教学课程资源库 更多>>

关键词： 轴频电磁场   海底分布特性   可探测范围  

摘要： 随着我国对海洋国防的不断重视，传统声学探测水下目标技术问题的难度加大，水下目标电磁探测技术近年来取得长足进步。轴频电磁场是水下目标电磁探测技术的重要研究内容，目前相关仿真研究仍多基于测线分析，而针对测网观测的轴频电磁场空间分布特性和可探测范围的相关研究仍较为匮乏。分析了前人研究存在的问题，并以时谐水平电偶极子作为等效场源，基于积分方程法模拟讨论探测装置位于海底情形下轴频电磁场分布特性；对基于海底观测网的轴频电场和轴频磁场的可探测范围进行了对比分析；讨论了目标行进方位对轴频电磁场分布的影响；对轴频电磁场未来研究思路进行了展望。

关键词： 实心磁极凸极同步电动机   失磁故障   负载   有限元   电磁场   瞬态温度场  

摘要： 实心磁极凸极同步电动机因其机械强度高、运行稳定性高、造价低等优势,在水泵、磨煤机牵引领域得到广泛应用,然而由于其实心磁极的结构以及相对恶劣的工作环境,使得其长时间处于相对严峻的工作状态,容易导致电机励磁绕组老化引发失磁故障,对工农业及人民生产生活带来不利影响。然而,截至目前,对于此类机型在不同负载情况下失磁前后电磁参数如何变化、电磁场如何分布、涡流损耗数值大小、温度场如何分布,截止目前,较少有研究公开报道。为提升此类电机的设计制造和运维保护水平,很有必要对上述问题予以相对深入的研究。鉴于此,本文基于电磁场和温度场理论,开展了以下研究工作:首先,基于实心凸极同步电动机的结构与材料参数,构建了其电磁场-电路-机械运动时变耦合分析模型,通过调节负载参数及励磁绕组电路,模拟此类电动机在空载、轻载、重载三类8种负载情况下发生失磁故障,揭示了失磁前后内部电磁场分布、机械转速、电磁力矩、电流波形、转子磁极各区域的涡流损耗等参数的瞬变规律,进而与稳定运行时各参数,进行相对全面深入的分析探讨。同时研究了有限元分析过程中铁芯材料定义方式及电磁场剖分单元阶数对电磁参数计算分析结果准确性和效率影响。继而,将在电磁场中获得的损耗,拟合为时变阶梯函数作为热源,与此同时,基于传热学理论,结合热学边界条件探讨与设置,建立了磁极区域的二维瞬态温度场模型,通过二维瞬态温度场计算,分析揭示了上述失磁工况下实心凸极同步电动机磁极区域的温度瞬变规律。在此基础上,揭示了不同负载工况下失磁对转子区域电磁与发热参数的综合影响规律,对实心磁极凸极同步电动机失磁故障后针对不同负载情况下保护措施的制定、有限元分析的优化、电机设计运行维护提供了具有价值的理论方法支撑。

关键词： H型钢   感应加热   数值模拟   温度场   电磁场  

摘要： 随着钢结构行业的发展,H型钢的需求量日益增加。目前,H型钢的生产主要通过热轧成型及焊接的方式。类比焊管领域上的发展,感应加热是一种绿色高效并且可以避免电极消耗和电极烧伤焊缝表面的生产方式,但是感应加热技术在H型钢生产领域上的研究尚且不足,对于加热过程中磁场和温度场的分布规律也还不甚了解。为此,本文首先通过对电磁感应加热的理论性研究,制定了H型钢感应加热模拟方案,建立了H型钢感应加热的数值模拟模型。其次,利用ANSYS软件实现了对H型钢感应加热过程的静态数值模拟,发现了由于电弧跨越现象引起的最佳焊接区域前移的现象。研究了主要生产参数对温度场分布均匀性的影响规律,结果表明,焊接V形角主要影响最佳焊接区域分布的位置;电流密度基本不会影响翼板上的温度分布,但是腹板上的温度会随电流密度的增大而减小;导磁体角度主要影响翼板和腹板的升温速度;频率的选择则会对最高温度区域的分布产生直接的影响。以上研究为感应焊接H型钢工艺参数的确定提供了参考依据。然后,考虑H型钢实际生产过程中的运动情况,提出“动态指针赋值”法等效H型钢的运动,得到H型钢动态感应加热数值模拟温度场整体分布情况,以及沿焊缝路径和焊接V形角上的温度分布规律,分析了焊接速度对感应加热过程的影响,结果表明,当焊接速度过快时容易产生“冷焊”缺陷,而当焊接速度过低时容易产生“过烧”缺陷。最后,设计并搭建H型钢感应加热实验平台,确定采用热电偶对H型钢关键点进行测温的实验方案,针对动态测温的困难性确定了H型钢的等效测温点,并将测得的等效测温点的实验数据与模拟数据进行对比,得到了实验与模拟误差,验证了H型钢感应加热技术的可行性。

