针对磁通蠕动效应的超导悬浮动力运动比较研究

针对超导-永磁悬浮系统,分别采用描述超导宏观电磁场本构关系的磁通流动模型和磁通流动与蠕动模型,定量模拟了自由悬浮于超导体上方永磁体的振动。通过比较研究说明磁通蠕动效应对超导悬浮动力运动的影响程度以及这一影响随超导临界电流密度、系统外加激励振幅和频率的变化规律。     

Nb3Sn高场复合超导体临界性能力学变形效应的多尺度模拟

A15型Nb₃Sn超导体是制造高场( > 10 T)超导磁体线圈的主要材料, 被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体装备制造领域. 力学变形诱导的Nb₃Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响. 鉴于Nb₃Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征, 不同尺度下变形与超导电性能耦合行为是相互关联的, 本文建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力电磁耦合本构模型, 提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb₃Sn复合超导体的多尺度模拟模型. 基于多晶体有限元方法, 对静水压加载条件下Nb₃Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb₃Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测, 预测结果与实验观测结果定性吻合. 该模型揭示了Nb₃Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理, 实现对高场超导体力、电、磁、热耦合行为的预测, 有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力、电、磁、热多尺度耦合行为的认识和描述能力, 为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑.      

Nb3Sn单晶超导相转变时的弹性性能变化

Nb3Sn超导体失超，是超导磁体装备运行过程中的重要现象。失超，即超导体从超导相转变为正常相的过程；在强磁场超导磁体工程中，由于超高的储能密度，失超伴随着力/热/电等物理参量在瞬时的剧烈变化。失超瞬时，超导相转变的同时伴随着弹性力学性能的突变，研究超导相转变时弹性性能的变化是失超诱发应力跨尺度分析的关键。本文首先采用第一性原理方法计算了弹性常数随温度的变化规律，结果表明由于未考虑A15结构的超导材料在环境温度变化的情况下产生的特殊电子能带结构，基于准静态近似方法的材料弹性常数计算从0K外推至有限温度时，会导致模拟结果与实验观测结果出现定性上的差异；之后，基于晶格自由能函数，给出了描述立方相Nb3Sn单晶弹性性能随温度变化的解析模型，模型预测结果与实验观测结果定性吻合，初步实现了对Nb3Sn单晶超导相转变时弹性性能变化的理论描述和预测。研究结果对于超导体失超应力的跨尺度模拟及超导磁体的安全分析具有一定的理论参考价值。     

三维气泡与刚性壁面的相互作用研究

基于势流理论建立水下爆炸气泡运动三维模型,采用边界积分法求解拉普拉斯方程,得到气泡的变形及位置,并在计算过程中引入弹性网格技术,避免了因网格扭曲而导致的数值发散,进而模拟了刚性壁面附近三维气泡的动态特性。在数值模拟过程中,将本文计算值与实验数据进行对比分析,结果表明,计算值与实验数据吻合良好。在此基础上,分别模拟了弱浮力、强Bjerknes力,强浮力、弱Bjerknes力以及浮力与Bjerknes力相当时壁面附近气泡的运动特征,并将各种工况的计算结果与基于开尔文冲量理论(Kelvin Impulse)的Blake准则进行对比分析与讨论,得到了不同参数下气泡的运动特征。     

链网模型与Si_3N_4陶瓷材料宏细观力学行为模拟

假定原位增强陶瓷材料中存在的众多微裂纹将基体分割成块，增强体长颗粒的桥联是块间的传力机制，提出了一种链网模型，用于模拟材料宏观力学行为与细观损伤演化，论述了模型参量与材料细观组元几何，物理参数之间的关系，给出了典型的数值模拟结果并进行了统计分析。     

链网模型与Si_3N_4陶瓷材料宏细观力学行为模拟

假定原位增强陶瓷材料中存在的众多微裂纹将基体分割成块，增强体长颗粒的桥联是块间的传力机制，提出了一种链网模型，用于模拟材料宏观力学行为与细观损伤演化．论述了模型参量与材料细观组元几何，物理参数之间的关系，给出了典型的数值模拟结果并进行了统计分析     

气泡与弹性边界的相互作用研究

从气泡与弹性边界相互作用基本现象入手, 基于势流理论, 建立气泡与弹性边界相互作 用的数值模型, 计及浮力与表面张力, 模拟弹性介质附近单个气泡的动态特性, 通过气泡周 围压力场的分布来讨论蘑菇状气泡的成因, 数值结果与已有实验结果吻合良好. 讨论两个气 泡与弹性边界的相互作用, 并通过与Robinson 和 Blake的实验结果对比, 验证数值模型的正确性. 数值模拟发现, 浮力、弹性系数和密度比是 影响气泡动态特性的重要特征参数.     

