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关键词： 传输线法   有限元   电磁场   并行计算  

摘要： 利用有限元法对大型电气设备电磁场进行分析,是工程领域采用的较多的方法之一,随着设备规模的不断变大和分析精度的要求不断提升,更细的剖分最终导致计算规模的不断增大。相对于传统有限元方法迭代过程需要重复更新全局Jacobi矩阵,Jacobi矩阵的重复组装和计算会消耗过多时间。本文所使用的传输线法,迭代过程中全局矩阵不发生改变,分解结果可以重复使用,并且反射阶段的求解在单元上具有高并行度适合使用并行技术提升计算效率。本文推导了传输线有限元法(TLM-FEM)的数学模型,基于对偶原理将有限元网络等效为电路网络,引入传输线传播理论建立有限元各个单元的等效电路模型,对各个单元等效模型进行组装得到传输线有限元等效模型。对于线性方程组的求解,本文详细推导了Cholesky分解法和LDLT分解法,将Cholesky分解法和LDLT分解法运用C++编程实现,计算了矩形槽模型的磁场分布,验证两种线性方程组求解程序的正确性。对于TLM-FEM法反射阶段的求解方法的研究,分析了牛顿迭代法的迭代求解过程。提出了结合分段线性化方法的反射阶段松弛求解过程,并编程实现。分析一台单相变压器的电磁场,验证了分段线性化方法松弛求解算法的准确性。基于CUDA平台建立TLM-FEM算法并行计算的CPU+GPU异构计算模型,根据其单元系数矩阵计算、全局矩阵LDLT分解计算和反射过程求解等流程所具备的高并行度特点,在GPU平台实现了上述过程的并行计算。编写结合了上述方法及并行计算的TLM-FEM算法程序,应用在长直载流导线模型的磁场计算,验证算法的有效性。使用串行TLM-FEM算法和并行TLM-FEM算法分别求解单相变压器和伺服电机的电磁场,通过对比不同剖分数量规模的计算时间,分析各个并行流程对总体求解效率的加速效果。

关键词： 无损检测   不锈钢板   埋藏缺陷   ACFM   电磁检测   不锈钢  

摘要： 不锈钢具有极好的耐腐蚀性能与优秀的力学性能，在石油化工、航空航天、特种设备等行业应用广泛。不锈钢制成的设备及构件在加工及使用过程中极易产生内部的开裂、孔洞等缺陷，采用快速、有效的无损检测技术定期对不锈钢设备及构件进行检测具有重要的意义。目前，针对不锈钢板缺陷的检测，常采用射线检测、渗透检测、超声检测及涡流检测等方法。但现有检测方法都存在一定的局限性，尤其针对不锈钢板埋藏缺陷的检测存在较大难度，论文针对厚度在6mm以内的不锈钢板埋藏缺陷的检测问题，提出了一种基于U型探头的ACFM检测方法。论文具体研究内容如下：　　(1)不锈钢板埋藏缺陷ACFM检测原理及特性分析。简述了ACFM缺陷检测原理，从理论上分析了趋肤效应对不锈钢材料电流渗透深度的影响规律;建立了ACFM缺陷检测模型，分析不锈钢板的无缺陷区域、表面缺陷区域、埋藏缺陷区域的感应电流分布规律。利用仿真模型对埋藏缺陷进行模拟检测，得到不同缺陷和不同频率下Bx、Bz信号对比图，发现埋藏缺陷与表面缺陷Bz信号的反转特性。　　(2)探头参数优化。基于检测模型，采用动态仿真与静态仿真相结合的方式对探头参数进行优化，优化参数包括激励线圈参数、磁芯尺寸、提离距离、激励信号参数、接收线圈的参数等，分析上述参数改变对电流扰动以及Bx与Bz信号的影响规律。　　(3)缺陷信号影响因素分析。对检测信号的影响因素进行仿真分析，研究了缺陷的长度、埋深、不锈钢板厚度对缺陷检测信号的影响规律;并研究了缺陷参数对Bz信号反转特性的影响规律。　　(4)实验测试。制作了不锈钢埋藏缺陷测试件，搭建了ACFM测试平台并进行了实验测试。实验结果表明论文提出的测试方法可以实现6mm厚的不锈钢板长10mm，宽1mm，深1mm的表面裂纹;埋深深度为4mm，长10mm、宽1mm、深2mm的埋藏裂纹;以及埋深深度为4mm，直径3mm的埋藏孔缺陷的检测;同时，验证了Bz信号反转特性，在一定程度上能对埋藏缺陷与表面缺陷进行辨别。