关键词： 电塑性   磁塑性   镁合金   流动应力   电磁场  

摘要： 镁合金具有密度低、刚性好和减震性能优异等特点,被誉为21世纪最具应用前景的绿色工程材料,现已广泛地应用于汽车、航空航天和携带式器械等领域。但镁合金在室温条件下塑性成形能力差,这导致镁合金的工程应用受到极大的限制。现有的实验表明电塑性加工技术和磁塑性加工技术均可有效地提高镁合金的塑性成形能力。但在具体的工程应用中,由于被加工金属截面积较大引起电流密度较小,导致金属的电塑性效应并不明显;受磁场发生装置功率的限制,磁感应强度过低,也不会产生明显的磁塑性效应。本文基于电塑性效应和磁塑性效应理论,考虑将二者同时施加到金属的塑性成形过程中,实现电流和磁场共同辅助镁合金塑性成形,以达到有效提高镁合金塑性成形能力的目的。首先,本文结合位错热激活理论和位错脱钉理论,将漂流电子对位错的影响和佩-纳力对晶格点阵中滑移阻力的影响进行叠加,从理论上对电流和磁场共同作用下的金属稳态流动应力变化机理进行研究,发现材料内部位错可以同时从电流和磁场中获得能量,从而产生电塑性效应和磁塑性效应,使得金属稳态流动应力下降。其次,利用有限元软件对电磁线圈的电磁场进行数值模拟,探究电磁线圈的结构参数和电流参数对磁场分布的影响规律,并对电磁线圈的电热进行模拟,为磁场辅助拉伸实验中的电磁线圈电流设定提供参考依据。然后,通过单独电流辅助拉伸实验、单独磁场辅助拉伸实验以及电流和磁场共同辅助拉伸实验,探究镁合金丝材稳态流动应力在三种拉伸条件下的变化规律。实验的结果表明试样的稳态流动应力均呈现降低趋势,其中电流和磁场共同辅助下镁合金丝材的稳态流动应力下降最为明显。最后,依据电塑性和磁塑性理论,设计电流和磁场共同辅助镁合金板带轧制的装置,并对其进行模拟分析,探究线圈的结构参数和电流参数对板带中磁场和感应电流分布的影响规律,为电流和磁场共同辅助镁合金轧制塑性成形工艺参数的设定提供参考。

关键词： 交流电磁场检测技术   裂纹尺寸   量化反演  

摘要： 本文针对被检工件表面的裂纹尺寸量化反演问题，在分析交流电磁场检测（ACFM）检测信号的影响因素基础上，构建裂纹尺寸量化反演的数学模型。为使算法更接近实际，搭建实验平台，利用实验数据得到裂纹尺寸与磁场信号特征值回归方程，运用最小二乘法对数据进行拟合得到裂纹尺寸与检测信号的函数关系。在考虑影响因素的基础上进行修正，实验验证结果表明该算法长度和深度反演精确度分别达到97%和92.5%，为金属表面裂纹尺寸量化提供了可靠的方法。

