1. 产品简介

Opera 仿真软件是一种有限元分析软件套件，允许用户对电磁 (EM) 和机电系统进行二维和三维仿真。Opera 是对现有 SIMULIA 电磁仿真产品组合的补充，在低频仿真方面具有强大优势，这对于设计磁体、电动机和其他电气设备非常有用。

Opera 包括专用的 2D 和 3D 预处理及后处理环境，用于问题定义和结果分析。图形用户界面 (GUI) 允许访问专为电磁和多物理场设计而定制的功能。可以将定期执行的操作编程到参数化的宏文件中。

Opera 可以灵活地适应用户需求，这使其能够成功地用于不同行业的各种应用。医疗设备或粒子加速器中的磁场均匀性可达到百万分之一级别，在此类应用中，Opera 所能提供的精确度会变得极其重要。先进的材料建模和解决方案程序允许对包含永久磁体或超导线圈的设备进行详细的研究。此外，特定于应用领域的前端有助于指导用户完成模拟和高效高性能电机、发电机和变压器的复杂任务。

2. 主要功能

2.1 图形界面

组件或装配体可以从现有 CAD 系统导入，也可以使用 Opera 的内置 2D 草图器或 3D 建模器来创建。Opera 模型文件包含其所创建的所有命令的完整历史记录，使文件能够“回放”和修改 - 这提供了一个模板，可用于通过标准产品自动设计出产品变体。

2.2 预处理功能包括：

CAD 导入

几何结构（布尔运算、扫描面、面之间的放样、2D 草图、复制和变换、背景区域、混合和倒角）

参数化和重建

自动网格化（网格控制、蒙皮效果和薄板分层）

外部电路定义

仿真完成之后，Opera 的后处理器可以简化结果分析。除了显示场、温度或应力之外，还有许多功能可通过用户熟悉的形式和单位（包括力、功率损耗、储存的能量）来准备和显示导出量，还可以通过计算的电场和磁场来计算并显示粒子轨迹。

2.3 后处理功能包括：

字段值（3D 几何体曲面上的轮廓和矢量、任意平面上的轮廓和矢量、圆柱形和球形 2D 曲面、沿线条的图形、3D 空间中的圆形和弧形、等值曲面、导出到文本文件）

集成值（力和扭矩、能量和功率、线条、曲面和体积积分、Q 系数）

谐波分析

变形形状

带电粒子跟踪（显示在几何形状上、与曲面相交、射束电流密度图）

2.4 静态模块

“静态模块”广泛用于科学和工程应用领域，可用于计算静磁和静电场。它使用 FEA 方法，对离散模型中静态情况下的 Maxwell 方程式进行解算。对于 3D 静磁，“静态模块”中使用的算法会自动处理包含磁源的模型中的包络体，其方式与没有源的包络体不同。利用这种功能强大的方法，该模块可以成功地避免使用其他解算方法时可能导致的取消错误。因此，该解算方法的准确性通常远远高于“有限元分析”的预期结果。在此模块中，用户可以将磁性材料属性指定为线性、非线性、各向同性、各向异性、层压或永磁。在 3D 模式下，用户可以使用 Opera 的专有方法来模拟精确度极高的线圈/螺线管，该方法会利用 Biot-Savart 积分来计算线圈的磁场。Opera-3d 包括一个库，可帮助轻松定义螺线管和环形磁场等标准形状，还使用户能够灵活创建任何拓扑的线圈。通过使用“有损耗介质”选项，用户可以模拟由于低电导率电介质通电所产生的电场。

2.5 动态电磁模块

动态电磁模块可用于计算电磁设备和系统中的时变电磁场和涡流。这包括由简单移动导体引起的涡流，简单移动是指不会改变几何形状的移动（例如横截面恒定的转盘或无限管道）。

有三种不同类型的动态解决方案可用，每种都具有不同的时变形式：

“谐波”可计算稳态交流电流，其中所有场和电势均以相同频率振荡

“瞬态”可计算由于驱动电流的场、边界条件以及按预定方式随时间变更的外部场所导致的瞬态涡流

“固定速度”可计算由于不改变模型几何形状的运动而导致的涡流。源场和驱动条件始终不变

2.6 电磁运动模块

电磁运动模块可在具有旋转或线性运动（在解算期间导致重新网格化）的设备中计算时变场和涡流。允许按照用户控制的速度或在分析过程中计算的速度，独立移动几何结构的组成部分，进而独立移动有限元网格。这是一种瞬态分析，通过移动磁场的影响和模型源的时变在导电介质中感应出涡流。