关键词： 电磁搅拌   凝固组织   纳米粒子   弥散分布  

摘要： 近百年来,我国针对铝合金的研究与发展付出了很大的心血。建国初期国家为尽快建设完善成型的航空技术,大力发展铝合金产业,突破合金技术限制的壁垒,发展尤为迅速,用途范围不断扩大。直至今日我国在金属材料、有色金属等领域也有了卓越的成就。但为使合金有着更加完善的使用性能,技术的革新同样刻不容缓。而外加电磁场这项新技术由于其产生的电磁力因无污染且不直接作用在合金熔体上,实现对熔体组织细化、控制其凝固成形过程而备受青睐,为制备出优良力学性能的合金提供了更广阔发展空间。因此本文为解决Al-7%Si合金凝固组织中粗大且不规则的块状初生Si对合金的割裂损伤、Al-7%Si合金内部疏松、缩孔、气孔及溶质不均等问题。系统研究了外加电磁场及感应线圈的耦合作用下对Al-7%Si合金凝固组织和性能的变化规律。首先针对以往电磁搅拌技术有了新的改进,设置两种电极:双电极、同轴电极插入合金液面,对Al-7%Si合金凝固组织实施电磁搅拌的作用。结果表明适当电流确实可以增强合金内部组织,使得组织均匀化,降低过冷度和内部与外部的温度梯度,避免合金晶体二次结晶,消除了合金凝固的方向性,致使柱状晶逐渐缩小为等轴晶。对合金进行保温作用,可以使电流充分搅拌,使搅拌作用作用至凝固前期,进一步细化合金组织,增加了α-Al相和初生Si之间的致密性,还能减少气泡,裂痕等缺陷。但是过大的电流下再进行保温作用反而会使合金液内产生更大的不规则运动的湍流,在合金凝固收缩的过程中,湍流作用跨越晶格破坏合金内部组织,导致合金产品性能失效。在此基础上,还在合金内部添加了两种纳米粒子,研究增强相对合金组织的强化。以及电极作用下纳米粒子增强相在合金中的弥散分布情况。分析得出:不通电时粒子团簇形状粗大,弥散硅相附近,因粘附性不足会使大量粒子脱落,加速孔洞与裂纹生长。通入电流后不仅增加纳米粒子的粘附性,而且流场的搅拌作用能消除粒子团簇的方向性,大面积扎钉在晶界上,阻碍着α-Al相的方向性生长。达到细化晶粒的目的,增强了合金的力学性能。除此之外还对实验方案两种电极对合金内部流场作用情况分别进行了模拟,以及使用两种湍流模型(SST、LES)对粒子在合金中的弥散情况进行分析,认为大涡模拟下粒子根据电流强度大小会受到各类大小不一的湍流团作用,湍流模拟结果更接近实验项。

关键词： 电磁场与电磁波   教学改革   创新能力  

摘要： 电磁场与电磁波是电子信息类专业本科生的重要基础课程，是其他有关“场论”课程的基石。为了加强学生对这门课程的理解与能力的培养，本文立足于对课堂教学现状的分析，提出教学方式、实践教学和考核教学三方面的改革措施，并分别对其简要分析。通过对电磁场与电磁波课程建设作积极的探讨，致力于为促进地方普通高校大学生创新能力的提升作出积极贡献，也为相关课程的教学改革提供相应参考。

关键词： Kirchhoff-Choquard方程   临界项   变分方法   Hardy-Littlewood-Sobolev不等式   集中紧性原理  

摘要： 变分方法在非线性的应用中起着至关重要的作用.本文主要研究的是在R上带有电磁场的临界分数阶Kirchhoff-Choquard方程非平凡解的存在性与多解性,由于同时带有电磁场和临界非线性项,在处理紧性缺失时会有很多困难.为了解决这些困难,本文采用集中紧性原理来证明紧性条件.结合山路引理和变分方法,证明了该方程解的存在性和多解性.本文结构如下:第一章,介绍本文的研究背景与国内外最新研究进展;第二章,给出本文所采用的定义,定理,引理等相关知识;第三章,首先利用分数阶集中紧性原理证明紧性条件成立;其次证明满足山路引理,最后证明该方程解的存在性和多解性.

