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关键词： 激光熔覆   电磁场   偏析   电磁搅拌   覆层性能  

摘要： 激光熔覆熔池凝固过程存在的偏析问题是影响熔覆层质量与性能的重要因素。本文针对熔覆层偏析这一难点与关键问题,采用电磁场辅助激光熔覆制备镍基涂层。以激光熔覆镍基涂层为研究对象,探讨电磁场对熔池传热传质过程的影响机理,探究电磁场对熔覆层宏微观形貌、宏微观组织、宏微观偏析及物相成分的影响,研究电磁物理场对熔覆层显微硬度、耐摩擦磨损性能、耐腐蚀能力的影响,主要内容与结论如下: 综述了激光熔覆熔池凝固过程中的主要问题及熔覆层偏析的研究现状,解释了熔覆层熔池凝固过程中的枝晶生长、溶质扩散、偏析形成、镍基覆层元素偏析等理论,对比了各物理场辅助激光熔覆的优缺点,提出电磁物理场辅助制备激光熔覆镍基涂层新工艺。 在对激光熔覆工艺参数进行优化的基础上,利用电磁场辅助进行激光熔覆Ni60A涂层,将电磁场中的电场作为变量,改变电流大小与种类,探究了电磁场对熔覆层横截面及熔池宏观形貌的影响,初步分析了电磁场对熔池的作用机理,发现电磁场产生的电磁搅拌与电磁振荡作用对熔池凝固的干预作用明显。 分析结果如下:电磁场的应用能够降低覆层高度、增加覆层宽度,对熔覆层稀释率影响较小。合适的电磁场参数辅助激光熔覆可提高熔覆枝晶形核率、细化晶粒,减少树枝晶数量,缩减等轴晶尺寸。熔覆层的物相组织主要成分为γ-Ni,γ-（Fe-Ni）固溶体以及CrB、Cr7C3、M23C6和Ni2B等,电磁场可减少CrB、Ni2B等物质的生成,搅拌作用加速熔覆层传热与传质,改变微观组织生长形态与方向,降低熔覆层宏微观偏析,其中AC200 A试样微观偏析率仅为0.8%,分别比No electromagnetic、DC100A、DC200A、DC300A、AC100A和AC300A试样低57.9%、38.9%、27.2%、38.5%、27.2%和11.1%。AC200A试样覆层硬度为六组试样中最高,达到772HV0.2,其磨损量分别比No electromagnetic、DC200A、DC300A、AC100A和AC300A试样低39.3%、34.03%、21.45%、35.39%和36.11%。AC200A试样具有最高自腐蚀电位-185mv、最低自腐蚀电流密度6.01μA cm-2,其抗腐蚀性能为整组试样最佳。 以上结果表明,电磁物理场辅助激光熔覆能显著影响熔覆层形貌、质量与性能,同时能有效调控和改善熔覆层偏析。

