CN101571888B - 一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于继电器设计的综合仿真分析系统，实现多有限元软件联合仿真的继电器用多有限元软件联合仿真分析方法。包括继电器描述语言和有限元仿真软件的联合调用，继电器描述语言分为两大部分：参数部分和模型描述部分；有限元仿真软件的联合调用，采用RML语言对继电器进行建模；针对有限元仿真软件开发出相应的翻译模块；结合有限元软件安装情况、仿真分析类型和仿真参数生成可以控制仿真软件工作的脚本文件；根据继电器设计中不同的分析需要控制有限元软件进行仿真计算；本发明提出了一种用于航天电磁继电器设计的建模语言，通过对Ansys、Flux和Adams等有限元软件进行二次开发，从而实现了多有限元软件的联合仿真。

Description

一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法

(一)技术领域

本发明涉及继电器技术，具体说就是一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法。

(二)背景技术

航天电磁继电器是用于导弹、运载火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机及其配套地面测控设备中完成信号传递、执行控制、系统配电等功能的继电器，是国防电子系统中主要电子元器件之一。

电磁继电器由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，通过控制线圈电流所产生的电磁吸力驱动衔铁而实现触点开闭或转换功能。因此，针对电磁继电器的设计过程，涉及电磁场求解、机械动力学、热学等多个领域。而且由于磁系统的非线性，使得这一过程的定量计算和分析变得十分复杂。

目前，针对机、电、磁、热多场域的研究，多采用数值分析方法，其中以有限元方法应用最为广泛。而且，随着计算机技术的不断发展，不同领域的有限元分析软件也都日益成熟，如Ansys、Adams、Flux、Patran/Nastran等。虽然每种软件各有所长，但又都有一定的局限性，如Ansys能对静态的电磁问题进行求解，但对于瞬态电磁问题的求解，则需要用户自己编程实现；而Flux可以求解瞬态电磁场问题，但其求解动力学的模型相对简单，远不如Adams在处理运动学问题上得心应手。而在进行航天电磁继电器的设计过程中，其动态特性的分析就既要对电磁系统的瞬态电磁场问题进行研究，同时还要考虑接触系统的运动状态。对于继电器设计人员而言，每采用一种分析软件，就要重新进行一次建模，十分不方便，更不利于产品的设计和开发。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种用于继电器设计的综合仿真分析系统，实现多有限元软件联合仿真的继电器用多有限元软件联合仿真分析方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法，包括继电器描述语言RML和有限元仿真软件的联合调用，继电器描述语言RML分为两大部分：参数部分和模型描述部分；参数部分主要包含变量的定义，包括变量名和变量值；模型描述部分包含采用规定语法对继电器模型进行的描述；在语言中参数部分和模型描述部分分别采用Variable和Geometry两个关键字进行标识；在参数部分，参数表达格式如下：

参数名参数值

在模型描述部分，按照点、线、面、体层次定义了一系列的语句进行描述；

首先定义的是坐标系，其格式如下：

coord ID x1 y1 z1 x2 y2 z2 ID2

其中，ID为建立坐标系编号，x1、y1、z1分别是新坐标系原点在直角坐标系下三个轴的数值，x2、y2、z2分别是新坐标系相对于原坐标系在三个轴向的旋转值；ID2为原坐标系的编号；

点的定义为：

point ID x y z

其中，ID描述的点的编号，x、y、z为点在坐标中的三轴向数值；

线的定义为：

lines ID P1 P2

其中，ID为线的编号，P1、P2为线段两端点的编号；

面的定义为：

surf4 ID L1 L2 L3 L4

其中，ID为面的编号，L1、L2、L3、L4为组成面的四条线的编号；

体的定义为：

solidz ID S1 P1 P2

其中，ID为体的编号，S1为基准面，P1、P2为面拉伸方向的矢量控制点；

通过这些描述定义，可以描述继电器的所有几何信息，但考虑到实际工程中采用的工程图以长、宽、角度等信息作为参数的表达方法，与RML中采用的几何坐标为参数的表达方法不同；因此，定义了将这些点的几何坐标位置信息，转换为工程图纸中的参数信息，描述格式如下：

SetMap C Value K S1 S2 S3……SetMapEnd

其中，C为工程图纸中的参数名称，Value为这个参数的原始值，K为相关系数，S1、S2、S3为参数的编号，即满足式(1)的关系；

S_n＝S_n0+K(C₀-C)    (1)