关键词： Zn-2.75%Cu包晶合金   BFe10-1-1白铜合金   旋转磁场   脉冲磁场   SiC  

摘要： 锌及锌合金作为重要的有色金属材料,在工业领域应用广泛,Zn-Cu合金进行的包晶反应对材料的组织和性能有着重要的影响,因此对Zn-Cu包晶合金进行研究尤为重要。Cu-Ni合金俗称白铜,因其具有突出的抗海水侵蚀性,在海洋领域应用广泛。本文研究了电磁场耦合SiC粉体对Zn-2.75%Cu包晶合金和BFe10-1-1白铜合金凝固组织、力学性能、腐蚀性能的影响,得出如下结论:当SiC加入量一定,随着旋转磁场电压强度的增加(0V、60V、80V和100V),Zn-2.75%Cu包晶合金ε相明显细化,由粗大的树枝晶向细小的蔷薇状、球状晶转变,力学性能不断提高。当旋转磁场电压强度一定,随着SiC加入量的增加(0%、0.03%、0.05%和0.1%),Zn-2.75%Cu包晶合金树枝状ε相数量明显减少,粗大的一次枝晶主轴断裂,蔷薇晶及等轴晶出现,力学性能不断提高。当100V电压耦合0.05%SiC作用时,效果最好,树枝晶消失,等轴晶比例由55.82%增至90.2%,ε相尺寸由32.07μm减小至13.39μm,抗拉强度和延伸率提高了42.0%和63.0%,η-Zn相硬度提高了17.5%。脉冲磁场作用下凝固的Zn-2.75%Cu合金组织中ε相粗大树枝晶被细化,等轴晶比例为64.94%,尺寸约为22.02μm。η-Zn相TEM衍射图案呈现不连续的衍射环,经过处理后的合金,ε-Cu Zn相环中的衍射点数量增多,表明在旋转磁场、脉冲磁场和SiC的作用下固溶在η-Zn相的ε-Cu Zn相数量增多。当SiC加入量一定,随着旋转磁场电流强度增大(0A、60A、105A和120A),BFe10-1-1宏观晶粒尺寸显著减小,微观组织由树枝晶和柱状晶的混合转变为无明显方向性的细小树枝晶,细小等轴晶和蔷薇晶的混合,力学性能不断提高。当电流强度一定,随着SiC加入量增加(0%、0.03%、0.05%和0.1%),BFe10-1-1宏观晶粒尺寸显著减小,微观组织出现均匀细小的蔷薇晶和等轴晶,力学性能不断提高。其中当120A电流耦合0.05%SiC时效果最好,宏观晶粒尺寸由954μm减小为309.5μm,心部枝晶长度由142.1μm减小为66.5μm,冲击功提高了38.8%,硬度提高的最大值为19.15%。随着旋转磁场电流强度和SiC加入量的增加,BFe10-1-1合金腐蚀速率呈整体下降趋势,耐腐蚀性能提高。耦合作用下腐蚀速率下降的最大值为62.73%,腐蚀试样的腐蚀坑数量变少、面积减小,最深处深度由297.6μm变浅为162.2μm。耦合作用下的试样表面腐蚀产物结构致密,缝隙较小,部分连续,产物尺寸变小,内层膜表面被覆盖完全。

