消声器声学性能预测的子结构快速多极子边界元法

鉴于快速多极子边界元法的应用主要局限于单区域声学问题计算,发展基于子结构技术的快速多极子边界元法以计算多区域声场问题,介绍基本原理、具体实施过程以及优缺点.以带有插进口管的膨胀腔消声器为例,应用子结构快速多极子边界元法和传统边界元法计算其传递损失,通过与实验测量结果的比较,验证方法的有效性和计算精度.研究表明,快速多极子边界元法与传统边界元法相比,节点数越多,其在节省计算时间,减少计算量等方面的优势越明显.     

边界元法分析二维线弹性裂纹扩展

用边界元法研究裂纹扩展过程.首先将尖端区域Williams渐近展开的特征分析法与边界积分方程结合,解出切口尖端附近应力奇异性区域的各应力场渐近展开项系数,获得平面切口/裂纹结构完整的位移和应力场.再基于考虑非奇异应力项贡献的最大周向应力脆性断裂准则,运用边界元法分析边缘含裂纹半圆形弯曲试样在荷载作用下的启裂方向,对裂纹扩展过程给出自动跟踪方法,通过算例证明边界元法模拟裂纹扩展过程的正确性和有效性.     

计算波导加载谐振腔谐振频率的新方法

基于边界元法,提出了一种新的简单有效的计算速调管输出系统波导加载腔的谐振频率、场分布的方法。计算了一种矩形波导加载矩形谐振腔的常见结构。利用主模TE10波激励,在波导的端口处采用推导出的Robin-type边界条件,通过扫频的方式,观测选定场点的值,极值对应系统的谐振频率。数值结果表明:波导加载谐振腔的谐振频率要低于同尺寸谐振腔的频率,谐振腔内的电场分布也受到耦合孔的影响。利用边界元法计算波导加载腔这样的半开放系统,具有实现简单、计算精确度高、数据输入少、计算时间短等优点。     

SLS快速成形的直线导轨高速扫描动态轨迹误差的仿真

选择性激光烧结SLS快速成形XY直线导轨扫描系统进给运动由数字式随动控制系统产生，系统中存在随动跟踪误差，它与SLS成形扫描系统的运动速度和加工程序所控制的指令运动轨迹密切相关，称轨迹误差。在其高速运动的情况下，随动跟踪误差对成形工件的精度影响极大，是不可忽视的加工误差因素，必须对其进行计算和预测，以便采取相应措施，进一步提高加工精度。     

双周期加速结构腔间耦合系数的模拟计算

在直线加速器加速管的设计中, 腔间耦合系数是一个关键参量, 它的误差是影响场分布误差的主要因素. 准确计算耦合系数，对于腔间耦合孔几何参数的设计十分重要. 目前, 采用电磁场计算软件进行数值模拟是计算耦合系数的主要 方法. 文献调研发现, 使用MAFIA程序计算耦合系数, 对于单周期的盘荷波导结构, 根据MAFIA程序内部电(磁)边界条件和周期性边界条件, 对应两者有行波模拟、驻波模拟两种方法计算色散曲线. 本文结合这两种方法, 对计算双周期加速结构耦合系数的方法进行了探索, 它们可得到相近的结果, 与实验测量值的差别小于15%.     

空间声场全息重建的波叠加方法研究

提出了基于波叠加法的近场声场全息技术，并将其用于任意形状物体的声辐射分析.在声辐射计算问题中，边界元法是通过离散边界面上的声学和位置变量来实现，而波叠加方法则通过叠加辐射体内部若干个简单源产生的声场来完成.因而，基于波叠加法的声全息就不存在边界面上的参数插值和奇异积分等问题，而这些问题是基于边界元法的声全息所固有的.与基于边界元法的声全息相比较，基于波叠加法的声全息在原理上更易于理解，在计算机上更容易实现.实验结果表明：该种全息技术在重建声场时，具有令人满意的重建精度. 关键词： 声全息 逆问题 波叠加方法 正则化方法     

MRM-BEM本征值计算中波数k初始值的预估算法

利用基于多重互易的边界元法计算二维声学谐振腔的本征值和本征频率.通过搜索包含未知波数k的高阶行列式值的0点,来确定系统的本征值.基于波的传播原理,提出一种波数k初始值的粗略估计算法.计算了几种模型的估计算法的效率.研究多重互易边界元法基本解的阶数对结果精度的影响,发现基本解至少采用七重互易结果才收敛.数值结果与解析解和文献符合的很好,证明了方法的有效性和可靠性.     

