电感式磨粒监测传感器的磁场均匀性研究

在介绍电感式磨粒监测传感器结构原理的基础上 ,提出可采用检测线圈内部磁场均匀性的方法来弥补颗粒运动轨迹和流型变化带来的检测误差 ,以提高检测灵敏度 .通过分析不同几何尺寸的线圈中轴线上磁场的变化情况 ,并借助直螺线管的径向和轴向公式 ,对轴外磁场均匀性进行了探讨 .数学模型和优化结果表明 :在检测传感器线圈中部范围内为非匀强磁场 ,且呈非线性变化 ,细长管磁场相对均匀 ;当选取 R/ L <0 .2 ,磁场在线圈轴向长度范围内 ,径向在90 %范围内可近似看作均匀磁场 .所得结果可以确定传感器检测区域的磁场均匀性范围 ,为设计电感式磨粒监测传感器提供依据 .     

轴向脉冲磁场增强金属射流侵彻穿深能力的因素

为掌握轴向脉冲磁场对金属射流的作用规律,基于破甲弹金属射流对目标的作用原理及磁场与金属射流之间的相互作用关系,设计了励磁线圈对破甲弹金属射流作用的试验系统,并开展了相关实弹试验,突破了金属射流形成和励磁线圈脉冲电流产生之间时序匹配的关键技术,得出了使金属射流发生有效变形的合理储能电容器组电参数和励磁线圈结构参数。试验结果表明,当电容器电压为5 kV、电容为1 200 μF、励磁线圈长度为50 mm时,破甲弹金属射流对目标靶板的侵彻穿深增量最大,破甲效果最佳;各因素对破甲弹金属射流侵彻穿深能力影响程度由大到小分别是电容器组充电电压、电容器组电容、线圈长度。研究成果为破甲弹威力电磁增强技术可行性论证、原理试验及励磁线圈结构设计提供了重要的理论和技术支撑。     

一种高效的在交变磁场中加转转子的装置（英文）

使用交变或均匀磁场对导电转子进行加速或减速的技术,广泛应用于转速稳定的静电陀螺,用于姿态控制的力矩球和磁场支持下的超高速离心机等领域。大气隙的磁性驱动器难以获得高效率。通过优化绕组的结构参数,提出了一种高效的使用交变磁场中加速导电转子的装置。首先,阐明了提高设备效率的关键因素。然后,根据器件的机械结构建立了等效磁路模型,并用基尔霍夫定律求解得到穿过球体的磁通量。通过考察磁芯材料和尺寸、气隙、漏磁通、绕组损耗和磁场均匀性等因素对磁通量的影响,推导出提高施矩效率的一般准则。基于这些准则,在设备尺寸的限制下设计出了可以产生更均匀的磁场的宽线圈绕组。接着,用3D有限元模型,仿真并验证了这些设计准则。最后,制作了窄绕线和宽绕线两种样机,并通过加速试验证明宽绕组比窄绕组获得两倍左右的加转力矩,并且产生一半的焦耳热。     

线圈脉冲电流对破甲弹金属射流箍缩特性的影响

为了研究线圈脉冲电流参数对破甲弹金属射流箍缩特性的影响, 提出了均匀线圈中脉冲电流作用下不均匀粗细金属射流磁感应强度、感应电流密度及箍缩电磁力分布的理论模型, 建立了线圈与金属射流作用的有限元模型, 分析了励磁线圈中所施加脉冲电流参数对金属射流的影响规律。结果表明, 随着励磁线圈中所施加脉冲电流幅值的增大, 金属射流中的感应电流密度、磁感应强度及电磁力也随之增大, 励磁线圈中所施加的脉冲电流幅值J_max≥1×1010 A/m2, 才能保证金属射流可靠变形;随着励磁线圈中所施加脉冲电流频率的增加, 金属射流中的感应电流密度、磁感应强度及电磁力整体均呈现一定程度的趋肤效应, 且在一定的频率范围内, 趋肤层逐渐变薄, 分析得知, 当励磁线圈中脉冲电流的频率满足50 kHz≤f≤100 kHz时, 就能够保证金属射流发生有效变形, 进而延缓金属射流箍缩直至断裂的过程。     