正弦电磁场中磁性材料力学特性分析

将电磁场理论与弹性力学理论相结合，分析了磁性材料在正弦电磁场中的力学特性。首先，介绍磁场力的一般数学表达式，随后依据电力设备磁路的对称性给出其磁场力简化数学模型，再根据电力设备中磁性材料的物理和几何特点建立其力学模型，最后将上述两种模型相结合导出描述正弦电磁场中磁性材料力学特性的数学模型，并给出其数值计算方法。这些数学模型可用于对由于磁路中存在涡流而产生的大型电力变压器铁心及其它电力设备振动和噪声进行定性和定量分析。     

基于离散-连续耦合方法的地下结构在地震中破坏过程模拟

基于改进后的土体离散-连续耦合算法，对坂神地震中产生塌陷的神户大开地铁车站的破坏过程进行了数值模拟。通过改进适用于Lagrange乘子法求解的优化模型，来强化离散和连续模型在耦合边界上力的相容性，将改进后的算法嵌入离散-连续耦合动力模型。在耦合边界通过交换速度和力保证耦合模型的连续性，通过自振柱模拟和循环双轴模拟使离散区域土体的宏观动力属性与连续土体模型一致。土体离散-连续耦合方法可以从细观尺度描述重点考察区域土体和结构的破坏过程，并有效降低离散元的模拟规模。模拟得到的车站破坏形式与文献中现场情况非常接近，并且从定量角度与已有文献中基于连续体的模拟结果进行比较。     

金属铝微波烧结微结构演化的在线观测与相场模拟

材料内部微结构及其演化与材料宏观力学性能密切相关,而孔隙是微结构的一种重要形态。在金属粉末微波烧结过程中,由于烧结机理复杂,且受限于传统实验观测手段,目前对金属微波烧结孔隙演化机理的认识尚不清晰。本文采用SR-CT(Synchrotron Radiation Computed Tomography),同步辐射计算机断层扫描技术,对金属铝粉末微波烧结过程中的孔隙演化进行了在线观测,观测到呈条状的孔隙沿短轴闭合这一独特现象,与常规烧结中孔隙圆滑化和球化过程截然不同。基于这一现象,针对金属颗粒在微波电磁场作用下进行了受力分析,认为在微波电磁场中金属颗粒表面产生电子涡流,颗粒受到沿表面法线方向并指向孔隙内部的安培驱动力作用,促进了孔隙沿短轴方向的闭合,据此提出了条状孔隙演化的安培力驱动模型。将这一模型引入相场模拟,基于实验图像模拟孔隙的演化过程,得到了与实验一致的模拟结果,从而验证了安培力驱动模型的正确性。     

多维磁浮柔性转子控制系统分岔与控制器设计

讨论了多维悬浮柔性转子控制系统局部及全局分岔问题,首先建立了该复杂系统动力学模型,应用中心流形和求规范形综合方法,得到此系统非半简双零特征值问题的规范形及其普适开折,并进一步讨论了此控制系统的分岔 行为（余维二分岔）及稳定性;给出了为实现稳定控制,控制器参数、转子系统结构参数的相互关系及稳定控制域,即给出分岔 参数条件、分岔曲线、转迁集,最后,给出此柔性转子控制系统的数值仿真结果。     

Earnshaw (1805–1888) and Passive Magnetic Levitation

S. Earnshaw, a mathematical physicist born in England two centuries ago, was the author of studies on the transmission of sound and light. His theory on the transmission of light by “detached particles” has also influenced some studies on the stability of bodies in potential fields, particularly studies on the levitation of permanent magnets, i.e. on passive magnetic levitation. This theorem was so well known that even Maxwell mentioned it, and is today cited almost as an axiom in the ambit of passive magnetization. However, what is less well known is that the theory actually only relates to magnetostatics. In this paper, the mathematic model of the theory that refers to stability is outlined, along with some works that refer to it, in particular those on passive magnetic levitation. It is then pointed out that spaces of low instability exist in magnetostatics, and that stability may exist in the magneto-stationary and in magneto-dynamic ambit.     

An improvement of frozen-image model and its application in a HTS levitation system

This paper mainly reports an improvement of frozen-image model which can qualitatively describe the influence of lateral moving speed on vertical force in a HTS levitation system under lateral movement with field-cooling condition. The model is improved by introducing a dipole which represents the influence of lateral moving speed and modifying the rule of diamagnetic dipole based on frozen-image model. The vertical and lateral forces that are obtained by this improved model agree with the previous measurements qualitatively. This model can also describe the effect of finite scale of superconductor sample in a levitation system.     

