一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种有限元网格之间的数据传递方法，尤其是一种磁场-结构场耦合 计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法。
【背景技术】
[0002] 基于间接耦合求解方法的磁场-结构场有限元数值计算，采用的基本步骤是：① 首先通过对磁场的有限元计算得到各个单元的电流密度J和磁感应强度B，洛伦兹力f?可通 过公式f = JXB求解得到；②将f?作为载荷施加到结构场；③最后通过结构场有限元计算 得到应力应变分布情况。在此求解过程中从磁场到结构场有限元网格间的电磁力密度传递 是影响计算精度较为重要的一个因素。然而，对于两个物理场网格间的电磁力密度传递，最 突出的矛盾是如果两个物理场分别采用的有限元网格形状大小、剖分密度均不相同时则无 法实现网格间的逐一对应映射。造成两个物理场网格不匹配的主要原因有两个：一是磁场 和结构场对网格离散具有不同的特征要求；二是采用不同的专业计算软件分别进行磁场和 结构场的仿真，而不同软件对网格的离散策略不同。
[0003] 针对上述问题，传统的处理方法分为两种：①：采用在求解域内施加平均载荷的 加载方式；②：兼顾磁场和结构场的网格离散要求，建立统一的有限元模型，进行网格之间 的逐一对应映射。前者对于时域瞬态多物理场耦合问题的实时求解，这种加载方式显然无 法满足工程设计需要；而后者则必须同时兼顾不同物理场对网格形状和精度的要求，导致 网格数量极大增加，引起计算量的增大。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间 的电磁力密度传递方法，提出异型网格数据传递方法来处理磁场-结构场耦合计算中整体 有限元模型不一致导致的网格间电磁力密度传递问题，解决磁场和结构场对网格剖分精度 以及形状不同需求的问题，可实现磁场和结构场采用不同类型网格之间的电磁力密度传 递，大大减少了网格数量，提高了计算时间及精度。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法，包括以下步 骤：
[0007] 1)、建立电磁场计算有限元模型，网格形状及大小根据研宄对象磁场分布特点而 定；
[0008] 2)、根据电磁场理论，对研宄对象进行电磁场数值计算，分别得到各单元的电流密 度J和磁感应强度B ;
[0009] 3)、再次建立研宄对象在结构场计算中的几何模型，根据力学理论中应力分布特 点，将模型离散为形状及大小均不同于电磁场的有限元网格；
[0010] 4)、读取结构场有限元模型中各单元重心的坐标Mid，rii，q);
[0011] 5)、在电磁场有限元模型中，根据坐标值找到对应结构场中各单元重心的点 M/ (xi； Zi)；
[0012] 6)、通过插值得到M/ (Xi，yi，Zi)的J和B，再根据公式f = JXB得到该点的f?值；
[0013] 7)、读取各重心点f值施加到结构场中各单元；
[0014] 从而得到结构场中各单元电磁力密度载荷。
[0015] 步骤1)和步骤3)中，在磁场和结构场计算中，分别根据磁场和结构场分布特点， 建立不同的有限元模型，网格离散形状及大小均不相同。
[0016] 步骤4)-步骤7)中，通过读取结构场中各单元重心坐标确定各重心点在磁场单元 中位置，通过在磁场有限元模型中的插值计算得到这些点的电流密度J和磁感应强度B，并 通过（JXB)得到各重心点电磁力密度，将电磁力密度映射到结构场有限元模型的各单元 上作为载荷，进行应力应变分布情况的求解。
[0017] 本发明一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法，技术 效果如下：
[0018] 允许在不同物理场求解时，模型以最适合控制方程求解特征的方式离散，所有单 元和节点不要求逐一匹配，而是读取单元重心坐标及数据插值等方式来实现不同网格间的 数据传递；在针对电磁装置的磁场、结构场间接耦合数值计算中，提出异型网格电磁力密度 传递方法，可解决磁场和结构场对网格剖分精度以及形状不同需求的问题，可实现磁场和 结构场采用不同类型网格之间的数据传递，大大减少了网格数量，提高了计算时间及精度。
