Компьютерные технологии в научных исследованиях энергоэффективности потребительских энергосистем АПК. Методология исследования инновационных электротехнологических процессов в программном комплексе ANSYS

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ, КОТОВ А.В., ОБУХОВ К.Н. 

 

 

 

 

 

 

 

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУЧНЫХ 

ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ 

ЭНЕРГОСИСТЕМ АПК 

 

Методология исследования инновационных электротехнологических процессов в 

программном комплексе ANSYS 

 

 

 

 

У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2014 

УДК 621.926:631.13 
ББК 30 в 6 
 
Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.В. Котов, К.Н. Обухов 
 
Рецензенты: д.т.н., профессор В.В. Касаткин (ИжГСХА); 
                      д.т.н., профессор А.Г. Новоселов (ИТМО); 
   д.т.н., профессор С.А. Ракутько (ГНУ СЗНИИМЭСХ) 

 

 
М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.В. Котов, К.Н. Обухов 
24: Компьютерные технологии в научных исследованиях энергоэффективности потребительских 
энергосистем АПК. Методология исследования инновационных электротехнологических 
процессов в программном комплексе ANSYS – СПб.: СПбГАУ, 2014. – 196 с. 
 

 

В условиях инновационного развития электротехнологий, компьютеризации, автоматизации и 

конкуренции целесообразна кардинальная переоценка роли знаний при подготовке кадров для потребительских 
энергосистем (ПЭС) АПК. Наукоемкой технологией ПЭС агропромышленного комплекса, способной 
обеспечить конкурентоспособность продукции нового поколения и энергоэффективность производств, является 
Computer-Aided 
Engineering. 
Этапу 
внедрения 
передовых 
электротехнологий 
требуется 
обновление 

компетенций при обучении научных сотрудников, исследователей-разработчиков, инженеров и технологов, 
обслуживающих и проектирующих энергоэффективные ПЭС. Изучение методологии исследований 
инновационных электротехнологий проведено с использованием современного компьютерного пакета 
программ  ANSYS  на примере научно-практических разработок кафедры «Энергообеспечение предприятий и 
электротехнологии». Модуль «Компьютерные технологии в научных исследованиях энергоэффективности 
потребительских энергосистем АПК» является апробированным  авторским курсом по научной школе 
Беззубцевой М.М. «Эффективное использование энергии. Интенсификация электротехнологческих процессов». 
Модуль органично интегрирован в общий образовательный процесс подготовки магистрантов по направлению 
35.04.06 - «Агроинженерия», направление подготовки «Электротехнологии и электрооборудование в АПК». 

Учебное пособие рекомендовано для магистрантов, инженеров и научных работников, занимающихся 

проблемами повышения энергоэффективности производственных процессов в ПЭС АПК. 
 

 

Одобрены к изданию учебно – методической комиссией Института технических систем, 

сервиса и энергетики. Протокол № 1 от 21 октября 2014 г. 

 
 

© М.М. Беззубцева,  
©  В.С. Волков, 
©  А.В. Котов, 
©  К.Н. Обухов, 
©  СПбГАУ 
 

 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...
4

Глава 1. Методы расчета магнитных систем ………………………………
6

1.1 Метод конечных разностей……………………………………………….
10

1.2 Метод интегральных уравнений………………………………………….
11

1.3 Метод конечных элементов………………………………………………
12

Глава 2. Программный комплекс ANSYS в научных исследованиях…….
14

2.1 Интерфейс программы ANSYS…………………………………………..
16

2.2 Построение геометрической модели…………………………………….
20

2.3. Восходящее проектирование…………………………………………….
22

2.3.1 Создание ключевых точек и операции с ними………………………
23

2.3.2 Создание постоянных точек и операции с ними……………………..
25

2.3.3 Создание линий и операции с ними…………………………………..
27

2.3.4 Создание поверхностей и операции с ними…………………………..
32

2.3.5 Создание объемных тел и операции с ними………………………….
35

2.4 Нисходящее проектирование…………………………………………….
39

2.4.1 Поверхностные типовые элементы……………………………………
40

2.4.1.1 Способы создания прямоугольной поверхности…………………...
40

2.4.2 Объемные типовые элементы………………………………………….
42

2.4.3 Создание модели с помощью булевых операций…………………….
46

2.5 Построение сеточной модели……………………………………………
65

2.5.1 Назначение атрибутов конечного элемента…………………………..
66

2.5.2 Назначение атрибутов сети на объектах геометрической модели…..
67

2.5.3 Назначение операций сеточного генератора и управление 
процессом построения сети…………………………………………………..
68

