1.三維實體模型的建立與簡化
電磁流量計實體模型中不僅包括線圈、線圈架、電極、測量管、絕緣套、空氣域、流場域等主要部件,還包括平衡柱體、平衡柱套、電纜插頭過線塞座過線塞套等輔助零件。由于輔件對磁場和電極的感應電動勢沒有影響,同時各個主要部件上都加工有裝配特征,且這些特征都對磁場和信號也沒有影響,因此為了提高計算效率,可對傳感器模型進行簡化。簡化后的模型包括:1)線圈,如圖1a);2)線圈架,如圖1b);3)電極,如圖1c);4)空氣域,如圖1d);5)流體域,如圖1e);6)測量管域,如圖1f)。
筆者在Solidworks中建立了簡化的傳感器實體模型,然后將其導入強大的網格劃分軟件HyperMesh中進行布爾運算和網格劃分,由于實體模型導入后會丟失體信息,因此模型導入后要重新利用各個實體的面重新生成體。
2.有限元模型的前處理及設置
Ansys在工程領域強大的求解能力眾所周知(8],故采用Ansys軟件作為電磁場求解軟件。由于整個有限元模型中的各個部件都是三維實體,模型尺寸頗大,在進行網格劃分時會有大量網格產生,增大計算量,而該模型中除了流體域和電極是計算域外,其他部分都不需要參與計算,因此將線圈、線圈架、電極的網格大小設置為2mm,空氣域的網格大小設置為3mm,流體域的網格大小設置為1mm。
有限元網格的質量直接影響計算精度,采用自動網格劃分,單元形狀為四面體,粗網格和細網格之間過渡并不光滑,因此將流體域和空氣域之間的測量管域的網格單元大小設置為2mm。網格劃分后,導入Anrsys中進行單元類型、材料、實常數、載荷、邊界條件和場路耦合單元設置。線圈用銅線實現,匝數共6500匝,其截面積為2.72×10-4:mm²,體積為1.49×10-5mm3;線圈坐標系單獨定義為局部柱坐標系,軸向為正Y方向,其余部件的坐標系使用全局笛卡爾坐標系,軸向為正Y方向。各個部件的材料參數設置見表1。
為了實現電磁流量計勵磁方式的可編程,需要把線圈單元耦合到電路,因此建立2個Circu124分別實現獨立電壓源單元和耦合單元,V;節點的電位定義為0,然后將線圈單元的任意-一個節點定義為耦合單元的K節點以實現耦合,具體如圖2所示.
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