[0019] 除用于解决磁场-结构场的耦合场计算，还可以推广至其他物理场（如磁-热耦 合等）之间的间接耦合数值计算，即磁场计算得到各单元功率损耗密度，需将该数据传递 至热场作为热源载荷进行温度分布计算，磁场与热场网格离散策略也不同，因此同样需要 实现不匹配网格间的电磁力密度传递传递，可借鉴本发明提出的方法实现。
【附图说明】
[0020] 图1 (a)是本发明步骤1)中磁场计算时采用四面体单元的示意图；
[0021] 图1 (b)是本发明步骤3)中结构场计算时采用六面体单元的示意图；
[0022] 图2是本发明步骤4)-步骤7)中电磁力密度传递过程示意图。 图3是实施例中所述电枢的几何尺寸图； 图4是实施例中所述导轨所施加脉冲电流图； 图5是实施例中所述电流密度J和磁感应强度B的分布图。
【具体实施方式】
[0023] -种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法，包括以下步 骤：
[0024] 1):建立电磁场计算有限元模型，根据研宄对象的磁场分布特点确定网格离散形 状及大小。
[0025] 2):根据电磁场理论，对研宄对象进行电磁场方程（1)、⑵进行数值计算，再根据 公式（3)，分别得到各单元的电流密度J和磁感应强度B :
【主权项】
1. 一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法，其特征在于包 括以下步骤： 1) 、建立电磁场计算有限元模型，网格形状及大小根据研宄对象磁场分布特点而定； 2) 、根据电磁场理论，对研宄对象进行电磁场数值计算，分别得到各单元的电流密度J 和磁感应强度B ; 3) 、再次建立研宄对象在结构场计算中的几何模型，根据力学理论中应力分布特点，将 模型离散为形状及大小均不同于电磁场的有限元网格； 4) 、读取结构场有限元模型中各单元重心的坐标MiUi, Iii, Gi); 5) 、在电磁场有限元模型中，根据坐标值找到对应结构场中各单元重心的点 M/ (xi； Yi, Zi)； 6) 、通过插值得到M/ (Xi，yi，Zi)的J和B，再根据公式f = JXB得到该点的f?值； 7) 、读取各重心点f值施加到结构场中各单元； 从而得到结构场中各单元电磁力密度载荷。
2. 根据权利要求1所述一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递 方法，其特征在于，步骤1)和步骤3)中，在磁场和结构场计算中，分别根据磁场和结构场分 布特点，建立不同的有限元模型，网格离散形状及大小均不相同。
3. 根据权利要求1所述磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方 法，其特征在于，步骤4)-步骤7)中，通过读取结构场中各单元重心坐标确定各重心点在磁 场单元中位置，通过在磁场有限元模型中的插值计算得到这些点的电流密度J和磁感应强 度B，并通过（JXB)得到各重心点电磁力密度，将电磁力密度映射到结构场有限元模型的 各单元上作为载荷，进行应力应变分布情况的求解。
4. 一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法，其特征在于， 用于磁场-热场耦合之间的间接耦合数值计算。
【专利摘要】一种磁场-结构场耦合计算中的异型网格间的电磁力密度传递方法，建立电磁场计算有限元模型，网格形状及大小根据研究对象磁场分布特点而定；对研究对象进行电磁场数值计算，分别得到各单元的电流密度J和磁感应强度B；再次建立研究对象在结构场计算中的几何模型，将模型离散为形状及大小均不同于电磁场的有限元网格；读取结构场有限元模型中各单元重心的坐标Mi(ξi,ηi,ζi)；根据坐标值找到对应结构场中各单元重心的点Mi'(xi,yi,zi)；通过插值得到Mi'(xi,yi,zi)的J和B，根据公式f＝J×B得到该点电磁力密度f值；读取各重心点f值作为载荷施加到结构场中各单元进行求解计算，得到应力分布结果。本发明可实现磁场和结构场采用不同类型网格之间的数据传递，提高了计算时间及精度。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104809297
【申请号】CN201510219130
【发明人】张宇娇, 秦威南, 黄雄峰
【申请人】三峡大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月30日