基于有限元法的矿井电磁波传播特性研究

论文摘要

煤炭是我国的主要能源,煤炭生产在我国国民经济中占有举足轻重的地位。我国煤矿井下地质条件非常复杂,工作环境恶劣,矿井巷道长可达几十千米,作业点分散,采煤机电设备及人员流动性大,巷道和采掘工作面空间狭窄,环境中存在着大量的有爆炸危险的一氧化碳、瓦斯及煤尘等空气混合体,事故隐患极大。因此,建立完善的煤矿井下无线通信系统对于提高矿井现代化管理程度,提高劳动生产率,加强安全防范,保障矿工生命和国家财产的安全都有着非常重要的意义。本文作者在分析了现有矿井通信方式的基础上,提出了UHF通信方式是煤矿井下通信技术的一个重点发展方向,并从理论上详细分析了矿井中的电磁波传播特性:将矿井巷道看成一个理想波导,利用有限元分析方法,分析巷道的电磁波传播特性,建立矿井巷道电磁波的传播模型。有限元法是求解数值方程的一种数值计算方法,是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具,它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合的一种数值分析技术。有限元法是根据变分原理和离散化而取得近似解的方法。它的优点在于适用范围广泛,可以应用于区域边界线和内部媒介分界线形状复杂、以及场域内场的分布变化较大的场合。有限元法分析的计算思路和做法为:区域离散——单元特性分析——建立方程组——方程组求解。利用有限元方法,把矿井巷道看成不同截面形状的理想波导,分析其传播特性时,波导的截止频率和衰减常数是波导的重要参数,它们对电磁波能否在波导中有效传播起着决定性的作用。本文所要解决的主要问题就是分析UHF电波在煤矿巷道中的传播特性,建立矿井巷道电磁波的传播模型,并计算不同截面形状下矿井巷道中的电磁波传播的截止频率和衰减常数。本文分析了在材料相同情况下,UHF电波在矩形巷道、圆形巷道、拱形巷道中的传播特性,以及当横截面尺寸发生变化时,其截止频率和衰减常数相应的变化规律。有限元方法中有很多分析软件,ANSYS软件就是其中一种。本文利用ANSYS软件,同样求解出UHF电波在不同截面形状下矿井巷道中的截止频率和衰减常数,并把得到的实验值和理论值进行了比较分析,给出了有意的结论,为煤矿井下电磁波传播理论提供了理论上和实验上的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 煤矿井下通信的现状
• 1.2 现有矿井无线通信技术的特点
• 1.2.1 中频通信
• 1.2.2 泄漏馈线通信
• 1.2.3 UHF通信
• 1.3 波导理论
• 1.3.1 波导技术的发展
• 1.3.2 波导的特性
• 1.4 本论文完成工作和章节安排
• 1.4.1 本论文完成工作
• 1.4.2 本论文的章节安排
• 2 矿井煤层地质结构分析
• 2.1 煤层的一般结构
• 2.2 煤层的参数
• 2.3 煤层参数和电波传播的关系
• 2.4 本章小结
• 3 矿井电磁波传播理论
• 3.1 电磁场的基本规律——麦克斯韦方程组
• 3.2 电磁场几种计算方法
• 3.2.1 解析类方法
• 3.2.2 数值类方法
• 3.3 本章小结
• 4 矿井电磁波传播特性的有限元分析方法
• 4.1 电磁场有限元理论
• 4.1.1 有限元法的基本概念
• 4.1.2 有限元算法的发展
• 4.1.3 有限元法的广泛应用
• 4.2 有限元建模方法
• 4.2.1 边值问题
• 4.2.2 有限元的基础-里兹变分与伽辽金方法
• 4.2.3 子域展开函数求解-有限元模型的建立
• 4.2.4 有限元建模的基本步骤
• 4.2.5 有限元方程系数矩阵的特点
• 4.3 基于有限元法的矿井电磁场传输模型建立
• 4.3.1 线性方程组的求解问题
• 4.3.2 有限元法求解电磁波截止频率
• 4.3.3 有限元法求解电磁波传播时的衰减常数
• 5 ANSYS软件的数值分析仿真
• 5.1 ANSYS软件
• 5.1.1 ANSYS概述
• 5.1.2 ANSYS特点
• 5.1.3 ANSYS基本操作过程
• 5.2 高频电磁场有限元分析
• 5.2.1 高频电磁场FEA原理
• 5.2.2 高频电磁场分析中用到的单元
• 5.2.3 边界条件和完全匹配层
• 5.2.4 激励源
• 5.3 利用ANSYS求解UHF电波在不同尺寸矿井巷道中传播时电磁波的截止频率
• 5.3.1 矩形巷道
• 5.3.2 圆形巷道
• 5.3.3 圆拱形巷道
• 6 数值计算结果及分析
• 6.1 UHF电波在矩形巷道中的传播特性
• 6.1.1 矩形巷道中电磁波的截止频率
• 6.1.2 矩形巷道中电磁波的衰减常数
• 6.2 UHF电波在圆形巷道中的传播特性
• 6.2.1 圆形巷道中电磁波的截止频率
• 6.2.2 衰减常数随工作频率和半径R变化规律
• 6.3 UHF电波在圆拱形巷道中的传播特性
• 6.3.1 圆拱形巷道中电磁波的衰减率
• 6.4 结论
• 参考文献
• 附录A APDL常用命令
• 后记或致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果