含圆孔直角域压电介质的动力反平面特性

为了研究直角域附近缺陷对压电材料的动力学行为的影响,利用复变函数法及镜像法研究含界面附近圆孔的直角域压电介质的动应力集中问题,得到了直角域压电介质中圆形孔洞对时间谐和的反平面剪切波散射引起的动应力集中系数和电场强度集中系数的解析表达式,并给出了它们随入射波频率、材料的物理常数和结构几何参数变化的计算结果图.结果表明,在某些参数组合情况下,压电直角域界面附近圆孔边界动应力集中系数的最大值为半无限压电域界面附近圆孔的2～3倍,且电场强度集中系数在低频情况下非常大.对含缺陷直角域压电介质进行动力学分析非常必要.     

含非圆孔无限压电介质的动力反平面特性研究

利用复变函数与保角映射法对稳态SH波在含非圆孔压电介质中的散射和动应力集中问题进行研究,获得了应力场、电场对入射波强度、外加电场的依赖关系,得到了压电介质中任意形状孔洞周边的动应力及电场强度的表达式.作为算例,对具有不同压电特征参数和不同波数情况下的含椭圆形孔洞压电介质的孔边洞应力集中系数和电场集中系数进行了数值计算.计算结果表明,孔边界动应力对外加电场压电参数具有线性依赖关系,对于含椭圆形孔的无限压电介质进行低频和大压电特征参数情况下的动力分析是非常重要的.     

无限大均匀带电平面的电场均匀性的原因分析

在真空或无限大均匀电介质中,无限大均匀带电平面的电场强度处处相等,和场点距离该平面的远近无关.本文从数学关系和物理机理上,探讨了该平面上“峰值圆”和任意圆内外电荷的垂直分场强的不同性质,进而剖析了该电场的结构和上述匀强性的缘起.     

集成电光器件的边缘电场效应

电场分布是影响电光器件特性的主要因素。研究了有限尺寸平行电极的电场分布，得到了其电荷分布密度、电容、电场强度的数学解析式，并分析了边缘电场效应，在此基础上得到了在集成电光器件中相邻光通道互不干扰所需的平行电极对的间隔距离，这对集成电光器件的设计很有参考价值．     

啁啾脉冲放大中的增益饱和效益

利用描述脉冲在啁啾放大系统中传输的非线性薛定谔方程,通过分布傅立叶方法对方程进行数值求解,研究了脉冲在完全均匀加宽与完全非均匀加宽介质中传输放大时增益饱和效应对脉冲的影响。     

介电材料间歇微波热过程三维模拟研究

微波能作为清洁可再生能源,应用在介电材料热过程时与传统加热方式相比具有高效、均匀、快速等优势.文中建立了基于多物理场耦合的理论三维数学模型,描述了含水介电材料间歇微波热过程.随着间歇微波热处理的进行,介电材料内的平均电场模增加,电场强度分布均匀性变好;平均温度增加,温度分布均匀性先变差然后趋于稳定;平均含水率减小,含水率分布均匀性变差,但含水率变异系数极低,因此,介电材料内水分分布均匀.此外,随着环境相对湿度或压力的增加,介电材料内部平均电场模减小,电场强度分布均匀性变差;平均温度增加,温度分布均匀性变好;平均含水率增加,含水率分布均匀性变好.比较环境相对湿度和压力对模拟结果的影响可知,环境压力对介电材料内电场强度和含水率的影响更为显著.     

电火花摇动加工中的曲面非均匀偏置补偿技术

针对模具产品复杂曲面电火花（EDM）加工中电极摇动引起的加工误差问题，提出了一种电极自由曲面非均匀偏置的补偿技术.该技术采用直接修改电极曲面几何形状参数的方法, 根据电火花加工中电极不同的摇动方式和摇动量补偿了电极的自由尺寸.在偏置补偿过程中提取非均匀有理B样条（NURBS）电极曲面的基本参数, 对电极曲面进行网格离散.根据电极不同的摇动方式，非均匀偏置离散网格.在控制误差下，逼近补偿后的非均匀电极曲面.结果表明，该补偿技术有效地解决了电极摇动的加工补偿问题，能够较大地提高模具产品的加工精度.     