其中，S_n为描述语言参数的当前值，S_n0为描述语言参数的原始值，

C₀为模型参数的原始值，C为模型参数的当前值；

有限元仿真软件的联合调用，具体步骤如下：

步骤一：采用RML语言对继电器进行建模，将其工程图纸中的尺寸信息转化为RML语言描述的脚本文件；

步骤二：针对有限元仿真软件开发出相应的翻译模块，将RML语言描述的继电器模型转化为对应有限元仿真软件的建模脚本；

步骤三：结合有限元软件安装情况、仿真分析类型和仿真参数生成可以控制仿真软件工作的脚本文件；

步骤四：根据继电器设计中不同的分析需要控制有限元软件进行仿真计算；

步骤五：有限元仿真软件生成仿真结果文件，对结果文件进行读取。

本发明一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法，提出了一种用于航天电磁继电器设计的建模语言——Relay Modeling Language(RML)，并通过对Ansys、Flux和Adams等有限元软件进行二次开发，使该语言所建的继电器模型可以被上述任一有限元软件识别。在此基础上，采用C++Builder开发工具开发了用于继电器设计的综合仿真分析系统，从而实现了多有限元软件的联合仿真。

(四)附图说明

图1为本发明的多有限元软件调用方框图；

图2为本发明的有限元仿真调用流程图；

图3为Flux有限元仿真软件调用流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1-图3，本发明一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法，包括以下内容：

1.RML建模语言

要使Ansys、Flux和Adams几个有限元仿真软件可以配合仿真，首要的是它们必须有共同的仿真模型来源，但是这几个有限元仿真软件的模型格式和脚本语言都不相同，而且它们之间不易转换。因此需要一个能够描述继电器模型的通用而且可以比较容易转换成需要的有限元仿真脚本语言。本发明制定了一种继电器描述语言(RML)实现这一功能。因为继电器描述语言需要转化为有限元仿真脚本，所以继电器描述语言参考有限元仿真脚本进行开发。同时参考计算机图形学的基本理论，按点、线、面、体的层次对继电器进行描述。

为了使继电器模型便于调整参数，为继电器设计提供极大的方便，继电器描述语言分为两大部分：参数部分和模型描述部分。参数部分主要包含变量的定义，包括变量名和变量值。模型描述部分包含采用规定语法对继电器模型进行的描述。在语言中参数部分和模型描述部分分别采用Variable和Geometry两个关键字进行标识。在参数部分，参数表达格式如下：

参数名参数值

在模型描述部分，按照点、线、面、体层次定义了一系列的语句进行描述。

首先定义的是坐标系，其格式如下：

coord ID x1 y1 z1 x2 y2 z2 ID2

其中，ID为建立坐标系编号，x1、y1、z1分别是新坐标系原点在直角坐标系下三个轴的数值，x2、y2、z2分别是新坐标系相对于原坐标系在三个轴向的旋转值。ID2为原坐标系的编号。

点的定义为：

point ID x y z

其中，ID描述的点的编号，x、y、z为点在坐标中的三轴向数值。

线的定义为：

lines ID P1 P2

其中，ID为线的编号，P1、P2为线段两端点的编号。

面的定义为：

surf4 ID L1 L2 L3 L4

其中，ID为面的编号，L1、L2、L3、L4为组成面的四条线的编号。

体的定义为：

solidz ID S1 P1 P2

其中，ID为体的编号，S1为基准面，P1、P2为面拉伸方向的矢量控制点。

通个这些描述定义，可以描述继电器的所有几何信息，但考虑到实际工程中采用的工程图以长、宽、角度等信息作为参数的表达方法，与RML中采用的几何坐标为参数的表达方法不同。因此，定义了将这些点的几何坐标位置信息，转换为工程图纸中的参数信息，描述格式如下：

SetMap C Value K S1 S2 S3......SetMapEnd

其中，C为工程图纸中的参数名称，Value为这个参数的原始值，K为相关系数，S1、S2、S3为参数的编号，即满足式(1)的关系。

S_n＝S_n0+K(C₀-C)    (1)

其中，S_n为描述语言参数的当前值，S_n0为描述语言参数的原始值，C₀为模型参数的原始值，C为模型参数的当前值。

2.有限元仿真软件的联合调用

具体步骤如下：

步骤一：采用RML语言对继电器进行建模，将其工程图纸中的尺寸信息转化为RML语言描述的脚本文件；

步骤二：针对有限元仿真软件开发出相应的翻译模块，将RML语言描述的继电器模型转化为对应有限元仿真软件的建模脚本；

步骤三：结合有限元软件安装情况、仿真分析类型和仿真参数生成可以控制仿真软件工作的脚本文件；

步骤四：根据继电器设计中不同的分析需要控制有限元软件进行仿真计算；

步骤五：有限元仿真软件生成仿真结果文件，对结果文件进行读取得到需要的继电器特性信息。

实施例2：结合图1、图2和图3，本发明是一种用于继电器设计的多有限元软件联合仿真方法，具体有限元软件调用仿真实例如下：

步骤一：采用RML语言对继电器进行建模，将其工程图纸中的尺寸信息转化为RML语言描述的脚本文件；

步骤二：Flux调用首先需要开发Flux的翻译模块，将RML模型文件转换为Flux可以使用的PYTHON语言的建模脚本。

首先是参数的转换，例如在RML语言中的参数

S5002-2.500E-03

其中，S5002是参数名，-2.500E-03是参数值

转换成PYTHON语言后是

ParameterGeom(name＝′S5002′，expression＝′-2.500E-03′)

