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关键词： 海藻酸钠   明胶   碳纳米管   导电支架   电磁场  

摘要： 神经退行性疾病及神经损伤等神经系统类疾病严重影响人们的生活质量,给患者和社会造成了极大的负担。神经组织工程旨在恢复或增强受损组织和器官的功能,有望实现受损神经的修复和再生。其中,支架材料作为组织再生的模板,在神经再生中发挥着重要的作用。碳纳米管（Carbon nanotubes,CNTs）具有良好的生物相容性、优异的导电性和机械性能,被认为是潜在的神经组织工程支架材料。因此,本文用CNTs结合海藻酸钠和明胶两种天然可降解生物材料,制备导电的神经组织工程支架,并在体外培养环境中结合电磁刺激,探究其协同电磁场对神经细胞体外生物学行为的影响。本研究以天然材料中的海藻酸钠（Alginate,Alg）和明胶（Gelatin,Gel）为基础,通过冷冻干燥和化学交联的方法制备了Alg/Gel支架。然后将不同含量的m MWCNTs引入到Alg/Gel支架中,得到Alg/Gel/m MWCNTs复合生物支架。并对四种复合生物支架（Alg/Gel支架、Alg/Gel-1%C支架、Alg/Gel-3%C支架、Alg/Gel-5%C支架）的物理化学性能进行考察。结果表明:所有的复合支架都具有互穿连通的孔隙结构,孔隙率大约87%-94%,孔径大约100-150μm;支架的溶胀率最低达1307±107%,并能维持结构稳定;热重分析结果显示,复合支架具有良好的热稳定性;m MWCNTs的加入增大了复合支架的表面粗造度、亲水性、机械性能和电导率。其中,当m MWCNTs含量为3%时,电导率可达1.0×10-3S/cm左右,能有效满足神经组织工程研究和治疗中的电导率需要。接下来,通过对细胞-支架复合物进行细胞粘附率测定、复合荧光染色、CCK检测、扫描电子显微镜（SEM）观察细胞形态、细胞代谢情况分析等检测系统评价了复合生物支架的生物相容性。结果表明:所有四组复合支架均具有良好的生物相容性且能支持PC12细胞的生长和增殖,同时随着m MWCNTs含量增加,复合支架的生物相容性呈现出先增大后减小的趋势。其中,Alg/Gel-1%C支架表现出最佳的生物相容性。在上述研究的基础上,对四种细胞-支架复合物施加不同磁场强度（0m T、0.1m T、1m T、2m T、3m T）的电磁刺激,连续刺激7天,每天刺激30 min。通过复合荧光染色、CCK检测、SEM等检测探究四种复合支架协同电磁场对PC12细胞的体外生物学行为的影响。其结果如下:Alg/Gel支架上的PC12细胞的细胞活性随磁场强度增大受到抑制;Alg/Gel-1%C支架和Alg/Gel-3%C支架上的PC12细胞,其活性随着磁场强度的增大呈现先增大后减小的趋势,且在1m T时细胞活性最高;Alg/Gel-5%C支架上细胞数量较少,细胞的活性随磁场变化无明显差异。此外,电磁场所施加的刺激可能促进PC12细胞神经突的生长,Alg/Gel-3%C支架在3m T作用下出现了细长的神经突起。

关键词： 非铁磁性金属   交流电磁场检测   COMSOL仿真   电磁检测系统  

摘要： 非铁磁性金属由于其抗腐蚀能力强、强度高等优点,在航空航天、船舶、化工等领域得到广泛的应用,由于其长时间工作在高压、腐蚀性环境下,不可避免地会出现裂纹,造成设备失灵。本论文基于交流电磁场检测技术,通过COMSOL仿真建模,设计了一款交流电磁无损检测传感器,开发了相应的电磁检测系统并取得了很好的工程应用。主要研究内容如下:(1)交流电磁场检测机理研究。建立了基本交流电磁场检测模型,讨论了交流电磁场检测中漏磁效应与涡流效应的耦合作用机理,随后从麦克斯韦方程组出发,计算了试件内部与周围空气域的磁场表达式,分析了铁磁性与非铁磁性试件的边界条件及缺陷部分的磁场构成,求解了缺陷所引起的磁场扰动表达式。(2)交流电磁场检测仿真。基于COMSOL有限元仿真软件,搭建了三维交流电磁场仿真模型,研究了不同频率下非铁磁性金属被磁化后,其内部磁场与涡流场的分布情况,分析了激励频率与检测灵敏度的关系。搭建了二维步进检测仿真模型,对低频激励及中频激励下含缺陷试件的扫查结果进行了研究。(3)电磁检测系统设计。基于交流电磁场检测仿真结果及仿真模型,构造了实验室简易检测模型,对实验室含人工缺陷的被测不锈钢板进行了检测,验证了二维步进检测仿真模型的仿真结果。进一步,基于实验室检测模型设计了电磁检测系统,包含三部分:传感器小车、电磁检测主机、上位机软件,并介绍了各部分的设计。(4)现场应用测试。将设计的电磁检测系统应用到茂名某化工厂两片厂区中,在两片厂区的不同储罐、管线上均发现了不同程度的裂纹、壁厚减薄等缺陷,验证了电磁检测系统的工程实用性。