关键词： 矿热炉   温度场   电磁场   电极   控制系统   PLC  

摘要： 钢铁工业是我国经济体系中重要支柱产业,其生产主要依靠矿热炉来完成。矿热炉熔炼是铁合金行业的核心冶炼工艺。其特点是耗电量巨大、应用范围极广的工业电炉。传统的交流矿热炉冶炼工艺基于还原反应,矿热炉内三电极交流电弧在与炉料之间形成电弧热和电阻热,使炉内炉料在高温作用下,进行一系列的化学还原,得到所需的铁合金,其整体过程是将电能转化为化学能。但炉内反应复杂多变,难观测、难取样,电极主要依靠人工的经验来控制,因此,为了更好的了解矿热炉性能,实现矿热炉生产过程的可视化,提高矿热炉的生产效率,降低矿热炉冶炼过程中的能源消耗,本课题从揭示矿热炉内部场的分布规律以及矿热炉电极控制系统两方面进行研究。首先根据矿热炉在生产过程中的实际情况,建立矿热炉三维模型,基于麦克斯韦方程、欧姆定律、流体控制方程及传热机理对炉内电场、磁场、流场以及温度场进行数值模拟,并对比研究不同电极参数下,炉内温度场分布。结果表明:电流密度受趋肤效应的影响主要集中在电极表面,最大值为35000A/m;焦耳热主要集中在料层的电极底部;磁通量密度最大值在电极极心圆处,约为0.02T;熔池内流体的流动受洛伦兹力和重力的影响,其中洛伦兹力在渣层的分布更明显;炉内最高温度达2500℃且位于电极底部,由料层逐渐向渣层传递。随着电极直径的增加,炉内温度呈降低趋势,电极插入越深炉内温度也随之降低。在此基础上设计了基于PLC的矿热炉电极升降控制系统,由光电编码器测得炉内电极的位置,并转换为PLC可识别的信号后传送到PLC,PLC再对电极的升降进行控制,并进行仿真模拟。系统通过对电极位置测量,计算电极位置差值,依据差值控制电极升降从而实现电极处于最佳位置,使炉内温度稳定高效,矿热炉冶炼效率大幅提高。本课题的研究揭示了炉内各物理场的分布规律,实现交流电极系统的自动控制,提高了生产效率和产品质量,降低了能耗,对现实中矿热炉冶炼铁合金的设计与生产提供有效的优化指导,具有一定的参考价值。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金   Al-Cu-Mg合金   SiC   旋转磁场   脉冲磁场  

摘要： 铝合金密度小、强度高、延展性好、耐蚀性好,广泛用于汽车制造、航空航天、建材建筑等行业。本文研究了旋转磁场耦合SiC对Al-Zn-Mg-Cu合金凝固组织、力学性能的影响,研究了旋转/脉冲磁场对Al-Cu-Mg合金凝固组织、凝固过程的影响。采用金相显微镜、扫描电镜和电子背散射技术对合金的组织结构进行表征,并采用电子万能试验机对合金的力学性能进行了测试。得到如下结论。旋转磁场耦合SiC能细化Al-Zn-Mg-Cu合金晶粒,促进组织中的柱状晶和树枝晶向等轴晶转变。旋转磁场为80 V,改性SiC粉体为0%、0.03%、0.05%时,合金组织晶粒尺寸不断细化,但在0.05%～0.1%过程中晶粒尺寸出现粗化;计算得到SiC与Al之间的二维错配度为7.33%,小于12%,证明了SiC可以作为有效的非均匀形核核心,细化晶粒。旋转磁场可以细化晶粒、均匀温度场,促进树枝晶向等轴晶转变;改性SiC粉体为0.05%,旋转磁场为0 V、60 V、80 V、100 V时,合金组织晶粒尺寸不断细化。旋转磁场耦合SiC可以提高Al-8Zn-2Mg-2.3Cu合金力学性能。随着改性SiC粉体添加量不断提高和旋转磁场强度不断提高,合金的抗拉强度、延伸率和硬度不断提高,在100V旋转磁场耦合0.05%改性SiC粉体作用下,晶粒细化效果最好,平均晶粒尺寸为85μm,合金的抗拉强度、延伸率和硬度达到最大值,分别为313.5 MPa、5.7%、92.1 N/mm。旋转磁场对熔体的搅拌作用会破碎凝固过程中向外生长的枝晶臂,促使包共晶组织(α(Al)+T)由玫瑰花形向规则圆整转变。脉冲磁场对熔体的振荡作用会破碎凝固过程中熔体中枝晶的薄弱处,促使包共晶组织(α(Al)+T)由玫瑰花形向‘田’字形转变。旋转/脉冲磁场能够对Al-11.8Cu-22.42Mg合金中的包共晶组织产生明显的细化效果。随着旋转磁场强度、频率不断提高,合金组织不断细化,在50 Hz,40 A旋转磁场作用下,组织细化效果最好,规则圆整形包共晶组织长约为232μm,宽约为208μm;随着脉冲磁场强度、频率不断提高,合金组织不断细化,在15 Hz,750 V脉冲磁场作用下,组织细化效果最好,‘田’字形包共晶组织长约为186μm,宽约为179μm。