接下来是坐标系的转换。

RML语言中坐标系为：

coord 5001 S5001 S5002 S5003 S5220 S5220 S5220 00

转换成PYTHON语言是

CoordSysCartesian(name＝′5001′，parentCoordSys＝Local(coordSys＝CoordSys[′XYZ1′])，origin＝[′S5001′，′S5002′，′S5003′]，rotationAngles＝RotationAngles(angleX＝′0′，angleY＝′0′，angleZ＝′S5220′))

点为：

point 5001 S5004 S5005 S5006 5001

转化为：

PointCoordinates(color＝Color[′White′]，visibility＝Visibility[′VISIBLE′]，coordSys＝CoordSys[′5001′]，uvw＝[′S5004′，′S5005′，′S5006′]，nature＝Nature[′STANDARD′])

线为：

lines 5001 5003 5007

转化为：

LineSegment(color＝Color[′White′]，visibility＝Visibility[′VISIBLE′]，defPoint＝[Point[3]，Point[7]]，nature＝Nature[′STANDARD′])

到此RML语言描述的继电器模型就可以全部转换为PYTHON语言的建模脚本。然后使用PYTHON语言中BuildFace和BuildVolume可以建立模型的面和体单元，从而完成继电器的实体建模。接着，采用assignMeshPoint命令控制分网的精细程度，以及Material和assignRegionToVolumes命令定义模型材料，Flux即可按照建模脚本对继电器进行建模、分网和材料属性设置。

步骤三：Flux仿真模块根据用户输入的衔铁转角参数和通过系统注册表得到的Flux安装状况，生成仿真脚本文件F3D_INI.SPI；

步骤四：Flux仿真模块再根据线圈电流信息控制Flux按照仿真脚本文件循环仿真出各种电流情况下的吸力特性；

步骤五：Flux仿真模块生成仿真结果文件CHARACTERISTIC-ANALYSIS.PRT，通过对结果文件进行读取得到需要的继电器吸力特性。

Claims (1)

1.一种继电器用多有限元软件联合仿真分析方法，包括继电器描述语言RML和有限元仿真软件的联合调用，其特征在于：继电器描述语言分为两大部分：参数部分和模型描述部分；参数部分主要包含变量的定义，包括变量名和变量值；模型描述部分包含采用规定语法对继电器模型进行的描述；在语言中参数部分和模型描述部分分别采用Variable和Geometry两个关键字进行标识；在参数部分，参数表达格式如下：

参数名 参数值

在模型描述部分，按照点、线、面、体层次定义了一系列的语句进行描述；

首先定义的是坐标系，其格式如下：

coord ID x1 y1 z1 x2 y2 z2 ID2

其中，ID为建立坐标系编号，x1、y1、z1分别是新坐标系原点在直角坐标系下三个轴的数值，x2、y2、z2分别是新坐标系相对于原坐标系在三个轴向的旋转值；ID2为原坐标系的编号；

点的定义为：

point ID x y z

其中，ID描述的点的编号，x、y、z为点在坐标中的三轴向数值；

线的定义为：

lines ID P1 P2

其中，ID为线的编号，P1、P2为线段两端点的编号；

面的定义为：

surf4 ID L1 L2 L3 L4

其中，ID为面的编号，L1、L2、L3、L4为组成面的四条线的编号；

体的定义为：

solidz ID S1 P1 P2

其中，ID为体的编号，S1为基准面，P1、P2为面拉伸方向的矢量控制点；

模型描述部分还包括将几何坐标位置信息转换为工程图纸参数信息的转换语句，描述格式如下：

SetMap C Value K S1 S2 S3......SetMapEnd

其中，C为工程图纸中的参数名称，Value为这个参数的原始值，K为相关系数，S1、S2、S3为参数的编号，即满足式(1)的关系；

S_n＝S_n0+K(C₀-C₁)        (1)

其中，S_n为描述语言参数的当前值，S_n0为描述语言参数的原始值，C₀为模型参数的原始值，C₁为模型参数的当前值；

有限元仿真软件的联合调用，具体步骤如下：

步骤一：采用RML语言对继电器进行建模，将其工程图纸中的尺寸信息转化为RML语言描述的脚本文件；

步骤二：针对有限元仿真软件开发出相应的翻译模块，将RML语言描述的继电器模型转化为对应有限元仿真软件的建模脚本；

步骤三：结合有限元软件安装情况、仿真分析类型和仿真参数生成可以控制仿真软件工作的脚本文件；

步骤四：根据继电器设计中不同的分析需要控制有限元软件进行仿真计算；

步骤五：有限元仿真软件生成仿真结果文件，对结果文件进行读取得到需要的继电器特性信息。

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