微波管电子光学模拟器新进展

电子光学模拟器(Electron Optics Simulator,EOS)是微波管模拟器套装的重要组成部分。EOS是一个用于模拟设计微波管中轴对称电子枪、栅控电子枪、多注电子枪、带状注电子枪和轴对称及非轴对称多级降压收集极的二维和三维有限元模拟软件。本文介绍了EOS的最新进展。为进一步提高计算精度和计算速度,EOS主要作了以下七点改进:①引入了比一次插值函数精度更高的二次插值函数;②增加了瞬态计算模块以模拟瞬态特性;③采用局部对称计算方法,减少了计算资源消耗,提高了计算速度;④增加了二维模块,提高了轴对称电子枪和收集极的计算速度;⑤研发了64位版本EOS,突破了32位版本的内存限制;⑥使用LU分解法求解矩阵,提高了有限元矩阵求解速度;⑦基于OpenMP并行计算技术,提高了计算效率。     

三维有限元分析误差估计与网格自适应细化

本文给出了一种简单的三维有限元网格自动生成方法。在采用三维超收敛恢复方法进行三维有限元应力恢复的基础上，提出了有限元计算结果误差估计公式，建立了误差大小与网格尺寸的关系，并用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编制了的三维网格自动生成及其图形显示和误差估计程序。数值实例表明误差估计公式能对计算精度进行可靠的误差估计，实现了网格自适应细化。     

三维实体网格划分算法的研究

根据三维实体的几何特征和物理特征来确定网格划分的加密规则,设计基于Delaunay剖分的动态节点单元一体化三维网格自适应生成算法。通过对对象的加密区域、区域布点等前期处理,对选取的节点集进行Delaunay三角剖分,并对特征集中区域进行局部加密,与传统网格划分方法相比具有更精确性和高效性。将此算法应用于水泥熟料流动冷却工程模拟分析中,实验结果表明能准确描述出熟料流动过程的几何形体的特征和物理特征,实现网格的疏密分布。     

圆管网格结构的自适应有限元分析方法研究

为了判断网格结构有限元模型中梁单元的长度和插值函数是否合理并对此进行调整,首先推导了梁在受拉、受压、纯弯3种情况下的挠曲微分方程,以有限元试算得到的梁单元两端节点力为边界条件,求出了梁单元广义力分布场的解析解;然后,根据Zienkiewicz-Zhu后验误差估计理论,以该解析解为广义力相对精确解,推导了广义力有限元解和广义力相对精确解的能量范数以确定梁单元的相对误差。在试算过程中,如果网格结构中每个梁单元的相对误差都满足精度要求,则终止试算过程,否则调整梁单元的插值函数或长度后再进行试算。以单层球面网壳的自适应有限元静力分析为例验证了该方法的正确性和可行性。     

高精度自适应的四边形网格重建

提出了海量数据点集的四边形网格重建算法。首先根据精度要求简化数据点,按一定规则连接相邻的简化数据点生成多边形网格,对网格中高斯曲率较大的顶点进行局部细分提高其精度,然后对多边形网格进行整体细分使其全部转化为四边形网格,最后分裂度较大的顶点对其进行优化。实验结果表明,算法对拓扑结构较为复杂的海量数据点集的四边形网格重建是行之有效的。     

电子光学系统自优化设计的研究

电子光学软件Egun是用于计算二维静电场和静磁场状态下电子轨迹的专业软件。它在设计Pierce电子枪等电子光学系统方面比较成功,而且计算速度快,至今仍被广泛应用。Egun在真空电子器件的模拟仿真中,对设计的电子光学系统电子注层流特性的评估,仅能通过对电子轨迹的观察来判断其层流性的好坏,该软件并没有给出定量的评估指标参数,且对设计参数的修改十分繁琐,缺乏自动优化功能,极大地影响了Egun优势的发挥。本文提出了交叉率和波动率评估指标来衡量电子注的层流特性并开发了一套自优化软件。模拟仿真结果表明:交叉率和波动率可以准确地定量评估电子注层流特性的好坏;根据模拟仿真分析,当电子注交叉率低于3%且波动率低于30%时,电子注的层流特性可以满足设计需求。层流特性评估指标—交叉率和波动率也为电子光学系统自动优化寻找最佳参数值提供了目标评估参数,极大地减少人员和物力的消耗。     