关键词： 低频交变磁场装置   磁粒研磨   装置优化   响应面优化   表面质量  

摘要： 随着我国高新产业的飞速发展,对零件的材料及性能提出了更高的要求,钛合金材料因其自身强度高、抗蚀性好、低温性能稳定等优点,被广泛应用于零件制造领域。钛合金材料常被制成管类零件,用于输送液体、气体等高压物质,这就对管道内表面质量提出了严格的要求,若管道内壁凹凸不平,易影响流速均匀性,严重时引发喘振现象;若管件内壁存在微裂纹等缺陷,将降低管道的耐腐蚀性,引发管道断裂事故。因此对钛合金管道内表面进行光整加工势在必行。磁粒研磨作为一种新兴的光整加工技术,具有自适应性、柔性、仿形性等传统加工技术所不具备的优势,在管类零件表面光整加工领域具有较好的应用前景。本文针对钛合金管内表面加工困难的问题,以TC4钛合金管作为研究对象,采用电磁磁粒研磨法对其内表面进行光整加工,具体研究内容如下:(1)分析了电磁现象及动态磁场产生形式,基于磁粒研磨原理设计了低频交变磁场发生装置。揭示了单颗磁性磨粒的受力情况,并采用EDEM软件模拟了磁性磨粒运动状态。阐述了磁性磨粒的切削机理及材料去除形式。(2)阐述了电磁装置设计过程中的结构选择,材料选型等问题,并对电磁绕组分布及通电方式进行设计,利用ANSYS Maxwell对加工区域的磁场进行模拟分析,结合磁粒研磨试验确定了最优的线圈励磁形式。(3)考虑到电磁装置存在漏磁现象,对磁极头进行设计,并提出了仿形磁极头。利用ANSYS Maxwell软件对不同锥度仿形磁极头下的加工区域磁场形态进行时间、空间仿真,并采用EDEM软件模拟了不同参数磁极头下的磁性磨粒团形态及磁性磨粒的运动情况,最后结合磁粒研磨试验确定了仿形磁极头的最佳锥度参数。(4)采用永磁辅助电磁铁进行磁粒研磨,分析了管件内部的磁场形态。探究了电磁铁的发热原理,利用ANSYS Maxwell软件模拟并总结了电磁铁的电磁损耗规律,根据仿真结果及散热理论为电磁铁设计了合理的散热装置,利用ANSYS Maxwell、Fluent软件模拟了散热装置的风冷散热效果,得到了最优散热角度;随后探讨了线圈电流参数,模拟仿真了不同电流参数下的电磁铁发热情况及散热效果,并结合磁粒研磨试验确定了最佳加工电流。(5)采用响应面法对基于低频交变磁场的磁粒研磨试验进行研磨参数优化,优化变量包括:管件转速、磁性磨粒目数、磁极进给速度。设计了Box-Behnken实验,并通过试验进行验证,获得了最适合本装置的钛合金管磁粒研磨工艺方案。

关键词： 骨质疏松症   脉冲电磁场   TRPV4   初级纤毛   氧化应激  

摘要： 骨质疏松症（Osteoporosis,OP）是一种全身性代谢性骨病,严重时可导致脆性骨折,使患者终身残疾甚至死亡。随着人口老龄化加剧,骨质疏松症正给越来越多的患者及其家庭带来的沉重的经济负担和精神压力。目前骨质疏松一线治疗药物除价格昂贵外,往往都具有较明显的副作用,而脉冲电磁场（Pulse electromagnetic fields,PEMFs）作为一种无创安全的骨质疏松症替代疗法,一直受到人们的广泛关注。但PEMFs的作用机制至今不明,影响了该疗法在临床的推广应用。本课题组在前期研究中发现,促进成骨细胞分化成熟活性离不开初级纤毛的参与,而瞬时受体电位香草素受4型通道蛋白（Transient receptor potential vanilloid 4,TRPV4）作为一种定位于初级纤毛的Ca通道,很可能参与了这一过程,为进一步研究TRPV4所承担的角色,为阐明PEMFs的作用机制奠定基础,本论文主要开展了如下研究。1.自新生Wistar大鼠颅骨中分离培养并扩增成骨细胞,以50Hz 0.6m T PEMFs处理成骨细胞,研究PEMFs促进骨形成过程中TRPV4通道蛋白表达的变化情况。2.用TRPV4激动剂GSK1016790A和PEMFs同时处理成骨细胞,观察成骨性分化和矿化成熟受影响情况;3.用针对IFT88的sh RNA干扰初级纤毛发生,观察成骨性分化受影响情况;再用TRPV4阻断剂HC-067047同时处理成骨细胞,观察成骨细胞分化和矿化成熟受影响情况;4.检测上述各种情况下成骨细胞发生氧化应激与TRPV4和Ca浓度变化之间的关系;5.本论文采用了免疫荧光染色、Western blot、RT-PCR等技术与方法。本论文主要得到了如下实验结果:1.在PEMFs促进成骨细胞成骨性分化过程中,TRPV4的表达量显著降低;如果同时用GSK1016790A来激活TRPV4功能,则PEMFs促进成骨性分化作用消失。***4可被定位于整根初级纤毛中;当用RNA干扰法抑制初级纤毛发生后,TRPV4的表达量显著升高,同时PEMFs促进成骨性分化作用显著下降;如同时采用HC-067047处理成骨细胞,则PEMFs促进成骨性分化作用又得以恢复。3.干扰初级纤毛导致的TRPV4高表达可导致成骨细胞Ca超载和氧化应激,而用HC-067047预处理成骨细胞或保持完整的初级纤毛可以抑制TRPV4表达,避免氧化应激发生,提高成骨细胞的成骨性分化和矿化成熟能力。本论文得到如下结论:***处理成骨细胞导致胞内TRPV4表达量下降,而激活TRPV4导致PEMFs促进成骨性分化活性受损,说明TRPV4低表达有利于成骨性分化;2.初级纤毛可以控制TRPV4表达,使其处于低表达水平;干扰初级纤毛可以破坏其对TRPV4表达的控制,引起TRPV4高表达,进而影响PEMFs的促进成骨性分化能力;***4高表达可致胞内Ca浓度升高,引起Ca超载,发生氧化应激,损伤成骨性分化能力。PEMFs正是通过抑制TRPV4表达水平来促进成骨细胞的成骨性分化和矿化成熟的。本论文从全新角度提出PEMFs促进骨形成的作用机制,为推广应用骨质疏松症的PEMFs疗法提供了实验依据。

