Współczesny proces projektowania inżynierskiego, szczególnie w dziedzinach takich jak elektronika, telekomunikacja, lotnictwo czy motoryzacja, wymaga zaawansowanego podejścia do symulacji oraz optymalizacji złożonych systemów. W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na narzędzia umożliwiające szybkie, dokładne i zautomatyzowane analizy, na rynku dostępnych jest wiele wyspecjalizowanych programów wspomagających inżynierię komputerową. Wśród nich szczególne miejsce zajmują Isight – narzędzie do zarządzania procesem optymalizacji i integracji symulacji, oraz CST Studio Suite – zaawansowane środowisko do analizy elektromagnetycznej 3D. Połączenie możliwości obu programów poprzez ko-symulację otwiera nowe perspektywy dla kompleksowej analizy i optymalizacji systemów technicznych.
Program Isight, opracowany przez firmę Dassault Systèmes, jest jednym z czołowych narzędzi umożliwiających tworzenie zautomatyzowanych przepływów pracy (Workflow) łączących różne narzędzia symulacyjne i obliczeniowe. Użytkownicy mogą budować złożone procesy optymalizacyjne, uwzględniające zarówno analizy numeryczne, jak i eksperymentalne dane wejściowe. Jedną z kluczowych zalet Isight jest jego elastyczność i możliwość integracji z szerokim spektrum programów zewnętrznych – zarówno komercyjnych, jak i autorskich kodów użytkownika. Dodatkowo, Isight oferuje szereg algorytmów optymalizacji (np. metody ewolucyjne, algorytmy gradientowe, projektowanie eksperymentów – DOE, etc.), a także rozbudowane narzędzia do analizy statystycznej i eksploracji przestrzeni projektowej. Dzięki temu inżynierowie mogą nie tylko znaleźć optymalne rozwiązania, ale również zrozumieć wpływ poszczególnych parametrów na działanie projektowanego systemu.
Z kolei CST Studio Suite, rozwijany przez firmę SIMULIA (Dassault Systèmes), to jedno z najbardziej zaawansowanych narzędzi do symulacji elektromagnetycznych. Oprogramowanie to umożliwia analizę szerokiego zakresu zjawisk elektromagnetycznych (EM) – od bardzo niskich częstotliwości, typowych dla urządzeń medycznych, maszyn elektrycznych i transformatorów czy systemów elektroenergetycznych, po częstotliwości rzędu gigaherców, charakterystyczne dla technologii komunikacyjnych, radarów, anten, układów RF czy układów mikrofalowych. CST Studio Suite oferuje różnorodne solvery – zarówno w dziedzinie czasu, jak i dziedzinie częstotliwości – co pozwala na dobór odpowiedniej metody obliczeniowej w zależności od analizowanego zagadnienia. Niezwykle istotne jest również to, że program CST pozwala na analizę sprzężeń między różnymi dziedzinami fizycznymi, takimi jak elektromagnetyzm, mechanika cieplna i mechanika strukturalna, co jest niezbędne w kontekście analizy wpływu warunków środowiskowych na układy elektroniczne.
Zestawiając teraz z sobą dwa potężne narzędzia – Isight i CST Studio Suite– możliwe jest utworzenie zautomatyzowanego środowiska do projektowania, symulacji i optymalizacji złożonych systemów elektromagnetycznych. Ko-symulacja, czyli współdziałanie dwóch lub więcej narzędzi obliczeniowych w ramach jednego przepływu symulacyjnego, pozwala na dokładne odwzorowanie wzajemnych zależności między różnymi komponentami systemu oraz na automatyczne dostrajanie parametrów projektowych. W przypadku integracji CST Studio Suite z Isight, użytkownik zyskuje możliwość pełnej automatyzacji procesu symulacji EM oraz sprzężenia go z algorytmami optymalizacyjnymi, co znacząco zwiększa efektywność projektowania.