关键词： 熔融光谱发射率   电磁冷坩埚   电磁场   温度场  

摘要： 光谱发射率是衡量材料辐射特性的重要热物理参数之一,它在辐射测温、金属冶炼、红外隐身等领域具有重要的应用。近年来,国内外已有学者测定了许多固态物质的光谱发射率,但是对于金属、半导体、合金等高温熔体的发射率测定较少,特别是熔融金属方面。熔融金属光谱发射率在特种金属材料研发、高精度辐射测温等领域有着重要的应用。然而,测量其纯净的熔融光谱发射率是非常困难的,因为坩埚污染和样品成分不均匀等问题在高温下容易发生,特别是加热高纯度和高活性的金属材料。电磁冷坩埚悬浮加热技术因其熔化温度高、样品内部温度均匀、无熔体污染等特点,在熔炼高纯材料、半导体材料、难熔合金和活性金属等方面具有明显的优势,对促进熔融光谱发射率的精确测量具有重要的意义。 由于冷坩埚结构及加热原理比较复杂,在加热过程中,坩埚壁会消耗大量的能量。为找寻最佳的冷坩埚结构减小坩埚壁能量损耗,本文利用ANSYS软件建立了不同结构的电磁冷坩埚模型,对其在加热熔融过程中的磁场和温度场进行了数值模拟。为提高电磁冷坩埚的加热效率,用有限元法研究了不同的分瓣数量、狭缝宽度、壁厚和高径比对坩埚透磁性的影响。计算结果表明,增加坩埚分瓣数量和狭缝宽度可以有效提高坩埚的透磁性。反之,增加坩埚壁厚和高径比会降低坩埚的透磁性,最终根据数值模拟结果选择了最佳结构的坩埚。随后,在电磁场的基础上建立了温度场分析模型,研究了熔体内部温度变化情况,发现在纵向上样品底部的温度大于顶部,在径向上温度由样品表面向内部逐渐降低。电流值越大,样品温度越高,温度梯度越大,但高温区域有所减小。当电流值达到1000A之后,样品纵向温度梯度增长趋势逐渐变大,径向温度梯度变化较小总的温度梯度增长趋势变大,样品均匀性变差。利用有限元方法对冷坩埚中的各种复杂现象进行分析求解,可大大节约成本费用,提高研究效率,为进一步提高坩埚透磁性、优化熔体温度分布提供了依据。 熔融金属的光谱发射率是应用热工程数值模拟中的一个重要热物理参数,精确测量熔融金属的光谱发射率对于进一步探究金属的凝固过程、组织演化、高温力学性能等都有着非常重要的作用。在熔炼工艺中,对样品的温度进行准确的测量是十分关键的,它的测量精度将对产品的性能和品质产生直接的影响,只有测量的熔融光谱发射率精确度高,才能使温度精度更高,故测量熔融样品纯净的发射率对于精准测温具有重要意义。为验证选定的最佳结构的冷坩埚用于熔融光谱发射率测量的可行性,论文利用该结构电磁冷坩埚测量了在1000～1600nm波长范围内铁、钴和镍熔点处的光谱发射率,研究其与波长的关系,并与Drude自由电子模型模拟计算值和文献已测数据进行对比。研究结果表明,铁、钴和镍在熔点处的光谱发射率均随着波长的增大呈不同幅度的下降趋势,实验结果与模拟计算结果变化趋势基本吻合,铁在熔点处光谱发射率的组合不确定度小于2.01%,由此可以证明使用选定结构的电磁冷坩埚搭建的测量装置可以有效的对熔融金属的发射率进行测量,其在提高熔融光谱发射率的测量精度方面有着广阔的前景。

关键词： 微流控   微球阀   电磁场   3D打印  

摘要： 生物医学检测、化学分析等领域对微流控芯片的需求越来越高,而微流控芯片中微阀作为关键器件之一,起到了对微流体进行控制的重要作用。微阀的种类繁多,其中电磁铁控制的微阀因为具有响应速度快、控制精度高、可靠性强等优点而备受关注。由于磁性材料移动的距离非常小,因此电磁铁控制的微阀响应速度非常快,可以达到毫秒级别的响应时间,从而实现对微流体的高精度控制。 本文通过理论分析、数值模拟和实验的方法,研究了一种基于磁场控制可磁化小球的两向微球阀。本文所设计微阀是由一个入口通道、中央腔室、腔室中的小球和两个出口通道组成,其中出入口均连着中央腔室。在外加电磁场的作用下,微通道内的小球被吸引从中央腔室的两个出口端来回运动,从而打开和封堵相应的出口通道,实现改变微通道内流体流动方向的功能。根据上述微阀的工作原理,本文设计出了微阀芯片的3D模型,并通过3D打印制作了凸模,通过浇注聚二甲基硅氧烷(***)的方法制作了微阀芯片。外加电磁场的电磁铁则由DT4C电磁纯铁和漆包铜线绕制而成。利用Arduino控制器通过电磁继电器控制电磁铁电路的通断,从而调控作用于小球的电磁场。 本文对小球进行了受力分析,推导了阻力的计算公式,确定了磁场力为主要的作用力。通过数值模拟,磁场力随着距离的变大以反比例函数的速度迅速衰减,因此为了尽可能的增加磁场力,对本文自制的电磁铁,我们尽可能的增加了电磁铁的线圈匝数和线圈电流。微阀设计时,通过尽可能的减小中央腔室内小球的运动范围,从而获得了足够大的有效磁场力,从而更可靠的控制小球移动。 最后,本文对微阀的功能进行了实验验证,通过恒定流量和恒定压力两种输入条件开展了微阀性能测试实验。利用两毛细管分别导出两出口通道中的液体,通过ImageJ(National Institutes of ***)提取了实验图像中两出口通道液面的位置,在Origin(OriginLab ***)软件中对液面位置数据进行运算得到液体体积,进而求导得出出口通道中不同时刻的流量。将微阀的流量控制结果与相应的电流控制信号相对照,分析微阀的性能。 总之,随着微流控技术的不断发展和完善,电磁铁控制的微阀在微流控芯片中的应用将越来越广泛。本文提出了一种新的微阀设计方案,有望在微流控领域中发挥作用,进而为生物医学检测和化学分析等做出贡献。

