用时域有限元边界元耦合法计算三维瞬态涡流场

文中首次应用时域有限元一边界元耦合法（T-FEBEM）研究了涡流检测中有限厚平板导体中含有窄裂缝时的瞬态涡流场。采用伽辽金加权余量法，推导出A-φ位函数的时域有限元—边界元耦合算法，讨论了确定时间步长的基本方法，用不完全分解共轭梯度法（ICCG）求解线性方程组。研究了平板导体中不同深度裂缝的时域响应，并与频域有限元—边界元耦合法（FEBEM）和付里叶变换方法所得结果进行了对比。计算结果表明，时域有限元—边界元耦合法效率更高，是一种求解瞬态开域涡流场的有效方法。     

平板导体涡流场并矢格林函数的快速计算

用积分方程法求解平板导体中含有裂缝的涡流场时，需要大量计算并矢格林函数中包含的广义Sommerfeld积分(generalized Sommerfeld integrals , GSI)。将矩阵束方法推广应用于涡流场中广义Sommerfeld积分的计算，将极点的求解转变为矩阵广义特征值问题的求解，分别用奇异值分解方法和最小二乘法确定极点和留数，讨论了不同采样间隔和矩阵束参数对极点分布的影响。该方法将GSI转化为有限项级数之和，极大地加速了并矢格林函数的计算。根据涡流无损检测中的几组典型数据，比较了用该文方法和直接数值积分法计算并矢格林函数的精度和求解速度。大量计算表明，在场点与源点距离小于5倍透入深度时，该文方法计算误差均在2 %以下，计算速度较之数值积分法提高100倍以上，为用积分方程法快速计算涡流场奠定了基础。     

关于电磁场解析方法的一些认识

对电磁场解析方法进行了综述。指出了解析解的重要性:能够直观揭示电磁场的变化规律,不存在数值不稳定问题,表达式能被他人重复导出,表达形式具有科学美,是数值解的基础,并作为计算公式被广泛用于解决工程问题。介绍了几种常用解析方法:分离变量法、复变函数法、格林函数法、积分变换法以及近似解析法。重点回顾了历史上的若干经典解析解:兰帕-汤普森定理、范德堡公式、螺线管中心的均匀磁场表达式、放置式线圈的阻抗增量、Halbach永磁体的磁场计算法、脑磁测量基准计算公式、浅表面缺陷涡流场的三维渐近解析解、金属管道涡流场的三维解析解。给出了有助于解析求解的几本参考书。最后提出了今后需要进一步研究的一些问题:用保角变换方法求解稳恒磁场、现有解析方法的综合使用、借鉴最新数学物理方法、瞬态涡流场的解析求解、微扰法中高阶导数项的求解、逆问题的解析求解。     

复镜像法在平板导体涡流场计算中的应用

为了根据涡流检测中积分方程法(IEM)的理想裂缝模型,用矢量磁位推导出平板导体涡流场的并矢格林函数,将复镜像法用于涡流场并矢格林函数的计算,用Prony方法对矢量磁位中广义Sommerfeld积分(GSI)的被积函数进行指数逼近,使GSI转化为有限项级数之和,加速了无穷积分的计算,提高了涡流场的求解速度和计算精度。用涡流无损检测中的两组典型数据比较用复镜像法和直接数值积分法计算广义Sommerfeld积分的计算精度和求解速度,结果表明复镜像法在涡流场GSI积分计算中准确且高效。用复镜像法计算平板导体中含有平行裂缝和十字型裂缝的涡流场,其结果与有限元一边界元耦合法的计算结果对比表明求解方法正确和高效。     

有限解析单元法求解运动导体涡流场

使用线性有限元法求解运动导体涡流场,当单元Ｐｅｃｌｅｃ数大于１时数值解产生伪振荡。为克服这一困难,提出一处新的“有限解析单元法”,其基本思想是：在单元内构造满足节点条件 局部解析解或局部近似解析解作为形状函数,使用加权九法建立有限元方程。利用此方法研究了一维和二维运动导体时谐涡流问题,得到了很好的效果,初步验证了该方法的有效性。     

计算三维涡流场的三分量边界元法

提出一种计算三维线性涡流场的三分量边界元算法,该算法采用在导体表面上虚设的磁荷和电流密度为求解变量,仅需求解３个分量：虚设磁荷标量和电流密度矢量的２个分量。相对于一般的四分量法（即采用１个标量和１个三分量矢量为求解变量的算法）,该三分量法可以节省约４０％的计算机内存和５０％的计算时间。     

