基于ansys的管道交變電磁場仿真分析

1、<p>　　摘  要  介紹了使用ANSYS軟件對(duì)油田注水管道內(nèi)的感應(yīng)磁場進(jìn)行仿真分析的方法。利用ANSYS軟件的特點(diǎn)，通過APLD語言，建立了大量的管道及線圈有限元模型，并對(duì)各種實(shí)際工況進(jìn)行分析和求解，提高了效率及準(zhǔn)確度。通過對(duì)實(shí)際管道進(jìn)行仿真，建立了管道周圍的交變電磁場分布模型，同時(shí)也論證了采用ANSYS軟件在實(shí)際工程中進(jìn)行仿真分析的優(yōu)越性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞

2、0; 電磁場 有限元 仿真分析 管道</p><p><b>　　1  前言</b></p><p>　　在油田生產(chǎn)中，注水管道一旦產(chǎn)生結(jié)垢沉積，其危害是相當(dāng)大的。電磁防垢技術(shù)具有不需添加化學(xué)藥劑，不需拆除管道，磁場強(qiáng)度可操作調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。將電磁防垢技術(shù)應(yīng)用于油田注水管道前景廣闊。對(duì)于恒定磁場，磁場強(qiáng)度的大小直接影響到防垢效果，而對(duì)于交變磁場的感應(yīng)磁場強(qiáng)度目前

3、無法測(cè)量。本文主要利用ANSYS軟件對(duì)交變電磁場進(jìn)行分析，仿真管道內(nèi)的磁場強(qiáng)度及其分布情況，從而有利于設(shè)計(jì)高效、實(shí)用的電磁防垢系統(tǒng)。</p><p>　　ANSYS軟件在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常廣泛，它強(qiáng)大的分析功能及處理、求解功能給人們的工作學(xué)習(xí)帶來極大的方便，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期。本文主要是針對(duì)油田注水管道及其外部纏繞的線圈進(jìn)行建模，分析線圈在管道內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場。由于各種管道的工況條件不同，所纏繞

4、線圈中電流的變化不同，如果使用物理方法進(jìn)行模擬仿真，不但操作復(fù)雜而且仿真精度差。因此開發(fā)出一個(gè)基于ANSYS環(huán)境的管道系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上加載線圈電流，進(jìn)行求解分析，便可完成全部計(jì)算及仿真。該仿真使用APLD命令流完成從建模到求解的全部過程。</p><p>　　2  管道模型的建立</p><p>　　建立三維有限元模型分析磁場。由于ANSYS可以針對(duì)三維靜態(tài)電磁場分析，以宏模

5、式預(yù)創(chuàng)建過程完備的線圈，無須考慮時(shí)間軸，因此可以選擇三維靜態(tài)電磁場分析某一時(shí)間點(diǎn)處管道內(nèi)的磁場分布特性。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模，定義柱體作為基元，利用基元直接構(gòu)造幾何模型。創(chuàng)建模型時(shí)注意管道外的線圈應(yīng)為無縫隙密布排列，否則將會(huì)存在嚴(yán)重的漏磁現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其命令流如下所示：</p><p><b>　　/prep7  </b></p><p>　　CYLI

6、ND,0.5,0.4,-1,1,0,360,  </p><p>　　CYLIND,0.4,0,-1,1,0,360,    ！建立管道圓柱模型</p><p>　　FLST,2,2,6,ORDE,2   </p><p>　　FITEM,2,1   </p><p&

7、gt;　　FITEM,2,-2  </p><p>　　VGLUE,P51X  </p><p>　　RACE,0.51,0.51,0.5,150,0.02,0.6, , , '111'  ！建立線圈模型</p><p><b>　　GPLOT   </b></p>

8、<p><b>　　3  網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　在單元類型分配時(shí)選擇管道材料的單元型為SOLID98—Scalar專用的三維單元類型。線圈的單元類型為SOURC36，它在管道模型建立時(shí)已經(jīng)自動(dòng)定義，無需再次說明。管道模型及其內(nèi)部的注入水均為是非磁性介質(zhì)，所以設(shè)置導(dǎo)磁率的值為1。網(wǎng)格劃分的實(shí)質(zhì)是由實(shí)體模型生成有限元模型。由于線圈為ANSYS以宏格式配備的完

