高速铁路接触网有限元建模分析的电磁场仿真与应用

采用Maxwell 二维可以处理静电场、变化电场、静磁场、瞬态场和涡流场等，可以对电机、线路、仪器等进行准确的电磁场的分析。如图4-79所示，在软件中选择Insert Maxwell 2D Design，进入二维建模仿真，打开软件后界面里的各功能区如图4-80所示。

图4-79　进入二维建模仿真

图4-80　初始化界面

ANSOFT 处理软件可以分为三个模块：前处理、分析和计算以及后处理。前处理主要包括选择求解器、建立模型、编辑材料及其属性、设置激励源及边界、自适应剖分；分析计算模块主要是计算机分析处理电场的仿真模型；后处理主要包括一些云图、曲线和图表的处理。此次仿真的是交流工频电场应选取的求解器类型为交流电场模式（AC Conduction）（见图4-81）。建模前应把比例尺调整为米，即点击“Modeler”下的“Units”选项进行比例修改（见图4-82）。

图4-81　交流电场模式（AC Conduction）

图4-82　比例修改

在图形用户界面的右上方有一排快捷键如图4-83，利用直线、曲线、三点画线、中心曲线、矩形、圆形、多边形、椭圆形等，这些基本图形来绘制我们的高速铁路沿线模型图。然后根据本实例所给出的模型图和表数据进行建模。绘图时可以在选定基本图形后，在界面右下角设置坐标。铁路沿线模型画完以后还需要设置一个大的求解区域。

图4-83　快捷键

仿真流程如图4-84所示。

图4-84　仿真处理流程图

1.编辑材料属性

模型建立完成后需要对模型中各部分进行材料属性的编辑，点击模型对象添加材料。如图4-85 为材料编辑界面，能在Ansoft 材料库找到的材料可以直接添加，找不到的可以点击图4-85（a）中的“Add Material”添加材料，然后会弹出图4-85（b）所示界面，编辑材料名称以及材料的电导率和相对介电常数。

图4-85　材料编辑界面(https://www.xing528.com)

本次仿真所用到的各种材料以及它们的电导率和相对介电常数如表4-7所示，其中接触线和承力索使用铜材料；保护线、正馈线和列车车厢使用铝材料；站台和建筑使用混凝土材料。

表4-7　材料属性

2.电场激励源

激励源是分析处理的系统能量来源，所有的模型都要存在激励源，在不同场情况下激励源也会有所不同，探究交流电场时一般以电压作为激励源。选定要添加的模型后，如图4-86（a），点击菜单栏“Maxwell 2D”→“Excitations”→“Assign”→“Voltage”）会弹出图4-86（b）对话框，在Value 栏里输入相应的电压值即可。这样就完成了将高速铁路接触网不同线索激励源的设置，接触线、承力索、正馈线和保护线电压参数如表4-8所示。

图4-86　电场激励源添加流程及界面

表4-8　接触网激励源参数

3.边界条件的选择

高速铁路接触网一般处于大气空间中，当线索被施加电压后，电场可向空间无穷远辐射，且无穷远处电位为零。在使用有限元法处理电场问题时一般要求场域是有界的，本实例选用气球边界条件。

使用时需要首先选中求解域的边界，点击菜单栏“Maxwell 2D”→“Boundaries”→“Asign”→“Balloon Boundary”选项即可弹出图4-87 添加界面，只需要定义边界名称即可。

图4-87　气球边界条件添加流程及界面

4.网格的精细化自适应剖分

完成建模、添加激励源和边界条件后，需要对模型进行网格剖分，Ansoft 软件采用的是自适应网格剖分技术。选取模型后点击选项卡“Maxwell 2D”→“Mesh Operations”→“Assign”→“Inside Selection”会弹出图4-88 界面，可以设定剖分三角形的最大边长，最大边长会直接影响剖分的单元数目，边长越小剖分数目会越多，使用的计算资源也会越多，本实例使用0.5 m 的剖分边长。

图4-88　剖分设置界面