, создаются командой New volume region (Physics, Volume region, New) (рис. 13д) и назначаются геометрическим объемам (Physics, Assign regions to geometric entities, Assing regions to volumes (modification mode)) (рис. 13е).
Объемный регион AIR назначается объему бесконечного бокса и объемам ИС (в дальнейшем это можно видоизменить). Ориентация постоянного магнита определяется в координатной системе объемного региона.
Когда геометрическое, конечно-элементное описание и физическое описание моде-
ли завершено, становится доступным возможность создания и запуска сценария решения модели (рис. 14) — для ее статического изучения согласно выбранному применению, а затем и в динамических применениях.
Несколько слов о командных файлах
Командные файлы, также называемые программами или скриптами, делают возможными автоматизацию конечного числа специфических действий. Командный файл предназначен для ускорения выполнения наиболее частых операций, автоматического выполнения последовательности сложных задач.
Вместо ручного выполнения в среде Flux последовательности описанных действий для создания нового ротора можно экспортировать и импортировать в новый проект последовательность команд по созданию объектов в текстовый программный модуль на языке Python.
Сохраненная последовательность действий может быть далее модифицирована в модуле на языке Phyton (он авторизует использование переменных, осуществление циклов, условных или безусловных переходов) и выполнена в прямом или пакетном режимах.
Заключение
Хотя описанный процесс параметризации при геометрическом и физическом описа-
нии создания модели напоминает программирование и может показаться сложным, на самом деле при работе в любом CAD/ CAE-пакете необходим анализ взаимосвязей размеров и значений, а такая параметризация в дальнейшем значительно облегчает процесс изучения и оптимизации модели. Теперь, изменяя значения отдельных параметров и назначая их контролируемыми, можно по результатам решения строить 2D-и 3D-графики, различным образом визуализируя результаты, вплоть до получения анимированных изображений.
Процесс работы с геометрическим препроцессором Flux очень удобен, а единственная сложность, состоящая в параметрическом определении данных, в дальнейшем будет компенсирована тем, что с одной командой Edit array или даже непосредственно в окне запуска сценария решения пользователь сможет быстро редактировать целые массивы геометрических, конечно-элементных, физических данных. ■
Литература
1. Сысоева С. Развитие концепции математического и расчетного моделирования автомобильных датчиков скорости/положения // Компоненты и технологии.2007. № 12.
2. Сысоева С. Датчики скорости автомобиля. Анализ конструкций и перспективы развития // Компоненты и технологии. 2004. № 7.
3. Сысоева С. Датчики скорости автомобиля. Анализ конструкций и перспективы развития (окончание, начало в № 7'2004) // Компоненты и технологии. 2004. № 8.
4. Сысоева С. Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения. Часть 1. Постановка задач и общие конструкторские рекомендации //Компоненты и технологии. 2006. № 9.
5. Сысоева С. Новые концепции датчиков скорости/положения // Компоненты и технологии. 2008. № 1.
6. Сысоева С. Датчики близости/положения/расстояния. Важные обновления и дальнейшие перспективы // Компоненты и технологии. 2008.
№3.
7. Захаров И. С., Яцун С. Ф., Сысоева С. С. Исследование статических эффектов влияния обратного магнитного смещения в датчиках скорости автомобиля // Известия. Курский ГТУ. 2004. № 1 (12).
8. Захаров И. С., Яцун С. Ф., Сысоева С. С. Влияние частоты вращения ротора на функциональные свойства датчика скорости автомобиля // Телекоммуникации. 2004. № 5.
9. Захаров И. С., Яцун С. Ф., Сысоева С. С. Исследование параметрической чувствительности датчика скорости автомобиля в условиях погрешностей его монтажа // Телекоммуникации. 2004. №6.
10. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент РФ № 35441 на полезную модель по заявке № 2003127267 от 08.09.2003, МПК в 01 Р3/488, зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ 10.01.2004 / И. С. Захаров, С. Ф. Яцун, С. С. Сысоева.
11. Бесконтактный датчик скорости автомобиля, встраиваемый в коробку передач. Патент РФ № 36894 на полезную модель по заявке № 2003132947 от 11.11.2003, МПК в 01 Р3/488, зарегистрировано в Гос. реестре ПМ РФ 27.03.2004 / И. С. Захаров, С. Ф. Яцун, С. С. Сысоева.
12. Сысоева С. С. Экспериментальная установка для исследования виброустойчивости датчиков скорости автомобиля // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. / Курский ГТУ. Курск, 2003.
13. Захаров И. С., Яцун С. Ф., Сысоева С. С. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2260188 по заявке № 2004102133/28 (002114) от 26.01.2004. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений 10.09.2005.
14. Захаров И. С., Яцун С. Ф., Сысоева С. С. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2270452 по заявке на изобретение №2004102306/28 от 26.01.2004. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений 20.02.2006.
15. Сысоева С. Автомобильные цифровые магнитоуправляемые датчики угловой скорости и углового положения зубчатого ротора // Электронные компоненты. 2004. № 3.
16. Захаров И. С., Яцун С. Ф., Сысоева С. С. Разработка и исследование перспективных конструкций бесконтактных датчиков скорости автомобиля // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы III научно-техн. конф. Ч. 1. Пенза: ПГУАС, 2004.
17. Сысоева С. Интеллектуальные автомобильные датчики положения/скорости. Пути оптимизации. Часть 1 // Современная электроника.
2007. № 9.
18. Сысоева С. Интеллектуальные автомобильные датчики положения/скорости. Пути оптимизации. Часть 2 // Современная электроника.
2008. № 1.
19. Сысоева С. Сравнительный анализ возможностей применения датчиков Холла в автомобильных системах электрического рулевого управления // Компоненты и технологии. 2007.
№5.
