[发明专利]一种基于自适应时间步长的瞬变电磁-温度场耦合计算方法

说明书

本发明提出一种基于自适应时间步长的瞬变电磁‑温度场耦合计算方法，采用指数平滑法预测电磁‑温度场耦合时间节点。并在两耦合时间节点间，通过预测‑校正法和响应特征值计算电磁场和温度场最佳离散步长。与传统等步长耦合方法对比，电磁、温度场均使用最佳的离散步长，避免了温度场过频的计算，减小计算时间。最后，以通电铜导环为例，采用自适应步长耦合计算铜导体在交流电下0.1s内温升，比传统等步长耦合方法时间减小20%，证明该方法的有效性。

技术领域

本发明一种基于自适应时间步长的瞬变电磁-温度场耦合计算方法，涉及电磁温度计算领域。

背景技术

在线圈发射装置、继电器、电机等设备中，运行时产生过高的温升将影响线圈和接头导电性、材料的绝缘性能，甚至会产生破坏性的热膨胀，对于设备运行性能及安全性产生一定的影响。在上述问题中，瞬变的大电流使得导体的温度在较短的时间内迅速增加，因而在计算过程不仅考虑电磁场对温度场的影响，还需考虑温度变化对电磁场材料导电性能的影响，为此需要建立瞬变电磁-温度场顺序强耦合模型。目前采用有限元法求解瞬变电磁-温度场间接耦合时，电磁场和温度场往往采用相同的时间步长。然而在求解过程中，温度场响应较电磁场慢，若采用相同的时间步长计算，使得温度场求解过频，造成了求解时间的增加。

对于两物理场瞬态间接耦合时，物理场响应时间不同的问题。有方法根据现有软件，提出代码耦合概念，对各物理场采用不同的时间离散策略，并在时间的耦合点上进行载荷的传递。也有方法针对在流-固耦合时，对流体区域和固体区域采用不同的时间步长的DFMT-SCSS算法，选取固体求解区域时间步长为流体求解区域的倍数计算。然而上述方法在计算两物理场耦合时，两物理场时间步长只是存在简单的倍数关系，而物理场都采用恒定步长计算，存在两物理场未获得最佳离散策略的情况。为此提出自适应步长耦合概念，即各物理场采用自适应步长算法获取最佳离散时间策略，并在预测的耦合时间节点上自动耦合。可以使各物理场获得最佳的时间离散策略，也避免了响应较慢的物理场过频的计算。

发明内容

为解决上述技术问题，针对瞬态电磁-温度场间接耦合问题，本发明提出一种基于自适应时间步长的瞬变电磁-温度场耦合计算方法。在T_n时刻，如图1所示，首先通过指数平滑法预测下一耦合时间点t_n+1。然后在两耦合时间节点间，通过预测-校正法和响应特征值计算电磁场和温度场最佳离散步长。得到t_n至t_n+1时间段内电磁场和温度场最佳时间离散步长为△t_n^E和△t_n^T。电磁场、温度场分别采用△t_n^E、△t_n^T计算至耦合时间节点。使各物理场在两耦合时间节点上，以最佳的时间步长计算，避免了响应较慢的物理场过频的计算。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于自适应时间步长的瞬变电磁-温度场耦合计算方法，包括以下步骤：

1)、电磁场与温度场的耦合时间点确定：采用温度场触发热量来判断电磁-温度场耦合时间节点，首先电磁-温度场步长耦合三次，用来获取温度场触发热量Q_pre的预测数据，然后采用指数平滑法预测温度场触发热量，通过触发热量判断耦合时间节点；

2)、电磁场自适应步长计算：通过载荷离散误差和响应特征值确定电磁场载荷最佳离散的步长△t_n^E，当电磁场累积热量达到温度场触发热量时，暂停电磁场计算，计算温度场；

3)、温度场自适应步长计算：通过载荷离散误差和响应特征值确定电磁场载荷最佳离散的步长△t_n^T，将电磁场计算平均热功率作为载荷加至温度场，当温度场计算时间与电磁场同步时，暂停温度场计算，更新电磁场节点温度，并进行下一时间步的温度场触发热量计算，反复迭代计算至最终时间。