校正磁场和COS／SIN线圈的设计

介绍了控制束心Ｃｏｒｋｓｃｒｅｗ运动的原理。给出了用ＣＯＳ／ＳＩＮＩ线圈方法产生引导磁场（校正磁场）并比较两种设计结果,指出用较严格设计的ＣＯＳ／ＳＩＮ线圈能更有效地调谐校正磁场。     

偏置磁场对磁致伸缩纵向导波换能器效能的影响研究

为提高磁致伸缩导波换能器的激励效能,本文研究了磁场结构参数对偏置磁场空间分布的影响。基于COMSOL有限元仿真平台,对磁致伸缩换能器磁场分布特性进行了数值计算,研究了磁路结构形式、磁路和永磁铁数量等对偏置磁场分布的影响,最后优化出适合纵向导波激励的磁场结构参数。检测实验结果表明,随着偏置磁场磁路数量的增加,偏置磁场强度增大,磁场径向均匀性更好,磁致伸缩换能器的效能也相应提高;在相同磁路数量的条件下,永磁体数量的改变对换能器效能影响较小,四磁路偏置磁场最优;轭铁中部增加永磁铁后的磁路结构的偏置磁场的轴向均匀性更高,其激励效能更好。     

基于空间连续尺寸场的动态均匀化方法

摘 要：提出了基于空间连续尺寸场的动态均匀化方法。方法以均匀化理论为基础,将各向同性蜂窝状微孔结构作为材料描述方式,合理的物理描述自然克服了动态优化中的局部模态现象。不同于将微孔结构尺寸变量依附于单元或节点,采用物质点对应的微孔尺寸为设计变量,基于修正过滤公式的形函数,构造了具有空间连续性的尺寸场,从而克服了棋盘格等数值不稳定性问题。基于复合函数求导法则,推导了总刚度阵、总质量阵等敏度表达式。以动态结构响应量最小化或最大化为目标,体积比为约束,建立了动态结构拓扑优化模型,通过二维结构数值算例对理论方法进行验证。结果表明,方法在连续体结构动态拓扑优化设计中具有可行性和有效。     

电感式磨粒传感器中铁磁质磨粒的磁特性研究

在电感式磨粒传感器中,铁磁质磨粒主要通过磁化作用改变传感器线圈的磁场分布,进而改变线圈的等效电感.建立了线圈中含有铁磁质磨粒时的磁场模型,得出了磨粒磁化场关于退磁因子的磁感应强度表达式.以球磨粒为例,通过计算球磨粒磁化场,得到球磨粒引起线圈电感变化率的解析式,并用有限元法计算了线圈的磁场,分析后发现:理论计算解与数值分析解相符,所建模型可以反映客观实际;磨粒的磁化强度由其磁导率和退磁因子共同决定,球磨粒的磁化强度可近似认为与磁导率无关;球磨粒引起的传感器线圈电感变化率随线圈单位长度上匝数的增加而减小,并趋向于一极限值;传感器线圈的电感变化率与球磨粒半径的三次方成正比,球磨粒半径在100μm以内,电感变化率在10-7数量级.本研究结论可为电感式磨粒传感器的设计提供理论指导.     

大面积矩形感性耦合等离子体源的三维流体力学模拟

利用自主开发的三维流体力学模型程序,对面向平板显示工艺和光伏工艺的大面积矩形感性耦合氩等离子体源进行了数值模拟.该模型自洽地求解了带电粒子以及中性粒子的流体方程和感应电场的波动方程.利用此模型,研究了气压、功率以及线圈形状对各种等离子体参数的三维空间分布和均匀性的影响.研究结果表明,当放电气压较低时(4 mTorr),电子密度的空间分布比较均匀,且电子密度的最大值出现在腔室的中心区域.感性沉积功率密度、激发态氩原子密度以及电子温度的最大值出现在线圈的下方.随着放电功率的增加,即从1000 W增加到4000 W,电子密度显著提高,但电子密度的空间分布变化不大.随着放电气压的升高,电子密度的均匀性明显下降,即电子密度的最大值主要局域在线圈下方.这是因为在较高的气压下,带电粒子与背景气体的碰撞增加,因此使得带电粒子的密度分布变得局域.此外,文章还研究了不同的线圈结构对于等离子体均匀性的影响.结果表明当气压较高(20 mTorr)时,使用圈,即通过改变线圈结构可以实现对等离子体均匀性的调控.文章的研究成果有助于加深对大面积矩形感性耦合等离子体放电特性的认知,这对于优化平板显示工艺以及光伏工艺至...     

