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軟件對油田注水管道內的感應磁場進行仿真分析的方法。利用ANSYS軟件的特點，通過APLD語言，建立了大量的管道及線圈有限元模型，并對各種實際工況進行分析和求解，提高了效率及準確度。通過對實際管道進行仿真，建立了管道周圍的交變電磁場分布模型，同時也論證了采用ANSYS軟件在實際工程中進行仿真分析的優(yōu)越性。 </p><p>　　關鍵詞

2、0; 電磁場 有限元 仿真分析 管道</p><p><b>　　1  前言</b></p><p>　　在油田生產中，注水管道一旦產生結垢沉積，其危害是相當大的。電磁防垢技術具有不需添加化學藥劑，不需拆除管道，磁場強度可操作調節(jié)等優(yōu)點。將電磁防垢技術應用于油田注水管道前景廣闊。對于恒定磁場，磁場強度的大小直接影響到防垢效果，而對于交變磁場的感應磁場強度目前

3、無法測量。本文主要利用ANSYS軟件對交變電磁場進行分析，仿真管道內的磁場強度及其分布情況，從而有利于設計高效、實用的電磁防垢系統。</p><p>　　ANSYS軟件在實際工程中的應用非常廣泛，它強大的分析功能及處理、求解功能給人們的工作學習帶來極大的方便，提高產品加工質量，縮短了設計周期。本文主要是針對油田注水管道及其外部纏繞的線圈進行建模，分析線圈在管道內產生的感應電磁場。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行模擬仿真，不但操作復雜而且仿真精度差。因此開發(fā)出一個基于ANSYS環(huán)境的管道系統模型，在此基礎上加載線圈電流，進行求解分析，便可完成全部計算及仿真。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可以針對三維靜態(tài)電磁場分析，以宏模

5、式預創(chuàng)建過程完備的線圈，無須考慮時間軸，因此可以選擇三維靜態(tài)電磁場分析某一時間點處管道內的磁場分布特性。自頂向下進行實體建模，定義柱體作為基元，利用基元直接構造幾何模型。創(chuàng)建模型時注意管道外的線圈應為無縫隙密布排列，否則將會存在嚴重的漏磁現象，影響實驗結果。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  網格劃分</b></p><p>　　在單元類型分配時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已經自動定義，無需再次說明。管道模型及其內部的注入水均為是非磁性介質，所以設置導磁率的值為1。網格劃分的實質是由實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、備激勵體，無須分配單元類型和劃分網格。</p><p>　　如對圓柱形管道（圖1）及其內部空氣進行網格劃分，命令流如下：</p><p>　　ET,2,SOLID98,10 ！選取3維實體模型專用單元SOLID98</p><p>　　MPTEMP, ！進入材料屬性設置環(huán)節(jié) </p><p>　　MPTEMP,1,0  </p

10、><p>　　MPDATA,MURX,1,,1  ！設置導磁率為1</p><p><b>　　...</b></p><p>　　ESIZE,0.12,0,   ！設置網格密度尺寸</p><p>　　MSHAPE,1,3D    ！定義網格劃分對象為3維實體&l

11、t;/p><p><b>　　MSHKEY,0</b></p><p>　　CM,_Y,VOLU     ！對實體分派單元類型</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)行實體網格劃分</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果。選取管道體中所有節(jié)點進行分析，線圈外無任何電磁載荷。對于整個模型選取節(jié)點求解過程約需要1~3分鐘時間，因計算機配置不同而不同。</p><p>　　后處理環(huán)節(jié)旨在將計算獲得的數據庫按照某種要求將部分數據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度三維分布示意圖，圖2所示。命令流如下：&l

14、t;/p><p>　　/SOLU   ！進入求解計算環(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  ！模型求解計算完畢</p><p>　　/POST1  ！進入通用后處理環(huán)節(jié)</p><p>　　/VSCALE,1,1,0   ！進入查看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    網格劃分</p><p>　　圖2

17、 感應磁場三維示意圖</p><p><b>　　5  結論</b></p><p>　　綜上所述，本文采用有限元分析法，計算線圈在管道內產生的感應磁場強度，并通過圖形直觀顯示，為管道、線圈以及勵磁電流的設計提供了分析手段和驗證方法。隨著ANSYS功能的愈加強大，它所應用的范圍日益廣泛，已涉及工業(yè)及科學研究的各個領域，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</b></p><p>　　[1]唐興倫等，《ANSYS工程應用教程—熱與電磁學篇》北京：中國鐵道出版社，2002，11 第一版</p><p>　　[2]黃國權，《有限元基礎及ANSYS應用》北京：機械工業(yè)出版社，2004，6 第一版</p><