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关键词： 经颅磁刺激   经颅磁刺激线圈   聚焦性   电磁场   有限元分析  

摘要： 经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)是一种非侵入式的生物刺激技术,广泛用于抑郁症、帕金森病、阿尔茨海默症等疾病的治疗,成为医学研究领域一种有效检查和治疗手段。目前啮齿动物TMS实验受到越来越多的关注,用以研究TMS的作用效果和作用机制。然而啮齿动物大脑尺寸较小,目前商业用动物线圈聚焦性较差,对于啮齿动物来说基本为全脑刺激,无法实现对特定脑区的刺激需求,为此有必要研制一种针对小动物的磁刺激线圈,在满足刺激强度的前提下,提高线圈的聚焦性。本文以小鼠动物模型为基础,结合仿真分析与实验研究,设计了一种针对小鼠刺激的TMS线圈,有效提高了TMS线圈的聚焦性。本文的主要工作如下。1.建立真实小鼠头模型。使用CT和冰冻切片数据,通过软件iso2mesh和3-matic建立真实的小鼠头模型,该模型主要包括头皮、颅骨、大脑3个部分,并将小鼠头部模型文件转化成高精度的网格文件用于后续的仿真分析。2.通过有限元分析方法设计小鼠TMS线圈。将线圈和真实小鼠头模型进行联合仿真,对线圈产生的电磁场进行分析。本文主要从三个角度对Halo线圈展开研究,一是Halo线圈不同的参数对其性能的影响,二是Halo线圈组合对其性能的影响,三是增加附加材料对其性能的影响。结果表明,通常刺激强度与聚焦性是不可调和的一对矛盾,但对线圈位置和角度等方面的改变可能会同时提高线圈的聚焦性和刺激强度;Halo组合线圈显示出良好的聚焦性和刺激强度,比起商业小动物8字形线圈显著提高了性能;屏蔽板可以有效地防止磁场的扩散,通过改变窗口的尺寸可以提高聚焦性;铁芯能够引导磁场指向靶区,带铁芯和屏蔽板的Halo组合线圈显示出良好的聚焦性和刺激强度,是一种较好的刺激小鼠的TMS线圈方案。3.结合电磁场检测手段对设计的Halo线圈予以验证。设计了一款针对小鼠实验的TMS系统,包括主电路和控制电路,其中控制电路以AT89C51单片机为核心,并制作出Halo线圈及其组合线圈,对系统的各个组成模块进行测试,对不同Halo线圈的磁场分布进行测量,实验结果与仿真结果趋于一致。本文设计了针对小鼠的TMS线圈,该线圈具有良好的聚焦性和刺激强度,有望推动TMS在小动物模型上的进一步应用。

关键词： 超高压输电线路   有限元法   不等高悬链线方程   电场矢量旋转特性   电场耦合   无线取电装置  

摘要： 随着超高压输电线路的发展,电压等级的提升,输电线路附近的电磁场能量也越来越强,带来的电磁安全问题成为公众关注的热点。本文以超高压输电线路附近的电磁场为研究对象,研究超高压输电线路电磁场分布情况,并设计一系列无源元件,将输电线路周围强电场能量收集并加以管理利用,实现输电线路在线监测装置的自供能。超高压输电线路电磁场仿真计算及无线取电装置的研究,对于指导输电线路建设,实现低功耗监测装置能源自供给均具有重要工程实际意义。 本文首先引入不等高悬链线方程,建立基于不等高悬链线方程的二维及三维输电线路电磁场计算模型,计算分析输电线路瞬态及合成电磁场强度分布情况,为能量收集器的摆放位置提供指导。采用有限元法分析悬挂点高差对超高压输电线路电磁场分布特性的影响,通过与实测数据相对比,验证所建模型的合理性及计算方法的正确性。 采用有限元法计算输电线路分布电容分布情况,分析不同条件下对分布电容分布特性的影响。建立不等高悬挂点下的三维输电线路及能量收集器模型,计算输电线路、能量收集器和大地之间的非线性分布电容分布情况,进行电路仿真及现场实验,间接验证计算方法的正确性。 采用电场耦合原理,搭建无线取能装置电路。提出一种利用电场矢量旋转特性优化能量收集器形状及摆放角度的方法,为能量收集器的形状及摆放角度提供指导,从而更高效的收集电场能量,同时利用变压器实现阻抗匹配,将负载输出功率进一步提升。选取两段实际的超高压输电线路进行现场实验。 基于上述工作,本文的主要创新点有: 1.引入不等高悬链线方程建立基于不等高悬链线方程的三维输电线路电磁场计算模型,更加符合实际输电线路运行情况,同时减小了因输电线路建模粗糙带来的电磁场强度计算误差。 2.采用有限元法对不等高悬点500k V超高压交流输电导线进行建模和线下电磁场计算,分析悬点高度差对弧垂最低点处工频电场和磁场的影响规律,对于工程建设有一定的指导意义。 3.提出一种利用有限元法计算架空输电线路与复杂几何体间分布电容的方法,该方法可有效考虑不等高弧垂及不规则地形等复杂的情况下计算物体间的分布电容。 4.利用电场矢量旋转特性,为基于电场耦合原理的能量收集器的形状及摆放角度提供指导,从而更高效的收集电场能量,实现负载输出功率的提升。 5.设计一系列无源元件,将输电线路周围强电场能量收集并加以管理利用,实现输电线路在线监测装置自供能,为智能电网终端的能源供给提供一种新的解决方案。

