电磁场数值分析可视化软件系统的研究
|
摘要
随着能源工业的发展，电机、大型电力变压器、高压开关等电气装备的应用越来越多，对它们的性能、质量及制造精度的要求也越来越高，这就要求电气装备制造厂家必须对电气产品进行精确的设计，以满足现代社会对电气产品高质量、高性能的要求。
由于电气产品的形状各异、结构复杂、材料非线性和电磁耦合等特点，利用传统的解析方法难以获得满意的分析和计算结果。随着计算机和计算技术的飞速发展，数值分析法受到越来越普遍的重视，特别是在电气产品的设计和优化中，采用有限元法对电磁场的模拟一直是研究者关注的问题。而应用面向对象的方法来研究有限元，是一种新的设计和构造有限元软件的方法。本文从计算机科学的角度出发，将电磁场数值分析方法与软件科学相结合，研究了面向对象有限元方法的原理，设计了电磁场数值分析可视化软件系统。
文中首先介绍了面向对象有限元的基本概念和发展概况，讨论了这种方法在电磁场数值分析软件应用中的必要性与可行性，系统研究了面向对象的程序设计方法。接着设计了面向对象有限元软件的体系结构，并深入研究了软件可视化平台。根据上述的理论基础，设计完成了基于Windows98／2000／XP平台的可视化软件。这个软件在可操作性、高效性方面具有独到之处。
最后，运用本文的软件对高压断路器的电磁场进行了有限元分析，获得了较为满意的结果，从而验证了本文面向对象有限元方法的有效性和正确性。
With the development of energy industry, the application of electrical equipments, such as electric motors, large capacity transformers, high voltage switches etc, are more and more used in many industrial fields. Therefore, it is essential for electrical manufacturers to design their products more precise, to meet the requirements of electrical products with higher quality and higher performance in modern society.
It is difficult to achieve the satisfactory results both of analysis and calculation by using traditional method because of the different shapes of the devices, structure complexion, material non-Linearity and the reason of electromagnetism coupling. With the rapid development both of computer and calculating techniques, Numerical Analysis become more emphatic, especially, researchers always focus on analog electromagnetic fields by using Finite Element Method in the design electric products and optimize the products. But using object oriented programming to study Finite Element is a new method to design and construct Finite Element. This article researched Finite Element theory by using the method of object oriented programming, designed visual software system of Numerical Analysis of Electromagnetic Fields with the science attitude, combining the method of Numerical Analysisof Electromagnetic Fields with software science.
First, this text introduce fundamental concepts and conditions of development about Object Oriented Finite Element, and discussed the way which is essentiality and flexibility in the application of electrical Numerical Analysis analysis software, and also systemic studied the designing method of object oriented programming. Second, it designed system structure of Object Oriented Finite Element software, and studied the visual software is completed based on windows 98/2000/xp in accordance with the above mentioned theory basis. This software has its own unique features in efficiency and serviceability.
Finally, the Finite Element Analysis of electromagnetic fields of large capacity transformer and mechanic-electric equipments were carried by using software designed in the article, achieving the satisfactory results, certifying correct and efficient of the method of Finite Element.
由于电气产品的形状各异、结构复杂、材料非线性和电磁耦合等特点，利用传统的解析方法难以获得满意的分析和计算结果。随着计算机和计算技术的飞速发展，数值分析法受到越来越普遍的重视，特别是在电气产品的设计和优化中，采用有限元法对电磁场的模拟一直是研究者关注的问题。而应用面向对象的方法来研究有限元，是一种新的设计和构造有限元软件的方法。本文从计算机科学的角度出发，将电磁场数值分析方法与软件科学相结合，研究了面向对象有限元方法的原理，设计了电磁场数值分析可视化软件系统。
文中首先介绍了面向对象有限元的基本概念和发展概况，讨论了这种方法在电磁场数值分析软件应用中的必要性与可行性，系统研究了面向对象的程序设计方法。接着设计了面向对象有限元软件的体系结构，并深入研究了软件可视化平台。根据上述的理论基础，设计完成了基于Windows98／2000／XP平台的可视化软件。这个软件在可操作性、高效性方面具有独到之处。
最后，运用本文的软件对高压断路器的电磁场进行了有限元分析，获得了较为满意的结果，从而验证了本文面向对象有限元方法的有效性和正确性。
With the development of energy industry, the application of electrical equipments, such as electric motors, large capacity transformers, high voltage switches etc, are more and more used in many industrial fields. Therefore, it is essential for electrical manufacturers to design their products more precise, to meet the requirements of electrical products with higher quality and higher performance in modern society.
