基于MATLAB和COMSOL联合仿真的磁性液体密封耐压能力分析方法与流程

基于matlab和comsol联合仿真的磁性液体密封耐压能力分析方法
技术领域
1.本发明属于磁性液体密封领域，尤其涉及磁性液体密封结构耐压能力仿真分析方法，可用于磁性液体密封装置机械结构的优化设计。


背景技术：

2.在磁性液体密封领域，耐压能力受到极齿几何形状，齿间距，齿数，极齿位置，轴与极靴的材料，永磁体数量等参数的影响，是衡量磁性液体密封装置性能的最重要的参数指标。目前一般使用有限元分析软件，如ansys、comsol等，进行仿真分析，分析过程包括建立几何模型，设置材料属性，设置物理场属性，划分网格，设置相应求解器，进行仿真分析，得到磁场分布，读取所需路径的磁场大小，计算磁性液体密封装置耐压能力。但上述仿真分析方法存在以下问题：
3.(1)为了获得最佳的密封结构设计方案，需要计算大量不同尺寸、不同结构的模型，但是每次计算都需要手动修改模型参数并重复仿真步骤，费时费力且容易出错；
4.(2)当模型参数包含连续变量或模型参数较多时，难以通过手动调试参数得到最优模型；
5.(3)当需要计算的模型数量较多时，没有相应的程序可批量处理仿真结果，需要手工筛选，效率较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种基于matlab和comsol联合仿真的磁性液体密封耐压能力分析方法，综合两种软件的优势，以简化仿真流程、降低仿真分析操作门槛，提高仿真分析效率、快速完成不同参数条件下密封结构磁场分布及耐压能力的批量计算。
7.为实现上述目的，本发明主要的实现步骤如下：
8.(1)使用cad软件绘制仿真所需几何模型，将其导出为.dxf格式文件；
9.(2)建立comsol仿真模型，设置空间维度、物理场选项及研究类型，导入步骤(1)中导出的几何模型.dxf格式文件，并完成几何模型的建立；
10.(3)在comsol中设置几何模型的材料参数，设置物理场属性，进行网格划分，设置求解器，设置需要导出并保存的图片属性，完成有限元仿真模型建立，将其导出为.m格式文件；
11.(4)使用matlab调用步骤(3)中生成的有限元仿真模型.m文件，完成matlab和comsol的联合仿真分析编程；
12.(5)使用comsolmultiphysics for matlab打开matlab，运行步骤(4)中编写的matlab和comsol的联合仿真分析程序，完成不同参数条件下磁性液体密封结构的有限元仿真，并保存仿真结果文件；
13.(6)使用matlab调用步骤(5)生成的仿真结果文件，计算不同参数条件下磁性液体
密封结构的耐压能力，并将结果导出保存。
14.本发明与传统有限元分析方法相比，具有如下优点：
15.1)本发明通过使用matlab调用comsol有限元仿真模型，批量更改其几何模型结构参数以得到大量不同结构下的仿真结果，并对其进行批量处理，为结构优化设计提供大量数据，提高了仿真效率；
16.2)本发明使用matlab自动生成、更改参数并调用comsol进行仿真，减少需要人工参与的步骤，降低人为失误造成的可能；
17.3)本发明使用comsol建立有限元仿真模型的步骤可提前由专业仿真人员完成，在不更改comsol仿真模型设置的情况下，使用本发明进行仿真不需要使用人员熟知comsol操作方法，大大降低了仿真分析的操作门槛。
附图说明
18.图1是本发明的实现流程图；
19.图2是本发明实例中在comsol中初步建立的几何模型；
20.图3是对图2的仿真磁力线分布图；
21.图4是对图2的仿真磁感应强度云图；
22.图5是对图2极齿处的仿真磁感应强度图；
23.图6是本发明批量仿真后的部分耐压强度数据图；
24.图7是三角形极齿齿形图；
25.图8是等腰梯形极齿齿形图；
26.图9是矩形极齿齿形图；
27.图10是直角梯形极齿齿形图。
具体实施方式
28.显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
29.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
30.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
31.为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。
32.实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9及图10所示，基于matlab和comsol联合仿真的磁性液体密封结构优化设计方法,含有以下步骤：
33.步骤1，使用cad软件绘制仿真所需几何模型，并将其导出为.dxf格式文件。
34.根据磁性液体密封装置的结构，使用cad软件分别绘制其极靴、轴、永磁体和空气域的几何模型，将其导出为.dxf文件，用于导入到comsol中生成仿真几何模型。在绘制过程中，需要注意三个模型的起始位置和相对位置，使其在comsol中保持正确的相对位置。本步骤生成的.dxf文件一是为了在comsol中生成极靴、轴、永磁体和空气域的模型变量及其导入路径，方便后续使用matlab调用、更改；二则是更改极靴、轴、永磁体和空气域的基础几何模型也需要重复此步骤，使用cad软件绘制新的几何模型并生成.dxf文件。