关键词： 高速永磁发电机   环绕式绕组   电磁场   匝间短路故障   电磁振动   温度场   多物理场  

摘要： 随着科学技术的发展,采用高速永磁发电机为核心的发电系统凭借其高效率、高功率密度的优势,在航空航天、燃气轮机以及飞轮储能等领域得到广泛的应用。高速永磁发电机作为发电系统的核心,在电磁性能、振动噪声、散热冷却、机械结构等方面面临和解决的问题庞大且复杂,其研究对高速永磁发电机的发展具有重要意义。因此,本文以一台40k W、20000r/min的环绕式绕组高速永磁发电机为研究对象,对发电机进行电磁场优化设计,并采用多物理场仿真进一步分析发电机的振动响应与温度分布情况,为提升高速永磁发电机安全稳定性能提供保障。针对高频工况下环绕式绕组的漏磁在发电机中产生附加涡流损耗的问题,对其机壳涡流损耗进行了分析。基于拉普拉斯方程和泊松方程,建立了机壳涡流损耗的快速解析计算模型,对高速永磁发电机机壳涡流损耗进行了解析公式推导,阐明了机壳涡流损耗的影响因素;使用有限元法研究了机壳结构和机壳材料对机壳涡流损耗的影响,揭示了机壳涡流损耗非线性变化的机理,确定了机壳涡流损耗最小的设计方案;研究了发电系统在负载不对称和非线性负载工况时,高速永磁发电机的涡流损耗,确定了不同工况对涡流损耗的影响。气隙区域的隔油环增大了发电机主磁路中的磁阻,导致永磁体励磁效果明显降低,提出一种采用弱磁性隔油环的冷却结构,能有效减少气隙区域的磁阻,增加永磁体励磁效果;采用解析法对不同磁导率隔油环的发电机空载感应电动势进行了解析推导,得出了隔油环磁导率调磁特性曲线;同时结合有限元法研究了弱磁性隔油环的电磁参数对发电机输出特性的影响,得到了发电机输出特性随着隔油环磁导率的非线性变化规律;此外,进一步分析了不同磁导率隔油环的发电机气隙磁密与电磁力密度的分布情况,揭示了磁性隔油环抑制谐波的变化机理。针对环绕式绕组匝间短路故障后对高速电机运行的影响,分析了环绕式绕组的匝间短路参数方程,得到了故障后绕组电参数的变化数值;采用场路耦合法,研究了发电机匝间短路后的电磁特性,得到了故障下气隙磁场的时空分布,揭示了匝间短路故障后磁场不对称性的变化机理;基于傅里叶时空谐波分析,研究了不同短路匝数下电磁力波的特征参数,得到了短路环流作用下引入电磁力波分量的特性参数。通过发电机定子三维模态模型,分析了定子的模态振型与固有频率,根据前述电磁力特性的研究结果,将电磁力激励源施加在定子模型,结合瞬态动力学和谐响应分析计算了高速电机在不同工况下的振动响应;研究了不同磁导率的隔油环对发电机振动的影响,通过振动加速度的对比确定了磁性隔油环对振动的影响;分析了故障工况下发电机振动特性,得到了匝间短路故障后发电机振动的信号特征规律,为发电机故障诊断提供参考依据。在电磁损耗计算的基础上,建立了高速永磁发电机的温度场计算模型,研究了不同机壳材料下电机的温升,确定了不同机壳材料对电机内部换热的影响;对比分析了不同导热系数的隔油环对发电机内部传热的影响,得到了发电机内部的温度分布特点,并分析了绕组和永磁体的温度分布情况,对防止电机热故障具有重要意义;通过对样机进行了电磁和温升实验,与有限元计算进行对比,验证了理论分析的正确性。