多相材料传热微结构的多目标优化设计

提出基于散热弱度的材料微结构热传导性能的预测方法,分别从理论和数值上验证该方法与均匀化方法的等效性;推导出微结构等效热传导系数的灵敏度计算格式,建立传热微结构拓扑优化的数学模型.以二维、三维多相材料等效热传导系数的加权组合为目标,采用凸规划对偶优化算法和二次型周长约束进行材料微结构的设计和材料分布的棋盘格控制.数值算例表明基于散热弱度的传热材料微结构设计是可行、有效的,可以为实际的材料设计提供依据.     

低碳钢塑性变形量磁评定法研究

针对塑性变形量评定的局限问题,基于铁磁材料塑性变形致位错在不同方向分布不同的现象,研究了磁测法在定量评定低碳钢塑性变形量方面的应用前景。实验以工程中常用的低碳钢Q195钢板为测试材料,制作了形状尺寸一致的一批试件,并对其进行了不同程度的塑性变形量加载。通过搭建的磁化检测系统,采用相同强度及频率的正弦波激励,对所有样品进行了不同方向的磁化;同时经线圈及隧道磁敏电阻(TMR)采集了每次磁化的磁化曲线,提取了磁化曲线特征参数,对比了其与塑性变形量的定量关系。结果表明:随着塑性变形量的增加,铁磁钢材在同一磁场强度下产生的磁感应强度也会变大;沿主塑性变形方向磁化时,磁滞消耗能量最少,沿主塑性变形垂直方向磁化时,磁滞消耗的能量最多;磁路内磁场在主塑性变形方向上对塑变量的变化最敏感,而磁路外磁场在主塑变垂直方向上对塑变量的变化最敏感。实现了铁磁材料磁特征参数与塑性变形量的定量关联。本研究为开发简捷的铁磁材料塑性变形量无损评定磁方法奠定了基础。     

Topology optimization of piezocomposite resonator for maximizing excitation strength and synthesizing desired eigenmodes

A topology optimization method is proposed for the design of piezocomposite resonator with the aim of maximizing excitation strength and synthesizing desired eigenmodes.The objective function consists of maximizing the electromechanical coupling strength at the mode of interest.The topology layout of a structure with desired eigenmodes is obtained by adding the modal assurance criterion as additional constraint in the topology optimization model.Numerical examples are presented and the results illustrate that aside from maximizing the electromechanical coupling strength,the existing eigenmode of the piezocomposite resonator can be modified to be the desired one at the mode of interest.     

Analytic expression of magnetic field distribution of rectangular permanent magnets

From the molecular current viewpoint, an analytic expression exactly describing magnetic field distribution of rectangular permanent magnets magnetized sufficiently in one direction was derived from the Biot-Savart’s law. This expression is useful not only for the case of one rectangular permanent magnet bulk, but also for that of several rectangular permanent magnet bulks. By using this expression, the relations between magnetic field distribution and the size of rectangular permanent magnets as well as the magnitude of magnetic field and the distance from the point in the space to the top ( or bottom ) surface of rectangular permanent magnets were discussed in detail. All the calculating results are consistent with experimental ones. For transverse magnetic field which is a main magnetic field of rectangular permanent magnets, in order to describe its distribution, two quantities, one is the uniformity in magnitude and the other is the uniformity in distribution of magnetic field, were defined. Furthermore, the relations between them and the geometric size of the magnet as well as the distance from the surface of permanent magnets were investigated by these formulas. The numerical results show that the geometric size and the distance have a visible influence on the uniformity in magnitude and the uniformity in distribution of the magnetic field.     

