THE CLOSED-FORM SOLUTION OF VECTOR FINITE ELEMENT INTEGRAL EQUATIONS FOR THREE DIMENSIONAL ELECTROMAGNETIC ANALYSIS

In this paper,a set of closed-form formulas for vector Finite Element Method(FEM) to analyze three dimensional electromagnetic problems is presented on the basis of Gaussian quadrature integration scheme.By analyzing the open region problems,the first-order Absorbing Boundary Condition(ABC) is considered as the truncation boundary condition and the equation is carried out in a closed-form.Based on the formulas,the hybrid Expanded Cholesky Method(ECM) and MultiFrontal algorithm(MF) is applied to solve finite element equations.Using the closed-form solution,the elec-tromagnetic field of three dimensional targets can be studied sententiously and accurately.Simulation results show that the presented formulas are successfully and concise,which can be easily used to analyze three dimensional electromagnetic problems.

海洋电磁法勘探油气的三维正演模拟

针对海底可控源电磁法(MCSEM)在油气资源勘探中的实用性,应用矢量有限元进行了多种频率的水平电偶源发射电磁场识别油气层的实例研究,并利用矢量有限元对海底的3D模型进行了正演数值模拟。利用MCSEM能较好地识别油气层;归一化后的电场曲线特征表明,浅海下不易测得油气层,在实验频率内,电场源频率越高对油气层识别能力越强。同时证实了MCSEM识别油气层是建立在波导理论基础上的。

磁悬浮无轴离心泵叶轮转子动力学特性

为了实现磁悬浮无轴离心泵在高速工况下的稳定悬浮,探究离心泵水力激振力对叶轮转子悬浮特性的影响.对于电机系统,采用虚位移方法构建电机处于转子偏心状态下的悬浮力数学模型并采用有限元法(FEM)进行验证;对于离心泵系统,应用计算流体力学(CFD)方法进行离心泵内部流场数值模拟,重点探究叶轮处于不同轴向、径向悬停位置下的水力激振力特性,同时探究叶轮在不同转速工况下的运行特性;结合现代控制理论中的矢量控制策略,在Matlab/Simulink环境下实现磁悬浮无轴离心泵叶轮转子的动态稳定悬浮.研究结果表明:在体积流量14 m3/h和扬程20 m的工况下,当电机在转速0~6000 r/min运行时,叶轮转子径向偏移小于250μm,远小于转子和定子间气隙4 mm,可见所建立的磁悬浮无轴离心泵系统能实现高可靠性的悬浮运行.

基于矢量有限元法的热沉结构电磁辐射研究

高频、高功率芯片工作时会产生大量的热,热沉可以有效地帮助芯片散热.然而在高频环境下,热沉往往成为主要的电磁辐射源,降低了整个系统的电磁兼容能力,所以有必要对热沉的电磁辐射特性进行研究.本文采用矢量有限元法,从不同的接地方式、散热鳍片数目及厚度变化、鳍片高度变化几个方面分析了热沉的电磁辐射特性,提出了影响谐振频率的关键因素,并从电磁兼容角度提出了热沉设计的注意事项.数值仿真表明,合理的选择接地方式可以有效地提高谐振频率,降低电磁能量辐射;散热鳍片的数目和厚度变化对于谐振频率和电磁辐射没有明显的影响,然而鳍片的高度对于电磁辐射能量影响显著.

基于向量式有限元的深水顶张力立管动力响应分析

向量式有限元法亦称有限质点法是以向量式力学与数值计算为基础的一种结构行为分析的创新性方法。该方法将结构离散为一系列质点的集合,质点间采用单元连接,单元没有质量,只承受内力,质点的运动则直接采用牛顿第二定律来表达,采用中央差分的显式积分法求解质点群各时刻运动方程。首次将该方法应用于顶张力立管的动力行为分析中,采用平面弯曲杆件元模拟质点间的相互作用力,推导了立管质点运动公式,编制相应Matlab求解程序,计算了立管在海流、波浪作用下的动力响应特性并与基于传统有限元法的结果进行了对比分析,表明该方法在立管行为分析中的正确和有效性,并指出了该方法在处理其它立管形式行为分析中的优势。

新型直线电机支持向量机非线性建模研究

以一种新型圆筒直线电机为研究对象,通过建立直线电机的有限元模型及试验验证,获得了直线电机的一种仿真计算方法。在正交试验设计和随机试验设计的基础上,建立了直线电机性能参数的样本空间,采用支持向量机(SVM)回归建模方法,建立了直线电机的非线性数学模型,并将有限元模型和SVM模型进行了比较,证实了SVM模型的可靠性和高效性。