基于网格的三维可视化体系结构

根据三维可视化和网格技术的特点,探讨一种基于网格的三维可视化体系结构,分析各层的组成及其功能。     

三维网格单一位率压缩技术研究

三维网格压缩技术在三维图形处理和网络传输中有着重要的作用,其中的单一位率压缩技术将网格的几何信息和拓扑连接信息分开独立压缩。根据网格信息的特点,将该类算法分为连接信息驱动的编码压缩算法和几何信息驱动的编码压缩算法。对两类算法进行了综述性研究,总结和对比了其中主要算法的思想及实现过程,分析了它们的适用环境和优缺点。最后论述了单一位率压缩算法的发展趋势。     

基于网格/无网格的三维超音速流场数值模拟

该文针对绕三维复杂外形流动的数值模拟,提出了一套基于笛卡尔网格/无网格的混合算法。该算法采用计算效率高的笛卡尔网格覆盖全场,而在计算物体表面及周围邻近区域布置无网格离散点。通过对重叠区域的划分和信息传递,建立各计算区域之间的耦合关系,形成完整的计算系统。为验证混合算法数值模拟的适用性和准确性,该文对超音速圆球绕流进行了计算,将激波的位置、形状与理论分析结果进行了对比。并进一步采用该算法对Ma=2.5、0°~10°攻角下的B1AC2R标准导弹模型进行了计算,获得的气动力系数与实验值基本吻合,表明该文提出的方法可以进行实际工程应用。     

基于重叠网格的三维车桥系统气动特性研究

该文基于重叠网格方法,建立了移动列车的数值模型,研究了横风作用下三维车桥系统的绕流气动特性。通过与相关试验和文献对比,验证了重叠网格方法可以较好地模拟列车的运动;然后对横风作用下车桥系统的绕流流场进行分析,讨论了考虑列车运动后车桥气动力的变化。研究结果表明：由于列车风与横风的叠加以及车桥之间的气动干扰,使车桥系统横风绕流流场发生明显的改变;列车运动对前方空气的压缩作用使头车所受气动力最大,同时桥梁气动力也会发生突变。     

三维有限元模拟中的网格重划

详细论述了网格重划技术的判断准则、新旧网格之间场量传递等,提出了两种进行包含测试的新方法交点判断法和矢量判断法,并成功地应用于新旧网格之间三维场量的传递.实例应用验证了该方法的正确性和有效性.     

三维有限元网格节点编号优化

在有限元分析中,节点编号对整体刚度矩阵的带宽起着决定性的作用。优化网格节点编号的目的是为了减小同一单元中的相关节点编号之间的差值,从而减小整体刚度矩阵的带宽。基于有限元网格的拓扑分析,提出通过有限元网格的整体拓扑阵和单元—节点拓扑阵,对AKHRAS和DHATT方法进行改进,开发了一种有限元网格的节点编号优化的新方法。实例应用表明该方法执行效率高,计算速度快。     

基于径向基函数的自适应网格方法

本文给出了一种基于径向基函数的自适应网格方法．该方法利用网格依赖方法的解与径向基函数插值解的信息来细化或粗化网格,充分利用了径向基函数计算格式简单、节点配置灵活的优点与网格依赖方法的稳健性．提出的算法很容易编程实现．数值算例表明该算法可以在解变化剧烈的区域加密网格,在解变化平缓的地方粗化网格,从而在保证相同数值求解精度的情况下,能够极大地节省计算量．     

