Abaqus之电磁多物理场仿真的实现
利用Abaqus，可以将不同的物理域耦合在一起。除了使用静态或动态应力分析对组件进行纯结构力学分析外，还可以模拟电磁现象。它们可以使用合适的耦合程序或联合仿真来耦合。联合仿真解决技术采用分离解决方案，其中多物理或多尺度问题被分为两个或多个子系统，每个子系统独立解决，并且在分析过程中交换解决方案数据。Abaqus分析可以与另一个Abaqus分析或其他分析程序结合，以解决多物理和多尺度模拟。这篇博文将讨论如何使用Abaqus中的合适程序建立电磁结构分析（电磁变形）。Abaqus中的耦合多物理场模拟类型一般来说，有三种不同类型的模拟可以在联合模拟中结合在一起。第一是“解耦分析”（见图1）。它可以使用映射策略进行模拟，其中一个分析的结果可用作另一个分析的起点。在我们的案例中，首先进行电磁分析，然后将结果用作结构分析的输入。第二种变体是“顺序耦合分析”（见图1）。在这种情况下，两个模拟以这样的方式耦合，即每个时间步的电磁力都会影响下一步的应力分析。第三种变体是“完全耦合分析”（见图1）。该分析是电磁力和电压相互影响的模拟。图1：三种不同类型的耦合模拟（1）“耦合模拟”主题应用于流体结构分析（横向磁通感应加热模拟）、电磁机械分析（磁脉冲转换模拟）、热电机械分析（插座传热分析）等各个领域。发表了一篇关于“热电机械分析”的文章（2）。我们的贡献将集中在“电磁力学分析”上，我们将其视为一种顺序耦合分析。电磁到非稳定隐式动力学分析对于电磁变换等应用很有用，其中电磁分析中的洛伦兹体力驱动非稳定动力学分析。支持瞬态电磁分析与静态或瞬态隐式动力学分析之间的联合仿真。在这种情况下，耦合只是单侧的，即不考虑部分区域变形对电磁场的影响。因此，仅当变形对电磁场的影响较小时才应使用这种分析(3)。Abaqus中的电磁变形–示例电磁成形主要用于拉伸、压缩或成形管状部件。有时也会形成平板状。图2显示了这三种不同类型的电磁成型——膨胀、压缩和扁平线圈。该工艺是一种利用电磁力使工件变形的高速成形工艺。例如，它可用于打孔或使管道等薄壁部件变形。成型和冲压所需的力来自线圈和工件之间的电磁相互作用。该组件，例如B.管道，根据管芯的设计而变形。图2：三种不同类型的磁脉冲转换（4）所描述的联合仿真是按照图3所示的工作流程进行的。图3：联合仿真的工作流程接下来，我们在电磁模拟中考虑一根铝管，在结构分析中，该铝管会随着钢芯的变形而变形。电磁仿真模型由环境空间、线圈和铝管三部分组成，力学分析模型由铝管和铁芯两部分组成，如图4所示。在这些分析中，磁学和力学两种物理现象是耦合的。在电磁模拟中，磁场是由线圈中的电流流动产生的，从而产生磁力。在第二次模拟中，这些力被用来压缩或变形铝管。构建模型必须遵循以下步骤：1.仿真模型设计第一步，创建、定位用于模拟的组件并赋予其合适的材料属性。该工艺的铝管厚度通常在0.1毫米至3毫米之间。对于电磁仿真，将仿真空间定义为“空气”，以分析仿真过程中磁场的传播。此外，还建立了流动电流的线圈和铝管的模型（见图4）。为此，要考虑“磁导率”和“电导率”。对于机械模拟，仅对铝管和钢芯进行建模。这描述了材料的“弹性和塑性行为”。图4：电磁和机械模拟的组件在Abaqus中输入参数之前，应该定义统一的单位系统。对于此分析，选择单位系统“mm-ts”。在我们的模型中，各向同性材料铜是根据文献中的材料特性定义的。具有电磁自由度的线性元素（EMC3D8）用于电磁模拟的网格划分策略。在机械模拟中，使用具有机械自由度的线性元素(C3D8)。Abaqus中实现了三种电磁模拟程序：低频时间谐波涡流（线性扰动过程）静磁（一般程序）低频瞬态涡流（一般程序）在这种情况下，使用低频瞬态涡流分析程序。此过程在Abaqus中通过关键字支持。然而，在AbaqusCAE中只有“低频时间谐波涡流”步骤可用。调整后的关键字应如下所示：*步骤，名称=电磁*电磁、低频、瞬态、稳定度=100稳定性有助于控制奇点，因为麦克斯韦方程中的磁矢势的公式可能导致奇点。稳定性的最大值为100，在本例中使用该值。Abaqus中电负载有多种选项。在这种情况下，电流被用作“体电流”，并具有适合电磁模拟的边界条件。在此过程中，极高的电流流过线圈，因为这是一个高速成型过程，需要强磁力。电流取决于工艺的具体要求，例如：B.