关键词： 水下电磁辐射源   非均匀媒质   定位   收敛算法   CST建模仿真  

摘要： 水下电磁场辐射源定位技术可以广泛应用于水面舰船的电磁探测与定位、水下潜艇的电磁探测与定位、水下自主航行器主动源定位等领域,近些年来受到了很多学者的关注。基于水下电磁场的定位技术与传统水下声学定位技术具有很大的差别,在某些特殊场合具有独特的优势,增加了水下定位的途径和手段,因此,对水下电磁场辐射源定位技术进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值。论文的主要研究内容如下:1)研究了海水电导率非均匀分布的规律,详细分析了海水电导率变化对电磁场在海水中的波长、波速、趋肤深度、海水吸收损耗等相关电磁参数的影响。采用MATLAB软件对电偶极子辐射场在无限大单一均匀海水媒质中的传播特性进行了建模与仿真,为后续的水下电磁场辐射源定位技术深入研究奠定了理论基础。2)为了研究海水电导率随深度非均匀变化以及海水海底不同媒质分界面对水下电磁场辐射源定位精度的影响问题,基于CST仿真软件建立了均匀海水媒质模型、非均匀四层海水媒质模型、非均匀八层海水媒质模型、均匀海水媒质-海底模型及非均匀八层海水媒质-海底模型,并进行了仿真工作,根据仿真数据分析了不同频率水平测线和垂直测线方向上的电磁场传播特性,提取了后续定位算法所需要的数据。3)根据水下电偶极子电场强度矢量场理论计算公式,推导了电场强度幅值的表达式,提出了一种基于电场强度幅值信息的电磁场辐射源坐标全局搜索定位方法,在不同的场景下进行了定位仿真,并对仿真结果进行了误差对比分析。4)针对基于电场强度幅值信息的电磁场辐射源坐标全局搜索定位方法收敛速度慢、运算时间长的问题,引入了粒子群算法(Particle Swarm Optimize,PSO)和引力搜索算法(Gravitational Search Algorithm,GSA),一定程度上提高了定位运算效率。针对PSO易于陷入局部最优解和GSA收敛速度较慢的问题,通过改进PSO的惯性权重,进行了基于非线性惯性权重PSO的电磁场辐射源定位算法的仿真,在此基础上提出了一种改进型时变惯性权重PSO-GSA相结合的电磁场辐射定位算法,并与PSO、GSA、基于非线性惯性权重PSO算法进行了不同场景下的仿真对比分析,结果表明改进型时变惯性权重PSO-GSA相结合的电磁场辐射源定位算法在收敛速度和定位精度具有一定的优越性。