关键词： 电磁设备   盲克里金模型   改进Jaya算法   单目标和多目标优化  

摘要： 电磁设备的逆问题一直是我国电气工程领域的研究重点和难点,在电磁设备优化过程中,优化效率和精度应满足实际工程的应用。传统的优化算法具有计算成本大的缺点,为了克服计算成本的缺点,提高收敛速度和精度,代理模型的运用代替了传统的优化算法。随着社会技术的发展,代理模型与智能优化算法的结合得以广泛应用。其中,盲克里金代理模型具有大幅度减少有限元仿真软件的运行次数,提高优化效率等优点,同时与Jaya算法相结合对电磁设备优化设计成为本文的研究方向。首先,详细介绍了盲克里金模型的基本原理,通过对比不同的试验设计方法,选用拉丁超立方设计方法选取采样点来构建盲克里金模型。运用经典的模型评价指标对盲克里金模型的精度检验分析。其次,针对标准Jaya算法目前存在的不足对其进行改进。其次,针对标准Jaya算法目前存在的不足对其进行改进。在改进单目标Jaya算法中,加入了Skew Tent混沌映射初始化种群,利用Levy flight种群更新策略来更新种群,从而增大了种群的搜索空间,增强了全局优化算法的搜索能力,通过一些经典单目标测试函数对遗传算法(Genetic Algorithm,GA)、粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)、标准Jaya算法以及改进单目标Jaya算法进行对比验证分析,寻优结果表明改进单目标Jaya在单目标优化具有较强的优化能力;在改进多目标Jaya算法中,引入一种基于分解的多目标进化(Multi-objective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition,MOEAD)领域更新策略,使种群向Pareto前沿进行收敛,利用一些经典多目标测试函数对带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGAII)、MOEAD、改进多目标Jaya算法进行对比分析,其寻优结果表明改进多目标Jaya算法在多目标优化中的Pareto图分布比较均匀,收敛速度快。最后,将提出的高效全局优化算法对超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)、朗尼螺线管进行了单目标和多目标优化设计,对磁流体热疗(Magnetic Fluid Hyperthermia,MFH)和内嵌式永磁同步电机进行多目标优化设计。在以上的电磁设备的优化设计应用中取得了较好的结果。

关键词： 高频直缝焊接管   中频感应加热   导磁体   温度场   电磁场  

摘要： 随着高频直缝焊接管在油气运输与开采上的广泛应用,高频直缝焊接管的质量日益受到重视,然而高频直缝焊接管的质量取决于高频直缝焊接管焊缝处的中频感应加热质量,高频直缝焊接管在焊接完成后会在焊接区产生粗而脆的粗晶相,形成较大残余应力,因此必须对其进行中频感应加热,研究发现通过改变中频感应加热的相关参数可以很大程度改善该焊接区域的质量。导磁体在高频直缝焊接管的中频感应加热中具有聚磁的作用,但是导磁体在高频直缝焊接管的中频感应加热中的工作机理并不明确。本文在深入了解高频直缝焊接管中频感应加热的前提下,在ANSYS有限元仿真软件中对高频直缝焊接管的中频感应加热进行了数值模拟,分析了导磁体在高频直缝焊接管中频感应加热的工作机理,本文主要研究的内容有:在ANSYS软件中建立高频直缝焊接管的中频感应加热模型,并赋予相关材料属性;利用APDL语言实现基于物理环境法的磁-热“双循环”耦合计算,获得了焊缝处电磁场、温度场分布。研究了常用导磁体对高频直缝焊接管中频感应加热的影响,通过分析其产生的温度场以及电磁场,提出了导磁体的工作机理。设计出导磁体模型,分析各导磁体参数对高频直缝焊接管的中频感应加热的影响规律,并研究导磁体各参数对高频直缝焊接管的中频感应加热的“敏感性”,为高频直缝焊接管的中频感应加热的导磁体的设计提供了参考。设计不同导磁体作用下对高频直缝焊接管的测温试验方案,安装试验设备并开展测温试验,将实测数据和仿真数值加以对比,验证了所提出的导磁体的工作机理的正确性。

