磁性液体倾斜角传感器的有限元耦合分析

根据一种差动式变压器结构的磁性液体倾斜角传感器工作原理,推导出传感器输出电压与灵敏度公式,并利用ANSYS软件对这种结构的传感器进行电磁-电路的耦合场分析,通过对数值模拟结果进行深入分析以便能为传感器的设计提供指导,并将模拟结果与已公开发表的实验数据进行对比.得出当磁性液体倾斜角传感器的结构参数确定后,传感器的输出电压与转动角度成线性正比关系;且传感器的灵敏度与激励电压的振幅、磁性液体相对磁导率及激励电压频率成正比,但激励电压频率超过一定范围后,传感器灵敏度增加值会逐渐减小,建议激励电压频率最好不超过1.5 kHz.     

基于磁反馈的宽频带磁传感器的研制

大地电磁测深需要较宽频率范围的感应式磁传感器来探测大深度范围,针对电补偿无法解决感应线圈在谐振点处有相位突变以致频带受限的问题,提出了磁反馈方法。磁反馈的原理是将感应信号放大后转换成电流量,电流通过反馈线圈产生磁场对被测磁场形成磁通负反馈。通过仿真及实验证明了该方法能够解决感应线圈在谐振点处有相位突变的问题,并且使传感器在低频率段有平坦的灵敏度曲线,较大地拓宽了频带。标定的结果表明传感器频率范围是0.001Hz～60kHz,在频率小于1Hz的范围内灵敏度为0.24V/(nT.Hz),频率高于1Hz时,为0.69mV/(nT.Hz)(@1kHz),能够满足大深度范围探测的需要。     

旋转超声振动加工非接触电能传输系统设计研究

针对旋转超声振动加工中接触式超声频、大功率电能传输存在的问题,提出基于电磁耦合感应的非接触电能传输方法。理论分析了非接触松耦合变压器的参数设计,建立了以压电换能器和松耦合变压器为总负载的原边电端阻抗匹配模型。实验研究了电源频率、磁芯间距对电能传输效率的影响,测试了系统工作过程中磁芯的温升变化,结果表明所设计的非接触电能传输系统能够满足旋转超声振动加工要求。     

钢缆索索力磁性传感理论模型与实验研究

基于逆磁致伸缩效应,建立钢缆索的索力传感理论模型,深入讨论了施加在缆索材料上的力信号(外力和应变)与磁信号(磁感应强度、磁场强度)之间的相互耦合关系.通过对缆索材料磁导率进行泰勒级数展开,得到磁感应强度,加载外力与激励磁场之间的关系.在此基础上,分析了当分别采取稳恒磁场激励和交流磁场激励下,磁感应强度随加载外力的变化情况,并做了仿真.结果表明:不论是稳恒磁场激励,还是交流磁场激励,磁感应强度都随加载外力的增大而变大.针对所设计的环式索力传感器,完成了索力测量原理推导,通过输出感应积分电压可求得索力,并且在只考虑一阶泰勒展开系数时,输出积分电压与索力成线性关系.最后搭建实验系统,通过万能拉力机完成了传感器的外力加载实验.结果表明:传感器灵敏度能达到1.69 mV/kN,最大重复性误差为0.286%,也表明所建立的理论模型是合理的.     

电磁成像金属探伤传感结构激励模式的仿真研究

针对电磁成像金属探伤传感系统的激励模式的选择问题,对电磁金属探伤传感系统的3种主要的激励模式—单激励模式、相邻激励模式、相对激励模式进行了研究,并对后两种激励模式在不同的激励信号方向下进行了对比研究,提出了一种基于Ansoft Maxwell电磁仿真软件对八线圈的传感结构以及被测金属板进行建模的方法,在3种不同激励模式下,分别求解出八线圈传感结构检测端的感应电压信号,并进行了比较和分析。仿真结果表明,在电磁成像金属探伤传感系统中,以正弦电压信号为激励信号,当采用激励信号同方向的相对激励模式,则系统激励电磁场范围最大,检测到的感应电压信号幅值最明显,传感器灵敏度也最强。该仿真分析以及结果对实际电磁成像金属探伤传感系统的设计以及图像重建算法的开发都具有指导意义。     