9、備激勵(lì)體，無須分配單元類型和劃分網(wǎng)格。</p><p>　　如對(duì)圓柱形管道（圖1）及其內(nèi)部空氣進(jìn)行網(wǎng)格劃分，命令流如下：</p><p>　　ET,2,SOLID98,10 ！選取3維實(shí)體模型專用單元SOLID98</p><p>　　MPTEMP, ！進(jìn)入材料屬性設(shè)置環(huán)節(jié) </p><p>　　MPTEMP,1,0  </p

10、><p>　　MPDATA,MURX,1,,1  ！設(shè)置導(dǎo)磁率為1</p><p><b>　　...</b></p><p>　　ESIZE,0.12,0,   ！設(shè)置網(wǎng)格密度尺寸</p><p>　　MSHAPE,1,3D    ！定義網(wǎng)格劃分對(duì)象為3維實(shí)體&l

11、t;/p><p><b>　　MSHKEY,0</b></p><p>　　CM,_Y,VOLU     ！對(duì)實(shí)體分派單元類型</p><p>　　VSEL, , , ,P51X</p><p>　　CM,_Y1,VOLU </p><p>　　CHKMSH,&

12、#39;VOLU'   </p><p>　　CMSEL,S,_Y  </p><p><b>　　!*  </b></p><p>　　VMESH,_Y1   ！執(zhí)行實(shí)體網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　4  分析處理</

13、b></p><p>　　前處理階段完成建模以后，便可在求解階段獲得分析結(jié)果。選取管道體中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，線圈外無任何電磁載荷。對(duì)于整個(gè)模型選取節(jié)點(diǎn)求解過程約需要1~3分鐘時(shí)間，因計(jì)算機(jī)配置不同而不同。</p><p>　　后處理環(huán)節(jié)旨在將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)庫按照某種要求將部分?jǐn)?shù)據(jù)提取并以表格或圖形圖像形式展示出來便于分析。最后便可觀察磁場強(qiáng)度三維分布示意圖，圖2所示。命令流如下：&l

14、t;/p><p>　　/SOLU   ！進(jìn)入求解計(jì)算環(huán)節(jié)</p><p><b>　　ANTYPE,0</b></p><p>　　FLST,2,20561,1,ORDE,8 ！施加求解條件約束</p><p><b>　　...,   </b></p>

15、;<p>　　MAGSOLV,2, , ,0.001,25,0 ！執(zhí)行求解</p><p>　　FINISH  ！模型求解計(jì)算完畢</p><p>　　/POST1  ！進(jìn)入通用后處理環(huán)節(jié)</p><p>　　/VSCALE,1,1,0   ！進(jìn)入查看3維效果圖模式</p><p><

16、;b>　　! *  </b></p><p>　　PLVECT,B, , , ,VECT,ELEM,ON,0   ！查看3維磁矢分布</p><p><b>　　...</b></p><p>　　圖1    網(wǎng)格劃分</p><p>　　圖2

17、 感應(yīng)磁場三維示意圖</p><p><b>　　5  結(jié)論</b></p><p>　　綜上所述，本文采用有限元分析法，計(jì)算線圈在管道內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場強(qiáng)度，并通過圖形直觀顯示，為管道、線圈以及勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)提供了分析手段和驗(yàn)證方法。隨著ANSYS功能的愈加強(qiáng)大，它所應(yīng)用的范圍日益廣泛，已涉及工業(yè)及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，ANSYS軟件具備良好的開發(fā)環(huán)境，界面簡

18、單、操作方便適合更深層次的開發(fā)和研究。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]唐興倫等，《ANSYS工程應(yīng)用教程—熱與電磁學(xué)篇》北京：中國鐵道出版社，2002，11 第一版</p><p>　　[2]黃國權(quán)，《有限元基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用》北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，6 第一版</p><