非重叠Mortar有限单元法在运动导体涡流场计算中的应用

使用非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping mortarfinite element method,NO-MFEM)对2维轴对称滑动问题进行了计算。在处理运动问题时,NO-MFEM将求解区域分解为运动和静止2个子域。在子域交界面上,NO-MFEM不要求节点逐点匹配,在运动发生后只需要改变运动部件所在区域节点的坐标,从而克服了传统有限元法(finite elementmethod,FEM)在处理运动问题时需要不断进行网格重剖的麻烦。该文首先介绍了NO-MFEM的基本原理;说明了适合于该方法处理的运动问题的类型;通过2维静电场问题分析了NO-MFEM的非协调误差;使用NO-MFEM对感应线圈炮模型进行了计算,分析了发射过程中不同时刻空间磁场和电枢涡流的分布,通过与实验结果和其他数值仿真结果进行对比,验证了NO-MFEM在处理运动导体涡流场(moving conductor eddy current,MCEC)问题上的有效性。     

非重叠Mortar有限元法及其并行计算在静电场问题中的应用

采用Mortar有限单元法(mortar finite element method,MFEM)能够得到正定、对称的系数矩阵,而且刚度矩阵是分块对称的,这种特点适合于并行迭代求解。阐述了非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping MFEM,NO-MFEM)的基本原理,介绍了适合于NO-MFEM并行计算的区域分解策略以及并行求解的基本流程。针对简单2维静电场问题,使用NO-MFEM进行了并行计算,并与理论值和串行计算结果进行对比,验证了所提方法的有效性。同时,对于非协调网格造成的计算误差进行了分析。NO-MFEM法的并行计算为工程应用中优化设计问题的区域分解和并行求解提供了一种新的选择。     

有限元–边界元耦合法在运动导体涡流场中的应用

基于A,φ-A法和库伦规范,推导了导体区域和非导体区域的有限元方程及自由空间的边界元方程,通过引入交界面条件,实现了将边界元矩阵等效为有限元矩阵求解的有限元-边界元耦合法(finite element and boundary element coupling method,FE-BECM)。将FE-BECM应用于TEAM-7问题的计算,验证了该方法处理开域涡流问题的有效性。当FE-BECM应用于运动导体涡流场(moving conductor eddy current,MCEC)问题时,用有限元离散源电流区域和运动部件,用边界元离散自由空间并关联相互独立的有限元区域。该方法克服了常规有限元法使用1套网格处理运动问题所遇到的麻烦。使用有限元-边界元耦合法对单级线圈炮问题进行了计算,验证了算法处理运动导体涡流场问题的有效性。     

基于改进声学有限元法的主变压器室噪声场计算

传统声学有限元法(finite element method,FEM)难以准确表征温升效应引起的主变室大空间空气介质参数变化,导致温度场-声场耦合作用下变电站主变压器室噪声场计算误差过大。在声学FEM算法基础上,引入计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),提取大空间主变室的复杂空间介质参量,并对波动积分方程进行改进,提出一种基于改进声学FEM的主变室内噪声场求解算法。首先,建立温度场影响下的主变室流变模型,采用CFD表征主变室大空间温度场离散空间介质参量;然后,基于流-声网格映射理论,将温度场离散空间介质参量与声音网格进行映射,建立修正大空间空气介质参数后的声学FEM积分方程;最后,基于常规Gauss数值积分法和引入Kirchhoff-Helmholtz方程,对修正声学FEM积分方程进行联合求解。该算法在西安110 kV昌明变电站1号主变室噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值误差为2.168%。     

基于有限元和虚位移原理的电机内电磁力密度计算新方法

电机内电磁力密度的精确计算对电机的结构设计及故障诊断具有重要意义,然而目前尚缺乏简便实用的电磁力密度数值计算方法。为此,在有限元分析方法(finite element method,FEM)和局部虚位移法的基础上,按虚功等效的原则建立由等效节点力进一步计算介质内部电磁力密度和不同介质交界面处电磁应力的数学模型,进而推导了二维平行平面场条件下的具体计算公式。实例计算表明,与其它算法相比,该方法在相同剖分下具有较高的计算精度,且计算结果受剖分的影响较小。     

三维瞬态涡流场的全 H 棱边有限元边界元耦合算法研究

提出了求解三维瞬态涡流场的一种新方法———全Ｈ棱边有限元边界元耦合法。即在涡流区以磁场强度Ｈ为求解变量用棱边有限元法离散，在非涡流区以Ｈ为求解变量用棱边边界元法离散，在这两个区域的交界面上进行耦合，充分发挥了有限元法和边界元法的各自优点。棱边元的应用使两种方法在交界面上的耦合显得很简单，最后用这种方法计算了ＴＥＡＭＷＯＲＫＳＨＯＰ问题７，计算结果符合实测情况。     

