基于AnsysMaxwell软件电磁感应特性仿真分析方法与流程

本发明涉及仿真分析领域，更具体地说，涉及基于Ansys Maxwell软件电磁感应特性仿真分析方法。

背景技术：

经过多年的发展，等离子体技术已在材料、微电子、化工、受控核聚变、磁流体发电、机械及环保等众多学科领域中得到较广泛地应用，并已初步形成等离子体工业体系。在军事领域，等离子体隐身、通信和探测技、等离子体拦截等技术近年来的发展十分迅速。在火炮方面，国内外对等离子体点火以及火药燃烧产生等离子体已有一些深入的研究。

均匀磁场的磁感应强度直接影响了圆筒中的减压效果，圆筒内部的均匀磁场可通过在圆筒外壁面上添加通电密绕螺线管实现，钢材质的金属圆筒，势必会对外加磁场产生屏蔽作用，而且在交变电流的激励下圆筒表面形成的感应电流也会削弱外激励磁场，从而对膛内等效磁场分布产生较大影响，导致难以判断圆筒内部磁场的变化规律。

为此，提出一种基于Ansys Maxwell软件电磁感应特性仿真分析方法。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于Ansys Maxwell 软件电磁感应特性仿真分析方法，它利用Ansys Maxwell建立了密绕螺线管圆筒的电磁场数值仿真模型，并对不同外激励频率下身管内感应磁场进行了仿真分析，得到不同激励频率下圆筒内部磁场的变化规律。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

基于Ansys Maxwell软件电磁感应特性仿真分析方法，包括以下步骤：

S1：前处理：包括建立模型、赋予模型材料特性、划分网格、施加边界条件和激励源，进行可行性检查，在电磁仿真软件Maxwell中构建圆筒模型及密绕线圈模型，研究火炮身管加装线圈后的电磁效应，为提高仿真效率，火炮身管通过金属圆筒进行模拟，圆筒壁外密绕线圈，形成螺线管，在Maxwell 中建立外套密绕螺线管的火炮身管简化模型，模型的外部环状为励磁线圈，内部圆筒为身管等效模型，模型中圆筒长度为600mm，外径及内径分别为40mm、 30mm；对于交变磁场，当磁场中有导磁率较高的金属部件，则在Maxwell软件中采用磁场模块的涡流求解器，选择Magnetic中的Eddy current，坐标采用笛卡尔坐标系，长度单位为mm，由于在自然边界条件下不同物体接触面之间磁场强度H的切向分量和磁感应强度B的法向分量具有连续性，因此设置物体间接触面为自然边界条件，根据诺依曼边界条件特点，磁场强度H与边界面相切，且磁场强度法向分量为0，因此所有边界条件定义为诺依曼边界条件，设置求解区域为空气，并在螺线管模型上的任意部位划分出一个横截面，施加电流激励，添加求解设置，对线圈模型与圆筒模型分别进行网格划分，进行可行性检查；

S2：参数设置：在仿真前需要设置收敛步数、仿真步长、容错百分比等参数，激励源和边界条件设置完毕后设置求解选项，然后分别以0Hz、100Hz、 200Hz、300Hz、500Hz不同激励频率进行仿真，再对其进行求解计算，得到模型的磁感应强度矢量图与磁感应强度分布图；

S3：后处理：仿真结束后，可通过后处理模块查看磁力线与磁感应强度的计算结果，结果得出金属圆筒的存在改变了螺线管的空间磁场构型，削弱了螺线管内部的磁场强度。

进一步的，所述S1中螺线管通过winding功能添加于身管外壁，位于筒长度的中间位置，其内径为35mm；线圈外径为50mm，内径为40mm，长度为 300mm。

进一步的，所述S1中火炮身管简化模型的圆筒材料选用steelstainless，所述S1中螺线管材料设置为铜，激励源设置于身管横截面上。

进一步的，所述S1中圆筒网格的最大边长为3.5mm，线圈网格最大边长为0.2m。

进一步的，所述S2中仿真结果是，当外激励频率为0Hz时，圆筒腔体内部感应磁场沿轴线均匀分布，在圆筒端部迅速衰减；当外激励频率不为0时，圆筒内部等效磁场随外激励频率的提高而减弱。