扫描式氩离子枪的电子光学系统研究

扫描式离子枪是样品表面清洁、表面刻蚀和深度分析的常用部件,加速电压在500V到3kV之间可调,具有效率高、性能可靠等优点。电子光学系统是离子枪的重要组成部分,是决定离子束流品质的重要因素。本文利用计算机模拟软件CST对离子枪整体结构进行建模,研究了离子枪聚焦系统不同结构和电压参数对离子束电流密度和束斑尺寸的影响,同时得到了离子枪偏转系统在不同电压分布下的离子分布情况,通过仿真分析确定了电子光学系统的设计方案,并进行了实验验证。结果表明：工作距离为25mm、氩气工作气压为6×10^-3Pa、加速电压为3kV时,氩离子束的束流大小为3μA;束斑大小在7mm到12mm之间可调;当偏转电压为300V时,偏转角度为4.6°。实验与仿真结果基本对应,同时该离子枪的性能指标可获得表面原子精度构造。     

有限元网格修正的自适应分析及其应用

本文在对有限元变量连续条件分析的基础上，将应力误差范数用于计算结果的误差估计，使非结构化网格生成系统与有限元计算有机地结合起来，并将网格单元修正的自适应分析应用于二维应力集中问题的研究，从而实现了有限元最佳化离散，提高了有限元数值求解的可靠性和近似程度。     

新型电子能量谱仪电子光学系统研究

介绍了一种新型电子动量谱仪电子光学系统的研究与设计、系统由靶室、圆锥形减速透镜线件，双扇形场电子能量分析器组件组成，可同时获得电子束的能量分布和角度分布信息，可明显地提高电子动量谱测量系统的效率。     

新型电子动量谱仪电子光学系统研究

介绍了一种新型电子动量谱仪电子光学系统（TH－EMS型清华电子动量谱仪）的研究与设计，系统由靶室、圆锥形减速透镜组件、双扇形场电子能量分析器组件组成，可同时获得电子束的能量分布和角度分布信息，可明显地提高电子动量谱测量系统的效率。     

三维泡泡布点方法及网格生成

本文研究如何在三维区域上生成高质量的节点集并基于节点集进行网格生成.根据区域边界的几何描述和理想间隔控制函数,先后对曲面及区域内部用泡泡布点法进行节点布置.节点布置结束后,对区域边界的节点集运用高质量点集的局部网格生成算法(BLMG)进行网格剖分,对区域内部的点集直接进行Delaunay三角剖分.通过计算节点集生成Delaunay网格单元的质量来评价区域节点集的质量.泡泡均匀分布与非均匀分布的算例均表明,该算法生成的节点具有较高的质量并且在泡泡非均匀分布时具有很好的渐进性.     

基于DCT 的三维网格模型数字水印算法

基于离散余弦变换(DCT)技术和扩频通信技术提出三维模型稳健水印嵌入算法. 算法将原始的一维二值水印序列利用扩频通信技术生成可以直接嵌入的水印信息;利用主成分分析(PCA)方法,将原始模型变换到仿射(旋转、 平移和均匀缩放)不变空间中,选取模型顶点到其中心距离作为水印嵌入单元,基于双极性量化嵌入单元离散余弦变换系数的方法嵌入水印并实现水印的盲提取. 该算法嵌入的水印信息具有不可见性,能够抵抗模型的旋转、平移、均匀缩放等常见攻击. 仿真实验验证了算法的有效性.     

向量线性相关的三角网格自适应Loop细分方法

根据过同一起点,且线性相关的三个向量在同一平面上的原理提出了一种新的三维表面自适应Loop细分算法,即对网格模型过同一顶点1邻域上的所有三个紧邻边组成的三个向量判断其是否线性相关来断定该顶点的1邻域是否平坦,从而进一步判断该顶点是否参与细分.但是三角网格模型上的三条边不可能都严格地在同一个平面上,当这些向量组成的行列式值趋于零时,便认为它们在同一平面上.实验表明,该方法减少了细分的数据量和处理速度.