关键词： 经颅磁刺激   线圈   人体头部模型   电磁场   温度场  

摘要： 经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)是20世纪80年代提出的一种干预大脑功能的神经调控技术。在TMS的临床应用中,TMS线圈中的脉冲电流会引起线圈表面温度迅速升高,而线圈与人体头皮间的距离约为10 mm,线圈可能会对人体头部表面组织造成热损伤。为进一步研究TMS技术,科研人员将TMS与磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术联合使用。TMS技术与MRI技术在单独工作时均会产生较大的磁场,在TMS-MRI联用技术中,线圈上的力会显著变化,可能使得线圈发生损坏,严重时还会对使用者带来风险。TMS线圈在使用过程中,可能带来力与热的不稳定性,因此有必要研究TMS技术引发磁场、力场与温度场的变化。本文根据实际情况构建不同类型的TMS线圈模型、人体头部模型和MRI静磁场模型。通过COMSOL Multiphysics有限元仿真软件的磁场模块,分别计算了TMS单独工作和TMS与MRI联合工作时电磁场分布,通过磁场与结构力学模块的耦合、磁场与传热模块的耦合,计算了力场分布和温度场分布。本文构建的TMS线圈模型包括圆形线圈、8字形线圈和变形8字线圈,研究不同类型的TMS线圈引发的磁场和力场分布。此外,本文还改变TMS的刺激频率,分析了在相同时间内,不同刺激频率下TMS线圈引发的温度场变化。仿真结果表明:当幅值为5000 A,频率为2500 Hz的电流流经TMS线圈时,变形8字线圈表面的磁通密度、洛伦兹力密度大于未变形8字线圈,但变形8字线圈应力峰值仍小于铜屈服强度7×10～7 Pa,发生变形的可能较小。电流脉冲会使得线圈表面温度迅速上升,在线圈工作时必须采用线圈冷却技术来确保患者的安全。对于人体头部生物组织,在480 s内连续施加1200个电流脉冲后,大脑表面的最大温升不超过0.16℃;当改变刺激模式,间歇地施加相同的电流脉冲时,大脑表面的温升则降低为0.12℃。当TMS与MRI联合工作时,大脑组织温度升高约0.16℃,联合工作与单独工作温度差异小于0.01℃,MRI静磁场不会造成明显的热效应,TMS技术和TMS-MRI联用技术在正常工作时对大脑造成热损伤的可能性均较小。本文的仿真结果能为未来经颅磁刺激发展方向及相关指南提供必要的参考依据。

关键词： 激光熔覆   多类型电磁场   微观组织   熔覆层性能   NiCrBSi合金  

摘要： 激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，可实现对金属、合金、陶瓷等材料表面的涂层、修复和制造，广泛应用于汽车、航空航天、船舶、医疗等领域。但是，激光熔覆技术也存在一些问题，如熔池形态不稳定、熔池深度不均、热应力等问题，对激光熔覆层组织和性能产生了很大影响，限制了其应用范围。因此,如何进一步提高激光熔覆层质量，一直是研究者们的重要研究方向。　　本文以自溶性合金粉末NiCrBSi为熔覆合金，在40Cr钢基体上进行激光熔覆实验研究，用自行研制的电磁场发生装置，使实验工件处于电磁场之中，通过辅助电磁场调控激光熔覆实验，制备元素分布均匀，力学性能良好的熔覆层，并采用有限元仿真和实验相结合方法，探究不同类型电磁场对激光熔覆涂层组织与性能的影响规律。　　首先，通过9组无电磁场正交实验，研究激光工艺参数:激光功率、光斑直径、扫描速度对熔覆层质量影响规律。研究发现，扫描速度为影响熔覆层高度最显著影响因素;光斑直径为影响熔覆层宽度最显著影响因素;激光功率为影响熔覆层高度最显著影响因素。并通过后续微观组织观测与力学性能测试综合比较，得出激光功率1500W、光斑直径3mm、扫描速度4mm/s为佳工艺参数，为后续多类型电磁场辅助熔覆实验提供了指导工艺参数。　　然后，采用有限元仿真方法，在确定好激光工艺参数与电磁场参数之后分析模拟多类型电磁场对熔池流动、温度及应力分布的影响。研究发现，随着电磁场施加于熔池，不同电磁场辅助下熔池会产生不同形状的涡流，溶池内涡流起到搅拌作用，使得溶质充分混合，可以有效减少溶池内气孔、裂纹等缺陷，且熔池表面应力较为平均，应力分布也更加均匀，减少了因应力集中可能造成的缺陷与危害，提升熔覆层表面质量。　　进一步，进行多类型电磁场辅助激光熔覆实验，并与无辅助电磁场熔覆实验结果相对比。实验研究表明:与无电磁场辅助激光熔覆涂层相比，施加不同构型电磁场所得的激光熔覆涂层其表面质量、微观组织、力学性能均有提升，电磁场能够起到调控，提高激光熔覆涂层质量。其中耦合电磁场相较于单一电磁场调控,改善熔覆涂层效果更佳;稳态磁场耦合直流电场所得熔覆涂层力学性能比单一稳态磁场、直流电场提升程度更大;交变磁场耦合直流电场辅助调控效果最好。　　本文不仅对多类型电磁场辅助技术进行了实验研究，还对多种类型辅助电磁场调控熔覆机制进行有限元仿真分析，为多类型电磁场调控熔覆层组织形貌与性能提供了一定的技术参考和指导意义。