Μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση θαλάμου θωράκισης με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων στο λογισμικό ANSYS

Abstract

Σκοπός της παρούσας Μεταπτυχιακής Εργασίας (ΜΕ), είναι η μελέτη της συμπεριφοράς θαλάμου μαγνητικής θωράκισης, με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση παραμέτρων που αφορούν στο συγκεκριμένο πρόβλημα. Πιο συγκεκριμένα, μοντελοποιείται μια βασική γεωμετρία του θαλάμου θωράκισης, που αποτελείται από τρεις ομοαξονικούς ανοιχτούς κυλίνδρους, δύο υλικού υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας (mumetal), εσωτερικά, και ένας αγώγιμου υλικού (Al), καθώς και παραλλαγές αυτής. Στη συνέχεια, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης της σταθερής έναντι της μεταβαλλόμενης μαγνητικής διαπερατότητας του υλικού υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας, και αφού γίνει η επιλογή της αποδοτικότερης και λειτουργικότερης γεωμετρίας του θαλάμου πραγματοποιείται βελτιστοποίηση των παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της θωράκισης. Αυτές οι παράμετροι είναι η τιμή της μαγνητικής διαπερατότητας του υλικού υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας και το πάχος των κενών αέρα ανάμεσα στους τρεις κυλίνδρους. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη θεωρία που αφορά τον μαγνητισμό και τα βασικά του μεγέθη. Επίσης, αναφέρονται βασικά μαγνητικά υλικά και οι μαγνητικές ιδιότητές τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο καταγράφεται η βασική θεωρία της μαγνητικής θωράκισης, δηλαδή οι μέθοδοι και μοντέλα θαλάμων μαγνητικής θωράκισης που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία, ενώ περιγράφονται υλικά που χρησιμοποιούνται στις υπάρχουσες διατάξεις θαλάμων θωράκισης. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται γενικά στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων καθώς και στην διαδικασία που ακολουθείται κατά την μοντελοποίηση σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή. Επίσης, παρατίθενται οι εξισώσεις που διέπουν το φαινόμενο που μελετάται (εξισώσεις Maxwell) καθώς και οι αριθμητικές λύσεις αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη βελτιστοποίηση και περιγράφονται βασικές μέθοδοι βελτιστοποίησης. Σε αυτό το σημείο γίνεται περιγράφονται και δύο βασικές μέθοδοι βελτιστοποίησης που προσφέρονται από το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκε, δηλαδή η Sub - Problem Approximation και η First Order. Το πέμπτο κεφάλαιο πραγματεύεται τη μοντελοποίηση του θαλάμου θωράκισης, ξεκινώντας με μια σύντομη αναφορά στη διαδικασία που ακολουθείται κατά τη μοντελοποίηση στο συγκεκριμένο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Συγκεκριμένα, σε πρώτο στάδιο, αναλύεται η μοντελοποίηση του μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο θα βρίσκεται ο θάλαμος θωράκισης, και σε δεύτερο στάδιο η καθ’ αυτή διαδικασία μοντελοποίησης του βασικού θαλάμου θωράκισης. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης του βασικού θαλάμου θωράκισης μέσα στο μαγνητικό πεδίο και η γεωμετρικές του παραλλαγές (με ενιαία επίπεδα καπάκια, με ενιαία καμπυλωτά καπάκια και με καμπυλωτά ξεχωριστά εξωτερικά κουμπωμένα καπάκια με τρία διαφορετικά μήκη επικάλυψης του βασικού κυλινδρικού κορμού. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό γίνεται διερεύνηση της ακρίβειας στη μοντελοποίηση της μαγνητικής διαπερατότητας στην θωράκιση δοκιμάζοντας το ίδιο μοντέλο θαλάμου θωράκισης με σταθερή και με μεταβαλλόμενη μαγνητική διαπερατότητα. Το κεφάλαιο επτά αναφέρεται στις μεθόδους βελτιστοποίησης που θα χρησιμοποιηθούν και περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθείται κατά τη βελτιστοποίηση στο εν λόγω λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση με δοκιμές για να διαπιστωθεί η επίδραση του πάχος των κυλίνδρων μαγνητικού υλικού στην αποτελεσματικότητα της θωράκισης. Στη συνέχεια, με χρήση και δύο μεθόδων βελτιστοποίησης (Sub - Problem Approximation και First Order), γίνεται βελτιστοποίηση της τιμής της μαγνητικής διαπερατότητας του υλικού υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας (mumetal), καθώς και του πάχους κενών αέρα που παρεμβάλλονται στους τρεις επάλληλους κυλίνδρους του θαλάμου θωράκισης. Η παρούσα Μεταπτυχιακή Εργασία κλείνει με την σύνοψη των βασικών συμπερασμάτων καθώς και προτάσεις για μελλοντική εξέλιξή της.

Magnetic shielding is used to offer protection from stray magnetic fields to devices sensitive to magnetic noise. In this Μaster Thesis the Finite Element method has been used in order to simulate the magnetic shielding effect of a chamber in a static magnetic field. Different geometries for the chamber have been considered and simulated, in the static magnetic field generated by a cylindrical coil. The cylindrical coil has been part of this analysis too. Several types of materials of different properties have been used such as high permeable Mumetal and conductive Aluminum, for the chamber, Copper for the coil and Air as the medium for the creation of the magnetic field. The influence of certain parameters, like the optimum thickness of the ferromagnetic alloy, in the effectiveness of the shielding has been investigated. The effect of the width of the air gaps, and the material properties (permeability μ) of the ferromagnetic material (mumetal) has also been investigated using the design optimization module existing in ANSYS FE software. The efficiency of these configurations has been evaluated using the shielding factor as an index.