CAE
система
APM ElectroMagnetic Analysis
ОПИСАНИЕ КОНФИГУРАЦИИ
APM ElectroMagnetic Analysis – программный продукт для анализа электростатических, магнитостатических, а также электромагнитных низкочастотных и высокочастотных процессов потребность данных видов расчета возникает в задачах проектирования, анализа и диагностики электронного и электротехнического оборудования, а также оборудования средств связи.
Расчеты выполняются для стационарных и нестационарных режимов.
Главным назначением продукта является повышение эффективности проектирования электротехнических объектов, антенных устройств и оборудования средств связи за счет автоматизации инженерных расчетов.
Функциональные возможности системы APM EMA по решению систем уравнений электродинамики включают широкий спектр инструментов, предназначенных для подготовки моделей, являющихся предметом анализа:
- Электростатика
- Поле постоянных токов
- Магнитостатика
- Нестационарное электромагнитное поле (низкочастотная область)
- Электромагнитные волны и их излучение (высокочастотная область)
Электростатика
Задачи данного класса позволяют производить расчет характеристик стационарных электрических полей в диэлектриках
Средства программы APM EMA, используемые для анализа электрического поля, касаются двух областей электрических явлений: протекание постоянного тока (проводники), электростатика (диэлектрики). К типичным параметрам, представляющим интерес, относятся: плотность тока, напряженность электрического поля, распределение напряжений, тепловое действие тока, энергия и силы электрического поля, электростатическая емкость, сила тока и падение напряжения.
Могут решаться трехмерные задачи, возникающие при разработке различных устройств, таких как накопительные шины, линии электропередач, высоковольтные изоляторы, экранирующие кожухи, конденсаторы и т.п.
В качестве теоретической основы для анализа стационарного электрического поля в программе используется уравнение Лапласа. Основными неизвестными (узловыми степенями свободы), определяемыми в результате конечно-элементного решения, являются электрические потенциалы (напряжения). По их значениям вычисляются остальные параметры.
![Расчет характеристик стационарных электрических полей в диэлектриках в APM EMA](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/635b98b78c35bf98183bd76b_APM-EMA-%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0.jpg)
Анализ электростатических полей используется для расчета характеристик электрического поля и распределения потенциалов, обусловленных системой электрических зарядов или падением напряжений. Допускаются два вида нагрузок: разность потенциалов и плотность зарядов. Предполагается, что выполняется линейный анализ, т.е. параметры, характеризующие электрическое поле, линейно зависят от приложенного напряжения.
Решение состоит в получении величин электрических потенциалов в узлах, дает возможность найти напряженность электрического поля и плотность тока.
Поле постоянных токов
Задачи данного класса позволяют производить расчет характеристик стационарных электрических полей в проводниках
Программу APM EMA можно использовать для нахождения плотности тока и распределения электрических потенциалов (напряжения), возникающих в электрических цепях при протекании постоянного тока или за счет падения напряжения. В качестве входных параметров рассматриваются два вида нагрузок: ток и напряжение. Анализ предполагается линейным, т.е. величина электрического тока на отдельных участках цепи пропорциональна входному току.
![Расчет характеристик стационарных электрических полей в проводниках в APM EMA](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/635b98feda088ac0c21a82b8_APM-EMA-%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85-%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%B2.jpg)
Задача протекания постоянного электрического тока решается с использованием функции потенциала и сводится к вычислению электрических потенциалов (плотности тока или напряжений) в узлах модели.
Магнитостатика
Задачи данного класса позволяют производить расчет характеристик стационарных магнитных полей в проводниках с током, ферромагнитных средах и вакууме
Анализ статического электромагнитного поля возможен для трехмерных задач в линейной постановке. Трехмерная задача магнитостатики является результатом минимизации функционала магнитной энергии, ассоциированного трехмерным вектором потенциала. Имеется возможность моделировать проводники и постоянные магниты в виде источников.
Проводники моделируются конечными элементами или с помощью твердотельных примитивов в виде прямого или кругового стержня и витков катушки. Пользователь имеет возможность моделировать железные сердечники и немагнитные материалы (воздух).
![Расчет характеристик стационарных магнитных полей в проводниках с током, ферромагнитных средах и вакууме в APM EMA](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/635b993141909da5cf1ed5c4_APM-EMA-%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0.jpg)
Программа APM EMA предоставляет в распоряжение пользователя линейные магнитных веществ, включая значения магнитной проницаемости для изотропных и ортотропных материалов. При постпроцессорной обработке результатов имеется возможность получить картину вектором потенциала, плотность магнитного потока и напряженность магнитного поля.
Нестационарное электромагнитное поле (низкочастотная область)
Задачи данного класса позволяют производить расчет характеристик нестационарных электромагнитных магнитных полей в проводниках с током, ферромагнитных средах и вакууме
Электромагнитный анализ можно выполнить для задач в трехмерной постановке. При анализе неустановившегося переходного процесса вычисляются векторы потенциала, индукция и напряженность магнитного поля, плотность потока и напряженность электромагнитного поля.
Для решения этих уравнений используется неявная схема интегрирования по времени Кранка-Никольсона. Схема интегрирования Кранка-Никольсона представляет собой дискретную процедуру, с помощью которой вектор потенциалов поля вычисляется в отдельных точках временного интервала.
![Расчет характеристик нестационарных электромагнитных магнитных полей в проводниках с током, ферромагнитных средах и вакууме в APM EMA](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/635b996748857d91e8e0244a_APM-EMA-%D0%9D%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5-%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5--(%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BA%D0%BE%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8C).jpg)
Анализ для электромагнитного поля высокой частоты выполняется на основе полной системы уравнений Максвелла, т.е. с учетом распространения электромагнитных волн. Такой вид анализа требуется в тех случаях, когда длина волны сравнима с определяющими размерами устройства.
Важно понимать, что для высокочастотного электромагнитного поля применяются «реберные» конечные элементы, дискретная связь у которых осуществляется не через узлы, а через ребра, с которыми ассоциированы степени свободы – проекции вектора напряженности электрического поля на ребро.
Для высокочастотного электромагнитного поля доступен модальный анализ.
Модальный анализ СВЧ структур
Модальный анализ используется для определения собственных частот и форм колебаний для полых резонаторов. Анализ должен предшествовать любому динамическому расчету резонатора, так как знание основных мод и частот колебаний дает возможность адекватно характеризовать переходные процессы в системе.
![Расчет собственных частот и форм нестационарных электромагнитных магнитных полей высокой частоты в различных средах в APM EMA](https://uploads-ssl.webflow.com/577f3315340bfadb0a80534f/635b999f258e282e4b16887b_APM-EMA-%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B-%D0%B8-%D0%B8%D1%85-%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5.jpg)
Для решения задачи о собственных значениях используется метод Ланцоша. Модальный анализ можно использовать для определения резонансных свойств системы, в том числе с учетом диэлектрических и поверхностных потерь. При этом потери предполагаются малыми и не оказывающими влияния на собственные частоты системы.