旋转超声振动加工中非接触电能传输特性研究

针对旋转超声振动加工中接触式电能传输方式存在的弊端,提出了一种非接触电能传输系统。建立了非接触电能传输松耦合感应模型,理论分析了电能传输效率的影响因素,对松耦合变压器原/副边进行了阻抗匹配;仿真分析了系统电压增益、原/副边功率及传输效率随负载和松耦合变压器设计参数的变化规律;实验研究了系统传输效率和电源频率、磁芯间距之间的影响关系,证明了方案的可行性。     

基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计

磁粒子成像是一种全新的人体内动态靶向影像学方法,但当前磁粒子成像系统以封闭式磁场扫描结构为主,严重限制了其临床应用范围。设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统,在分析了超顺磁粒子谐波磁化响应的基础上,通过对线圈表面耦合磁场的计算及电流控制利用8个梯度线圈形成了基于无场线的开放式空间定位磁场,成像区域30 mm×30 mm;以单边激励线圈产生20.7 kHz激励磁场,处于高频激励磁场及定位磁场中的超顺磁纳米粒子示踪剂产生具有丰富谐波成分的可定位超顺磁磁化信号,使用高信噪比Gradiometer线圈检测其3次谐波信号形成电压云图图像;通过预测量的系统函数矩阵利用非负最小二乘法对电压云图进行重建,形成示踪剂浓度分布云图。成像实验结果表明,系统在开放式成像区域内探测灵敏度20μg Fe,图像重建空间分辨率2 mm,成像速度1 fps,达到了较好的开放式成像效果,系统也是国内首台全自主研发的开放式磁粒子成像系统。     

感应电机电磁转矩性能分析与研究

本文对三相感应电机在不同磁场定向下及六相感应电机在梯形波相电流驱动下的电磁转矩进行了比较分析.比较了两种电机在突加负载情况下的电磁转矩响应曲线.仿真和实验结果验证了六相感应电机比三相感应电机电磁转矩脉动频率高,幅值小,稳定性强以及同等电流下产生电磁转矩高的特点.     

面向脉冲涡流热成像的激励电源特性研究

激励电源性能直接影响脉冲涡流热成像的信号特性提取、检测灵敏度和缺陷检出率,针对常规水冷铜管式感应加热电源存在电磁耦合效率低、加热均匀性差等问题,提出了一种含U型磁轭探头的新型脉冲激励电源。基于脉冲涡流热成像检测理论和电磁热耦合方程,提出了一种将激励线圈缠绕在U型磁轭上的探头结构,进一步分析了加热时间对试样裂纹区域温度场的影响;给出了脉冲激励电源整体系统方案,通过对电压源型全桥逆变电路换流过程进行分析,为合理设置IGBT开通、关断控制信号提供参考;为实现快速搜索负载谐振频率并实时跟踪谐振频率,提出了一种改进型全数字定角频率跟踪技术,并详细阐述了该技术的实现过程;对研制的脉冲激励电源性能进行测试以验证理论分析的正确性,并将其应用于脉冲涡流热成像金属表面裂纹的检测。     

基于迭代补偿的纳米粒子磁化信号检测方法研究

磁粒子成像是一种无创成像技术,通过检测磁粒子示踪剂磁化信号,表征其浓度分布图像。在实际检测中,检测线圈的感应信号包含激励磁场信号与磁性纳米粒子磁化信号。将激励信号从感应电压中去除,获取粒子信号是磁性粒子成像信号检测需要解决的关键问题。针对磁性纳米粒子成像信号检测中激励磁场耦合消除方法进行研究,设计平面梯度检测线圈,并提出迭代补偿控制方法,消除激励磁场耦合,实现磁性纳米粒子磁化信号检测。仿真计算与实验测量的结果表明,对于不同检测模型,所提出的检测方法均可以完成粒子信号检测。该方法获得的粒子信号的信噪比是原有信号消去检测方法的2.2倍,与滤波方法相比信噪比提高到1.3倍,激励磁场耦合衰减可达到34 dB。     