此模块经过设计，可对各种电气设备进行动态建模，例如，含有永久磁体 (PM)、感应、开关磁阻、同步和同步磁阻的设备。它可用于研究整流效应、瞬态响应以及稳态性能和非平衡局部效应。

此外还可以计算所有材料中的涡流损耗，包括永久磁体。计算中可以包含正常和故障条件下的电力驱动以及动态机械负载。在每个时间步中，模块都会计算移动零件（旋转或平移）上的电磁力，再应用递增运动，随后重新计算电磁场。

2.7 失超

可以使用此模块来分析超导磁体的失超。Opera 失超模块可利用超导磁体在失超期间的温升，包括磁体随着失超在磁体内的传播而过渡为阻性元件。触发失超事件的热量有多种来源。在直流系统中，通常是由于低温系统发生故障、系统过渡过快或在测试情况下有意引入。我们可以将此热量作为表面或包络体属性包含到仿真中，或者通过材料中存在的与速率相关的电阻或磁滞损耗（因电流流动或材料中存在磁场而产生的损耗）包含到仿真中。在此情况下，材料的特性存在显著的各向异性，因为热导性会沿绕组方向占据主导地位，需要特定的建模技术来提高效率和准确度。

失超模块使用了高级 FEA 技术对磁体在失超期间的高度非线性瞬态行为进行建模。通过使用一种将电磁解决方案与热量和电路解决方案（用于确定线圈中的电流）相结合的算法，可以对完全失超过程进行分析。

3. 应用环境

通过使用 Machines Environment 工具，可以使用参数化模板来快速设置和分析电机和发电机模型。可在 Machines Environment 工具中包含广泛的模型自定义，以满足用户的设计要求。

可用的标准机器包括：

直流

感应

PM 同步

PM 外转子

开关磁阻

同步磁阻

同步

可以执行标准设计计算以获得有用的结果，例如反电动势、齿槽扭矩、负载扭矩、开路和短路曲线。

通过与 Opera 优化器的直接耦合，可根据用户要求调整和优化设计。

使用 Transformer Environment 时，可以自动定义、解算和准备变压器和反应器模型以进行优化。标准分析包括短路、开路和浪涌分析。执行有限元分析，这意味着可以使用真正的非线性属性和代表性驱动电路来计算出精确结果。自动输出量包括阻抗、电阻、力和损耗，以及用于磁通量密度和其他数量的常用显示选项。该环境与 Opera 优化器集成，这意味着用户可以自动优化参数，例如一些核心尺寸以及螺栓直径等。

标准结果包括：

效率

电感

饱和曲线

短路分析

开路分析

浪涌电流/负载测试

通电瞬态

损耗 - 铜、涡流、磁滞

设计优化

4. 材料

提供的选项可用于解算具有以下特征的材料：

线性或非线性电磁行为（带有磁滞）

各向同性、正交异性或层压属性

永久磁体属性（包括磁化和消磁解算）

5. 多物理场

Opera 旨在协助电磁/机电设备的设计。因此，其主要功能是低频电磁。但是，为了支持这项主要功能，其他物理参数（如结构应力和热）同样必不可少。因此，Opera 是一种多物理场软件。它将多种分析链接在一起，并在不同的物理场之间传递结果。材料的属性均呈非线性。因此，用户可以执行电磁分析，将损耗传递到热分析并计算热分布，然后通过考虑与温度相关的材料属性，执行后续电磁分析。这适用于各种研究，例如永久磁电机的扭矩损耗或磁体在负载下的同质性研究。

6. 优化

Opera 优化器是一种软件工具，可帮助用户实现最佳设计。它与 Opera 完全集成，可以快速轻松地探索多物理场问题的可能设计空间。它采用高效的优化算法，结合了用于解决单目标和多目标优化问题的确定性方法和随机方法。

可以通过以下方法轻松定义优化问题：

设计变量以及数值限制

不等式和等式约束

目标函数以及它们是否需要最小化或最大化

优化过程本身可通过以下方式进行控制：

优化算法的终止条件

初始总体分布的设计

要保留的解决方案数据库集