关键词： 水下电磁辐射源   非均匀媒质   定位   收敛算法   CST建模仿真  

摘要： 水下电磁场辐射源定位技术可以广泛应用于水面舰船的电磁探测与定位、水下潜艇的电磁探测与定位、水下自主航行器主动源定位等领域,近些年来受到了很多学者的关注。基于水下电磁场的定位技术与传统水下声学定位技术具有很大的差别,在某些特殊场合具有独特的优势,增加了水下定位的途径和手段,因此,对水下电磁场辐射源定位技术进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值。论文的主要研究内容如下: 1)研究了海水电导率非均匀分布的规律,详细分析了海水电导率变化对电磁场在海水中的波长、波速、趋肤深度、海水吸收损耗等相关电磁参数的影响。采用MATLAB软件对电偶极子辐射场在无限大单一均匀海水媒质中的传播特性进行了建模与仿真,为后续的水下电磁场辐射源定位技术深入研究奠定了理论基础。 2)为了研究海水电导率随深度非均匀变化以及海水海底不同媒质分界面对水下电磁场辐射源定位精度的影响问题,基于CST仿真软件建立了均匀海水媒质模型、非均匀四层海水媒质模型、非均匀八层海水媒质模型、均匀海水媒质-海底模型及非均匀八层海水媒质-海底模型,并进行了仿真工作,根据仿真数据分析了不同频率水平测线和垂直测线方向上的电磁场传播特性,提取了后续定位算法所需要的数据。 3)根据水下电偶极子电场强度矢量场理论计算公式,推导了电场强度幅值的表达式,提出了一种基于电场强度幅值信息的电磁场辐射源坐标全局搜索定位方法,在不同的场景下进行了定位仿真,并对仿真结果进行了误差对比分析。 4)针对基于电场强度幅值信息的电磁场辐射源坐标全局搜索定位方法收敛速度慢、运算时间长的问题,引入了粒子群算法(Particle Swarm Optimize,PSO)和引力搜索算法(Gravitational Search Algorithm,GSA),一定程度上提高了定位运算效率。针对PSO易于陷入局部最优解和GSA收敛速度较慢的问题,通过改进PSO的惯性权重,进行了基于非线性惯性权重PSO的电磁场辐射源定位算法的仿真,在此基础上提出了一种改进型时变惯性权重PSO-GSA相结合的电磁场辐射定位算法,并与PSO、GSA、基于非线性惯性权重PSO算法进行了不同场景下的仿真对比分析,结果表明改进型时变惯性权重PSO-GSA相结合的电磁场辐射源定位算法在收敛速度和定位精度具有一定的优越性。

