[發(fā)明專利]一種鋁電解槽電場(chǎng)仿真分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410230404.X
• 申請(qǐng)日: 2014-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN103984832B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王雅琳;陳冬冬;孫晨瑋;陳曉方;陽(yáng)春華;桂衛(wèi)華;何海明;崇慶巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;C25C3/20
• 代理公司: 南昌新天下專利商標(biāo)代理有限公司36115
• 代理人: 謝德珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋁電解槽電場(chǎng)的仿真分析方法，尤其涉及到鋁電解槽三維模型有限元分析并行計(jì)算的區(qū)域劃分決策過(guò)程。

背景技術(shù)

鋁電解槽是鋁電解生產(chǎn)的核心設(shè)備，其內(nèi)部電場(chǎng)、磁場(chǎng)及流場(chǎng)等物理場(chǎng)的分布對(duì)鋁電解槽的電流效率、直流電耗、槽壽命等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有重要影響。而電場(chǎng)又是電解槽運(yùn)行的能量基礎(chǔ)，是其它各物理場(chǎng)形成的根源。因此,對(duì)電場(chǎng)的研究十分重要。但在實(shí)際生產(chǎn)中，電場(chǎng)分布很難直接測(cè)量，所以鋁電解槽電場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)仿真研究對(duì)電解槽設(shè)計(jì)和鋁電解生產(chǎn)具有重要意義。

伴隨鋁電解槽仿真模型的規(guī)模越來(lái)越大，精度要求越來(lái)越高，其有限元分析必將花費(fèi)更多的時(shí)間，傳統(tǒng)的串行計(jì)算方式已經(jīng)難以承受日益增大的計(jì)算規(guī)模，主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量和計(jì)算速度兩個(gè)方面，有限元分析與并行計(jì)算的結(jié)合是一種必然的趨勢(shì)。雖然大型通用有限元軟件如Ansys等具有并行計(jì)算功能，但由于這些軟件的封閉性，針對(duì)不同模型進(jìn)行并行計(jì)算時(shí)，難以有針對(duì)性地采用相適宜的不同區(qū)域劃分策略，從而影響了其計(jì)算效率。區(qū)域劃分作為并行計(jì)算任務(wù)分配的一種典型應(yīng)用，區(qū)域劃分結(jié)果對(duì)有限元并行計(jì)算的效率有著至關(guān)重要的影響，一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的、普遍適用的、性能良好的劃分算法可以保證有限元并行計(jì)算高效進(jìn)行。常見的有限元并行計(jì)算區(qū)域劃分方法主要有多層次分區(qū)法和ANP算法。多層次分區(qū)法基于圖論觀點(diǎn)、采用多層次策略來(lái)解決區(qū)域劃分問題，在進(jìn)行區(qū)域劃分時(shí)可能造成劃分子區(qū)域間通信較多，影響后續(xù)計(jì)算。ANP算法雖然可以取得較佳的區(qū)域劃分結(jié)果，但是在子區(qū)域決策階段，每次遍歷僅僅選取節(jié)點(diǎn)權(quán)值最小節(jié)點(diǎn)的步驟嚴(yán)重浪費(fèi)了遍歷的時(shí)間消耗，隨著模型規(guī)模擴(kuò)大，算法執(zhí)行時(shí)間大大增加。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種提高電場(chǎng)仿真分析效率的鋁電解槽電場(chǎng)仿真分析方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種鋁電解槽電場(chǎng)仿真分析方法，包括以下步驟：

步驟1)通過(guò)鋁電解槽模型數(shù)據(jù)建立鋁電解槽電場(chǎng)三維仿真模型；

步驟2)采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的ANP算法對(duì)鋁電解槽進(jìn)行區(qū)域劃分；

步驟3)采用有限元并行計(jì)算仿真分析方法得到鋁電解槽電場(chǎng)分布。

優(yōu)選地，步驟2)包括以下步驟：

步驟2-1)讀入模型的有限元單元與節(jié)點(diǎn)文件，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元連接數(shù)，記為α_i，作為節(jié)點(diǎn)的初始值；

步驟2-2)統(tǒng)計(jì)模型的整體幾何信息，得到x軸、y軸、z軸三個(gè)方向的距離最大值：x_max、y_max、z_max，并確定模型最長(zhǎng)方向；

步驟2-3)調(diào)整節(jié)點(diǎn)權(quán)重，使最長(zhǎng)方向的節(jié)點(diǎn)權(quán)重增加，假設(shè)x軸為模型最長(zhǎng)方向，x_i為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的橫坐標(biāo)值，由此得到節(jié)點(diǎn)的最終權(quán)重:γ_i＝α_i+extra,其中

p為待劃分子區(qū)域的個(gè)數(shù)；

步驟2-4)對(duì)子區(qū)域依次進(jìn)行下面的操作：

①確定當(dāng)前子區(qū)域的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有最小的權(quán)重，尚未屬于任何子區(qū)域，且不位于已劃分的子區(qū)域邊界；

②將和該節(jié)點(diǎn)相連的未標(biāo)記單元依次加入子區(qū)域中，并進(jìn)行子區(qū)域歸屬標(biāo)記，同時(shí)將加入單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)γ_i、α_i減1；

③從已經(jīng)加入子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)中選擇γ_i最小且α_i不為零的前an節(jié)點(diǎn)，其中an為一從前期到中期逐漸增多的動(dòng)態(tài)添加值；

④重復(fù)②～③的操作，直到子區(qū)域的單元數(shù)達(dá)到(表示向上取整)個(gè)，其中N_e為模型的單元總數(shù)；

步驟2-5)如果已經(jīng)劃分的子區(qū)域尚未滿足p個(gè)，則重復(fù)步驟2-4)的步驟。

優(yōu)選地，其中T_count為待加入節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，為三維有限元模型特征參數(shù)，P_ro為避免開始或者結(jié)束階段可能出現(xiàn)的異常情況的過(guò)程參數(shù)，ceil指取得比當(dāng)前值大的最小整數(shù)。其中是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，過(guò)程參數(shù)N_M代表子區(qū)域的單元個(gè)數(shù)，即Q_count代表當(dāng)前已經(jīng)添加的單元個(gè)數(shù)。即動(dòng)態(tài)添加值an是根據(jù)模型的規(guī)模、復(fù)雜程度和劃分階段變化特性來(lái)動(dòng)態(tài)確定的。

本發(fā)明的有益效果是：

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中區(qū)域劃分的單點(diǎn)添加，本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)添加，在大規(guī)模模型中，算法的執(zhí)行時(shí)間大大減少。