关键词： 高温超导体   多层结构带材   交流损耗   传输损耗   磁化损耗   堆叠带材  

摘要： 高温超导体具有高载流量、低损耗等优异物理特性,利用高温超导体制备得到的高温超导带材被广泛应用于电气工程领域,成为提升超导电力设备性能的重要手段。由于超导电力设备往往工作于复杂的电磁场环境中,因此超导带材将不可避免的受到交变外部电磁场条件影响而产生交流损耗。交流损耗的产生将直接影响超导设备的运行稳定性和工作效率,增加超导设备的制冷成本,制约着超导电力设备的发展。因此论文针对高温超导带材,对不同外部电磁场条件下带材的交流损耗特性进行了研究和分析。首先,论文对高温超导体及其应用的发展进行了总结,分析了国内外关于超导体交流损耗的研究现状,阐述了超导体的基本理论及数学模型,归纳了超导体交流损耗的分类方式和计算方法,为论文中交流损耗的相关研究奠定了理论基础。其次,论文依据第二代商用高温超导带材的典型结构,搭建了基于H公式法的多层结构超导带材模型。通过有限元仿真计算,对不同传输电流条件和不同外部磁场条件下的传输损耗和磁化损耗变化情况进行了研究分析,并与传统超导薄膜模型的仿真结果和理论计算结果进行了对比,验证了仿真模型及其结果的有效性。进而,通过分析得出了不同外部电磁场条件下单根超导带材传输损耗和磁化损耗的影响因素和数值变化规律。接着,针对工程应用中典型的堆叠排列结构,论文基于单根超导带材模型构建了堆叠带材的有限元分析模型,并进行了有限元仿真计算和分析,分别探究了堆叠层数、堆叠间隔距离对传输损耗和磁化损耗的影响规律,并通过分析电磁场的分布,得出了堆叠带材损耗的主要影响因素和损耗变化规律。此外,仿真研究了堆叠带材对不同外部电磁场条件的依赖性,并与单根带材损耗的依赖性规律进行了对比,总结出两者之间的差异。最后,搭建了超导带材的损耗特性测试平台,依据电测法测试了不同工况下超导带材的交流损耗值。通过对比实验数据、有限元分析结果、理论计算结果,验证了论文主要研究内容结论,为后续高温超导材料交流损耗的进一步深入研究奠定了基础,并为超导电力设备减小交流损耗、降低制冷成本以及提高设备效率提供理论依据和实践参考。

关键词： 雷电电磁场   Cooray–Rubinstein公式   Talbot数值拉氏逆变换   电磁时间反演   雷电定位  

摘要： 雷击点定位对于电力系统的防雷保护具有重要意义,地闪过程中雷电通道附近的雷电电磁场可以沿地表传播数百公里甚至更远的距离,因此可以通过传感器采集该电磁波,借助其波形实现对雷击点的定位。考虑到Cooray-Rubinstein（C-R）公式是求解雷电电磁场的重要方法,本文从该公式出发对雷电电磁场时域快速求解及雷电定位进行了研究,主要研究成果如下:1.本文提出了一种无损大地上方雷电电磁场的时域快速计算方法。偶极子法是计算无损大地上方雷电电磁场的常用方法,但通过这一方法推导出的电磁场计算公式常用数值方法直接计算,耗时较长。本文基于这一公式的频域形式,根据分部积分方法及牛顿莱布尼兹公式推导了更为解析的电磁场计算公式。相比于原公式,新公式受雷电通道分段长度dz'的影响较小,能够取较大的dz'得到足够精确的结果,这显著地降低了计算过程的数据量和计算步骤,在计算速度上有较大的提升。本文在matlab中做了相关的仿真,验证了这一方法的有效性。2.本文提出了一种有损大地上方雷电电磁场的时域快速计算方法。基于阶跃形式核函数Kε（t）时域求解C-R公式是计算有损大地上方雷电电磁场的实用方法,但这一方法存在拉氏逆变换求解复杂,卷积计算耗时长的不足。本文引入Talbot数值拉氏逆变换方法,通过选择合适的Talbot积分路径,加快了拉氏逆变换求解过程,并且基于求得的Kε（t）推导了如何用递归卷积方式计算C-R公式中的时域卷积部分。相比于原计算方法,新计算方法显著地减少了计算过程的数据量和计算步骤,在维持原计算精度的情况下很好地提升了计算速度。本文在matlab中做了相关的仿真,验证了新计算方法的有效性。3.本文提出了一种基于电磁时间反演的雷电通道雷击点定位方法。电磁时间反演方法在只考虑点源电磁场的情况下能够很好地实现雷击点定位。但本文讨论的雷电通道电磁场是多个点源电磁场的集合,其中与传感器不是位于同一平面的点辐射源会对这一方法下的定位效果造成干扰。本文提出了一种改进方法,即对雷电电磁场的导数做时间反演来实现雷击点定位,取导操作可以将干扰源电磁场规避掉只保留下所需电磁场的效果,从而还原回点源电磁场的场景。本文在matlab中做了相关的仿真,验证了这一方法有较好的定位效果。