关键词： 无损检测   不锈钢板   埋藏缺陷   ACFM   电磁检测   不锈钢  

摘要： 不锈钢具有极好的耐腐蚀性能与优秀的力学性能，在石油化工、航空航天、特种设备等行业应用广泛。不锈钢制成的设备及构件在加工及使用过程中极易产生内部的开裂、孔洞等缺陷，采用快速、有效的无损检测技术定期对不锈钢设备及构件进行检测具有重要的意义。目前，针对不锈钢板缺陷的检测，常采用射线检测、渗透检测、超声检测及涡流检测等方法。但现有检测方法都存在一定的局限性，尤其针对不锈钢板埋藏缺陷的检测存在较大难度，论文针对厚度在6mm以内的不锈钢板埋藏缺陷的检测问题，提出了一种基于U型探头的ACFM检测方法。论文具体研究内容如下：　　(1)不锈钢板埋藏缺陷ACFM检测原理及特性分析。简述了ACFM缺陷检测原理，从理论上分析了趋肤效应对不锈钢材料电流渗透深度的影响规律;建立了ACFM缺陷检测模型，分析不锈钢板的无缺陷区域、表面缺陷区域、埋藏缺陷区域的感应电流分布规律。利用仿真模型对埋藏缺陷进行模拟检测，得到不同缺陷和不同频率下Bx、Bz信号对比图，发现埋藏缺陷与表面缺陷Bz信号的反转特性。　　(2)探头参数优化。基于检测模型，采用动态仿真与静态仿真相结合的方式对探头参数进行优化，优化参数包括激励线圈参数、磁芯尺寸、提离距离、激励信号参数、接收线圈的参数等，分析上述参数改变对电流扰动以及Bx与Bz信号的影响规律。　　(3)缺陷信号影响因素分析。对检测信号的影响因素进行仿真分析，研究了缺陷的长度、埋深、不锈钢板厚度对缺陷检测信号的影响规律;并研究了缺陷参数对Bz信号反转特性的影响规律。　　(4)实验测试。制作了不锈钢埋藏缺陷测试件，搭建了ACFM测试平台并进行了实验测试。实验结果表明论文提出的测试方法可以实现6mm厚的不锈钢板长10mm，宽1mm，深1mm的表面裂纹;埋深深度为4mm，长10mm、宽1mm、深2mm的埋藏裂纹;以及埋深深度为4mm，直径3mm的埋藏孔缺陷的检测;同时，验证了Bz信号反转特性，在一定程度上能对埋藏缺陷与表面缺陷进行辨别。