关键词： GIS变电站   开关操作   空间电磁场   分布特性   全波仿真  

摘要： GIS变电站内电磁环境复杂多变,既存在变电站正常运行条件下的由站内外设施设备等产生的稳态电磁场,又存在由开关操作等瞬态过程所引起的宽频域暂态电磁场,其特点是在时域内脉冲上升(下降)时间短、幅度大,在频域内频谱含量丰富,在变电站空间域内影响范围广。针对目前大量的智能感知和无线通信类的电子设备开始引入GIS变电站,对GIS变电站开关操作时产生的瞬态空间电磁场的分布特性进行研究,能够指导这些新型二次设备在站内的电磁兼容设计,以确保它们的安全可靠运行。文中对一座在网运行的110kV三相共箱式GIS变电站进行了开关操作空间电磁场实测,统计分析了实测电磁场波形的时频域特征参数。在基于时域有限积分技术的CST微波工作室电磁仿真平台上建立了该变电站开关操作空间电磁场的全波仿真模型,通过仿真计算获得了瞬态空间电磁场时域波形及其分布特性,并与实测结果进行了对比分析,验证了仿真模型和计算方法的准确性。为了使得在制定站内新型二次设备电磁兼容策略时更有针对性,在对多种情形下的变电站空间电磁场分布特性进行对比分析的基础上提出可将空间电磁场按其强度大小进行分区。并基于文中对瞬态空间磁场的仿真及实测结果,提出了在制定相应变电站内设备的抗扰度标准时,增加3MHz和20MHz作为标准阻尼振荡磁场试验波形推荐频率,但可采取与原标准中试验等级5相当的磁场强度限值的建议。最后,还对一个GIS模拟试验平台开关操作时的空间电磁场分布进行了仿真预测。

关键词： ANSYS仿真   电场仿真   局部放电   磁场仿真  

摘要： 电缆敷设量的逐渐增加是近年来国家经济飞速发展所带来的必然趋势。电缆的使用不仅可以提高供电的可靠性以及传输效率,还有保护环境、美化城市等优点。但是随着电缆线路的增容,由于其发生故障而引起的事故频发,例如突然的停电影响居民日常用电、致使工厂停产、交通堵塞、严重时会导致火灾爆炸等事故,这些都会给社会造成巨大的经济损失。因此研究不同状态下电缆电磁场的变化规律,对于及时发现电缆故障并预防事故的发生、保证电缆安全稳定运行有着重要的意义。本文根据电场数值分析的有限元法,以实际的电缆结构为对象,建立了单芯和三芯电缆正常状态以及存在缺陷状态下的结构模型,运用ANSYS仿真软件计算了这两种电缆不同状态下的电场分布,并进行了对比分析,掌握了电缆内部电场的分布规律,同时也为电缆中局部放电原因的研究提供了依据。其次本文提出了基于交联聚乙烯(XLPE,Cross Linked Polyethylene)气隙放电模型对电缆放电状态下进行磁场仿真的方法,运用局部放电的基本理论,基于改进的三电容放电模型,设计了模拟电缆发生局部放电时的电路,仿真计算了放电电流,并将放电电流作为激励施加到电缆模型的缺陷处,用于电缆发生局部放电时磁场的仿真计算。最后分别对单芯和三芯电缆正常状态、有缺陷但未发生放电以及存在缺陷并发生放电这三种情况进行了磁场的仿真计算,得到并分析了不同状态下电缆内部磁场的变化规律。在三芯电缆的磁场分析中,还对缺陷处在两个不同位置时对磁场分布的影响进行了讨论,这为未来以磁场变化为依据判断电缆运行状态以及数字孪生技术的发展提供了一定的数据支撑。