快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时, 目前普遍采用有限元法, 但是随着实际模型规模的增大, 有限元法的计算量问题日益显著, 而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注. 本文以均匀的高散射介质为模型, 研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题. 快速多极边界元法利用核函数的多极展开, 将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归, 再结合广义最小残量法进行迭代求解. 将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较, 表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性. 研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像, 为其大规模和实时成像带来可观的前景. 关键词： 扩散光学断层成像 边界元法 快速多极边界元法     

大规模声学边界元法的GPU并行计算

提出一种大规模声学边界元法的高效率、高精度GPU并行计算方法.基于Burton-Miller边界积分方程,推导适于GPU的并行计算格式并实现了传统边界元法的GPU加速算法.为提高原型算法的效率,研究GPU数据缓存优化方法.由于GPU的双精度浮点运算能力较低,为了降低数值误差,研究基于单精度浮点运算实现的doublesingle精度算法.数值算例表明,改进的算法实现了最高89.8%的GPU使用效率,且数值精度与直接使用双精度数相当,而计算时间仅为其1/28,显存消耗也仅为其一半.该方法可在普通PC机(8GB内存,NVIDIA Ge Force 660 Ti显卡)上快速完成自由度超过300万的大规模声学边界元分析,计算速度和内存消耗均优于快速边界元法.     

虚边界元法与强流电子枪的电子轨迹模拟

以位势问题为分析对象,从格林公式出发严格导出了虚边界元法的基本积分方程.并以虚边界元法基本积分方程为出发点,从理论上导出了虚边界元法对虚边界形状位置的基本要求.理论结果表明,虚边界元法本身是一种严格的方法,但在一定条件下,它是一种近似方法.基于虚边界元方法开发了一套适用于强流电子枪的电子轨迹模拟程序,并对强流电子枪进行了计算.对强流电子枪的计算表明,在同等条件下,取定最佳的虚实边界距离与边界单元数,虚边界元法较边界元法的精度要高.     

开口磁环的周期聚焦系统仿真分析与实验

当前行波管周期永磁聚焦系统的波端口位置处的磁环通常采用单向开口磁环。在波端口位置引入波导阻抗调谐支节的基础上,提出了两种不同的双向开口磁环结构。利用三维电磁仿真软件Opera-3D,分析了双开口磁环的中心轴线附近的磁场,并据此进一步介绍了带双开口磁环周期永磁聚焦系统的设计方法。为了验证带双开口磁环的周期永磁聚焦系统应用的可行性,设计和测试了一套E波段折叠波导行波管电子光学系统。在行波管试验中,电子枪发射电流83 mA,带双开口磁环的周期永磁聚焦系统聚焦的电子束流通率达到99%。     

铁电阴极相对论行波管初步研究

 研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象。设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A。在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出。     

220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究

电子光学系统是行波管的核心部件之一,在太赫兹频段,电子束通道很小,导致高电流密度电子束的传输非常困难。基于220 GHz折叠波导行波管慢波结构设计所需束流参数,根据理论分析和电磁仿真软件,设计了一款采用均匀永磁聚焦对电子束进行约束的电子光学系统。仿真结果显示,当电子束通道直径0.3 mm、长度31 mm时,在阴阳极压差20 kV的条件下阴极发射电流141 mA,电子流通率100%。根据设计结果封接了流通管,实验结果显示,当阴阳极压差20 kV时,阴极发射电流138.5 mA,收集极电流125.5 mA,电子流通率91%。     

行波管电子枪数值模拟设计的判定

 提出了采用数值软件模拟法进行行波管电子枪设计时对电子注质量好坏的判断准则：电子枪应具有更好的阴极表面电子发射密度均匀性、电子注层流性、注腰位置附近电子注径向密度分布均匀性及某百分比电子注包络曲线的光滑性等。利用编写的软件对某行波管电子枪进行数值模拟设计时,不断调整电子枪的结构,应用以上设计准则,通过对电子注质量进行判定和比较,得到了相对更符合设计要求的电子枪结构。     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

Theoretical Study for Folded Waveguide Traveling Wave Tube

A wideband folded waveguide traveling-wave tube (TWT) amplifier has advantages of simpler coupling structures and robust structure over the conventional helix TWT. The phase velocity of waves in folded waveguide is slowed down to the velocity of electron beam. Slow-wave interaction with the electron beam in folded waveguide is studied in a linear fashion. For a cold beam, the linear theory predicts a gain of 2 dB/cm and a bandwidth of 37% at the center frequency of 14 GHz. A closed algebraic dispersion relation for the frequency and the axial phase shift per period is obtained using an equivalent circuit model. Numerical solution calculated from the dispersion relation and three-dimensional electromagnetic code, HFSS simulations predict a mode coalescing in the folded waveguide. And a theoretical phase velocity prediction of the electromagnetic wave in this circuit is verified by HFSS simulations.     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。     

Study of Propagating Characteristics for Folded Waveguide TWT in Millimeter Wave

Folded waveguide circuit (FWC) is an ideal slow wave structure for broadband power traveling wave tube (TWT) in millimeter wave. But owing to changes of propagating character by reflecting of waveguide bend and electron beam hole, stopband can be formed. On the basis of computation of the stopband, effects of the dimension of FWC on stopband width are analyzed. It is available for design in FWC TWT.     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

毫米波静电聚焦行波管电子光学系统的设计

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势,分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管,首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路,然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算,最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示,在周期静电场的作用下,电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础,证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。