工件的尺寸，材料的类型和所需的变形。峰值电流通常在50,000至1,000,000安培之间。对于力学分析，还定义了合适的力学边界条件，以确保模型的静态确定性。2.联合模拟区域的确定对于这两种模拟，都定义了一个相同的基于元素的区域，并研究其行为。Abaqus通过关键字“*CO-SIMULATIONREGION”支持此功能。在这种情况下，铝管是联合仿真区域。此外，通过指定在哪个分析中导入或导出哪些变量，根据字段变量来定义区域。这里，电磁力从电磁模拟中导出，并作为机械力导入结构分析中。调整后的关键字应如下所示：在电磁模拟中：*联合仿真区域，类型=体积，导出其他集名称，EMBF在结构模拟中：*联合仿真区域，类型=体积，导入其他集名称，CF3.耦合步骤的确定对于下一步，定义适当的耦合步骤。耦合步骤决定了联合仿真中分析之间的交换频率，直接影响耦合解的稳定性和准确性。偶联步骤的大小在每个偶联步骤开始时确定，并用于计算下一个目标时间点。为此，必须定义“增量大小”和“协商方案”。SIMULIA联合仿真引擎用于确定增量大小和协商方案。确定增量大小的方法有两种。一种方法称为“子循环”或自动方法。根据流程，Abaqus可以调整增量大小。对于需要减少增量大小的非线性事件，子循环允许Abaqus减少增量大小。另一种方法是“步调一致”。在这种情况下，Abaqus可以强制使用固定的时间步长。这使得两个求解器可以使用相同的时间步长，并避免在耦合步骤期间进行量的插值。然而，在使用锁步时，Abaqus无法减少时间增量来解决非线性事件，并在这些情况下终止模拟。SIMULIA联合仿真引擎提供多种协商方法，例如：例如“恒定耦合步长”、“最小耦合步长”、“最大耦合步长”、“让求解器指定耦合步长”和“恒定倍数”。详细解释可以在Abaqus在线文档(5)中找到。在这种情况下，使用“恒定倍数”。在此方法中，除了用户偏好的步长之外，耦合步长也由求解器决定。4.配置文件和模拟的执行要启动联合仿真，需要一个配置文件来链接两个仿真。为此，必须创建并保存两个输入文件。配置文件以.xml文件的形式写成。这个.xml文件可以是详细的，也可以是简化的。通常，当在Abaqus中耦合两个过程时，会使用文件的简化版本，以防止用户进行不必要的更改。另一方面，当Abaqus求解器要与另一个程序结合时，需要使用详细的.xml文件。fetch函数（abaqusfetchjob=exa_em_std_export）可用于为.xml文件创建模板。.xml文件内容如下：然后使用以下命令窗口启动联合仿真：abaqus协同仿真作业=em_job_name,st_job_namecosimjob=协同仿真作业名称配置=配置名称这里，“em_job_name”被替换为EM模拟的名称，“st_job_name”被替换为结构模拟的名称。联合仿真作业名称设置为“Cosimulation_job_name”，配置文件名为“config_name”。多物理场模拟结果分析执行模拟后，从EM模拟中对磁通密度(EMF)和导电区域中的物体磁力(EMBF)等输出进行矢量分析。EMB将定义环境中的磁场显示为矢量，而EMBF将铝管内的磁力显示为矢量（见图5）。在所选单位制中，输出EMBF的单位为𝐹𝑇−1𝐿−3。该输出作为输入CF导入到结构分析中，其在同一单位制中具有单位𝐹。单位转换可以通过详细的配置文件轻松完成，因此用户在这种情况下无需进行任何手动调整。图5：EM模拟的两个重要输出；a)EMB，b)EMBF然后在机械模拟中考虑铝管的变形。根据芯的形状，铝管会发生变形。管道内的张力将显著增加（见图6）。机械力如图7所示。图6：结构分析的两个重要输出；a)变形，b)应力图7：从CF结构上分析两种不同的观点总结Abaqus中电磁和机械模拟的结合使得更精确的组件开发成为可能。可以使用各种联合仿真方法来真实地模拟复杂的物理相互作用。其中一个例子就是磁脉冲成形，其中电磁力使薄壁部件变形而无需机械接触。这种高速成型工艺特别适合汽车和航空航天工业，其中50kA和1MA之间的大电流可以将应力增加到大约67GPa。Abaqus中的“低频瞬态涡流分析”可以可靠地计算力。其优点在于减少原型、降低成本并优化材料使用和质量。高速电流会产生强磁场，从而实现精确的零件变形，例如在管材成型和冲孔过程中。来源：ABAQUS仿真世界
