Kapacitás számítása
Kételektródás elrendezés kapacitásának számítása | |
| |
Oktató
|
További oktatók:
|
Contents
[hide]A feladat célja
A hallgató megismerje a végeselem-módszerhez kapcsolódó főbb lépéseket, mint a geometria elkészítése vagy importálása, anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása, eredmények megjelenítése. Emellett pedig bemutasson a hallgatónak egy szabadon hozzáférhető szoftvert, ami nagyon jól használható disszertációk és kutatások során, köszönhetően felhasználóbarát grafikus felületének és tetszőlegesen konfigurálható megoldójának.
A feladat példája Dr. habil Gyimóthy Szabolcs egyetemi docens Elektromágneses terek előadásából származik. Az előadást ajánlom mindenkinek aki betekintést szeretne kapni a végeselem-módszer elméleti hátterébe, hogy mi az, amit legtöbbször a szoftverek elrejtenek a felhasználó elől.
A példa az előadásban a Matlab PDE Toolbox segítségével kerül megoldásra. Itt a szabadon hozzáférhető ONELAB (Gmsh + GetDP) és a kereskedelmi ANSYS Maxwell szoftverekkel lesz a megoldás bemutatva. Ezen utóbbi szoftver elsősorban az előadásban elhangzott adaptív hálósűrítés miatt.
A ONELAB a neve alapján (Open Numerical Engineering LABoratory) egy nyitott, elsősorban a végeselem-módszeren alapuló numerikus mérnöki laboratórium. Két fő részből áll, ahol a grafikus környezetet a Gmsh adja, ami az elő- és utófeldolgozó és a hálógeneráló szerepét tölti be. A megoldó pedig a GetDP, ami alkalmas 1D-s, 2D-s síkbeli és forgásszimmetrikus és 3D-s sztatikus, szinuszos és harmonikus, időfüggő és sajátértékfeladatok megoldására.
Érdekességképpen a GetDP mellett még létezik a GetDDM, ami egy tartomány-dekompozíciós módszeren (optimalizált Schwarz-módszer) alapuló megoldó nagyméretű végeselem-módszeren alapuló feladatokhoz. A másik érdekesség a ONELAB mobilapplikáció, ami lehetővé teszi, hogy mobil eszközök (mobiltelefon, tablet) is használjuk a ONELAB-ot.
A feladat megoldásához szükséges ismeretek
- A végeselem-módszer lépései és annak elméleti háttere;
- Elektrosztatikus terek, Laplace-Poisson-egyenlet;
- ONELAB részeinek (Gmsh, GetDP) ismerete.
A vizsgált elrendezés
A feladat részletes definiálása a videóban is megtalálható. Emellett készítettem egy háromdimenziós ábrát az elrendezés könnyebb elképzeléséhez és annak méretekkel ellátott keresztmetszetét. A feladat az eltolási szimmetria (Z
A feladat megoldásához a Laplace-egyenletet oldjuk meg
- −divεgradφ=0
- −divεgradφ=0
ahol φ
- ΓD1=0 V,
- ΓD2=100 V,
- ΓN=∂φ∂n=0(homogén Neumann-peremfeltétel).
- ΓD1=0 V
A szimulációval kapott eredmények
Az előbb megadott parciális differenciálegyenlet és peremfeltételekkel előálló feladat megoldásával a következő táblázatban összefoglalt eredmények születtek a kapacitás értékére. A Matlab PDE Toolbox megoldása az előadásból (Gyimóthy Szabolcstól) származik. Gyakorlatilag a négy szoftver azonos megoldásra vezetett. Ilyen szempontból sokkal érdekesebb a végeselemek száma. Mindegyik esetben lineáris háromszög elemekkel lett felbontva a vizsgált tartomány.
Matlab PDE Toolbox | ONELAB | ANSYS Maxwell | FEMM | |
---|---|---|---|---|
Végeselemek száma | 2944 | 2598 | 740 | 7885 |
Kapacitás [pF/m ]
|
173.51 | 173.78 | 173.33 | 173.70 |
A lineáris végeselemkből következik, hogy végeselemen belül a φ
- Az elektromos térerősség a vizsgált elrendezésben.
Az elektromos skalárpotenciál értéke az elrendezésben. | Az elektromos térerősség vektorai az elrendezésben. |