FEMM 5

Часть I · Интерфейс FEMM 5, геометрия, сетка и математические основы → § 2 · Геометрия и назначение свойств

Занятие 2.4

Импорт DXF: масштаб, слои, дуги и восстановление расчётных областей

Цель и задачи

Цель. Подтвердить сохранение масштаба и физики после импорта DXF.

Задачи

  • Проверьте импорт по контрольному размеру и ожидаемому градиенту U/L; ошибка масштаба в тысячу раз даёт такую же ошибку поля.
  • Проверьте контрольный размер по координатам и снимите напряжение и поле в той же внутренней точке.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Подготовительный этап методики · Проверка масштаба и пространственного распределения поля

Инженерный вопрос. Воспроизводит ли восстановленная модель исходный электростатический эталон?

Эти действия входят в подготовку расчёта любого устройства: они устанавливают связь источника, геометрии и наблюдаемой величины. Их результат позволяет выбрать допустимую постановку и способ извлечения будущей характеристики.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат этого этапа — проверенная постановка или воспроизводимая процедура перед серией расчётов.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Свяжите потенциал, его производные и измеряемые компоненты поля; выберите точки внутри областей и отдельно у границ.

  2. Экспортируйте геометрию эталонного прямоугольника в DXF, импортируйте в новый документ и восстановите его физические свойства.. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Проверьте контрольный размер по координатам и снимите напряжение и поле в той же внутренней точке.

  3. Ответить на вопрос по своим результатам. Проверьте знак, единицу и масштаб по постановке; используйте аналитическое поле, если для этого эталона оно выведено в занятии.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Контроль размера и двух величин с объяснением восстановленных свойств.

Данные именно этого опыта. Проверьте контрольный размер по координатам и снимите напряжение и поле в той же внутренней точке.

Оформление наблюдений. Координаты, компоненты поля, единицы, режим и принадлежность точки материалу; при сравнении профилей — одна ориентация оси.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Удвоение всех геометрических размеров при том же напряжении уменьшает |E| вдвое. Глубина не меняет V и E. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Независимый контроль. Используйте производную потенциала, аналитический однородный предел или закон источника, предусмотренный данным занятием.

Критерий выполнения. Длина 10 мм восстановлена по координатам; лишних и незамкнутых областей нет; V_{\mathrm{mid}} и E совпадают с исходным эталоном в пределах выбранного допуска.

Точность и расхождения. Критерий этого этапа — соответствие исходным данным, топологии, назначениям и процедуре повторного открытия. Численный допуск поля здесь не назначают: поле ещё не является защищаемым результатом. Расхождения размеров и параметров фиксируйте с единицами и происхождением.

Основание сравнения. Аналитический профиль из теории применим только при тех же источниках, материале и граничных условиях. Карта цветов не заменяет численное измерение.

Вывод для устройства

Поясните, где поле определяет полезный эффект устройства, а где локальная неоднородность ограничивает простую расчётную схему.

Границы вывода. Простой эталон проверяет конкретное действие или физический закон; перенос на устройство требует заново согласовать геометрию, материалы, режим и объёмный множитель.

Теория и вывод формул

Импорт DXF переносит геометрию чертежа в расчётную среду. Масштаб, замкнутость областей, физические свойства и единицы задачи необходимо проверить отдельно, поскольку слои чертежа не задают материалы FEMM.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (2.4) · Вывод контрольного соотношения

Физический и методический смысл

DXF переносит геометрическое описание; физические свойства и единицы расчётной задачи нужно установить и проверить отдельно. Слой чертежа не заменяет материал FEMM.

Размер 10 в файле без подтверждённой единицы может означать миллиметры, метры или условные единицы. Контрольный размер измеряют до назначения свойств. Перед построением сетки выявляют дублирующиеся линии, короткие рёбра и незамкнутые полилинии. Исправления вносят в рабочую копию, сохраняя исходный чертёж.

Вывод контрольного соотношения

Проверьте импорт по контрольному размеру и ожидаемому градиенту U/L; ошибка масштаба в тысячу раз даёт такую же ошибку поля.

\nabla^2V=0,\quad V(x)=100\frac{x}{0{,}01},\quad E_x=-\frac{dV}{dx}=-10^4\,\mathrm{В/м}
(2.4)
Идеальное однородное поле с изолированными боковыми границами; это не открытый конденсатор с краевым полем.
  1. Из симметрии и нулевого потока на горизонтальных сторонах потенциал не зависит от y.

  2. Интегрирование d^{2}V/dx^{2}=0 даёт V=ax+b. Два заданных потенциала определяют a=10000\,\mathrm{В/м} и b=0.

  3. В центре x=5\,\mathrm{мм} получаем 50 В; напряжённость направлена к меньшему потенциалу.

Границы применимости. Идеальное однородное поле с изолированными боковыми границами; это не открытый конденсатор с краевым полем.

Связь с опытом в FEMM

Экспортируйте геометрию эталонного прямоугольника в DXF, импортируйте в новый документ и восстановите его физические свойства.

Сначала вычислите контрольное значение вручную, затем сформулируйте ожидаемый знак и зависимость от одного параметра. Повторите опыт в рабочей копии с изменением только этого параметра. Сохраняйте геометрию, единицы, глубину, материалы, источники и граничные условия вместе с результатом. Успешное завершение решателя означает решение введённой модели, но само по себе не доказывает её соответствие устройству.

Проверка и границы вывода

Длина 10 мм восстановлена по координатам; лишних и незамкнутых областей нет; V_{\mathrm{mid}} и E совпадают с исходным эталоном в пределах выбранного допуска.

Удвоение всех геометрических размеров при том же напряжении уменьшает |E| вдвое. Глубина не меняет V и E.

Не исправляйте неизвестную систему единиц случайным Scale без записи коэффициента и контрольного размера.