Глава 3. Методология исследований инновационных 
электротехнологических процессов научной школы «Эффективное 
исследование энергии. Интенсификация электротехнологических 
процессов» в среде программного комплекса ANSYS……………………..
80

3.1 Концепция исследований ………………………………………………..
80

3.2 Теоретические основы …………………………………………………...
84

3.3Алгоритм исследования…………………………………………………
89

3.4Рабочий документ анализа в интерактивном режиме ANSYS
трехмерного стационарного поля магнитной системы электромагнитного 
аппарата 
цилиндрической 
формы 
с 
магнитоожиженным 
слоем 

ферромагнитных элементов…………………………………………………
92

3.5 Рабочий документ исследования в интерактивном режиме ANSYS 
трехмерного стационарного поля магнитной системы электромагнитного 
аппарата дискового исполнения с магнитоожиженным слоем 
ферромагнитных элементов…………………………………………………..
146

Заключение……………………………………………………………………..
Литература……………………………………………………………………..

189
190

 

ВВЕДЕНИЕ 

      В 
условиях 
инновационного 
развития 
электротехнологий, 

компьютеризации 
и 
автоматизации, 
глобализации 
и 
конкуренции 

целесообразна кардинальная переоценка роли знаний при подготовке кадров 

для потребительских энергосистем (ПЭС) АПК. В современных условиях 

приоритетной задачей АПК является  создание конкурентоспособной и 

востребованной продукции нового поколения в кратчайшие сроки. Решение 

этой задачи требует накопление и трансфер новых знаний, создание и 

развитие наукоемких технологий с последующим объединением их в 

технологические цепочки ПЭС. При этом особое внимание необходимо 

уделять  разработке наукоемких инноваций и создание современных 

наукоемких 
компьютерных 
технологий. 
 
 
Наукоемкой 
технологией 

современных ПЭС агропромышленного комплекса, способной обеспечить 

конкурентоспособность продукции нового поколения, является Computer-

Aided Engineering. Этапу внедрения передовых технологий потребуется 

обновление 
компетенций 
при 
обучении 
научных 
сотрудников, 

исследователей-разработчиков, инженеров и технологов, обслуживающих и 

проектирующих энергоэффективные ПЭС. Невозможно использовать новые 

разработки и без комплекса управленческих инноваций: перехода к 

концепции управления жизненным циклом продуктов, управления цепочками 

или сетями создания стоимости, управления сложными системами и 

управления качеством ПЭС. Именно такой системный подход при обучении 

магистрантов внедрен в ОПП «Агроинженерия» по направлению подготовки 

«Электротехнологии 
и 
электрооборудование 
в 
АПК».      

Мультидисциплинарные знания и надотраслевые наукоемкие компьютерные 

технологии являются «конкурентными преимуществами завтрашнего дня» 

при эксплуатации  ПЭС АПК. Внедрение наукоемких компьютерных 

технологий (на базе пакета программ ANSYS)  в учебный процесс при 

подготовке 
агроинженерных 
кадров, 
обслуживающих 
ПЭС, 
позволит 

обеспечить инновационное развитие высокотехнологичных предприятий 

аграрного сектора экономики по пути повышения энергоэффективности. 

      При написании учебного пособия использован многолетний опыт 

реализации в учебном процессе магистерской программы  на кафедре 

“Энергообеспечение предприятий и электротехнологии”. 

Изучение методологии исследований инновационных электротехнологий 

проведено с использованием современного компьютерного пакета программ  

ANSYS 
 
на 
примере 
научно-практических 
разработок 
кафедры 

«Энергообеспечение 
предприятий 
и 
электротехнологии». 
Модуль 

«Компьютерные технологии в научных исследованиях энергоэффективности 

потребительских энергосистем АПК» является апробированным  авторским 

курсом по научной школе Беззубцевой М.М. «Эффективное использование 

энергии. Интенсификация электротехнологческих процессов». 

     Модуль органично интегрирован в общий образовательный процесс 

подготовки магистрантов по направлению 35.04.06 - «Агроинженерия», 

направление подготовки «Электротехнологии и электрооборудование в АПК». 

Учебное пособие рекомендовано для магистрантов, инженеров и научных 

работников, занимающихся проблемами повышения энергоэффективности 

производственных процессов в ПЭС АПК. 

 

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ СИСТЕМ 

Различают цепные и полевые методы расчета магнитных систем. 

