CN107729619A - 一种基于comsol的单侧计轴传感器建模方法 - Google Patents

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李中伟
林景波
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Abstract

本发明公开一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，包括如下步骤：通过实物图，建立有限元模型球体，包括车轮、铁轨、感应线圈、励磁线圈；以所述有限元模型的几何中心点为球心，建立第一空气域，以模拟单侧计轴传感器运行的空气环境；以所述有限元模型的几何中心点为中心，建立第二空气域；对所述第一空气域进行粗化正四面体剖分；对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨、车轮进行细化正四面体剖分；对各部分模型进行材料参数设置，根据各部分模型材料的实际值进行材料属性值设置。借助该方法，可以有效地降低剖分的复杂程度，减少单元格数量。还可以对关键部件附近的空气域的磁场变化进行计算，使计算结果更可靠。

Description

一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法
技术领域
本发明涉及电磁场分布的计算技术领域，特别涉及的是一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法。
背景技术
在单侧计轴传感器的设计和优化的过程中，需掌握无车轮时传感器附近的磁场分布情况及有车轮时传感器附近的磁场变化规律。目前比较流行的电磁场计算方法有无限元法、有限元法、有限元-无限元结合法等，所有的方法在计算之前都需进行模型的建立，并进行模型的网格剖分。
在利用有限元法对电磁场进行计算分析时，一个重要的步骤是进行模型的有限元网格剖分。常见的网格剖分方法为在模型外建立一个空气域，以模拟计轴传感器运行时的空气环境，并针对不同的计算精度要求，对励磁线圈、感应线圈、铁轨、车轮采用不同的剖分程度，剖分方法复杂、单元格数量巨大、计算时间长、无法对关键部件(励磁线圈、感应线圈)附近空气的磁场变化进行计算与分析，进而无法将空气中磁场的变化对感应线圈的影响充分地反映出来，同时，为了保证计算的正确，还需计算足够大的空气域，一般所建立的空气域的体积不小于模型体积的3倍，这将导致许多未知变量的增加。
图1是常见的网格剖分方法示意图。常规方法中，对于重点考虑的部分，剖分程度更细致，COMSOL软件中默认的剖分类别有较粗化、粗化、常规、细化、较细化等。根据各个部分的计算精度要求，即计算精度要求越高，剖分程度越精细，选择不同的剖分等级，因此剖分细致程度按从低到高的顺序依次为：第一空气域粗化、车轮常规、铁轨常规、单侧计轴传感器较细化。
但是，常规方法存在以下问题:剖分方法复杂、单元格数量巨大、计算时间长、无法对关键部件(励磁线圈、感应线圈)附近空气的磁场变化进行计算与分析。
因此，如何将上述问题加以解决，而设计一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，即为本领域技术人员的研究方向所在。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，借助该方法，可以有效地降低剖分的复杂程度，减少单元格数量，缩减计算时间，更重要的是，可以对关键部件附近的空气域的磁场变化进行计算，使计算结果更可靠。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，包括如下步骤：
通过实物图，建立有限元模型球体，包括车轮、铁轨、感应线圈、励磁线圈；
以所述有限元模型的几何中心点为球心，建立第一空气域，以模拟单侧计轴传感器运行的空气环境；
以所述有限元模型的几何中心点为中心，建立第二空气域；
对所述第一空气域进行粗化正四面体剖分；
对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨、车轮进行细化正四面体剖分；
对各部分模型进行材料参数设置，根据各部分模型材料的实际值进行材料属性值设置。
较佳的实施方式，所述第一空气域为球体空气域，所述球体空气域的体积为三倍有限元模型球体。
较佳的实施方式，所述第二空气域为长方体空气域，所述长方体空气域的大小为将单侧计轴传感器、铁轨、车轮模型包围。
较佳的实施方式，对所述第一空气域采用的网格剖分类别为COMSOL软件内默认的较粗化正四面体剖分，最大单元格尺寸与最小单元格尺寸分别为1.5m与0.21m。
较佳的实施方式，对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨、车轮采用的网格剖分类别为COMSOL软件内默认的细化正四面体剖分，最大单元格尺寸与最小单元格尺寸分别为0.24m与0.02m。
较佳的实施方式，所述第一空气域、所述第二空气域的材料设置为软件默认的空气，将所述车轮与所述铁轨的材料设置为软件默认的铁，将所述感应线圈与所述励磁线圈的材料设置为软件默认的铜。
较佳的实施方式，进行材料属性值的设置包括相对磁导率、相对介电常数及电导率。
为了达到上述目的，本发明还提供一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，包括如下步骤：
通过实物图，建立有限元模型球体，包括铁轨、感应线圈、励磁线圈；
以所述有限元模型的几何中心点为球心，建立第一空气域，以模拟单侧计轴传感器运行的空气环境；
以所述有限元模型的几何中心点为中心，建立第二空气域；
对所述第一空气域进行粗化正四面体剖分；
对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨进行细化正四面体剖分；
对各部分模型进行材料参数设置，根据各部分模型材料的实际值进行材料属性值设置。
较佳的实施方式，所述第一空气域为球体空气域，所述球体空气域的体积为三倍有限元模型球体。
较佳的实施方式，所述第二空气域为长方体空气域，所述长方体空气域的大小为将单侧计轴传感器、铁轨模型包围。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的建模及剖分方法，对于复杂的模型而言，能有效地降低剖分复杂程度，减少单元格数量，缩减计算时间，更重要的是，本发明所述的剖分方法对关键部件附近的空气域的磁场变化进行计算，使计算结果更可靠。
附图说明
图1为现有常见的网格剖分方法示意图；
图2为本发明单侧计轴传感器、铁轨、车轮的有限元模型；