关键词： 直流电弧炉   流场   电磁场   数值模拟   物理模拟  

摘要： 电弧炉作为炼钢设备中的重要组成部分,在当今经济健康发展的背景下,电弧炉炼钢因其污染小,产品多样的特点,在整个钢铁生产的地位比以往的每个时候都要重要,因此提高大型电弧炉的冶炼效果是十分有必要的。以130 t直流电弧炉为原型,采用数值模拟和物理模拟相结合的方法研究了不同条件下炉内金属液的流动行为,研究中建立了直流电弧炉三维模型,利用FLUENT仿真平台的k-ε湍流流动模型、多相流模型和COMSOL仿真平台中的磁场模型对直流电弧炉磁流体耦合场进行模拟,结合水力学模拟实验进一步揭示金属液流动行为,为实际生产提供参考。研究氧枪喷吹流量、氧枪角度和氧枪排布方式对电弧炉熔池搅拌效果的影响,结果表明:不同的试验因素对电弧炉熔池混匀的影响强度有显著差异,氧枪喷吹流量的增强可以提高熔池中下部的搅拌力度,提高熔池的平均速度,提高反应速率,氧枪排布方式为C时,熔池易形成大循环,显著提高射流对电弧炉EBT区域和炉壁区域钢液的搅拌能力,熔池死区体积和弱流区体积降低率最大,对熔池的搅拌效果最佳,物理模拟结果与数值模拟结果一致。确定氧枪喷吹流量2400Nm3/h、排布方式C及角度43°为电弧炉的最佳匹配方案。基于以上试验研究,磁场与流场耦合方面,采用COMSOL中的磁流体耦合接口,编写带有感应电流和磁感应强度的电磁力方程,以力的方式导入流场,试验发现:当电弧炉电极电流从30 k A增加至50 k A,熔池钢液横截面平均速度分别增加了3.27%、3.11%和2.11%,增长幅度非常小,死区及弱流区比例几乎无差别。因此,对熔池的搅拌效果来说,电磁场的促进效果相比于喷吹流量很小,在熔池混合的过程中,氧气射流对熔池钢液的搅拌作用占主导地位。图41幅;表20个;参60篇。

关键词： 智慧型变电站   瞬态电磁骚扰   无线传感单元   抗扰度分析   电磁兼容  

摘要： 国网公司在2019年两会上提出建设世界一流能源互联网企业的核心在于运营好智能电网,随着智能电网的深入建设,一二次设备高度融合的智慧型变电站内无线通信设备的电磁兼容问题逐渐凸显。智慧型变电站结构紧凑且空间电磁骚扰复杂,常见稳态电磁骚扰主要有工频电场、工频磁场及电晕放电;常见瞬态电磁骚扰主要有隔离开关操作引起的VFTO及站内空间瞬态电磁骚扰。常安装在GIS管道附近的无线传感单元所处电磁环境恶劣,这对无线传感单元的抗干扰能力及电磁兼容性能提出了更高要求,新型无线传感单元在智慧型变电站内的电磁兼容问题亟待解决。本文首先进行智慧型变电站内无线传感单元安装处瞬态电磁骚扰测量,并完成电磁骚扰时域频域特性分析;然后结合无线传感单元结构及通信协议,分析空间瞬态电磁骚扰对无线传感单元耦合路径;通过CST软件对无线传感单元天线系统及信号回路建模仿真;根据实测瞬态电磁骚扰数据设施平面波激励信号,分别使用不同激励信号对无线传感单元进行照射,在天线系统、各信号端子设置电压监视器,仿真获得相应端口骚扰感应电压并量化分析无线传感单元电磁兼容性能;最后利用瞬态电磁骚扰发生器与线圈及平行极板搭建瞬态电磁骚扰发生系统,对无线传感单元的抗扰度特性进行实验分析。综合仿真及实验数据,揭示了无线传感单元在智慧型变电站内受扰机理,评估空间瞬态电磁骚扰对无线传感单元工作性能影响,为新型无线传感单元在智能变电站中的普及、无线传感单元相关布设方案、抗扰度措施的提出提供理论基础,助力推动我国智慧型变电站建设。