It is difficult to achieve the satisfactory results both of analysis and calculation by using traditional method because of the different shapes of the devices, structure complexion, material non-Linearity and the reason of electromagnetism coupling. With the rapid development both of computer and calculating techniques, Numerical Analysis become more emphatic, especially, researchers always focus on analog electromagnetic fields by using Finite Element Method in the design electric products and optimize the products. But using object oriented programming to study Finite Element is a new method to design and construct Finite Element. This article researched Finite Element theory by using the method of object oriented programming, designed visual software system of Numerical Analysis of Electromagnetic Fields with the science attitude, combining the method of Numerical Analysisof Electromagnetic Fields with software science.
First, this text introduce fundamental concepts and conditions of development about Object Oriented Finite Element, and discussed the way which is essentiality and flexibility in the application of electrical Numerical Analysis analysis software, and also systemic studied the designing method of object oriented programming. Second, it designed system structure of Object Oriented Finite Element software, and studied the visual software is completed based on windows 98/2000/xp in accordance with the above mentioned theory basis. This software has its own unique features in efficiency and serviceability.
Finally, the Finite Element Analysis of electromagnetic fields of large capacity transformer and mechanic-electric equipments were carried by using software designed in the article, achieving the satisfactory results, certifying correct and efficient of the method of Finite Element.
引文
[1] 周克定．工程电磁场数值分析．1999．北京：机械工业出版社．82页
[2] 邓巍巍，王越男．Visual FORTRAN编程指南．2000．5．北京：人民邮电出版社．61页．
[3] 唐章宏，薛赛男等．Visual Fortran程序设计．2000．8．北京：人民邮电出版社．
[4] 谭浩强，田淑清．FORTRAN语言(FORTRAN 77结构化程序设计)．1990．3．北京：清华大学出版社．
[5] 孙克金，刘念等．交流电机CAD系统研究．电气时代．2002，3
[6] 胡敏强，严登俊等．适用于电机电磁场有限元分析的前处理软件系统．中小型电机．2000，1
[7] 郑人杰．软件工程．北京：清华大学出版社．1999．
[8] 钟珞，徐宝文．计算机软件方法学．中国铁路出版社．1996
[9] 李友仁．软件工程与软件质量分析．电子工业出版社．1987
[10] 方志刚，马卫娟．支持复杂语义实现的直接操纵用户界面模型．计算机研究与发展．1997
[11] Mullin, M. M., Object-Oriented Program Design: with Examples in C++, Addison-Wesley, Reading, 1989
[12] B. Sheiderman. Direct manipulation. A Step Beyond Programming Languages. IEEE Computer, 16(8), 1983
[13] 姜礼尚，庞之恒．有限元方法及理论基础．北京：人民教育出版社．1980
[14] 吕和祥，蒋和洋．非线性有限元．北京：化学工业出版社．1992