W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję ko-symulacji z wykorzystaniem programów Isight i CST Studio Suite, koncentrując się na praktycznym zastosowaniu tej metody w procesie optymalizacji dławika ferrytowego typu E. Omówiono zarówno zalety integracji środowisk symulacyjnych i optymalizacyjnych, jak i kluczowe aspekty implementacji przepływu pracy obejmującego automatyzację analizy elektromagnetycznej oraz sterowanie parametrami konstrukcyjnymi modelu. Szczególną uwagę poświęcono doborowi liczby zwojów oraz długości szczeliny powietrznej, w celu uzyskania indukcyjności na poziomie 12.5 mH, przy zachowaniu warunku pracy materiału magnetycznego w zakresie liniowym. Przedstawiona metodyka może stanowić punkt wyjścia do dalszych analiz i optymalizacji urządzeń magnetycznych, również w kontekście ich pracy w zmiennych warunkach eksploatacyjnych i różnych zakresach częstotliwości.
Metodyka Ko-symulacji CST Studio Suite i Isight dla optymalizacji dławika ferrytowego
W ramach niniejszego opracowania przeprowadzono proces Ko-symulacji pomiędzy środowiskiem elektromagnetycznym CST Studio Suite a narzędziem do zarządzania symulacjami i optymalizacją Isight. Celem analiz było znalezienie takich parametrów konstrukcyjnych dławika wykonanego z materiału ferrytowego typu Fe-Mn, aby jego indukcyjność wynosiła 12.5 mH, przy jednoczesnym zapewnieniu pracy w zakresie liniowym charakterystyki magnesowania (tj. przy uniknięciu nasycenia materiału).
1. Model elektromagnetyczny w CST Studio Suite
Na pierwszym etapie przygotowano trójwymiarowy model geometryczny dławika w programie CST. Przyjęto geometrię dławika typu E, typową dla aplikacji energoelektronicznych. Dławik składał się z dwóch rdzeni ferrytowych typu E oraz szczeliny roboczej (ang. air gap) w środkowej kolumnie. Konstrukcję dławika ukazano na Fig. 1. Parametrami zmiennymi w analizie były:
- liczba zwojów uzwojenia,
- długość szczeliny powietrznej (w środkowej kolumnie rdzenia typu E).
Materiał rdzenia zdefiniowano jako ferryt Fe-Mn, z właściwościami elektromagnetycznymi (tu charakterystyka B-H – Fig. 2) pozyskaną na podstawie dokumentacji technicznej producenta. Szczególną uwagę zwrócono na nieliniową charakterystykę materiału, umożliwiającą ocenę poziomu nasycenia. Analiza została przeprowadzona przy użyciu solvera magnetostatycznego, pozwalającego na obliczenie wartości indukcyjności na podstawie rozkładu pola magnetycznego dla zadanego prądu wzbudzenia. W symulacji przyjęto, że dławik będzie pracował przy maksymalnej wartości prądu Ic = 1A.
Wynikiem symulacji była wartość całkowitej indukcyjności dławika, wyznaczana w oparciu o zgromadzoną energię magnetyczną lub analizę napięcia indukowanego w uzwojeniu.
2. Konfiguracja "workflow" w Isight
Po przygotowaniu modelu bazowego w CST, zbudowano następujący "workflow" w Isight (Fig. 3), obejmujący następujące komponenty:
- CST Component – moduł do zdalnego sterowania CST, z możliwością parametryzacji geometrii i automatycznego uruchamiania symulacji,
- Optimizer – komponent odpowiedzialny za prowadzenie optymalizacji (w tym przypadku zastosowano algorytm genetyczny GA),
- Constraint Evaluator – oceniający ograniczenia fizyczne, takie jak nasycenie materiału.
Parametry wejściowe w Isight to:
- liczba zwojów (wartość całkowita z zakresu: 230–330),
- długość szczeliny roboczej na kolumnie środkowej (w zakresie: 1 –4 mm).
Celem optymalizacji było uzyskanie indukcyjności statycznej dławika o jak najbliższej wartości 12.5 mH z tolerancją:
|L – 12.5 mH| ≤ 0.2 mH, dla najmniejszej wartości szczeliny powietrznej uzyskanej z procesu optymalizacji.
