铝电解槽三维磁场计算及其分布的遗传算法优化研究

论文摘要

铝电解槽的磁场计算在槽的设计中有着举足轻重的作用,磁场分布的好坏直接影响铝电解的生产指标以及槽的正常运行。鉴于此,本文对一台180kA预焙阳极铝电解槽的三维磁场进行了计算和优化,并对计算结果进行了可视化处理。 本文论述了铝电解槽磁场对铝电解生产以及周围的电子设施、工作环境的影响,介绍了目前用于铝电解槽磁场计算的几种主要方法。在比较各种方法优缺点的基础上,采用样条积分方程法对铝电解槽三维磁场进行计算。利用该方法计算了TEAM Workshop 21问题B模型的磁场,计算结果与测量结果吻合较好,最大误差为10.4%,从而验证了该方法的有效性。 本文详细推导了铝电解槽内外传导电流产生磁场的计算公式,说明了样条积分方程法求解磁场的原理和步骤,利用FORTRAN语言编写了基于样条积分方程法的铝电解槽三维磁场计算程序,对槽的磁场进行了计算和分析,绘制了各方向上的磁感应强度分布图。计算结果和磁场分布均表明铁磁物质和阳极立柱电流对铝电解槽的磁场分布有较大影响,在磁场计算时不能忽略,并且该180kA铝电解槽的磁场分布不是很合理,有待改进。 在论述铝电解槽磁场优化现状的基础上,从全局优化的观点出发,首次运用遗传算法对铝电解槽的磁场进行优化。文中介绍了基本遗传算法的原理及其改进,利用MATLAB语言编写了基于一种改进遗传算法的优化程序,通过对标准函数的优化验证了该方法的高效性。 本文讨论了影响铝电解槽电流效率的各种因素,建立了以极距、铝液水平、槽间距为优化变量,以磁场分布更加均匀为优化目标的铝电解槽磁场优化模型,运用文中采用的改进遗传算法对槽的磁场进行了优化,并对槽的母线配置进行了改进。计算表明,优化后的磁场分布更加趋于合理,槽长轴方向的磁感应强度最大值降低了43.85%,短轴方向磁感应强度最大值降低了20.47%,对槽中熔体流动起主要作用的垂直方向磁感应强度的平均值降低了11.9%,垂直方向四个区域的平均磁感应强度值更加接近,这必将会改善熔体的流动状态,提高槽的电流效率,从而说明了改进后的方案正确有效。 文中还利用MATLAB提供的GUI设计专用工作平台,设计了用于铝电解

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 铝电解槽磁场计算及其研究的意义
• 1.2 铝电解槽磁场计算的研究现状
• 1.2.1 磁衰减系数法
• 1.2.2 有限元素法
• 1.2.3 边界元素法
• 1.3 铝电解槽磁场优化的研究现状
• 1.4 铝电解槽磁场研究中存在的问题
• 1.5 本课题的主要工作
• 第二章 铝电解槽三维磁场计算及分析
• 2.1 铝电解槽磁场计算的数学模型
• 2.1.1 母线电流产生磁场的计算
• 2.1.2 阴极炭块、阳极炭块以及熔体（熔融电解质和铝液）中电流产生磁场的计算
• 2.1.3 样条积分方程法
• 2.2 铝电解槽三维磁场计算软件设计
• 2.3 计算方法验证与结果分析
• 2.3.1 计算方法的验证
• 2.3.2 铝电解槽三维磁场分析
• 2.3.3 结论
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于改进遗传算法的铝电解槽三维磁场优化
• 3.1 遗传算法的基本知识及改进
• 3.1.1 GA的基本步骤
• 3.1.2 GA的改进
• 3.2 改进GA的MATLAB实现及验证
• 3.2.1 改进GA的MATLAB实现及验证
• 3.2.2 标准函数验证
• 3.3 改进GA在铝电解槽磁场优化中的应用
• 3.3.1 铝电解槽磁场优化模型的建立
• 3.3.2 优化程序与磁场计算程序的接口
• 3.3.3 优化后铝电解槽的磁场计算及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 铝电解槽三维磁场计算结果的可视化处理
• 4.1 图形用户界面（GUI）
• 4.2 铝电解槽三维磁场计算结果GUI设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 本文取得的主要研究成果和结论
• 5.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表