电磁炮导轨的变形耦合分析

为了对电磁炮导轨的变形进行分析、研究与仿真,基于有限元分析方法,建立了身管模型;采用直接耦合法进行求解,对有磁场的电磁炮身管进行有限元分析计算,探讨了电磁炮发射时电磁力对电磁炮导轨的变形和应力分布的影响。通过计算,证明考虑磁场的耦合分析模型,比没有考虑磁场的分析模型更接近实际发射的情况,该数值模拟具有重要的参考价值。     

基于FEM的电磁缩径耦合场数值模拟

对管件电磁缩径的磁场力和动态变形进行了耦合场FEM数值模拟。应用ANSYS计算作用在管件上的瞬态磁场力,然后以该力为边界条件模拟工件高速变形,实现管件变形与磁场力之间的耦合。研究结果表明,作用于工件的磁场力及其径向变形分布不均匀;工件变形可以间接说明磁感应强度和磁场力的分布;工件变形较大时,全耦合模拟结果较半耦合模拟更合理,而变形较小时,二者模拟结果相近。管件变形的模拟值与测量结果吻合较好。     

SIMUUTION OF ELECTROMAGNETIC TUBE BULGING BASED ON LOOSE COUPLING METHOD

A loose coupling method is used to solve the electromagnetic tube bulging. ANSYS/ EMAG is used to model the time varying electromagnetic field with the discharge current used as excitation, in order to obtain the radial and axial magnetic pressure acting on the tube, the magnetic pressure is then used as boundary conditions to model the high velocity deformation of tube with DYNAFORM. The radial magnetic pressure on the tube decreases from the center to the tube end, axial magnetic pressure is greater near the location equal to the coil height and slight in the other region. The radial displacement of deformed workpieces is distributed uniformly near the tube center and decreases from the center to the end; Deformation from the location equal to coil height to the tube end is little. This distribution is consistent with the distribution of radial pressure; Effect of the axial magnetic pressure on deformation can be ignored. The calculated results show well agreements with the experimental results.     

激励磁场对力磁耦合作用的强化机制研究

力磁耦合作用是金属磁记忆检测等电磁无损检测技术的基础。为了探明外加激励磁场在不同应力水平下对力磁耦合作用的影响机制,从磁导率与应力及环境磁场变化关系的角度,在理论上计算了外加激励磁场下力磁耦合作用下与力和磁单独作用下的表面磁场强度之差ΔH,并推导出该差值随着拉应力的增大而增大的结论。用预制缺陷的45钢试样进行对照试验,发现激励磁场对力磁耦合作用的影响ΔH是随着应力的增大而呈类似指数形式递增的。经设计的正交试验验证,激励磁场与应力对磁信号的交互耦合作用显著,且在受力过程中激励磁场对信号的作用水平最大,这与理论分析结果吻合。说明外加激励磁场对力磁耦合作用起到了一定的强化作用。     

外加高频磁场下电弧快速成形过程的电磁-流体耦合数值模拟

外加电磁作用是改善电弧快速成形零件组织和性能的有效方式之一。为了揭示高频磁场对熔池传热、对流和形态的影响机理,采用有限元电磁计算和有限体积流体分析耦合的方法,建立电磁场、熔池温度场和流体流动场分析的三维模型,分析工件和熔池中高频电磁力/热的分布特征,研究高频电磁力与表面张力、电弧力以及熔滴冲击共同作用下的熔池表面动态变形,对比分析有/无外加高频磁场情况下熔池温度分布和流体流动模式上的差异,并由此预测外加高频磁场对凝固组织和熔池形态的改变。结果表明,高频电磁力驱动熔池流体在垂直焊接方向的平面内形成单漩涡旋转对流,有利于熔断枝晶细化晶粒,熔池表面形状向远离线圈一侧倾斜,熔宽增大。金相和焊道横截面测试证实了上述模拟结果。     