新等效源法解含载流导体的二维涡流场

把涡流场的新型等效源法推广应用到含有载流导体的涡流场中 ,给出了具体的计算公式和实施步骤 ,并通过两个实例来验证本文方法的正确性和有效性。这一方法解的精度可由等效源的个数和级数项的项数来决定 ,是一种非常有效的含有载流导体涡流场的分析方法     

有限元法在圆筒型直线感应电机瞬态特性分析中的应用

本文推导出了以磁感应强度为求解量的非线性涡流场方程及其有限元方程。采用电流耦合法得到了电压源激励下通用形式的非线性时步有限元方程。在有限元方程的推导中，提出了一种解决非均匀媒质间相对运动的新方法。利用所得方程对一台笼式圆筒型直线感应电机的瞬态特性进行了计算与试验分析。文中还对电机初、次级初始相对位置的变化以及电压初相角的变化对瞬态特性的影响进行了研究分析。     

平板导体脉冲涡流场时域解与测厚特征量的提取

本文求解了脉冲电流下降沿激励下平板导体涡流场时域模型,给出一种可测量板厚的信号特征量提取方法。利用拉普拉斯变换和有限汉克尔变换求解得到了截断涡流场模型在复频域中级数形式的场量表达式。利用留数定理求解拉普拉斯反变换,并利用电流对时间的导数与模型阶跃响应作卷积求解电流下降沿涡流场时域模型。给出了导体内涡流密度随时间的变化规律及其与感应电压之间的关系,并以有限厚平板导体与半无限大导体之间的感应电压差峰值时间作为特征量测量板厚。实验验证了解析式和测厚特征量的可靠性。     

径向基无单元算法求解二维运动导体涡流电磁问题

将径向基点配置法应用于求解运动导体涡流电磁问题,提出一种基于运动坐标系的叠加径向基点配置算法来求解描述瞬态涡流磁场的对流扩散麦克斯韦方程。求解域内的磁场被视作由激励电流与感生涡流2种电流所产生磁场的叠加,并在运动坐标系下分别用径向基函数来拟合,根据径向基点配置法的控制方程呈线性这一特点,对其进行解耦并构造时域迭代来求解。这样就把导体的运动转化为坐标系之间的相对运动,迭代过程中在各自坐标系下的径向基模型始终保持不变,避免了因导体运动造成的模型重铸。为了验证该算法的有效性,求解了基准问题TEAM workshop problem 28以及一个电磁线圈弹射系统的动态过程,所得结果与文献中的实验结果相符合。     

时变电磁场唯一性定理的完整表述

以往表述的时变电磁场唯一性定理不适用于由多个媒质所组成的场域,而且不能利用此定理写出电磁场初边值问题的完整表达式。针对以上问题,本文把场论中的“高斯公式”应用于多媒质区域,导出了“多区域高斯公式”;在此基础上,完整地表述和证明了“时变电磁场唯一性定理”,明确了边界条件的使用方法和解的唯一性条件。     

电磁超声无损检测技术的ANSYS仿真研究

利用有限元分析软件ANSYS对电磁超声无损检测技术进行了研究,通过仿真,比较了电磁超声检测过程中缺陷对被测导体表面磁流密度、磁感应强度和涡流等的影响,并介绍了ANSYS软件进行瞬态电磁场仿真的过程,为电磁超声的研究提供了帮助.     

迎风─线性棱边单元法

运动导体的涡流问题通常采用迎风─伽辽金法求解，因为采用普通的有限元法求解，解会发生振荡。这种迎风─伽辽金法不适应离散以场矢量Ｈ为变量的数学模型。为此本文提出了迎风─线性棱边元法，这种方法具有线性棱元的特点，使用的迎风因子要比迎风─伽辽金法的要少，并且能获得稳定解。文章最后以电磁轨道炮为例，求出电流密度分布，并比较两种方法的结果。     