进一步的，所述S2中求解计算的过程，先对求解域进行三角网格划分对节点和三角元进行编号，然后分别求解三角元的单元系数矩阵与单元向量，再分别合成总体系数矩阵与总体向量，最后构成迭代矩阵，满足求解条件，则求解结束。

进一步的，所述求解条件若不满足，则返回对求解域进行三角网格划分对节点和三角元进行编号步骤并重复上述步骤。

进一步的，所述S3中的计算结果为，当不加金属圆筒时，螺线管激励磁场主要集中在螺线管内部，在螺线管外部的磁感应强度较低；当加入金属圆筒后，外激励磁场在圆筒引发的感应电流反作用于外激励磁场，削弱了螺线管内部的磁感应强度，金属较高的磁导率使磁场仅存在于金属圆筒壁上。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案利用Ansys Maxwell建立了密绕螺线管圆筒的电磁场数值仿真模型，并对不同外激励频率下身管内感应磁场进行了仿真分析，得到了不同激励频率下圆筒内部磁场的变化规律，当激励频率较小时，身管中涡流也较小，磁场穿透容易，膛内等效磁场较强；反之，频率越高，涡流越强，磁场穿透越困难，穿透后的磁场强度随频率的提高而呈指数规律衰减，当不加金属圆筒时，螺线管激励磁场主要集中在螺线管内部，在螺线管外部的磁感应强度较低；当加入金属圆筒后，外激励磁场在圆筒引发的感应电流反作用于外激励磁场，削弱了螺线管内部的磁感应强度，金属较高的磁导率使磁场仅存在于金属圆筒壁上，金属圆壁筒削弱了磁场进入圆筒腔体内；当外激励频率不为0时，圆筒内部等效磁场随外激励频率的提高而减弱，这是由于金属导体在交变外磁场的作用下产生感应电流，感应电流产生反向磁场，从而削弱外磁场强度，外激励频率越大，感应电流越强，对外磁场的削弱程度越剧烈，通过Ansys Maxwell建立仿真分析，可以为使用者提供准确、方便、高效的设计平台，直观、快捷地进行磁场的模拟，能够得到较精确的设计结构磁场的各种信息，更加直观的分析设计的优劣，从而能够有效的判断圆筒内部磁场的变化规律。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图；

图2为本发明的不考虑圆筒时螺线管内磁场沿轴线分布图；

图3为本发明的不同频率条件下轴线处磁场变化图；

图4为本发明的未加金属圆筒的螺线管磁通密度云图；

图5为本发明的加入金属圆筒后圆筒腔体内部磁通密度云图；

图6为本发明的圆筒外磁感应强度矢量图；

图7为本发明的圆筒内磁感应强度矢量图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，基于Ansys Maxwell软件电磁感应特性仿真分析方法，包括以下步骤：

S1：前处理：仿真分析准备，包括建立模型、赋予模型材料特性、划分网格、施加边界条件和激励源，进行可行性检查，在电磁仿真软件Maxwell 中构建圆筒模型及密绕线圈模型，研究火炮身管加装线圈后的电磁效应，为提高仿真效率，火炮身管通过金属圆筒进行模拟，圆筒壁外密绕线圈，形成螺线管，在Maxwell中建立外套密绕螺线管的火炮身管简化模型，模型的外部环状为励磁线圈，内部圆筒为身管等效模型，模型中圆筒长度为600mm，外径及内径分别为40mm、30mm；螺线管通过winding功能添加于身管外壁，位于筒长度的中间位置，其内径为35mm；线圈外径为50mm，内径为40mm，长度为300mm；圆筒材料选用steelstainless，螺线管材料设置为铜，激励源设置于身管横截面上，对于交变磁场，当磁场中有导磁率较高的金属部件，则在Maxwell软件中采用磁场模块的涡流求解器，选择Magnetic中的Eddy current，坐标采用笛卡尔坐标系，长度单位为mm，由于在自然边界条件下不同物体接触面之间磁场强度H的切向分量和磁感应强度B的法向分量具有连续性，因此设置物体间接触面为自然边界条件，根据诺依曼边界条件特点，磁场强度H与边界面相切，且磁场强度法向分量为0(不考虑径向磁场的分布情况)，因此所有边界条件定义为诺依曼边界条件，设置求解区域为空气，并在螺线管模型上的任意部位划分出一个横截面，施加电流激励，添加求解设置，对线圈模型进行网格划分，定义圆筒网格的最大边长为3.5mm，线圈网格最大边长为0.2mm，进行可行性检查；