关键词： 激光熔覆   电磁场   IN718/WC复合涂层   摩擦磨损   高温摩擦磨损  

摘要： 激光熔覆是一项先进的表面改性技术,是增材制造和零件修复的重要方法。使用激光熔覆制备IN718/WC金属基陶瓷复合涂层可以大幅增强基体的表面耐磨性,然而WC陶瓷颗粒和IN718镍基合金粉末热物性差异较大,WC颗粒容易沉积在涂层底部,导致涂层的显微硬度下降和摩擦磨损性能降低。针对WC颗粒沉积和涂层性能不均匀等缺陷,利用电磁场辅助激光熔覆技术对涂层的组织和性能进行调控。通过理论分析与实验研究相结合的方法,探讨电磁场对WC颗粒分布、熔池对流、传热传质和微观组织的影响规律。在此基础上,进一步探讨了电磁场对复合涂层常温摩擦磨损和高温摩擦磨损性能的改善机理。论文主要内容如下:(1)根据电磁学、激光熔覆、金属快速凝固以及枝晶生长等相关理论,分析电磁场作用对熔池内液态金属的对流行为和WC颗粒运动的影响机制。研究电磁场作用下熔池中电磁力的产生机理,讨论了电磁场对熔池凝固过程中熔体的影响效应,分析了电磁场细化晶粒、减小偏析的原理,以及电磁场对熔池中WC颗粒分布的影响机制。(2)搭建电磁场辅助激光熔覆实验平台。基于正交实验,进行电磁场辅助激光熔覆工艺参数优化。以激光功率、扫描速度、送粉率、电流大小、磁场强度为因素,以涂层熔宽、熔深、熔高和显微硬度为评价指标,设计正交实验获得优化工艺参数组合。基于支持向量回归(SVR)理论和粒子群优化算法(PSO),建立工艺参数与熔宽、熔深、熔高和显微硬度之间的预测模型,为电磁场辅助激光熔覆实验作出指导。(3)分析电磁场辅助前后IN718/WC复合涂层的微观组织和物相组成,探讨熔池中WC颗粒的分布规律。研究有无电磁场辅助涂层在深度方向上显微硬度的变化规律。分析电磁场辅助前后涂层的摩擦系数、磨损量和磨痕形貌,探讨电磁场辅助对激光熔覆复合涂层常温及高温摩擦磨损性能的影响规律,揭示电磁场辅助激光熔覆复合涂层组织和摩擦磨损性能的改善机理。

关键词： 智能制造   有限元分析   深度学习模型   数值预测  

摘要： 21世纪以来信息技术和人工智能的发展达到了新的高度,电气设备的智能化制造成为我国工业制造的主要发展目标。电气设备智能化制造的核心部分是利用数据来建立数学模型进行实时分析,但对于体积大、结构复杂的电气设备,传统的有限元分析方法会涉及到大规模的数值计算,导致计算速度缓慢、精度难以达到设计要求,无法满足实时性要求。本文将深度学习理论应用到电机的电磁场分析中,用不同电机结构对应的电磁场分布数据训练搭建好的深度学习模型,替代传统有限元计算对电磁场分布进行预测,提高研究效率,降低时间成本,满足智能制造对于实时性的要求。首先本文以三相异步电机作为主要研究对象,在ANSYS Maxwell输入电机结构尺寸,建立电机模型,利用软件的参数化扫描功能以三相异步电机定子的槽宽、槽高、槽口宽、槽半径等物理结构为设计变量,以定子齿部和轭部磁密为输出变量,确定物理结构的合理变化范围,将三相异步电机进行二维模型建模以及进行有限元分析的过程编写成APDL命令流,得到不同结构参数下的电机电磁场分布,将每组结构参数及其对应的电磁场分布作为一个样本,通过参数化建模计算获得大量的样本并对其进行数据处理,为后续深度学习模型的训练提供样本。其次基于深度学习理论,通过对卷积神经网络,长短时记忆网络及其变体的计算流程、网络结构的深入研究确定了搭建深度学习模型所需要的超参数,然后运用编程语言Python在深度学习专用平台Tensorflow上建立三种深度学习模型并通过样本对模型训练,通过评价指标对模型进行比较,选择最优模型,引入三个不同的测试函数对模型的性能进行检验。最后利用最优模型进行电磁场分布的预测,将预测得到的数据通过仿真软件可视化成图像与实际商业软件仿真得到的图像进行对比。通过不同结构方案中不同位置点的磁位数据对比可以看出,深度学习预测模型预测的数据有较高的精度。

