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电磁场有限元分析数据的转换算法

发布于:2016-04-14 21:22
有限元分析

      电磁约束凝固成形和电磁连铸等电磁材料加工及其有限元分析模拟技术是目前研究较为活跃的领域,电磁场作用下的合金凝固是一个多场作用下的热量、质量及流体动量强耦合传输过程,如冷坩埚电磁定向凝固过程中,高温金属熔体与冷坩埚壁之间存在剧烈的传热,同时电磁场对冷坩埚中的金属熔体有高密度的加热、搅拌及约束作用 对这些发生在四维时空中的复杂多物理场耦合问题,通常需要采用有限元(FEM)、有限差(FDM)或有限体积法等进行数值解析,许多多物理场相互作用下的复杂场量耦合计算常联合使用FEM和FDM来进行,并已成为一种趋势,由于FEM和FDM剖分网格空间结构差异较大,高效率的多场FEM=FDM耦合计算须有效解决两种数据格式的匹配,特别是三维FEM®FDM的数据格式转换问题。
      为有效地将高效率凝固耦合传输统一模型应用于电磁凝固传输计算中,需采用FEM与ZA相结合的耦合计算方法,即应用通用有限元App进行电磁场量的计算,采用基于有限差法的凝固传输统一数学模型计算电磁凝固耦合传输过程,为此,本研究提出一种将电磁场FEM计算结果转换成凝固传输耦合计算所需的FDM=ZA数据格式的有效方法。
      为检验本研究数据转换方法和程序的普适性,首先对冷坩埚电磁定向凝固系统、电磁连铸系统、电磁熔炼和搅拌系统中的电磁场进行计算,然后将有限元格式的数据转换为限差格式并显示,其中,冷坩埚电磁定向凝固系统造型和剖分如图所示,模型比例为本研究计算模型采用基于节点的方法,谐波模型除远场空气采用单元外,其余均采用单元。
      对于一些几何形状复杂的模型,经过一次完整循环,有时会出现某些有限差中心点找不到与之对应有限元单元的情况,也就是说没有得到插值结果,这时就需适当调整误差限,进行二次查找对应和插值,一般经过二次查寻都能找到对应单元,几何形状规则的模型,不会或很少出现需要二次查寻和对应的情况。通常情况下,为了提高耦合计算精度和适应模型中变尺寸区域,FDM网格比有限元单元小而多,FEM=FDM转换计算的单元对应过程中可能有多个FDM中心点落入同一FEM单元,如按六面体和五面体形函数进行插值计算,则这些落入同一FEM单元的多个FDM中心点的插值结果相近,这样便不能很好反映出因坐标变化而带来的场量变化。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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