同步感应线圈炮内磁场及涡流场的有限元分析

为了研究感应线圈炮内磁场及涡流场的分布,根据单级实心电枢同步感应线圈炮的结构模型,基于矢量磁位和标量电位相结合的方法建立了其导体区域涡流场的数学模型。对套箍和炮管非导体区域、气隙区域分别采用矢量磁位、标量磁位来描述磁场。在电枢区域涡流场的控制方程中,考虑了电枢运动效应和位移电流效应的影响;在驱动线圈区域涡流场的控制方程中,考虑了位移电流效应的影响。采用Ansoft有限元分析软件对单级实心电枢同步感应线圈炮内的涡流场分布情况进行了仿真研究。仿真结果表明:单级实心电枢同步感应线圈炮内的磁场在电枢尾部发生明显畸变,电枢内的涡流主要分布在电枢的外表面和尾部,其方向与驱动电流的方向相反。这些工作体现了单级实心电枢同步感应线圈炮实际工作过程中磁场、涡流场以及能量损耗的分布规律,为感应线圈炮的优化设计提供了参考依据。     

带导磁体的轨道式电磁发射电枢的电磁仿真

为了增强轨道式电磁发射电枢的获得的电磁力,将导磁体安装到电枢上以增强电枢获得的磁感应强度。利用相关电磁仿真软件的稳恒磁场求解器分析电枢及导磁体上磁感应强度分布,验证了导磁体的增强效果。利用其涡流场求解器,在发射系统加载50kHz交流电,分析发射初始时电枢上电流密度的分布情况。结果发现导磁体的存在对电流密度分布没有明显的影响。     

杯状纵磁真空灭弧室三维涡流场仿真

对杯状纵磁真空灭弧室触头建立了与实际触头结构完全一致的有限元分析模型,模型中把电弧弧柱处理成圆柱形金属导体.对模型用有限元法进行了三维涡流场仿真.仿真结果表明,考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应后,在电流峰值时,触头片中电流密度最大值变大;触头片上槽一侧的纵向磁场比另一侧强;磁感应强度B矢量在触头表面上的分布呈"旋涡"形状,其纵向分量在触头中心较大,越靠近触头边缘越小,而横向分量则增大;电流过零时,与未考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应时的计算结果相比,触头间隙中心平面上及触头表面上的纵向磁场分布变为"帐篷"形状,纵向磁感应强度最大值也变大.在触头开距中心处纵向磁场较强且纵向磁场滞后时间也相对较长.     

多级重接式电磁发射的电磁分析与有限元仿真

为了对多级发射达到高速时的电磁问题进行研究,以使用板状发射体和箱形线圈的多级重接式电磁发射为研究对象,推导了多级线圈电磁场和发射体涡流场的综合作用方程,利用ANSOFT电磁场有限元分析软件建立了三维有限元仿真模型并进行仿真计算。结果表明,多级线圈电流的同时存在,既改变了单级线圈的磁场分布和磁感应强度大小,也改变了发射体中局部涡流密度的大小和发射体受力的大小。这种改变与线圈电流的频率和相位差异相关,并且线圈间距越小,这种综合作用的影响越大。     

汽轮发电机失磁异步运行时转子端部漏磁参数与涡流损耗的分析计算

准确计算汽轮发电机失磁异步运行时转子端部漏抗和结构件中的涡流损耗是分析发电机异步运行性能的基础，文中采用A，φ-A三维有限元法建立了大型汽轮发电机异步运行工况下转子端部三维涡流场的数学模型，提出了用二维和三维磁场耦合的方法确定边界条件的新方法。利用磁场计算结果进一步研究了转子端部等效漏抗和涡流损耗的计算方法，最后以一台300MW汽轮发电机为例进行了实际计算，验证了所提方法的有效性。     

直接雷击时高层建筑物内暂态磁场的计算

从时变电磁场泛定方程和动态矢量位出发,推导出高层建筑物内雷电暂态磁场的计算公式。该公式可计及雷电流波头陡度对磁场的影响。以该公式为基础,给出了相应的数值算法。该算法暂态磁场计算在时间上和空间上加以离散化,对防雷系统钢筋结构中各分支加以分段处理,利用各分段截流分支所产生磁感应强度的矢量合成,来求取建筑物内指定空间场点的磁场和指定空间区域中的磁场分布。通过算例比较表明,计算结果能够与实测结果较好地吻合。     

永磁同步电机转子涡流损耗优化及温升分析

为解决永磁同步电机转子涡流损耗引起的转子温度高、永磁钢退磁等问题,建立转子涡流损耗解析表达式,分析影响参数,并以3相8极36槽V型IPMSM为例,研究定子槽口宽度、气隙长度、转子偏心距、定子斜槽角度等参数对转子涡流损耗的影响规律,完成最优参数匹配。研究结果表明,优化后的转子结构能够有效削弱电机主气隙磁密的高次谐波,从而减少涡流损耗、降低转子温度,提高电机输出性能。