CN113378436B - 基于ansys的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，它包括：对钢轨及下方土壤进行三维建模；将建立的三维模型导入到ANSYS Workbench中进行模型的简化，并设置材料参数；分别选择土壤、道床、绝缘扣件和钢轨，并给赋予相应的材料，各部分之间的接触关系为默认；对简化后的模型进行网格划分，建立有限元计算模型；施加电流激励和电压边界条件求出计算解；对计算结果进行后处理分析，得出杂散电流泄漏点及在土壤中分布的分析结果；解决了现有技术通过构造电路模型来求取钢轨上杂散电流大小以及不同节点上的电位分布情况；但在对地铁隧道及附近土壤区域的电位的求解不方便及不准确等技术问题。

Description

基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法
技术领域
本发明属于城市轨道交通领域，尤其涉及一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法。
技术背景
随着近年来轨道交通行业的发展，地铁的发展越来越受到重视与青睐。由于使用直流牵引系统供电的地铁隧道在运行中因轨地之间的绝缘性能的限制，地铁轨道上的电流在回流的过程中会有一部分电流流入大地从而形成杂散电流。杂散电流造成的危害十分的大，它不仅会对地铁隧道的结构以及隧道附近的金属材料管道等物质造成严重的腐蚀，还有可能对乘车人员的安全造成威胁。因此，对杂散电流进行相关的研究，了解其泄漏点、分布范围及造成影响的程度是十分有意义的。
现有技术对杂散电流进行的研究大多是通过构造电路模型来求取钢轨上杂散电流大小以及不同节点上的电位分布情况；这种方法虽然能精确的求解出不同情况时杂散电流的大小以及钢轨上的电位分布情况，但在对地铁隧道及附近土壤区域的电位的求解却不是很方便，尤其是在周围环境复杂的情况下结果不准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，以解决现有技术通过构造电路模型来求取钢轨上杂散电流大小以及不同节点上的电位分布情况；但在对地铁隧道及附近土壤区域的电位的求解不方便及不准确等技术问题。
本发明技术方案：
一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，它包括：
步骤1、通过三维建模软件CATIA对钢轨及下方土壤进行三维建模，建立的三维模型称为轨地模型，并保存为.stp格式文件；
步骤2、将建立的三维模型导入到ANSYS Workbench中进行模型的简化，并设置材料参数；
步骤3、分别选择土壤、道床、绝缘扣件和钢轨，并给赋予相应的材料，各部分之间的接触关系为默认；
步骤4、对简化后的模型进行网格划分，建立有限元计算模型；
步骤5、施加电流激励和电压边界条件求出计算解；
步骤6、对计算结果进行后处理分析，得出杂散电流泄漏点及在土壤中分布的分析结果。
步骤2中进行模型的简化时，钢轨截面由马蹄形转变为标准的工字形。
步骤2中进行模型的简化时，绝缘扣件的附件删除只保留绝缘板。
步骤3中，先在材料库中找到相应的材料钢轨、绝缘板、道床和土壤；并分别定义材料的电阻率，电阻率根据实物的电阻率进行设置，钢轨设置为10-7Ω.m,绝缘板为1012Ω.m，道床为500Ω.m，土壤为150Ω.m；接着给各部件赋予相应的材料。
选择材料时，钢轨为结构钢，绝缘板为硬橡胶，道床为混凝土，土壤为土。
步骤4所述对简化后的模型进行网格划分时，对模型各部分采取不同大小的网格进行划分，土壤部分采用0.5 m的网格，道床及绝缘板采取0.1 m的网格，钢轨采用0.05m的网格进行划分。
步骤5所述施加电流激励和电压边界条件的方法为：选择两根钢轨的同一端截面为受流面，设置电流为400A，方向垂直截面指向钢轨另一端，选择土壤最下方的一面为边界面，设置电压大小为0V。
步骤6所述对计算结果进行后处理分析时，电流激励的大小从每根钢轨截面200A逐步增加到500A，得出电流值对结果的影响；通过查看电压分布云图的电压得到电压分布的趋势、最值以及杂散电流的泄漏点。
本发明有益效果：