35.步骤2，建立comsol仿真模型，设置空间维度、物理场选项及研究类型，导入几何模型.dxf格式文件，并完成几何模型的建立，如图2所示。
36.2.1)打开comsolmultiphysics，选择模型向导，“二维轴对称”空间维度，“磁场，无电流(mfnc)”物理场，“稳态”研究；
37.2.2)导入极靴、轴、永磁体和空气域的.dxf文件，绘制一个极齿边界，使用阵列和镜像完成所有极齿边界的建立，使用布尔操作在轴或者极靴上去除极齿边界形成极齿，形成联合体完成几何模型的建立；
38.步骤3，在comsol中设置几何模型的材料参数，设置物理场属性，进行网格划分，设置求解器，设置需要导出并保存的图片属性，完成有限元仿真模型建立，将其导出为.m格式文件；
39.3.1)设置极靴、轴、永磁体和空气域的材料参数，其中极靴和轴需要输入b
‑
h曲线，使用“插值”函数，“数据源”选择“文件”，选择b
‑
h曲线文件，后续可根据实际使用的材料参数，在matlab中修改b
‑
h文件路径以修改材料的b
‑
h曲线参数；
40.3.2)设置“磁场，无电流(mfnc)”物理场属性，对于空气域，设置“磁通量守恒”，“材料类型”为“非固体”，“磁化模型”为“相对磁导率”，“相对磁导率”来源“来自材料”；
41.3.3)对于永磁体，设置“磁通量守恒”，“材料类型”为“固体”；“磁化模型”——“剩余磁通密度”，“回复磁导率”来源“来自材料”，“剩余磁通密度模”来源“来自材料”，“剩余磁通方向”——z方向设置为“1”；
42.3.4)对于极靴和轴，设置“磁通量守恒”，“材料类型”为“固体”；“磁化模型”为“b
‑
h曲线”，“磁通密度模”来源“来自材料”，“磁共能密度”来源“来自材料”；
43.3.5)设置“零磁标势”；
44.3.6)使用自由三角形网格对几何模型划分网格；
45.3.7)设置求解器，使用默认求解器；
46.3.8)生成并保存密封结构的磁感应强度云图，磁力线分布图和密封部位的每个极齿下的磁感应强度图，并在“导出”中设置各数据的导出格式和保存路径；
47.3.9)保存文件，并另存文件为.m格式文件。
48.步骤4，使用matlab调用有限元仿真模型.m文件，完成matlab和comsol的联合仿真分析编程。
49.4.1)在matlab中定义文件路径，包括密封装置的.dxf文件，comsol模型文件，材料b
‑
h参数文件，有限元仿真模型.m文件，数据保存文件；
50.4.2)在matlab中定义模型参数，包括极齿剪切方向，起始坐标，模型对称轴坐标，齿间距，磁性液体体积范围等；
51.4.3)依据不同极齿在模型中的几何位置和不同密封条件下磁性液体与极齿的包覆关系，将磁性液体消耗量与齿数的关系简化为公式1和公式2,
52.v＝n1*l
t
*l
g
ꢀꢀꢀ
(1)
[0053][0054]
由于模型中的v，l
g
和l
t
均为已知量，因此化简后可得公式3和公式4，并得到n，
[0055][0056][0057]
式中v——磁性液体总消耗量，l
g
——密封间隙，l
t
——齿间距，n1——矩形极齿、直角梯形极齿、等腰梯形极齿数量，n2——三角形极齿数量；
[0058]
4.4)根据不同极齿在模型中的几何位置，由公式5和公式6得到各极齿齿槽宽与极靴宽度的关系，
[0059]
l＝n*x
ꢀꢀ
(5)
[0060]
l＝n*l
t
(n
‑
1)*l
s
ꢀꢀ
(6)
[0061]
由于模型中的l，n，l
t
均为已知量，因此化简后可得公式7和公式8，并得到x和l
s
，
[0062]
x＝n/l
ꢀꢀ
(5)
[0063][0064]
式中l——极靴下底长度；x——三角形极齿齿顶槽宽；l
s
——矩形，等腰梯形，直角梯形极齿齿顶槽宽；l
t
——齿间距；n——极齿数量；
[0065]
4.5)读取极齿尺寸变量和初始位置，依据不同极齿的几何形状关系建立单个极齿的坐标；
[0066]
4.6)读取极齿剪切方向，起始坐标，模型对称轴坐标，齿间距，和齿数，依据各极齿间的相互关系求解其余极齿的坐标；
[0067]
4.7)修改有限元仿真模型.m文件中的参数及文件路径，并在matlab主程序中完成有限元仿真模型的调用计算程序编写。
[0068]
步骤5，使用comsolmultiphysics for matlab打开matlab，运行matlab和comsol的联合仿真分析程序，完成不同参数条件下磁性液体密封结构的有限元仿真，并保存仿真结果文件。
[0069]
5.1)通过comsolmultiphysics for matlab打开matlab，运行主程序；
[0070]
5.2)程序运行完毕后会自动保存如图3至图5所示的磁场仿真图像，并将磁场梯度保存至指定路径下的txt文件中。
[0071]
步骤6，使用matlab调用仿真结果文件，计算不同参数条件下磁性液体密封结构的耐压能力，并将结果导出保存。
[0072]
6.1)使用matlab调用仿真结果中保存的轴与极靴空气隙中的磁场分布文件；
[0073]
6.2)根据空气隙处网格划分情况，运行数据处理程序，获取每个极齿对应的密封间隙内的最大磁通密度模差值，并做累加得到总磁通密度模差，再乘以磁性液体的饱和磁化强度，得到耐压强度，其表达式为公式7；
[0074][0075]
6.3)将各参数条件下的耐压强度数据及对比分析导出保存，如图6，以供仿真操作人员查看，完成仿真全过程。
[0076]
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。