关键词： 机车   异步牵引电动机   电磁场   风量风压   温度场  

摘要： 电力机车、内燃机车、混合动力机车一般都以异步牵引电动机作为重要的牵引力元件,本文分析的异步牵引电动机是机车的关键动力设备之一,对机车而言,一般要求牵引电动机功率大、转矩大、可靠性高。随着变流技术的发展,使异步电动机的结构简单、可靠性高、坚固耐用、效率高、调速性能好的优点被广泛的使用在机车领域。现在市场上对轻量化、高功率密度、大转矩等要求,需要我们在产品性能上不断优化升级满足机车的需求。这导致电机在满足性能将体积做到最小,但该方式又不利于电机的散热,如何权衡电机的温度保持在一定的标准范围内是至关重要的。提高电机绝缘结构的耐热等级和提高散热能力是解决电机温度过高的主要途经。因此,在方案电机设计阶段,相对准确计算其温度分布、求取温度最高的区域以及分析主要的影响因素,就成为一项值得研究的课题用Ansoft Maxwell电磁场分析软件,建立了一款机车用520kW的三相异步牵引电动机二维瞬态电磁场路耦合计算模型,研究了在三相正弦交流电源为激励的条件下,电机的恒转矩启动和恒转矩恒转速运行两个工况的电磁分布、谐波含量和损耗等特性,通过仿真值与设计值、试验值的对比,验证了仿真方法和模型的可靠性。基于有限体积计算法,建立不可压缩流体的连续方程、动量方程和能量方程,利用ANSYS CFX模块建立电机全域的流体仿真模型,采用SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型对电机的稳态流场(风量风压等)进行仿真,分析了电机内部的空气流速、质量流量、静压等分布情况。对于进风口在顶部的轴向强迫通风结构,随着流量的增加,定转子通风孔风量分布不均匀性增加。并将进风口的仿真静压值与试验结果对比,得到了仿真值与试验值偏差±5%,验证了仿真模型的可靠性。为了计算最高温度区域,一般取电机定转子铁心段流量最小的区域,于是建立了1/6电机的三维温度场仿真模型。研究了轴向强迫通风结构的异步牵引电动机的温度场分布,呈现左右两端零部件温度分布不对称的规律,温度最高区域位于出风端大致1/3处。增加槽绝缘的导热系数,可改善径向传热能力,提高电机的散热能力。随进风口温度增加,零部件的温度也随之几乎成线性增加。经电机试验的温度数据对比,验证了仿真模型的可靠性。

关键词： 拓扑优化   代理模型   卷积神经网络   结构优化   电磁场逆问题  

摘要： 为实现经济可持续发展,使各类资源都可以充分地发挥其功能,在进行各种结构设计之时,就要求设计师通过有限的材料资源来实现设计目标,进而可以把材料自身特性最大限度的发挥出来,故在电磁设备的设计中,要对结构中材料的分配做出科学合理的配置。传统的结构设计方法通常是先通过设计师的实际经验或类比法设计出产品的初始结构,而后再对其进行静态、动态分析,一旦不适应再修改设计方法进行重新分析直到符合设计要求为止。目前电磁设备的结构优化设计有两大难点,一方面很难设置一个包括所有设计变量的设计空间;另一方面求解电磁场逆问题主要应用反复多次的电磁场数值计算,如有限元分析的建模和仿真,这是一个耗费大量计算时间的过程,因此本文为解决以上难点,进行的主要工作内容如下:首先,本文在结构设计开始阶段采用拓扑优化设计,通过拓扑学的方法,将几何图形和材料用位图表示,并把整个设计区域描述为一组像素。在设计区域自由修改材料边界和通量屏障的外观,从而产生新的设备结构形状。其次,建立代理模型对拓扑优化结果进行评估,以减少有限元分析次数,从而减少运行时间。本文采用在图像识别领域取得巨大成功的深度卷积神经网络子类,解决物理问题的复杂性和神经网络的过拟合行为,得到满足优化目标的结果。训练深度卷积神经网络是将拓扑信息图作为卷积神经网络的输入,与参数优化不同,拓扑优化不需要引入设计参数就能提取图片的重要特征。最后,本文通过对两种电磁设备拓扑优化分析,验证基于深度卷积神经网络解决电磁场逆问题的拓扑优化设计的可行性,采用不依赖于具体参数变化的深度卷积神经网络模型解决电磁场中不同类型的问题,为电磁装备结构优化提供了框架。