Теоретической базой цепных методов является дисциплина «Основа теории 

цепей». Основой полевых методов является теория электромагнитного поля, 

главные уравнения которой впервые были выведены Максвеллом еще в 60-х 

годах XIX в. Полевые методы подразделяют на аналитические и численные. В 

учебниках 
по 
теории 
электромагнитного 
поля 
в 
основном 
описаны 

аналитические методы. Они позволяют проводить расчеты магнитных полей в 

некоторых частных случаях, при этом решение большинства практических 

задач получается столь сложными, что оказываются малопригодными для 

инженерных целей. Среди численных, наряду с методами конечных разностей 

(сеток) и интегральными, в настоящее время широкое распространение получил 

метод конечных элементов. 

 
Метод конечных элементов известен в математике как способ численного 

решения задач, которые описываются дифференциальными уравнениями 

второго порядка в частных производных. Главным ограничением его внедрения 

всегда был недостаточный объем памяти вычислительной техники. В связи с 

всеобщей компьютеризацией за последние десятилетия метод конечных 

элементов находит все большее применение во многих областях физики, 

техники, в том числе его используют и для расчета магнитных систем. 

Сложные инженерные задачи в настоящее время можно решить этим методом 

на современных персональных компьютерах. 

 
Известно 
достаточно 
много 
конечно-элементных 
компьютерных 

программ, в которых расчеты магнитных систем доведены до совершенства. 

Например, ANSYS, Vector Filds, FEMM, COSMOSM, FEMLAB, ELCUT. Весь 

расчет с помощью таких программ проводится обычно в интерактивном 

режиме. При этом не нужно писать сложные векторные уравнения теории поля. 

Можно даже не знать, как они выглядят. Такой расчет вполне доступен 

студентам и инженерам со знаниями среднего уровня. Программа сама 

разбивает моделируемое пространство на конечные элементы (треугольники, 

прямоугольники, тетраэдры, параллелепипеды и пр.) Необходимо только 

построить модель (обычно в интерактивном режиме), ввести свойства 

материалов (можно и нелинейные) и граничные условия, запустить расчет и 

вывести его результаты в числовом и графическом виде. Весь процесс анализа 

весьма нагляден, как правило, он сопровождается графическими построениями 

на экране компьютера. 

 
Все конечно-элементные программы можно разбить на две группы: 

программы, специально предназначенные для расчета магнитных полей и 

программы общего назначения, в которых метод конечных элементов 

используется для решения многих научно-технических задач, описываемых 

дифференциальными уравнениями в частных производных. Программы первой 

группы легки в освоении, но пока предназначены только для расчета 

двумерных полей, что сильно сужает круг задач, которые стоят перед ними. 

Программы второй группы обладают большими возможностями. Освоить их 

сложнее, стоимость их существенно выше. 

 
ANSYS занимает особое место среди конечно-элементных программ по 

нескольким причинам: во-первых, это старейшая программа такого типа, 

пользующаяся заслуженной популярностью; во-вторых она достаточно легко 

доступна. 

Основные 
методы 
расчета 
магнитных 
полей 
представлены 
на 

структурной схеме (рисунок 1.1). Часть этих методов (по картинам поля, 

построенным вручную; с помощью простых фигур; с использованием 

моделирования; метод расчетных моделей полюсов; с помощью эмпирических 

зависимостей и формул) условно отнесены к цепным [40]. 

 

Методы расчета электромагнитных полей

Цепные
Полевые

С помощью простых фигур (вероятных путей потока)

По двумерным картинам поля, построенным вручную

С использованием моделирования

Метод расчетных размеров полюсов

С помощью эмпирических зависимостей и формул

Численные

Интегральные

Аналитические методы

Сведение вихревого магнитного поля к 

квазистационарному

Метод конечных элементов

Метод конечных разностей

Граничных интегральных 

уравнений (вторичных источников)

Граничных интегральных 

уравнений (вторичных источников)

 

Рисунок 1.1 - Методы расчета электромагнитных полей 

 

Структурная схема наиболее известных аналитических методов расчета 

электромагнитных полей показана на рисунке 1.2.  Преимуществом 

аналитических методов является то, что по конечной формуле можно получить 

числовой результат для любых значений переменных. Кроме того, по этой 

формуле можно проанализировать связь между любой переменной и 

результатом. Однако,  аналитические методы имеют и недостатки, среди 

которых: зависимость магнитной индукции или напряженности магнитного 

поля в точку координат последней или другие аналитические выражения 

удается получить в конечном виде либо для небольшого числа простых 

случаев, имеющих частный характер, либо конечные выражения получаются 

столь сложными, что их приходится обрабатывать с помощью современных 

программных комплексов и конечный результат представляется в виде 

параметрических кривых.  