Dodatkowo wprowadzono kryterium nieliniowości materiałowej. Po każdej symulacji analizowano maksymalną wartość indukcji magnetycznej (B_max) w obszarze ferrytu i porównywano ją z wartością nasycenia (B_sat). Za dopuszczalną granicę uznano:
B_max ≤ 0.35 T
3. Proces optymalizacji i walidacji
Po skonfigurowaniu środowiska rozpoczęto proces iteracyjnej optymalizacji. Isight sterował wartościami liczby zwojów i długości szczeliny, modyfikował model geometryczny w programie CST, uruchamiał symulacje, zbierał wyniki i kierował kolejnymi iteracjami. Proces był w pełni zautomatyzowany. Przestrzenny rozkład funkcji celu, wraz z punktami uzyskanymi z procesu optymalizacji, dla rozpatrywanych wartości parametrów przedstawiono na Fig. 4, podczas gdy rozkład przestrzenny funkcji celu z uwzględnieniem funkcji kary na Fig. 5. W wyniku procesu optymalizacyjnego uzyskano wartość szczeliny roboczej o wartości „air_gap = 1.94 mm” oraz liczbie zwojów „N = 246”. Dla tak zdefiniowanych wartości parametrów zmiennych decyzyjnych uzyskano wartość indukcji statycznej L = 12.52 mH przy wartości B_sat = 0.285 T.
Po uzyskaniu rozwiązania końcowego przeprowadzono dodatkowe symulacje walidacyjne w CST w celu potwierdzenia poprawności działania w różnych warunkach prądowych. W symulacji uzyskano wartość indukcyjności statycznej dławika równą 12.56 mH. Sprawdzono również, czy nie występują lokalne obszary przekroczenia dopuszczalnej indukcji magnetycznej, co mogłoby prowadzić do lokalnego nasycenia rdzenia (Fig. 6).
4. Wnioski z przeprowadzonej optymalizacji:
Przeprowadzona ko-symulacja w środowisku CST Studio Suite i Isight potwierdziła wysoką skuteczność zintegrowanego podejścia do projektowania i optymalizacji elementów pasywnych, takich jak dławiki ferrytowe. Dzięki zastosowaniu automatycznego przepływu pracy, możliwe było spełnienie ściśle określonych wymagań funkcjonalnych (osiągnięcie indukcyjności statycznej 12.5 mH) oraz ograniczeń fizycznych (praca w zakresie liniowej charakterystyki materiału, tj. bez nasycenia rdzenia).
W wyniku optymalizacji udało się:
- określić optymalną liczbę zwojów i długość szczeliny roboczej, zapewniające pożądaną wartość indukcyjności przy zachowaniu marginesu bezpieczeństwa względem wartości nasycenia materiału ferrytowego,
- skrócić czas projektowania poprzez automatyzację iteracyjnego procesu doboru parametrów geometrycznych bez konieczności ręcznego uruchamiania symulacji,
- zweryfikować rozkład pola magnetycznego w całym obszarze rdzenia i zidentyfikować punkty krytyczne, co umożliwiło ocenę lokalnych wartości indukcji i potwierdzenie pracy w dopuszczalnym zakresie materiałowym,
- potwierdzić, że zastosowanie algorytmu genetycznego skutecznie wskazał wartości poszukiwanych zmiennych decyzyjnych.
Wyniki przeprowadzonej optymalizacji wskazują, że integracja narzędzi symulacyjnych i optymalizacyjnych, takich jak CST i Isight, pozwala na realizację złożonych zadań projektowych w sposób efektywny, powtarzalny i odporny na uchybienia. Takie podejście jest szczególnie korzystne w przypadku projektowania elementów indukcyjnych, gdzie występuje silna nieliniowość materiałowa oraz ścisłe zależności geometryczne wpływające na parametry funkcjonalne urządzenia.
Chcesz wypróbować pakiet CST STUDIO SUITE? Skontaktuj się z nami!