S2：参数设置：在仿真前需要设置收敛步数、仿真步长、容错百分比等参数，激励源和边界条件设置完毕后设置求解选项，并进行仿真，然后分别以0Hz、100Hz、200Hz、300Hz、500Hz等不同激励频率进行仿真，结果如图3 所示，当外激励频率为0Hz时，圆筒腔体内部感应磁场沿轴线均匀分布，在圆筒端部迅速衰减，对比图2，可知金属圆壁筒削弱了磁场进入圆筒腔体内；当外激励频率不为0时，圆筒内部等效磁场随外激励频率的提高而减弱，这是由于金属导体在交变外磁场的作用下产生感应电流，感应电流产生反向磁场，从而削弱外磁场强度，外激励频率越大，感应电流越强，对外磁场的削弱程度越剧烈，再对其进行求解计算，先对求解域进行三角网格划分对节点和三角元进行编号，然后分别求解三角元的单元系数矩阵与单元向量，再分别合成总体系数矩阵与总体向量，最后构成迭代矩阵，判断其是否满足求解条件，若不满足，则返回对求解域进行三角网格划分对节点和三角元进行编号步骤并重复上述步骤，反之则求解结束，得到模型的磁感应强度矢量图与磁感应强度分布图；

S3：后处理：仿真结束后，可通过后处理模块查看磁力线与磁感应强度的计算结果，如图4-7所示，当不加金属圆筒时，螺线管激励磁场主要集中在螺线管内部，在螺线管外部的磁感应强度较低；当加入金属圆筒后，外激励磁场在圆筒引发的感应电流反作用于外激励磁场，削弱了螺线管内部的磁感应强度，金属较高的磁导率使磁场仅存在于金属圆筒壁上，以上表明金属圆筒的存在改变了螺线管的空间磁场构型，大大削弱了螺线管内部的磁场强度。

本技术方案利用Ansys Maxwell建立了密绕螺线管圆筒的电磁场数值仿真模型，并对不同外激励频率下身管内感应磁场进行了仿真分析，得到了不同激励频率下圆筒内部磁场的变化规律，当激励频率较小时，身管中涡流也较小，磁场穿透容易，膛内等效磁场较强；反之，频率越高，涡流越强，磁场穿透越困难，穿透后的磁场强度随频率的提高而呈指数规律衰减，当不加金属圆筒时，螺线管激励磁场主要集中在螺线管内部，在螺线管外部的磁感应强度较低；当加入金属圆筒后，外激励磁场在圆筒引发的感应电流反作用于外激励磁场，削弱了螺线管内部的磁感应强度，金属较高的磁导率使磁场仅存在于金属圆筒壁，金属圆壁筒削弱了磁场进入圆筒腔体内；当外激励频率不为0时，圆筒内部等效磁场随外激励频率的提高而减弱，这是由于金属导体在交变外磁场的作用下产生感应电流，感应电流产生反向磁场，从而削弱外磁场强度，外激励频率越大，感应电流越强，对外磁场的削弱程度越剧烈，通过Ansys Maxwell建立仿真分析，可以为使用者提供准确、方便、高效的设计平台，直观、快捷地进行磁场的模拟，能够得到较精确的设计结构磁场的各种信息，更加直观的分析设计的优劣，从而能够有效的判断圆筒内部磁场的变化规律。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。