关键词： 电磁场逆问题   能量收集器   CEC2013   TEAM22   烟花算法  

摘要： 随着电磁装置朝着功能集成化、网络化、智能化方向飞速发展,电磁装置的优化变量大幅增加。以电磁装置(系统)最优设计为目标的电磁场逆问题往往需要应对大规模变量的优化问题。因此,如何在巨大变量空间中找到求解问题的全局最优解已经成为当前电磁场逆问题的研究热点。本文通过对烟花算法性能、进化体制的研究提出适用于大规模变量电磁场逆问题的改进烟花算法。烟花算法模拟烟花爆炸的状态为搜索准则,有良好的探索全局空间的能力,适合高维变量空间的寻优。然而,过多的子代火花需要计算,造成收敛速度缓慢无法适应电磁场逆问题求解。本文在加快求解速度的基础上,为平衡算法优化流程中的全局搜索能力和局部搜索能力,本文算法重新设计和优化烟花算法的迭代流程。同时本文算法提出了差分突变火花产生机制以增加算法在可行解域内的全局搜索能力。火花重置策略通过对劣势烟花的重置降低了算法陷入局部最优解的可能性。为保护优化流程中的优秀个体并加快算法的求解速度提出了双通道筛选机制。为验证本文拟提出算法的优化性能和求解能力,CEC2013问题集和TEAM Workshop Problem 22问题分别作为数值算例和电磁问题算例验证了算法在求解大规模变量电磁场逆问题方面的能力。为验证本文提出的烟花算法在实际电磁场工程问题中的求解性能,本文对电磁式能量收集器进行了研究。目前受限于尺寸,微型能量收集器的能量转化效率相当有限。本文对基于微机电系统技术的微型电磁式振动能量收集器进行研究和结构改进,提出一种基于海尔贝克阵列电磁式振动能量收集器。海尔贝克阵列能够优化能量收集器的磁场分布,达到增强能量收集器输出性能的效果。利用本文提出的烟花算法对海尔贝克阵列电磁式振动能量收集器参数进行优化,结果表明本文优化后振动能量收集模型的输出性能领先于对比模型以及未优化模型。上述实验结果表明本文算法在优化效果以及求解速度等方面均优于对比算法,亦可以满足电磁场逆问题求解的工程应用。

关键词： 采煤工作面   顶板水   面-地透视瞬变电磁法   数值模拟   响应特征  

摘要： 煤矿顶板水害问题一直是制约着我国煤炭安全生产的重要因素之一,针对现有瞬变电磁方法在西北煤矿区多层采空条件下的顶板水探测中存在的弊端,提出一种矿井大定源面-地透视瞬变电磁法,为矿井水害探测提供新途径。本文通过数值模拟的手段对该技术进行研究,分析其电磁场响应特征和传播规律,主要内容包括:(1)阐述了面-地透视瞬变电磁法探测技术的观测系统设计及施工技术等相关原则,分析了其装置特点及技术优势。(2)构建了简单的均匀全空间模型进行了数值模拟,从“体—面—线—点”多角度揭示了面-地透视瞬变电磁场传播规律及感应电动势响应特征。(3)结合神东矿区实际地层信息,构建不同富含水类型的地电模型并进行方形回线激励源下的数值模拟,结果表明:(1)冲激时刻与含水层电阻率有直接关系,含水层电阻率越小,冲激时刻越晚,感应电动势幅值越小。(2)不同模型的异常响应系数之间存在明显的差异,表现为随着含水地层富水程度增大,异常响应时间延后、幅值增大、响应时间窗口长。(3)随着含水地层电导率升高,对应的感应电动势冲激时刻后移、感应电动势异常响应幅值升高,前者与后两者呈二次项函数关系。(4)不同层位的局部低阻异常在异常响应幅值和延迟时间上存在差异,面-地透视瞬变电磁法对于距离回线源较远的直罗组地层富水性更加敏感,验证了该方法探测的可靠性。(4)在方形回线源的基础上构建矩形回线对激励源形状进行研究,结果表明:(1)磁偶极矩相同时,矩形大定源与方形大定源电磁场分布特征与响应幅值差异主要集中在早期延时阶段,在中晚期阶段,发射源的形状对电磁场影响较小,二者可近似为等效。(2)线框长宽比实际改变的是激励场的分布特征,在线框宽度一致时,逐渐成倍增加线框长度,晚期感应电动势增幅对应增加100%,长宽比越大,感应电动势增幅趋于稳定的时间越晚。本文利用大量的数值模拟研究,对面-地透视瞬变电磁法取得了较多认识,揭示了其电磁场传播规律和空间响应特征,表明了该方法在煤层顶板水探测中具有较高的分辨率及灵敏度,为实际生产应用提供了理论支撑。图[60]表[5]参[101]