[15] 鲍居武，徐新，程品．软件工程概论．北京：北京师范大学出版社．1996
[16] 何援军．计算机图形学算法和实践．长沙：湖南科学技术出版社．1990
[17] 张向，许晶月，沈启或，阮雪榆．面向对象的有限元程序设计．计算力学学报．Vol．16，No2．1999．216～225
[18] 顾玉良，王立福．面向对象软件测试过程研究．计算计科学．Vol．26，No4．1999．75～79
[19] 王兰波，蔡勋，李林惠．面向对象的可视化应用平台．计算计科学．Vol．24，No4．1997．84～87
[20] 施军，蔡勋，李晓梅．面向对象的可视化应用平台．中国青年计算机研究新进展．西北工业大学．1994．283～287
[21] D. R. Rehak and J. W. Baugh, Jr., Alternative Programming Techniques for Finite Element Program Development, Proc., IABSE Colloquium on Expert Systems. in Civil Engineering, Bergamo, italy, 1989
[22] Peskin R. L., Russo M. F., An Objected-Oriented System Environment For Partial Differential Equation Solving, Proceedings ASME Computations in Engineering, 409～415,1988
[23] Miller G. R., ALISP Based, Object-Oriented Approach To Structural Analysis, Vol.4,197～203,1988
[24] Fenves G. L., Object-Oriented Programming for Engineering Software Development, Engineering with Computers, No 6, 1～15,1990
[25] 于卫，杨卫东，蔡晓尧．软件体系结构的可视化描述与实现．计算机科学．Vol．26，No10．1999．81～83
[26] 姜鸿飞，全炳哲，金淳兆．面向对象开发方法的最新进展．计算机科学．Vol．25，No2．1998．51～54
[27] 胡华，高济，何志均．基于软件体系结构的软件设计及构造．计算机科学．Vol．26，No10．1999．81～83
[28] 尹柏生．有限元分析系统的发展现状与展望．产品与技术．2000，4
[29] 刘红．有限元基本概念与原理．产品与技术．2000，4
[30] 项阳，平扬，葛修润．面向对象有限元在岩土工程中应用．岩土力学．Vol．21，No3．2000．
[31] Edward Yourdon & Carl Argila．殷人昆等译．实用面向对象软件工程教程．PRENTICE HALL出版公司．1998，6
[32] Peter Coad，Edward Yourdon，邵维忠等译．面向对象的分析．北京大学出版．1992
[33] O. C. Zienkiewicz and R. L. Taylor. The Finite Element Method. (Fourth Edition).Mcgraw-Hill Book Company. 1988
[34] 唐立民．有限元分析的若干基本问题．大连工学院学报．1979．18(2)．1～15
[35] 唐立民，陈万吉，刘迎曦．有限元分析中的拟协调元．大连工学院学报．1980．19(2)，19-35
[36] 邵维忠，杨芙清．《面向对象的系统分析》北京：清华大学出版社．1998．12
[37] 李师贤，李文军，周晓聪．第1版．《面向对象程序设计基础》．高等教育出版社．1998．8
[38] 周晓聪，李文军．《基于知识的面向对象软件开发方法研究》．中山大学学报论丛．Vol．6．1996．70-76
[39] 乔琳，李文军，《面向对象系统开发环境OOSDM的设计与实现》，第6届全国软件工程会议．浙江，1996
[40] 周晓聪，李文军．《KOSD：一种基于知识的面向对象软件开发方法．》．第6届全国软件工程会议．浙江．1996(《中国学术会议文献通报》1998年第10期收录)
[41] 李文军，李师贤，《面向对象系统开发方法ZOOM》．计算机科学．Vol．21，No4．1994,8．61～64，24
[42] 李文军．《面向对象程序设计概念框架》．中山大学研究生学刊(自然科学版)．Vol．11，No．4．1990．15～20
[43] 梅宏，王立福，杨芙清．面向对象程序设计语言研究现状．电子学报．1995．NO．10(EI收录)．Vol．23，50～56
[44] 邵维忠，王立福，梅宏，杨芙清．面向对象的软件测试——方法研究及系统设计．第六次全国软件工程学术会议论文集，软件工程进展——技术、方法和实践．1996，5．清华大学出版社．115～122
[45] 朱冰，梅宏．软件体系结构基础研究(编译)．计算机科学．1994．No4．Vol．21，56～60
[2] 邓巍巍，王越男．Visual FORTRAN编程指南．2000．5．北京：人民邮电出版社．61页．
[3] 唐章宏，薛赛男等．Visual Fortran程序设计．2000．8．北京：人民邮电出版社．
[4] 谭浩强，田淑清．FORTRAN语言(FORTRAN 77结构化程序设计)．1990．3．北京：清华大学出版社．
[5] 孙克金，刘念等．交流电机CAD系统研究．电气时代．2002，3
[6] 胡敏强，严登俊等．适用于电机电磁场有限元分析的前处理软件系统．中小型电机．2000，1
[7] 郑人杰．软件工程．北京：清华大学出版社．1999．
[8] 钟珞，徐宝文．计算机软件方法学．中国铁路出版社．1996
[9] 李友仁．软件工程与软件质量分析．电子工业出版社．1987