核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计

核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进行磁屏蔽。从核磁共振陀螺磁屏蔽原理出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了多层磁屏蔽罩结构参数对磁屏蔽系数的影响,并对核磁共振陀螺磁屏罩进行了优化设计。设计的多层磁屏蔽罩磁屏蔽系数达到了106,满足核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。     

电磁连铸中梯约束效应的数值模拟

在连续铸刚中,控制钢的初期凝固有减小波纹状的表面振痕,对生产无表面缺陷的铸坯是极端重要的。由磁流体力学理论可知,利用交变磁场地磁约束效应,实现弯月与结晶器壁之间的“软接触”,从而能生产无表面缺陷的铸坯,在电磁连铸中,确定弯月面形状是磁约束计算中的重要内容,也是成功实现电磁连铸的关键,以基于高频高磁场的方形冷坩埚电磁连铸（４Ｃ过程）作为研究对象,导出以感应电流作为未知量的描述弯月面形状的流体和电磁等     

耦合运动多级感应线圈炮三维机电耦合模型

对于多级同步感应线圈炮来说,在以前的文献中比较成熟的模型是基于电流丝方法建立起来的机电模型,它的优点计算速度快,缺点无法考虑线圈炮的外围结构和材料特性对其产生的影响,针对这种情况,推导给出了总体采用矢量磁位 、电路中的驱动线圈中电流 作为求解对象的场路耦合瞬态电磁场模型,利用节点力法计算电枢所受的电磁力,根据电枢运动学模型,进一步推导出耦合运动的多级感应线圈炮的机电模型,并进行有限元离散求解。应用上述模型对5级感应线圈炮进行分析,计算结果与实验结果相吻合,验证了该模型的正确性。     

The construction of a coil to produce high pulsed magnetic fields

Summary In this paper we describe a pulse apparatus for producing strong magnetic fields by discharging a capacitor bank through a coil. A new construction technique for specially reinforced coils, wound with copper wires, allows us to produce a magnetic field of 570 kOe, with a pulse time of 5 ms.Finally we mention some calculations of the field homogeneity in the coils.     

High-flux magnetorheology at elevated temperatures

Commercial applications of magnetorheological (MR) fluids often require operation at elevated temperatures as a result of surrounding environmental conditions or intense localized viscous heating. Previous experimental investigations of thermal effects on MR fluids have reported significant reductions in the magnetorheological stress with increasing temperature, exceeding the predictions made by considering the thermal variations in the individual physical properties of the fluid and solid constituents of a typical MR fluid. In the low-flux regime, designers of MR fluid actuators can alleviate this thermal reduction in stress by increasing the applied magnetic field strength. However, this is not possible in the high-flux regime because of magnetic saturation, and it becomes necessary to explore and understand the intrinsic limitations of the fluid at elevated temperature. We describe a new magnetorheological fixture, which was designed as an accessory to a commercial torsional shear rheometer, capable of applying magnetic flux densities up to 1 T and controlling the sample temperature up to 150°C. During the design of the instrument, close attention was given to the uniformity of the magnetic field applied to the sample by using numerical simulations. Incorporation of a custom-built magnetic flux sensor which matches the environmental capabilities of the fixture enables in situ measurement of the local magnetic field at each temperature. The numerical results are also validated by spatially resolved measurements of the local magnetic field. Finally, we explore the ability of a shift factor between fluid magnetization and yield strength to describe the measured variation in the MR fluid response at elevated temperatures.     

模具冷却通道截面拓扑优化设计

本文提出一种模具冷却通道截面设计的拓扑优化方法。根据直通道的特性建立等效的温度场模型,用均匀流体速度场代替湍流流速场,构建对流换热方程,并用第三类边界条件对流道入口温度边界进行描述。建立考虑热应力的热-力耦合模型,对模具结构的热机械性能进行描述。通过引入离散体过滤法得到含圆形通道的截面拓扑,并加入几何约束解决离散体法导致的相混问题。分别以模具表面的平均温度和位移均匀性为优化目标及约束条件,构建拓扑优化列式。通过平顶模具与U型模具设计实例,验证了本文方法的可行性。设计结果表明,本文方法能够得到清晰的拓扑结构,而且优化结果满足给定的管径、管间距及管到模面距离等尺寸约束。