图3为本发明网格剖分方法示意图。
附图标记说明：10-车轮；20-铁轨；30-感应线圈；40-励磁线圈；50-第一空气域；60-第二空气域。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图2所示，是单侧计轴传感器、铁轨、车轮的有限元模型，包括车轮10、铁轨20、感应线圈30、励磁线圈40。
如图3所示，是本发明网格剖分方法示意图，在利用有限元法计算电磁场时，建立模型后，一个重要的步骤就是进行网格剖分，恰当的剖分方法会使计算时间大大减少，同时，使计算结果能更好地反映实际情况。
本发明所涉及的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，具体包括如下步骤
S1：通过实物图，建立的有限元模型，分别建立有车轮10与无车轮10两种情况。
其中，各个模型的大小按实物尺寸进行建立，车轮10采用铁道行业标准TB/T1010-2005中所规定的RD33型轮对；
铁轨20采用热轧钢轨的标准GB2585-2007中的50kg/m的钢轨尺寸；
感应线圈30采用32股丝包线绕制、为4层线圈、匝数为60；
励磁线圈40采用32股丝包线绕制、线圈绕制单层、匝数为40。车轮10在铁轨20上方,单侧计轴传感器位于铁轨20的一侧。
在无车轮10时，由于其他条件一致，只需将模型中的车轮10去掉即可,如附图1所示；
S2：以S1所述有限元模型的几何中心点为球心，设置相应的半径值，建立一个体积约三倍于S1所述有限元模型的球体空气域(第一空气域50)，以模拟单侧计轴传感器运行的空气环境，如附图1所示；
S3：以S1所述有限元模型的几何中心点为中心，建立一个小的长方体空气域(第二空气域60)，该长方体的大小仅将单侧计轴传感器、铁轨20、车轮10模型包围，如附图3所示；
S4：进行网格剖分，对第一空气域50采用的网格剖分类别为COMSOL软件内默认的“较粗化”正四面体剖分，其最大单元格尺寸与最小单元格尺寸(正四面体边长)分别为1.5m与0.21m；
S5：对第二空气域60及其包围的单侧计轴传感器、铁轨20、车轮10采用的网格剖分类别为COMSOL软件内默认的“细化”正四面体剖分，其最大单元格尺寸与最小单元格尺寸分别为0.24m与0.02m；
S6：模型建立与网格剖分后，对各部分模型进行材料参数设置，将S2、S3所述第一空气域50、第二空气域60的材料设置为软件默认的空气，将车轮10与铁轨20的材料设置为软件默认的铁，将感应线圈30与励磁线圈40的材料设置为软件默认的铜，然后根据各部分模型材料的实际属性值进行材料属性值的设置，包括其相对磁导率、相对介电常数及电导率。
励磁线圈40中通以一定频率的励磁电流，通过仿真计算，得到感应线圈30的感应电动势。仿真计算的结果对比如下表所示。
单元格数量 计算时间(s) 感应电动势(mV)
普通建模方法 898664 2107 1.4
所述的建模方法 685514 1820 1.39
数量差 213150 287 0.01
计算结果表明，本发明提出的建模及剖分方法，对于复杂的模型而言，能有效地降低剖分复杂程度，减少单元格数量，缩减计算时间，更重要的是，本发明所述的剖分方法对关键部件附近的空气域的磁场变化进行计算，使计算结果更可靠。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过实物图，建立有限元模型球体，包括车轮、铁轨、感应线圈、励磁线圈；
以所述有限元模型的几何中心点为球心，建立第一空气域，以模拟单侧计轴传感器运行的空气环境；
以所述有限元模型的几何中心点为中心，建立第二空气域；
对所述第一空气域进行粗化正四面体剖分；
对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨、车轮进行细化正四面体剖分；
对各部分模型进行材料参数设置，根据各部分模型材料的实际值进行材料属性值设置。
2.根据权利要求1所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，所述第一空气域为球体空气域，所述球体空气域的体积为三倍有限元模型球体。
3.根据权利要求1所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，所述第二空气域为长方体空气域，所述长方体空气域的大小为将单侧计轴传感器、铁轨、车轮模型包围。
4.根据权利要求1所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，对所述第一空气域采用的网格剖分类别为COMSOL软件内默认的较粗化正四面体剖分，最大单元格尺寸与最小单元格尺寸分别为1.5m与0.21m。
5.根据权利要求1所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨、车轮采用的网格剖分类别为COMSOL软件内默认的细化正四面体剖分，最大单元格尺寸与最小单元格尺寸分别为0.24m与0.02m。
6.根据权利要求1所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，所述第一空气域、所述第二空气域的材料设置为软件默认的空气，将所述车轮与所述铁轨的材料设置为软件默认的铁，将所述感应线圈与所述励磁线圈的材料设置为软件默认的铜。
7.根据权利要求1所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，进行材料属性值的设置包括相对磁导率、相对介电常数及电导率。
8.一种基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过实物图，建立有限元模型球体，包括铁轨、感应线圈、励磁线圈；
以所述有限元模型的几何中心点为球心，建立第一空气域，以模拟单侧计轴传感器运行的空气环境；
以所述有限元模型的几何中心点为中心，建立第二空气域；
对所述第一空气域进行粗化正四面体剖分；
对所述第二空气域及其包围的单侧计轴传感器、铁轨进行细化正四面体剖分；
对各部分模型进行材料参数设置，根据各部分模型材料的实际值进行材料属性值设置。
9.根据权利要求8所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，所述第一空气域为球体空气域，所述球体空气域的体积为三倍有限元模型球体。
10.根据权利要求8所述的基于COMSOL的单侧计轴传感器建模方法，其特征在于，所述第二空气域为长方体空气域，所述长方体空气域的大小为将单侧计轴传感器、铁轨模型包围。
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