《帶有高速運動導體的三維暫態電磁場計算方法研究》是依託清華大學，由袁建生擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：帶有高速運動導體的三維暫態電磁場計算方法研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：袁建生
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電磁發射是通過脈衝電流將電樞加速到大於數倍火炮炮彈的速度(達5km/s)。而常規電磁設備電磁計算方法或軟體(如ANSYS)當導體速度大於0.5km/s時便出現問題。主要原因是速度項對有限元剛度陣性質的影響，加之時間步長、導體運動空間步長和單元尺寸的選擇不合理，暫態疊代計算過程中每步的誤差累積，造成運動導體內的場量迅速出現局部過大而溢出，計算發散。本項目將通過研究運動坐標系下的電磁場方程，從根本上改變速度項的突出影響；研究快速瞬態場計算的時間步長、空間步長、格線單元尺度與導體電氣參數及場量之間的物理和數學關係，得到由場量的時時狀態自適應確定步長的方法，實現上升沿小於毫秒、脈寬幾毫秒的電流激勵下，導體速度高於5km/s的三維問題有限元求解。並研究處理運動與非運動導體界面的非連續單元方法、暫態電流源的施加方法和並行計算方法。給出時域有限元計算高速導體問題的有效實施技術，形成有效穩定的計算方法。
結題摘要
有許多實際問題是帶有高速運動導體的暫態電磁場仿真計算問題，如電磁軌道炮和高速磁懸浮軸承等。針對常規運動速度實現的算法與開發的軟體一般不能滿足高速問題的求解。主要原因是速度項對有限元剛度陣性質的影響，暫態求解時間步長、導體運動空間步長和單元尺寸的配合需要特殊處理並滿足一定要求。否則，暫態疊代計算過程中每步的誤差累積會造成求解發散或產生很大計算誤差。本項目的主要研究內容包括：三維暫態電磁場計算方法研究，主要是通過位函式精確計算電場強度和電流密度的有限元方法研究；速度對有限元剛度陣性質的影響以及時間步長、導體運動空間步長和單元尺寸對剛度陣性質以及計算穩定性的影響；處理運動與非運動導體界面以及接觸面之間存在窄縫隙的計算方法研究；另外還研究了暫態電流源的施加方法。主要成果包括：提出了一種三維全域場強精確計算有限元方法，該方法是在有限元法計算出節點矢量磁位與電位後通過再次求解有限元方程得到節點電場強度和電流密度，該方法雖然需要付出計算時間代價，但可以大大提高場強和電流密度的計算精度；分析了時間步長、導體運動空間步長和單元尺寸之間需要匹配關係的原因，並給出了三者合理匹配的基本策略，由此可以提高疊代計算的穩定性與計算精度；為了處理運動與非運動導體界面存在的窄縫隙，提出了一種幾何上移除該縫隙而通過界面上矢量磁位耦合而電位不耦合實現界面上磁場連續而電流場不連續的仿真方法，利用該方法可以有效處理導體界面的窄縫隙問題，避開了有限元法不能求解窄縫問題的弊端；提出了一種暫態電磁場計算中通過施加電壓源而間接實現電流源激勵的計算方法，該方法容易實現，且基本不影響計算精度。基於該項目中提出的方法所開發的計算程式可以實現電樞速度高達5km/s的電磁軌道炮的電磁場仿真計算。