Аналитические методы расчета электромагнитных полей

По закону полного тока и уравнению непрерывности

По закону Био-Савара-Лапласа

Интегрирование уравнения Лапласа, в том числе 

методом разделения переменных

Метод наложения

 (обычно попутно с другими методами)

Метод участков (обычно в комбинации с другими 

методами)

Метод зеркальных изображений

Метод круговых гармоник

Метод коформных перобразований

 

Рисунок 1.2 - Аналитические методы расчета электромагнитных полей 

В настоящее время можно считать, что возможности аналитических 

методов практически исчерпаны, чего нельзя сказать о численных методах. 

Численные методы расчета электромагнитных полей

Метод конечных разностей

Метод интегральных уравнений

Метод конечных элементов

 

Рисунок 1.3 - Численные методы расчета электромагнитных полей 

1.1 МЕТОД КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ 

В литературе метод конечных разностей также называется методом сеток 

[40]. Для расчета с использованием данного метода, пространство внутри 

фигуры, обозначающей поле, разбивается сеткой на достаточно большое 

количество ячеек. Обычно ячейки сетки выбираются в виде квадратов. 

Считается известным значения скалярных магнитных потенциалов во всех 

точках границы. Необходимо определить их значения во всех узлах, 

расположенных внутри поля. Для получения приемлемых по точности 

результатов шаг сетки должен быть достаточно малым. Поэтому реальные 

задачи требуют значительного количества ячеек сетки, особенно если эти 

задачи трехмерные, требующие ввода пространственной сетки. А поскольку 

число решаемых уравнений и число неизвестных равно числу узлов сетки, то 

при числе узлов порядка 106 эта задача становится трудной даже для 

современных компьютеров. 

Погрешности метода обусловлены следующими причинами: 

1) неточностью уравнений связи точек. При выводе уравнений потенциалы 

точек раскладываются в ряд Тейлора, в котором обычно пренебрегают 

членами высоких порядков. Эта погрешность снижается с уменьшением 

шага сетки, но уменьшение шага сетки требует увеличения времени 

анализа, которое может превысить реальные возможности используемого 

компьютера; 

2) значение 
напряженности 
магнитного 
поля 
определяется 
путем 

пространственного дифференцирования рассчитанных по картине поля 

потенциалов. Это дополнительно увеличивает погрешность расчета 

искомой величины Н; 

3) дополнительная погрешность вводиться при расчете полей с бесконечно 

удаленными границами, к которым относятся поля большинства 

электромеханических устройств. 

Метод сеток исторически возник раньше других численных методов. 

Изначально он использовался даже в ручном расчете плоских полей. Этот 

метод достаточно хорошо разработан, подробно освещен в литературе, 

однако в последнее время интерес к нему со стороны расчетчиков 

магнитных полей уменьшился, главным образом из-за разработки более 

эффективных методов, таких как метод интегральных уравнений и метод 

конечных элементов. 

1.2 МЕТОД ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ 

Метод интегральных уравнений позволяет расчет в неоднородной среде 

(воздух, обмотка, магнитопровод и т.д.) свести к расчету в однородной среде 

(воздухе или вакууме). Неоднородности при этом заменяются вторичными 

источниками 
поля: 
наведенными 
вихревыми 
токами, 
источниками 
с 

поверхностной или объемной плотностью тока. 

В методе интегральных уравнений можно выделить два подхода к 

расчету. В первом используются условия на границах между неоднородными в 

магнитном отношении областями. Задача расчета неизвестных вторичных 

источников сводится к граничным интегральным уравнениям первого порядка 

и второго рода, которые далее приводятся к уравнениям в конечных суммах для 

подобластей с постоянными или кусочно-постоянными значениями магнитной 

проницаемости (в более общем случае-с кусочно-постоянной аппроксимацией 

объемной 
плотности 
магнитных 
зарядов 
– 
источников 
вектора 

намагниченности). 

Второй 
подход, 
который 
называется 
методом 
пространственных 

интегральных уравнений, базируется на общем интегральном выражении 

магнитной индукции через намагниченность деталей магнитной системы и не 

использует никаких дополнительных краевых условий. Расчет проводится по