Uso do Expression Cache no Ansys Maxwell

Introdução

O Ansys Maxwell oferece uma ampla gama de resultados diretamente disponíveis após a simulação, como perdas, tensões, correntes e parâmetros de campo eletromagnético. Entretanto, em diversas aplicações de engenharia, o usuário pode ter interesse em monitorar grandezas específicas que não são disponibilizadas de forma nativa. Nesses casos, é possível utilizar expressões personalizadas criadas por meio do Fields Calculator para calcular variáveis derivadas de interesse.

Adicionalmente, durante o processo de refinamento adaptativo de malha, o Maxwell utiliza como principal critério de convergência o erro de energia global da solução. Embora essa abordagem seja adequada para a maioria dos problemas eletromagnéticos, nem sempre garante que todas as variáveis de interesse tenham atingido estabilidade numérica ao final da análise. Em determinadas situações, parâmetros como correntes induzidas, perdas localizadas ou forças eletromagnéticas podem continuar apresentando variações significativas mesmo após a convergência do erro de energia.

Nesse contexto, o recurso Expression Cache surge como uma ferramenta importante para monitorar variáveis específicas ao longo dos passos adaptativos e, quando desejado, incorporá-las diretamente aos critérios de convergência da simulação.

Expression Cache para monitoramento de variáveis

O Ansys Maxwell permite que expressões definidas pelo usuário sejam avaliadas durante cada passo adaptativo da solução. Além disso, essas variáveis podem ser utilizadas como critérios adicionais de convergência, garantindo que parâmetros específicos atinjam a estabilidade desejada antes do encerramento da simulação.

Para ilustrar essa funcionalidade, considere a simulação apresentada na Figura 2.1, composta por uma bobina posicionada próxima a uma placa de alumínio.

Figura 2.1 – Simulação exemplo

Como a análise é realizada utilizando o solver AC Magnetic, a corrente alternada aplicada à bobina induz correntes parasitas na placa de alumínio. As perdas associadas à circulação dessas correntes são calculadas por meio da variável Perdas_placa, criada no Fields Calculator conforme a expressão apresentada na Figura 2.2.

Figura 2.2 – Expressão das perdas por correntes induzidas

Para adicionar essa variável ao Expression Cache, deve-se acessar as configurações do setup de simulação e selecionar a aba Expression Cache. Em seguida, ao clicar em Add, uma nova janela será exibida para inclusão das expressões desejadas.

É importante destacar que as variáveis criadas no Fields Calculator podem ser acessadas alterando o parâmetro Report Type para Fields, conforme ilustrado na figura abaixo.

Figura 2.3 – Inclusão de expressões no Expression Cache

Após selecionar a expressão desejada e clicar em Add Calculation, a variável é adicionada ao Expression Cache juntamente com sua definição matemática.

Para que a variável participe do processo de convergência, é necessário clicar sobre o campo None na coluna Convergence e selecionar a opção Use this expression for convergence. Nesse momento, o usuário pode definir critérios máximos de variação absoluta ou percentual que deverão ser atendidos para que a simulação seja considerada convergida.

Figura 2.4 – Janela de adição da convergência de variável

No exemplo apresentado, foi adotado um critério de convergência de 0,2% tanto para o erro de energia quanto para a variação de energia. Após realizar a execução da simulação, é possível avaliar os critérios de convergência do modelo. Conforme mostrado na Figura 2.5, esses critérios são atingidos já no sexto passo adaptativo.

Figura 2.5 – Convergência do erro de energia

Apesar disso, a simulação continua até o décimo primeiro passo adaptativo. Isso ocorre porque a variável Perdas_placa, adicionada ao Expression Cache, ainda não havia atingido o critério de convergência estabelecido. Para confirmarmos esse comportamento, podemos realizar o plot comparativo da variável do Expression Cache com o critério escolhido. Para isso, é necessário selecionar Results -> Create AC Magnetic Report -> Rectangular Plot. Após isso, na nova janela que se abre, basta modificar o critério Solution para AdaptivePass e o Primary Sweep para Pass. Em seguida, é possível selecionar a variável de interesse, que para o nosso caso é a variação percentual das perdas na placa e o critério de convergência.

Figura 2.6 – Criação do report adaptativo das perdas na placa

Ao analisar a evolução da variável ao longo dos passos adaptativos, conforme ilustrado na Figura 2.7, observa-se que apenas no décimo primeiro passo a variação percentual das perdas se torna inferior ao limite especificado. Nesse momento, todos os critérios de convergência são satisfeitos e a simulação é encerrada.

Figura 2.7 – Convergência das perdas na placa

Vantagens adicionais do uso do Expression Cache

Além de permitir o monitoramento e controle da convergência de variáveis específicas, o Expression Cache oferece benefícios adicionais relacionados ao armazenamento de resultados.

O Maxwell calcula automaticamente os valores das expressões armazenadas no Expression Cache durante a solução, mesmo quando a opção de salvamento dos campos eletromagnéticos está desabilitada. Dessa forma, torna-se possível obter grandezas de interesse sem a necessidade de armazenar grandes volumes de dados de campo.

Essa característica é particularmente útil em estudos paramétricos com um elevado número de variações ou em simulações transientes de longa duração, nas quais o armazenamento completo dos campos pode resultar em requisitos significativos de espaço em disco e aumento do tempo de pós-processamento.

Ao utilizar o Expression Cache, o usuário pode manter acesso aos principais indicadores de desempenho do modelo enquanto reduz substancialmente o custo de armazenamento associado à simulação.

Conclusão

O recurso Expression Cache do Ansys Maxwell representa uma ferramenta valiosa para aumentar a confiabilidade e a eficiência das simulações eletromagnéticas. Ao permitir que expressões personalizadas sejam monitoradas durante os passos adaptativos, o usuário pode garantir que grandezas críticas para o projeto também atendam aos critérios de convergência, complementando a avaliação tradicional baseada apenas no erro de energia global.

Além disso, a possibilidade de calcular e armazenar resultados derivados sem a necessidade de salvar os campos eletromagnéticos torna o recurso especialmente interessante para estudos paramétricos e análises de grande porte, contribuindo para a redução dos requisitos de armazenamento e para a otimização do fluxo de trabalho.

Dessa forma, o Expression Cache não apenas amplia as capacidades de monitoramento da solução, mas também oferece maior controle sobre a qualidade dos resultados obtidos, permitindo que o processo de simulação seja conduzido de forma mais robusta e alinhada aos objetivos de engenharia do projeto.