本发明通过采用对轨地模型进行有限元仿真计算方法后，就能通过科学的仿真方法获取杂散电流在土壤中的泄露及分布特性的相关数据；
本发明通过采用对轨地模型进行有限元仿真计算方法后，还能更准确模拟在各种工况，各种地质结构下的电位分布；
本发明通过使用细致的模型来较为精确地计算出钢轨上各个位置的电位情况以及杂散电流大小，还可根据杂散电流在不同情况下的大小分布规律来对地铁隧道做出腐蚀防护的措施及建议；
本发明通过采用对轨地模型进行简化，保证计算结果的快速的得出，同时保证分析结果更加的高效；
本发明通过采用不同的网格划分方式进行划分，使得分析更加的均匀、高效。
解决了现有技术通过构造电路模型来求取钢轨上杂散电流大小以及不同节点上的电位分布情况；但在对地铁隧道及附近土壤区域的电位的求解不方便及不准确等技术问题。
附图说明：
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步详细说明。
本发明应用于城市轨道交通系统，利用ANSYS软件来对城市轨道交通中的杂散电流分布特性进行仿真分析。
本发明包括下述步骤：
L1：借助三维建模软件CATIA对钢轨及下方土壤部分进行三维建模（以下称轨地模型）并保存为.stp格式文件；
L2：将三维模型导入到workbench中进行模型的简化，对一些部件的形状以及附件进行
化简，并设置材料参数；
L3：分别选择土壤、道床、绝缘扣件、钢轨，并给其赋予相应的材料，默认接触关系即可；
L4：对简化后的模型进行网格划分，建立有限元计算模型；
L5：施加电流激励和电压边界条件求出计算解；
L6：对计算结果进行后处理分析。
本发明通过采用轨道土壤整体模型进行有限元仿真计算方法后，就能通过科学的仿真方法获取杂散电流的泄露以及在土壤中分布特性的相关数据。具体的，在CATIA三维建模软件中建立实际的轨地模型，并将画好的模型保存为.stp格式。在workbench中建立electric模块，并进入geometry中导入刚才画好的模型。在此之前已做过相关的研究，若不简化模型，采用完全1：1的建模，则钢轨以及绝缘扣件会因为形状以及附件过多，在仿真计算时容易出现电脑崩溃无法运行的情况，因此根据电路的相关原理对实物先进行简化，将钢轨截面由马蹄形转变为标准的工字形，在充分保留受流面积的同时又可以减少接触面，减小计算量。将绝缘扣件多余附件删除，只保留其绝缘板。再进入engineering data中找到需要的材料，如structure steel（结构钢）、rubber hard（硬橡胶）、concrete（混凝土）、soil（土），并分别定义材料的电阻率-isotropic resistivity，这里根据实物的电阻率进行设置，结构钢设置为10-7Ω.m,硬橡胶设置为1012Ω.m，混凝土设置为500Ω.m，土设置为150Ω.m。接着进入到model中，在geometry树枝下选中各个部件，并在详细信息的material中更改对应的材料（默认材料为结构钢），钢轨为结构钢材料，道床为混凝土材料，绝缘板为硬橡胶材料，土壤为土材料，各部分接触关系默认选择为bonded即可。在mesh树枝下新建sizing1、sizing2、sizing3，在sizing1的详细信息中选定geometry为土壤实体，并更改element size为0.5m，同理sizing2对应道床及绝缘板，网格尺寸为0.1m，sizing3对应钢轨，网格尺寸为0.05m。随后generate mesh，进行网格划分。网格划分完成之后进行激励与边界条件的加载。在analysis settings 树枝插入current以及voltage，在current详细信息中选择两根钢轨的同一端截面为受流面，更改magnitude为400A，方向为垂直该截面并指向钢轨另一端。同样在voltage中选择土壤最下方的一面为边界面，设置电压大小为0V。最后选择solution，进行solve求解。求解完毕后，可根据想查看的部位电压电流，插入electric voltage以及total current density，并在其详细信息中选择想要查看的部件实体，点击evaluate all results即可得到该部位的云图，通过查看应力云图，土壤上的电压分布、泄漏点、电压及电流密度大小一目了然。若要探究泄漏点时，可对不同位置的绝缘板赋予不同的材料属性，如给两端的若干块绝缘板赋予结构钢材料，中部绝缘板赋予硬橡胶材料，从而模拟两端绝缘破损的情况。若要探究牵引电流的大小对杂散电流的影响，则可以增大电流激励。在工程界面通过复制工程文件，保留前面所有的设置，更改材料属性或者激励大小，达到对比的效果。