600kW风力机塔架结构参数粒子群优化设计

探讨了一种风力发电机塔架结构参数优化设计方法。采用有限元方法对风力发电机塔架进行模态分析,得出了不同结构参数下塔架的固有频率;采用支持向量机建模方法,建立了塔架结构参数与固有频率之间的快速计算模型;引入粒子群优化方法优化了塔架结构参数。将该优化方法与正交优化和混沌优化的结果进行比较,表明了粒子群优化的优越性,并采用有限元方法对所建塔架结构进行了强度校核。

基于支持向量化与混沌搜索的新型直线电机参数优化

以一种新型圆筒直线电机为研究对象,推导出了适合其结构特征的电磁方程;采用变分方法,建立了电机轴对称涡流场的有限元模型;通过仿真计算,得出了电机的启动推力和电流;样机试制和输出性能测试表明了有限元模型的正确性。基于正交和随机混合试验设计方法安排有限元仿真试验,获得了用于非线性电磁建模的样本空间;通过支持向量机对结构参数与计算结果的输入输出关系进行非参数回归建模,然后用混沌搜索方法对回归函数进行优化,得出最优目标结构参数。有限元仿真验证表明,基于支持向量机和混沌搜索的优化方法用于研究新型直线电机电磁结构参数是可行的。

基于SVM和遗传算法的新型直线电机结构参数优化

建立了一种新型圆筒直线电机的有限元模型,并验证了有限元模型的正确性。基于正交和随机方法安排了有限元仿真试验,获得了用于非线性电磁建模的样本空间。进一步采用支持向量机回归建模方法,建立了直线电机的非线性数学模型,而后采用遗传算法进行了直线电机结构参数多目标优化,得出最优结构参数组合。有限元仿真验证表明,基于支持向量机和遗传算法的优化方法用于研究该种新型直线电机电磁结构参数优化是可行的。

基于支持向量机和遗传算法的爪极发电机建模及参数优化

爪极发电机广泛应用于汽车、航天等国民经济重要领域,高质量的发电机输出电压是用电设备可靠运行的重要保证。本文从爪极发电机有限元仿真计算出发,通过电机参数样本空间设计,利用支持向量机对其电磁模型进行非线性回归分析,而后利用遗传算法对其结构进行优化。仿真结果表明,所建立的非参数模型是准确可行、并且是高效的。采用支持向量机回归方法和遗传算法相结合对电机的结构参数进行优化,为电机优化设计提供了一种新的思路。

电磁场有限元后处理中矢量场的可视化

计算技术的进步使日益复杂、高维问题的分析得到解决，但由此产生的数据量也日益庞大，需要恰当的可视化方法来表述这些数据的含义。尤其是矢量场，不仅要表示出场量的大小，还要表示出方向、位置以及流线。至今为止，三维矢量场的可视化问题还没有得到很好的解决。介绍了电磁场有限元分析的后处理中，矢量场的可视化技术，提出了应用多种方式、多个侧面地表述空间矢量的方法，并以三维涡流场有限元的后处理为例，验证了该方法的可行性。

高速列车结构振动噪声预测与降噪技术研究

基于有限元法和边界元法以及声传递向量,运用ANSYS软件和SYSNOISE软件研究高速列车车体的结构模态与室内声腔声学模态,仿真分析高速列车结构—声场耦合系统的低频噪声,并对铺设吸声材料和涂敷阻尼材料的车身部件进行声学贡献分析,为高速列车的减振降噪提供理论依据。对某高速列车拖车的仿真分析结果表明:该车声学测试点的总声压级超出了TB 1809—86标准拖车客室的容许噪声值;在某些计算频率下,车体某些部件涂敷阻尼材料后对客室测试点的声学贡献由小变大,这说明阻尼材料不仅改变了这些部件的振动幅值,同时也改变了振动相位。因此,在采用阻尼材料减振降噪时,应对车体板件进行声学贡献分析,充分考虑阻尼材料对测试点声压级的影响,有针对性地采取措施,降低乘客室内噪声。

基于SVM的溶洞顶板安全厚度智能预测模型

以某岩溶隧道为背景,采用二维弹塑性有限元方法对隧道开挖进行数值模拟计算,分析了隧道底部溶洞顶板安全厚度的影响因素,用支持向量机方法得出了能综合体现各影响因素的溶洞顶板安全厚度预测模型,并和多元线性回归得到的预测模型进行对比。计算结果表明,支持向量机预测模型较之多元线性回归模型,不但具有方便快捷的优点,而且具有更高的预测精度。