Пояснения к официальному руководству

Подробности, которые следует учитывать при настройке и проверке модели. Все учебные пояснения.

DXF: допуск слияния узлов и перенос свойств

Импорт FEMM ориентирован на двумерный DXF revision 13 и извлекает линии, окружности и дуги. Неизвестные записи пропускаются. Поэтому наличие объекта в CAD не доказывает его появления в расчётной геометрии: после File/Import DXF сравните число замкнутых областей и характерные размеры с исходным чертежом.

Запрошенный при импорте tolerance — максимальное расстояние, при котором две точки считаются одной. Слишком малое значение оставляет щели и дубли; слишком большое сливает реальные тонкие зазоры. Выбирайте допуск существенно меньше минимального физического зазора и повторяйте проверку топологии. Большой чертёж может импортироваться медленно из-за проверки согласованности, а не из-за зависания.

Рамочное выделение Select Group включает только объекты текущего типа, полностью попавшие внутрь рамки. Чтобы перенести деталь с материалом, захватите также её метки и связанные границы либо заранее используйте ненулевую группу. Undo отменяет последнее добавление или удаление геометрии; для серии преобразований сохраняйте отдельный вариант. Export DXF передаёт геометрию обратно в CAD, после повторного импорта физические свойства восстанавливают и проверяют.

Проверьте на своей модели

  • Импортируйте образец с известным зазором дважды с различными допусками; сохраните значение, при котором зазор и замкнутость сохранены.
  • После копирования проверьте, что новые области имеют собственные метки и нужные граничные свойства.

Источник: [33]. § 2.1 · § 2.2.5

Разобранный численный пример

Линейное поле в прямоугольнике — аналитический эталон

Дано. Прямоугольник 10 × 10 мм, глубина 100 мм; V(0)=0\,\mathrm{В}, V(10\,\mathrm{мм})=100\,\mathrm{В}; верх и низ электрически изолированы; \varepsilon_r=2.

  1. Из симметрии и нулевого потока на горизонтальных сторонах потенциал не зависит от y.

  2. Интегрирование d^{2}V/dx^{2}=0 даёт V=ax+b. Два заданных потенциала определяют a=10000\,\mathrm{В/м} и b=0.

  3. В центре x=5\,\mathrm{мм} получаем 50 В; напряжённость направлена к меньшему потенциалу.

Ответ: V в центре = 50 В; E_x = -10000\,\mathrm{В/м}; E_y = 0.

Проверка: Удвоение всех геометрических размеров при том же напряжении уменьшает |E| вдвое. Глубина не меняет V и E. Значения получены аналитически и сами по себе не подтверждают выполнения полевого расчёта FEMM.

Практикум в FEMM 5

Экспортируйте геометрию эталонного прямоугольника в DXF, импортируйте в новый документ и восстановите его физические свойства.

Таблица 2.4. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Ширина10мм
Высота10мм
Глубина100мм
Напряжение100В
  1. Создайте Electrostatics Problem; Problem Definition: millimeters, Planar, Depth=100, Precision=1e-8.
  2. Постройте узлы (0,0), (10,0), (10,10), (0,10), соедините четырьмя отрезками. Добавьте одну метку внутри; \varepsilon_x=\varepsilon_y=2.
  3. Создайте две Fixed Voltage границы 0 и 100 В и назначьте левой и правой сторонам. Верх и низ оставьте с однородным естественным условием нулевого нормального D.
  4. Постройте сетку, запустите анализ и откройте результат. В Point Values прочитайте V, E_x, E_y в точке (5,5); затем выгрузите профиль на y=5\,\mathrm{мм}.

Ожидаемый результат. V в центре = 50 В; E_x = -10000\,\mathrm{В/м}; E_y = 0. Для FEMM сравнение действительно только при совпадении идеализации и граничных условий.

Как проверить. Удвоение всех геометрических размеров при том же напряжении уменьшает |E| вдвое. Глубина не меняет V и E. Прямое численное сравнение возможно только при совпадении всех исходных данных и постановки.

Оценка результата

Воспроизводит ли восстановленная модель исходный электростатический эталон?

  1. Проверьте контрольный размер по координатам и снимите напряжение и поле в той же внутренней точке.
  2. Проверьте знак, единицу и масштаб по постановке; используйте аналитическое поле, если для этого эталона оно выведено в занятии.

С чем сравнить. Аналитический профиль из теории применим только при тех же источниках, материале и граничных условиях. Карта цветов не заменяет численное измерение.

Итог работы. Контроль размера и двух величин с объяснением восстановленных свойств.

Самостоятельная работа

Экспортируйте геометрию эталонного прямоугольника в DXF, импортируйте в новый документ и восстановите его физические свойства. Сопоставьте исходный и изменённый режимы, сохраните исходные файлы, результаты и объяснение различия.

Критерий выполнения: Длина 10 мм восстановлена по координатам; лишних и незамкнутых областей нет; V_{\mathrm{mid}} и E совпадают с исходным эталоном в пределах выбранного допуска.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 18, 24, 100–105, 118–122
Пояснения и типичные ошибки
Какая информация обычно отсутствует в импортированной геометрии?

Материалы, физические источники, граничные условия, глубина модели и проверенная система единиц.

Какое контрольное число и единица проверяют этот опыт?

V в центре = 50 В; E_x = -10000\,\mathrm{В/м}; E_y = 0.

При каких предположениях получена приведённая формула?

Идеальное однородное поле с изолированными боковыми границами; это не открытый конденсатор с краевым полем.

На что обратить внимание

  • Не исправляйте неизвестную систему единиц случайным Scale без записи коэффициента и контрольного размера.
  • Идеальное однородное поле с изолированными боковыми границами; это не открытый конденсатор с краевым полем.