综上所述，本发明的通过采用对轨地模型进行有限元仿真计算方法后，就能通过科学的仿真方法获取杂散电流的泄露以及在土壤中分布特性的相关数据；通过采用对轨地模型进行有限元仿真计算方法后，还能更准确模拟在各种工况，各种地质结构下的电位分布；通过使用细致的模型来较为精确地计算出钢轨上各个位置的电位情况以及杂散电流大小，还可根据杂散电流在不同情况下的大小分布规律来对地铁隧道做出腐蚀防护的措施及建议；通过采用对模型进行简化，保证计算结果的快速的得出，同时保证分析结果更加的高效；通过采用不同的网格划分方式进行划分，使得分析更加的均匀、高效。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法只是示例。可以根据实际需要相应地增减模型的附件。例如，可以在土壤中建造接地网等一些地下模型，通过查看土壤中的电压分布，可以为接地网腐蚀相关的研究提供一些数据。

Claims (6)

1.一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，它包括：
步骤1、通过三维建模软件CATIA对钢轨及下方土壤进行三维建模，建立的三维模型称为轨地模型，并保存为.stp格式文件；
步骤2、将建立的三维模型导入到ANSYS Workbench中进行模型的简化，并设置材料参数；
步骤3、分别选择土壤、道床、绝缘扣件和钢轨，并给赋予相应的材料，各部分之间的接触关系为默认；
步骤4、对简化后的模型进行网格划分，建立有限元计算模型；
步骤5、施加电流激励和电压边界条件求出计算解；
步骤6、对计算结果进行后处理分析，得出杂散电流泄漏点及在土壤中分布的分析结果；
步骤5所述施加电流激励和电压边界条件的方法为：选择两根钢轨的同一端截面为受流面，设置电流为400A，方向垂直截面指向钢轨另一端，选择土壤最下方的一面为边界面，设置电压大小为0V；
步骤6所述对计算结果进行后处理分析时，电流激励的大小从每根钢轨截面200A逐步增加到500A，得出电流值对结果的影响；通过查看电压分布云图的电压得到电压分布的趋势、最值以及杂散电流的泄漏点。
2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，其特征在于：步骤2中进行模型的简化时，钢轨截面由马蹄形转变为标准的工字形。
3.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，其特征在于：步骤2中进行模型的简化时，绝缘扣件的附件删除只保留绝缘板。
4.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，其特征在于：步骤3中，先在材料库中找到相应的材料钢轨、绝缘板、道床和土壤；并分别定义材料的电阻率，电阻率根据实物的电阻率进行设置，钢轨设置为10-7Ω.m,绝缘板为1012Ω.m，道床为500Ω.m，土壤为150Ω.m；接着给各部件赋予相应的材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，其特征在于：选择材料时，钢轨为结构钢，绝缘板为硬橡胶，道床为混凝土，土壤为土。
6.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的地铁杂散电流泄露及分布特征模拟方法，其特征在于：步骤4所述对简化后的模型进行网格划分时，对模型各部分采取不同大小的网格进行划分，土壤部分采用0.5 m的网格，道床及绝缘板采取0.1 m的网格，钢轨采用0.05m的网格进行划分。
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