Levitation of Magnets and Paramagnetic Bodies in Vessels Filled with Magnetic Fluid

Formulas are obtained for the forces and moments acting on a spherical body made of a paramagnetic material in an uniform applied magnetic field and a magnet in a spherical vessel filled with magnetic fluid. An approximate formula is found for the force acting on bodies in ellipsoidal and cylindrical vessels or in a plane channel with a magnetic fluid in an uniform magnetic field. An analogy between the forces acting on a magnet and a paramagnetic body is demonstrated. The possibility of levitation of magnets and paramagnetic bodies in a vessel with a magnetic fluid is investigated.     

Energy harvesting from a magnetic levitation system

Numerical and experimental studies of a magnetic levitation harvester are presented in the paper. The idea is based on the motion of permanent cylinder magnet in a coil exploited for energy harvesting. The novel model is based on a new definition of the coupling coefficient (inductive coefficient) which relates mechanical and an electrical components. The performed static and dynamics experimental tests show that this coefficient is a nonlinear function of the magnet position, and highly depends on the magnet coordinate in the coil, in such a way that the maximum energy is obtained in a coil ends. The comparison between classical – fixed value model – and novel nonlinear model of the inductive coefficient is presented for selected cases. The most essential differences are presented.     

离散滑模变结构控制在磁悬浮球系统中的应用

磁悬浮球实验装置是典型的非线性系统,该装置提供了常规PID控制,但难以达到理想的控制效果,由此提出采用离散滑模变结构控制来研究该系统。文中首先分析了离散滑模切换面和趋近率,然后设计了存在系统干扰和抖动情况下的离散滑模控制器,并研究了其收敛性,在此基础上提出了克服干扰和抖动的积分补偿离散滑模控制器,最后将所提出的控制方法在磁悬浮球实验装置上进行验证。试验验证结果表明,系统响应时间由PID控制的15 s减小到5 s,控制偏差也有所减小,控制效果优于PID控制,适合磁悬浮球系统的控制,为该实验装置提供了一套新的实验方法。     

软铁磁薄板磁弹性屈曲的理论模型

铁磁弹性薄板的磁弹性屈曲问题一直作为电磁——弹性力学相互作用的一个基本模型进行研究，而作用在其磁介质上的磁力计算则是定量理论预测准确与否的关键．到目前为止，文献上已有的理论模型对悬臂铁磁梁式悬臂板在横向磁场中磁弹性屈曲的理论预测值始终高于实验值，有的甚至相差１００％左右．本文基于电磁力计算的微观安培电流模型，严格给出了软铁磁薄板等效横向磁力的宏观计算表达式．在此基础上，建立了电磁——力学相互耦合作用的非线性理论模型．该模型能描述铁磁薄板结构在非均匀横向磁场环境中的磁弹性失稳（或屈曲）．其定量分析采用了有限元法和有限差分法相结合．数值结果显示：本模型给出的磁弹性屈曲的临界磁场值与实验值符合良好．与此同时，文中还对文献中认为较成功的Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ模型的基本假设进行了分析．定量结果发现：Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ理论模型的基本假设仅在梁式板的长厚比Ｌ／ｈ比较大时（约在２００左右），是可以接受的，而当Ｌ／ｈ较小时，该假设将导致理论值与实验值的较大误差．Ｌ／ｈ比值越小，理论值与实验值的误差越大     

Analysis and numerical simulation of magnetic forces between rigid polygonal bodies. Part I: Analysis

The mathematical and physical analysis of magnetoelastic phenomena is a topic of ongoing research. Different formulae have been proposed to describe the magnetic forces in macroscopic systems. We discuss several of these formulae in the context of rigid magnetized bodies. In case the bodies are in contact, we consider formulae both in the framework of macroscopic electrodynamics and via a multiscale approach, i.e., in a discrete setting of magnetic dipole moments. We give mathematically rigorous proofs for domains of polygonal shape (as well as for more general geometries) in two and three space dimensions. In an accompanying second article, we investigate the formulae in a number of numerical experiments, where we focus on the dependence of the magnetic force on the distance between the bodies and on the case when the two bodies are in contact. The aim of the analysis as well as of the numerical simulation is to contribute to the ongoing debate about which formula describes the magnetic force between macroscopic bodies best and to stimulate corresponding real-life experiments.      

新型断路器操作机构的力学测试

为了实现一种结构简单、成本低廉、耗能较低的高压断路器的操作机构,在分析典型永磁电动操作机构的基础上,提出了一种采用永磁驱动的新型操作机构。利用MTS809材料试验系统测得断路器真空室的触头反力,使用Maxwell软件对断路器操作机构的磁力进行仿真与优化。在此基础上,确定操作机构的整体结构并做出10kV真空断路器原理样机。再利用MTS809系统对原理样机的驱动力进行测试验证。驱动力测试结果表明,新型永磁驱动操作机构原理可行,10kV真空断路器原理样机达到预期的设计目标。