基于力电耦合效应的非均匀压电材料断裂问题研究

作为一种智能材料,非均匀压电材料广泛应用于航空航天、军事等领域,由于其脆性,材料中的微裂纹对结构寿命影响较大。基于非均匀压电材料的本构关系,几何关系和边界条件,利用分层法的原理进行材料的梯度划分,分析了力电耦合效应下非均匀压电材料中的断裂问题。建立含裂纹非均匀压电板的有限元模型,讨论了力电耦合效应下不同梯度参数、不同裂纹形状、不同裂纹尺寸以及不同梯度函数对裂纹周围应力和电位移分布的变化规律。首次提出几何过程函数来进行非均匀材料属性的调控,实现材料参数的随机递增/随机递减。数值结果给出了在力电耦合效应下,裂纹周围应力和电位移的分布规律;梯度参数的增大使裂纹周围应力和电位移增大;裂纹几何尺寸变小,裂纹周围应力增大而电位移减小且椭圆形裂纹周围应力要大于圆形裂纹。因此,在非均匀材料结构设计中,梯度参数应在可使用范围内选取较小值;选择不同梯度函数的对裂纹周围的应力和电位移有一定影响,这对于非均匀压电材料结构设计及实际应用起到借鉴作用。     

一种用于非均匀弹性材料分析的有限元法

根据材料细观力学研究非均匀材料性能的需要,在平面和三维弹性材料分析的有限元法的基础上,探讨一种用于非均匀弹性材料分析的有限元法。利用本方法及其微机程序,可算出细观非均匀各向同性弹性材料模型各处的弹性系数。     

高压电晕放电后孔洞与微米功能电介质材料的表面电荷动态衰减特性分析

通过对具有孔洞和掺杂微米颗粒的不同功能电介质材料的表面电荷动态特性进行比较,研究了材料内部孔洞结构和微米颗粒结构对于其电荷陷阱,表面电荷稳定性能的影响。得出了电介质材料内部孔洞对于电荷的存储和保持具有重要的作用,同时,在聚合物基体中掺杂少量微米颗粒能够起到抑制电荷形成,增大表面电荷衰减率的效果。该研究成果对于绝缘和功能电介质材料的应用基础具有重要的参考价值和现实意义。     

Analysis and Numerical Modeling of a 20W Microwave Electrothermal Thruster

The microwave electrothermal thruster (MET) is an electric propulsion device that uses an electromagnetic resonant cavity within which free-floating plasma is ignited and sustained in a propellant gas.The thrust is generated when the heated propellant gas is exhausted out of a gas-dynamic nozzle.For an empty cavity without any perturbing regions—e.g.,dielectric regions or antenna regions—it is fairly straightforward to accurately calculate the cavity's resonant frequency and describe the electric field inte...     

电场活化聚合物的破坏机理分析

以电场活化聚合物试验为基础,对它在电场中发生破坏的机理进行分析,提出用单位厚度上的极限电压表征电场活化聚合物抗电击穿破坏的强度,并揭示了预拉伸不仅能加快电场活化聚合物在电场力作用下的响应速度,提高变形率,降低工作电压,而且能大幅度提高其抗电击穿破坏的强度.     

用有限元法实现电极形状的优化设计

基于二维静电场的有限元法,本文采用形状校正法实现了电极形状的优化设计。对优化设计软件中的诸多问题进行了探讨,以保证电场强度的精度,提高优化设计的效率。应用这一方法分别对100kV SF_6绝缘电压互感器内高压绕组均压环和500kV电力变压器高压出线模型套管均压球进行了电极形状优化设计,使其上最大最小电场强度之比分别从1.81和1.68降至1.07。     

碳纳米管受介电泳作用三维运动仿真

利用溶于介电液中的碳纳米管在外加交变电场作用下极化产生介电泳力和液体粘滞阻力的共同作用,建立了碳纳米管受力和运动模型;对碳纳米管的运动过程进行了仿真,得到了碳纳米管从特定初始点开始的三维运动轨迹和可以实现组装的碳纳米管初始点分布区域.计算了碳纳米管运动过程中所受介电泳力和速度的变化规律,距离电极间隙越近,碳纳米管受力和速度越大,最大分别能达到10^-9 N和10⁵μm/s的数量级.仿真结果为碳纳米管介电电泳组装提供指导.     

基于电场结构参数化建模的纺丝机结构优化

针对静电纺丝过程中接收端电场强度较弱等问题,利用有限元分析软件ANSYS对自行设计的新型高压静电纺丝装置工作静电场进行了参数化建模与仿真分析.并利用针对板式和板对板式结构的各自优势,设计了镂空板式结构电极,使最大场强值得以提升.提出了采用附加电场方式优化电场分布形式的方法,场强值下降速度平缓很多,保证了纺丝过程的稳定性.通过对电场主要结构参数的参数化建模完成了工作电场的优化,得到了满足静电纺丝需求和外加电压载荷最小的设计序列.结果表明：电压载荷降低了约10.54%,纤维的取向和排列分布均有很大改善,为下一步研发工艺参数可控的静电纺丝装置和指导试验奠定了理论基础.     