关键词： 射频   螺旋输送机   加热均匀性   加热速率   红枣  

摘要： 作为一种介电加热技术,射频(Radio frequency,RF)加热凭借其穿透深度大,快速整体加热、选择性加热、无化学残留等特点,已广泛应用于农产品的产后加工研究,并在部分领域展现出广阔的工业化应用前景,但加热不均匀仍是困扰其发展的主要障碍,特别是在连续化射频处理时的加热不均匀。因此本文设计了一种适用于射频电磁场的双螺旋输送机,利用螺杆连续搅动和推进以改善连续化射频处理时的加热均匀性。本研究首先评估了螺旋输送机工作参数对射频加热速率和加热均匀性的影响,在确定最优参数后对比了螺旋输送与静止状态下样品的品质参数。在此基础上,以红枣杀虫为例,对比了螺旋输送模式中移动和混合与仅移动输送条件下在连续化射频处理时的加热均匀性、害虫死亡率、样品烧焦率和能量效率,确定了螺旋输送两种运动方式在射频处理时的特点,促进了射频技术的发展。主要研究内容和结论如下:(1)以红枣为研究对象,设计了一种适用于射频处理的双螺旋输送机,其可在样品连续化射频处理过程中对样品持续搅拌,从而改善射频加热均匀性。提出了该设备的技术要求并制定了其工作技术参数。依据上述技术要求并结合颗粒状食品杀虫的工艺要求,制定了设备的整体方案和工作流程。该设备采用卧式水平双螺杆结构,其螺杆配置采用啮合式。螺旋输送机主要由变频器、驱动电机、传动装置、螺杆和输送槽构成。设备动力由驱动电机提供并通过联轴器传递至螺杆,变频器可控制螺杆在0～4rpm转速范围内进行无级调速。(2)采用双螺旋输送机评估了不同工作参数(输送方向、螺杆转速、填充率、极板间距)对红枣加热速率和均匀性的影响。结果表明,正向和逆向输送条件下样品的射频加热速率和均匀性无显著差异。螺杆转速对样品加热速率无显著影响,但其加热均匀性随转速的提高而逐渐改善。射频加热速率随着填充率的增加或极板间距的减小逐渐增大。除在较大填充率时(即80%)样品具有较高的加热均匀性指数外,在正常填充范围内(即填充率为20%至60%),加热均匀性指数没有显著变化。此外,加热均匀性指数随极板间距的减小而增大。品质分析表明,螺旋输送条件下射频加热后样品的品质与对照组在色泽、质构、抗坏血酸含量和水分含量方面无显著差异。(3)以三个等级的红枣为模型食品,开展了螺旋输送模式中移动和混合与仅移动条件下连续射频杀虫的对比研究。结果表明,样品加热速率随极板间距的减小和样品等级的提高而增大。加热均匀性指数随样品等级的降低而呈下降趋势,但仅在仅移动下观察到加热均匀性指数显著减小。此外,在输送和混合条件下加热均匀性指数随螺杆转速的增加先减小后增大,而在仅移动条件下随水平速度的增加而持续增大。与移动和混合条件下射频处理的样品相比,即使采用最低的输送速度,仅移动条件下的样品仍可观察到明显的烧焦现象和较低的害虫死亡率。此外,螺旋输送条件下能量效率均随输送速度的增加而增加。

关键词： 机器学习   循环展开   有限元计算   模型融合   并行算法  

摘要： 对于大型电力设备而言,其物理尺寸非常大,利用有限元法去分析电力设备的电磁场时,为了保证计算精度,需要剖分大量的网格,导致计算规模太大,其计算时间随有限元分析网格数量的增加而迅速增加。为了提高计算效率,本文研究指令级并行技术循环展开,通过机器学习预测不同循环中最佳循环展开因子,并应用于电磁场有限元计算的程序代码。 建立不同的机器学习回归算法模型预测不同特征变量的循环计算时间。通过大量的循环计算程序,提取循环的相关特征量和循环计算时间,建立循环展开的回归数据集。建立多种机器学习算法模型,预测不同特征变量的循环计算时间,比较选取适合数据集的最佳机器学习算法。 通过对数据集进行预测、分析和比较,对模型参数进行优化。为进一步提高预测准确率,使用模型融合技术对参数优化后的机器学习模型进行融合,找到拟合数据集最优的方法,将其作为最终预测时间的回归模型。将最佳模型预测后的时间结果进行择优,计算时间最少对应的展开因子为最佳展开因子,实现特征到最佳展开因子的映射,由此建立循环特征变量与展开因子之间的机器学习分类算法模型。建立能够进行多分类的神经网络算法对映射数据集进行多分类计算,预测得到最优循环展开因子。 将算法应用于一台单相三柱变压器和三相感应电机磁场有限元计算程序,使用最佳展开因子在C++有限元计算程序中进行循环展开,并将程序计算结果和使用软件计算的结果进行比较,证明循环展开在电磁计算中准确性和可行性,能够在循环程序中实现计算加速。

关键词： 电磁场   电磁波   教学改革探索   《电磁场与电磁波》  

摘要： 针对《电磁场与电磁波》课程教学中存在的问题，从适当补充数学知识、引入电磁波在日常生活中的应用实例、借助多种教学媒介丰富教学形式及增加实验内容等方面，对教学进行改革，提高学生的学习积极性和主动性。