Numerical and experimental investigation of inward tube electromagnetic forming

In this work, experimental and numerical simulation of high-speed inward forming of tubes on a die in electromagnetic forming (EMF) system using a compression coil is presented. A 2D axi-symmetric electromagnetic model is used to calculate magnetic field and magnetic forces. Modified loose-coupled simulations of electromagnetic and structural aspects of EMF process are reported and emphasized in this paper. During the simulation, in each time step, the transient magnetic forces are obtained from the electromagnetic model and used as input load to the mechanical model. Based on the calculated deformation, in each step, the tube geometry in the electromagnetic model is updated to calculate the electromagnetic forces in proceeding step. Tube material, AA 6061-T6, is assumed to obey the Johnson-Cook (J-C) rate-dependent model. Displacement and thickness variations of workpieces along the tube length are presented and discussed experimentally and numerically. The results demonstrate that various workpiece zones could be thickened or thinned based on various process parameters. In addition, it is seen that the increase of discharge voltage decreases the thickness at die radius and reverses the thickening trend at tip of the bead.     

新型磁粉联轴器仿真设计研究

近年来,磁粉离合器以其优良的性能在很多领域得到了广泛的应用。本文基于对磁粉离合器工作机理和结构特性的研究,提出一种新型磁粉联轴器设计思路。运用UG软件进行联轴器三维建模,进行结构静力学分析,同时基于Ansoft磁场仿真软件,对新型联轴器进行三维瞬态电磁场分析,得出运动过程中联轴器内部电磁场强度分布,并近似计算其传递扭矩,从而得到可靠的预期性能。     

3D Multi-physics field simulation of electromagnetic tube forming

Numerical simulations of electromagnetic forming process offer the opportunity to overcome the multi-physics filed coupling problems. The purpose of this work is to establish a three-dimensional (3D) finite element model which can be used for non-axisymmetrical 3D models. And the simulation method will serve as a guide to analyze arbitrary complex 3D models in the future. In each time step, the transient magnetic forces and the joule heat generated by electromagnetic code are used as the loading condition to predict the deformation of the tube by mechanical code and the temperature variation of the tube by thermal code, respectively. Whereafter, the tube geometry is updated according to the deformation result. The simulation result of displacement at the center of the tube with time and the final tube profile are in better agreement with the experimental ones. The lows of the strain, stress, strain rate, and the temperature variation are analyzed. The changes of the magnetic force on the tube are also analyzed.     

外加电磁场对金属材料摩擦副摩擦学性能影响的研究进展

外加电磁场是改善摩擦副摩擦学性能的途径之一。从外加电磁场对位错运动的促进、接触表面氧化的增强和磨屑的细化氧化3个方面,综述了电磁场对金属材料摩擦副摩擦学性能改善的机理,介绍了外加电磁场类型、磁场强度、磁场施加方向、磁场频率以及摩擦副材料的磁导率大小及差异、外加磁性颗粒尺度对摩擦副摩擦磨损的影响,指出了未来电磁场抗磨减摩的研究方向。     

焊接电流影响GMAW双丝焊电弧等离子体的数值模拟研究

基于电磁学理论和流体力学理论,建立熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)双丝焊焊接电弧等离子体三维数学模型,利用流体力学软件Fluent对其进行求解。重点研究焊接电流对GMAW双丝焊电弧等离子体行为的影响规律,获得了电弧温度、电流密度、热通量、磁场分布等结果。研究发现,随着焊接电流的变化,电弧等离子体形状变化显著。随着焊接电流的增大,电弧最高温度和电弧偏转角随之增大,电流密度和工件表面热通量由双峰分布转变为单峰分布,并且热通量峰值随焊接电流的增大而增大。此外,随着焊接电流的增大,磁感应强度和磁场力随之最大,磁场分布由独立两个磁场向耦合磁场转变。为有效、定量地证明模拟结果准确性,开展焊接试验,利用高速摄像监测电弧行为,利用光谱测温测量电弧温度。结果表明模拟结果同试验结果吻合良好,研究结果为合理选择GMAW双丝焊焊接电流参数提供理论依据。