[10] 方志刚，马卫娟．支持复杂语义实现的直接操纵用户界面模型．计算机研究与发展．1997
[11] Mullin, M. M., Object-Oriented Program Design: with Examples in C++, Addison-Wesley, Reading, 1989
[12] B. Sheiderman. Direct manipulation. A Step Beyond Programming Languages. IEEE Computer, 16(8), 1983
[13] 姜礼尚，庞之恒．有限元方法及理论基础．北京：人民教育出版社．1980
[14] 吕和祥，蒋和洋．非线性有限元．北京：化学工业出版社．1992
[15] 鲍居武，徐新，程品．软件工程概论．北京：北京师范大学出版社．1996
[16] 何援军．计算机图形学算法和实践．长沙：湖南科学技术出版社．1990
[17] 张向，许晶月，沈启或，阮雪榆．面向对象的有限元程序设计．计算力学学报．Vol．16，No2．1999．216～225
[18] 顾玉良，王立福．面向对象软件测试过程研究．计算计科学．Vol．26，No4．1999．75～79
[19] 王兰波，蔡勋，李林惠．面向对象的可视化应用平台．计算计科学．Vol．24，No4．1997．84～87
[20] 施军，蔡勋，李晓梅．面向对象的可视化应用平台．中国青年计算机研究新进展．西北工业大学．1994．283～287
[21] D. R. Rehak and J. W. Baugh, Jr., Alternative Programming Techniques for Finite Element Program Development, Proc., IABSE Colloquium on Expert Systems. in Civil Engineering, Bergamo, italy, 1989
[22] Peskin R. L., Russo M. F., An Objected-Oriented System Environment For Partial Differential Equation Solving, Proceedings ASME Computations in Engineering, 409～415,1988
[23] Miller G. R., ALISP Based, Object-Oriented Approach To Structural Analysis, Vol.4,197～203,1988
[24] Fenves G. L., Object-Oriented Programming for Engineering Software Development, Engineering with Computers, No 6, 1～15,1990
[25] 于卫，杨卫东，蔡晓尧．软件体系结构的可视化描述与实现．计算机科学．Vol．26，No10．1999．81～83
[26] 姜鸿飞，全炳哲，金淳兆．面向对象开发方法的最新进展．计算机科学．Vol．25，No2．1998．51～54
[27] 胡华，高济，何志均．基于软件体系结构的软件设计及构造．计算机科学．Vol．26，No10．1999．81～83
[28] 尹柏生．有限元分析系统的发展现状与展望．产品与技术．2000，4
[29] 刘红．有限元基本概念与原理．产品与技术．2000，4
[30] 项阳，平扬，葛修润．面向对象有限元在岩土工程中应用．岩土力学．Vol．21，No3．2000．
[31] Edward Yourdon & Carl Argila．殷人昆等译．实用面向对象软件工程教程．PRENTICE HALL出版公司．1998，6
[32] Peter Coad，Edward Yourdon，邵维忠等译．面向对象的分析．北京大学出版．1992
[33] O. C. Zienkiewicz and R. L. Taylor. The Finite Element Method. (Fourth Edition).Mcgraw-Hill Book Company. 1988
[34] 唐立民．有限元分析的若干基本问题．大连工学院学报．1979．18(2)．1～15
[35] 唐立民，陈万吉，刘迎曦．有限元分析中的拟协调元．大连工学院学报．1980．19(2)，19-35
[36] 邵维忠，杨芙清．《面向对象的系统分析》北京：清华大学出版社．1998．12
[37] 李师贤，李文军，周晓聪．第1版．《面向对象程序设计基础》．高等教育出版社．1998．8
[38] 周晓聪，李文军．《基于知识的面向对象软件开发方法研究》．中山大学学报论丛．Vol．6．1996．70-76
[39] 乔琳，李文军，《面向对象系统开发环境OOSDM的设计与实现》，第6届全国软件工程会议．浙江，1996
[40] 周晓聪，李文军．《KOSD：一种基于知识的面向对象软件开发方法．》．第6届全国软件工程会议．浙江．1996(《中国学术会议文献通报》1998年第10期收录)
[41] 李文军，李师贤，《面向对象系统开发方法ZOOM》．计算机科学．Vol．21，No4．1994,8．61～64，24
[42] 李文军．《面向对象程序设计概念框架》．中山大学研究生学刊(自然科学版)．Vol．11，No．4．1990．15～20
[43] 梅宏，王立福，杨芙清．面向对象程序设计语言研究现状．电子学报．1995．NO．10(EI收录)．Vol．23，50～56
[44] 邵维忠，王立福，梅宏，杨芙清．面向对象的软件测试——方法研究及系统设计．第六次全国软件工程学术会议论文集，软件工程进展——技术、方法和实践．1996，5．清华大学出版社．115～122
[45] 朱冰，梅宏．软件体系结构基础研究(编译)．计算机科学．1994．No4．Vol．21，56～60