1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极设计

屏蔽电极设计是定子出线套管设计的最核心问题,屏蔽电极能否满足设计要求,对定子出线套管的安全运行十分重要。设计了1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的双层屏蔽电极结构,采用有限元软件进行了仿真分析:改变中间屏蔽电极和接地屏蔽电极的位置,比较不同位置时电场强度最大值的大小,从而确定中间屏电极和接地屏蔽电极的半径、长度及轴向上的位置。所设计汽轮发电机定子出线套管双层屏蔽电极结构有效改善了接地法兰附近电场分布过分集中的问题,满足相关标准的绝缘设计要求,为1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极设计的实际应用提供参考。       

An interval finite element method for electromagnetic problems with spatially uncertain parameters

During the manufacturing process of dielectric materials used in electromagnetic engineering, the electromagnetic parameters are often spatially uncertain due to the processing technology, environmental temperature, personal operations, etc. Traditionally,the random field model can be used to measure the spatial uncertainties, but its construction requires a large number of samples.On the contrary, the interval field model only needs the upper and lower bounds of the spatially uncertain parameters, which requires much less samples and furthermore is easy to understand and use for engineers. Therefore, in this paper, the interval field model is introduced to describe the spatial uncertainties of dielectric materials, and then an interval finite element method(IFEM) is proposed to calculate the upper and lower bounds of electromagnetic responses. Firstly, the interval field of the dielectric material is represented by the interval K-L expansion and inserted into the scalar Helmholtz wave equations, and thus the interval equilibrium equations are constructed according to the node-based finite element method. Secondly, a perturbation interval finite element method is developed for calculating the upper and lower bounds of electromagnetic responses such as the electric strength and magnetic strength. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by three numerical examples.     

直流真空断路器弧后介质恢复特性影响因素分析

直流真空断路器采用人工过零的方式实现故障开断,是当前直流系统兼具经济性与可靠性的控保方式之一,其弧后介质恢复特性是判定故障开断成功与否的关键条件。为探究直流真空断路器电磁与机电参数耦合作用下介质恢复特性的影响因素,本文基于连续过渡模型、能量守恒定律和电荷守恒定律,建立了零区带电粒子数密度计算模型,研究了触头型面参数和零前电流下降率影响下的零区带电粒子数密度分布;通过搭建12 kV直流真空断路器配永磁斥力机构运动特性测试平台,实验测得机构位移-时间特性曲线,研究了短路开断电流、零前电流下降率和换流投入时刻影响下的零区极间距分布。在此基础上,基于漂移扩散方程、Maxwell-Stefan方程和泊松方程,建立了弧后鞘层发展模型,以求得电磁与机电参数影响下的电场强度最大值;并与零区金属蒸气压和短路开断电流影响下的临界击穿电场强度进行对比分析,进而评估不同换流投入时刻、零前电流下降率、暂态电压上升率、触头直径下的弧后介质恢复强度。此外,求得了直流真空断路器可靠开断时零前电流下降率和换流投入时刻的极限安全域,以及电磁与机电参数耦合作用下的最小安全间隙与开断电流极限,为设计满足可靠开断要求的直流真空断路器灭弧系统结构参数与换流参数群组提供解决方案。     

Stability analysis of dielectric elastomer film actuator

Dielectric elastomer (DE) is the most promising electroactive polymer material for smart actuators. When a piece of DE film is sandwiched between two compliant electrodes with a high electric field, due to the electrostatic force between the two electrodes, the film expands in-plane and contracts out-of-plane so that its thickness becomes thinner. The thinner thickness results in a higher electric field which inversely squeezes the film again. When the electric field exceeds the critical value, the dielectric field breaks down and the actuator becomes invalid. An elastic strain energy function with two material constants is used to analyze the stability of the dielectric elastomer actuator based on the nonlinear electromechanical field theory. The result shows that the actuator improves its stability as the ratio k of the material constants increases, which can be applied to design of actuators. Finally, this method is extended to study the stability of dielectric elastomers with elastic strain energy functions containing three and more material constants.     

海洋低频电场探测电极性能表征

为探测海洋环境中的低频电场，制备了固态Ag／AcCl电极，通过对电极稳定性、灵敏度及其对已知电场信号响应特性的考察，探讨了其用于海水环境中电场传感器探测电极的可行性，并用电化学交流阻抗的方法研究了不同频率范围时电极的界面反应特性。结果表明，在海水环境中，Ag／AcCl电极稳定性好，灵敏度高，频率响应特性好，能够较准确地探测海水中一定频率范围的交流电场信号，可作为海洋环境中电场传感器的探测电极。受电极界面反应影响，电极在探测信号时对应着一个最佳工作频率范围。