高阶矢量有限元方法中的稀疏矩阵技术

系统研究了高阶矢量有限元方法中的稀疏矩阵存储、重排序和快速求解技术。针对有限元(FEM)矩阵稀疏的特点,验证了高阶矢量有限元矩阵具有随机稀疏结构的特点,并采用合适的变带宽存储技术实现了FEM矩阵的高效稀疏存储。针对有限元矩阵非零元素分布不规则的缺点,采用RCM技术对矩阵元素进行重排序,从而压缩了矩阵带宽。研究了基于稀疏矩阵技术的(直接法、迭代法)快速求解和预处理技术。数值结果验证了稀疏技术极好的计算性能。

基于时步有限元的永磁同步电机稳态参数改进计算方法

永磁电机的稳态电抗是其重要参数之一。针对永磁电机相对于异步电机结构复杂、饱和严重不均匀,局部饱和严重,难以使用磁路分析的方法准确地求得电抗参数的问题,本文以22kW样机为例,研究了负载运行时交叉饱和效应以及该效应对永磁感应电动势的影响,揭示了使用常规矢量图法测试电抗参数的不足。采用时步有限元方法计算了在负载饱和条件下由永磁体激励感应的有直、交轴分量的永磁电动势,得到改进的矢量图,提出了电抗参数的改进算法。结合使用常规矢量图法的实测数据,对比常规矢量图法和改进矢量图法的计算结果,说明改进矢量图法可以克服常规矢量图不足,提高计算的准确性。

一类正交增强的阶谱六面体矢量单元构造

利用阶谱正交多项式的优越性,从单元系统矩阵形成的角度分析阶谱六面体矢量单元的基函数,提出具有正交增强的阶谱六面体矢量单元(ORHHVFE)构造方法;并利用该方法构造的阶谱六面体矢量单元与其它阶谱六面体矢量单元(HHVFE)进行了金属腔本征模问题的数值计算对比实验.结果表明ORHHVFE具有与其它HHVFE同等的数值计算精度,且由ORHHVFE形成的有限元系统矩阵条件数获得了极大的改善.

高阶矢量有限元方法实现及关键问题

以二阶三角形矢量元分析均匀无耗波导问题为例,系统而显式地分析了高阶矢量元的实现过程,探讨了实现过程中的一些关键问题。基于基函数分类和单元矩阵分块技术,提出了一种新型的针对高阶矢量元编程的实现方法,可有效地推广到三维情况下任意形式的高阶元。数值实例验证了该方法的可靠性。

永磁驱动器的多目标参数优化设计

为了满足永磁驱动器在实际运行中具有较大的输出转矩和较小的涡流损耗的目的,建立了永磁驱动器的3维有限元模型,分析了永磁驱动器的主要结构参数对输出转矩和涡流损耗的影响。采用正交实验设计方法,获得了用于非线性永磁驱动器建模的样本空间。采用支持向量机建立永磁驱动器的非线性回归模型,并用多目标微粒群算法进行永磁驱动器的结构参数多目标优化,得到了最优结构参数解。有限元仿真实验对比优化前后永磁驱动器的涡流密度和受力分布的结果,验证了该优化方法用于永磁驱动器结构参数优化是可行的。优化结果使永磁驱动器可在涡流损耗较小的情况下获得较大的输出转矩,从而进一步提高系统的工作效率。

基于高阶四面体矢量元的大规模本征值求解

采用H1(curl)四面体矢量元分析大规模电磁本征值问题。基于基函数分类和单元矩阵分块技术,提出了一种新型的针对高阶四面体矢量元编程的全局编码方法,并结合RCM重排序技术压缩整体矩阵带宽。通过分析一个矩形谐振腔,系统研究了基于不同求解技术的ARPACK本征值求解器的性能,并将其用于分析各种复杂腔体的谐振问题。

计算三维涡流场~*-ψ数学模型的矢量分解、分区消元、界面耦合法

本文提出了用有限元法计算三维涡流场的-ψ数学模型的新算法,实现了三维涡流场计算的矢量分解,并通过引入区域表面导纳矩阵的概念,实现了分区消元,最后通过空气区与涡流区在交界面上的耦合,得到仅以交界面上(?)的切向分量为变量的方程组。这一新算法不仅保证了涡流场库仑规范的强满足,而且显著降低了内存需要量。