采用MATLAB仿真的变电站高压进线温度场和载流量数值计算

随着电力电缆在输配电线路中的广泛应用,准确确定电力电缆及其周围环境温度场的分布和电缆的载流量对于提高电力电缆的使用率、动态调整负荷具有重要的意义。为此,以地下排管敷设的交联聚乙烯电力电缆为研究对象,其实际模型为1个容量为250MVA、额定电压为230kV的变电站的高压进线。根据传热学和有限元法(finite element method,FEM)基本原理,建立了1种基于有限元法的水泥排管敷设电缆温度场计算模型,并对电缆及其周围环境的求解区域进行复合有限三角形单元剖分,即对电缆区域进行较密集的网格划分,而对电缆周围的土壤区域则进行较为稀疏的网格划分,以提高程序的运算精度和运行速度。结果表明:用MATLAB软件仿真,从而得到电缆及其周围环境的温度场分布,迭代计算了排管敷设交联聚乙烯电缆的载流量。证明使用有限元的方法分析地下电缆温度场,为电力工程中电缆载流量确定提供了一个比较可靠的计算方法。     

基于区域分解求解磁暴感应地电场的广义极小残量迭代算法

采用区域分解法求解多尺度磁暴感应地电场模型,对每个分解区域采用有限元法(FEM)建模求解。为简化迭代计算过程,避免非重叠区域分解在交界面上边界条件的处理,本文采用重叠型的区域分解方式。选择虚拟边界上的位函数作为未知变量,基于有限元计算的线性关系,将多尺度磁暴感应地电场问题最终转化为非对称复数线性方程组。为节省计算内存,在不直接具体求解方程组系数矩阵的情况下,依据Arnoldi正交化算法和广义极小残量(GMRES)法的数学原理,推导区域分解的GMRES迭代算法。本文选择在整体大尺度磁暴感应地电场求解模型中,分解出小尺度模型,形成多尺度求解模型。针对二维情形和三维情形,分别阐述了迭代的变量选取和迭代过程。以有限元法直接求解的计算结果为基准进行对比,验证了算法的正确性。二维情况下,通过与直接迭代和松弛迭代的对比,验证了本文算法的高效性。利用本文的算法计算多尺度磁暴感应地电场的算例模型为多尺度交变电磁场计算提供了一种新方法。     

基于缩减基有限元法的灭弧室快速优化

针对高压电气设备电场逆问题的快速求解,将缩减基技术和有限元法有效结合,提出了一种用于快速求解电气设备电场逆问题的新方法,即缩减基有限元方法(reduced basis finite element method,RBFEM),分析了RBFEM的基本原理,并以气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)灭弧室的触头优化为例,详细介绍了基于RBFEM的快速优化算法的实现过程,包括建立数学模型、目标函数和设计变量的选定、给出优化策略、样本参数采样策略的选择、子域的分解以及样本参数N值的取值等关键问题。并对优化后的灭弧室触头形状利用ANSYS求解计算,得到的计算结果与RBFEM求得的计算结果相比误差为1.3%,可知RBFEM算法是有效的。     

对偶有限元法计算电磁参数的研究

本文导出了二维线性涡流场中通过直接求解场强(?及?)来计算电磁参数上、下界值的对偶有限元离散格式,提出了一种斜铁磁边界上及角点处磁场强度的给定方法,指出了出现上、下界颠倒现象的原因.通过计算实例表明,将对偶有限元法应用于工程实际问题尚有一定困难.     

基于有限元与有限体积法的直流输电线路合成电场计算方法

高压直流输电线路发生电晕放电时,周围空间会充满带电离子,从而使空间电场显著增强.为了准确计算地面合成电场,基于有限元和有限体积法提出一种计算直流输电线路合成电场的混合方法.为了验证该文算法的有效性,在实验室搭建了单极性、双极性导线以及分裂导线的实验模型,并进行了大量合成电场测试.同时,与已有算法的计算结果进行了对比.实验验证和算法间对比均表明,该方法具有较好的精度.采用所提出的方法对±800kV直流输电线路的地面合成电场进行了预测.     

Optimum design of a long-stroke thin linear DC motor

Computers have been more widely used in recent years. Researchers are now able to analyze a magnetic field using the finite element method. A motor can be designed more effectively and rationally. It is important to understand design space. Design space means the limit of the thrust or design variables within constraints. Within these limited dimensions, a linear dc motor (LDM) for a pen recorder is designed. This LDM is very thin with long strokes. It is described as follows: (1) the thickness of the permanent magnet and the length of the gap are selected as the design variables in the magnetic circuit of the LDM; (2) the effective magnetic flux density of LDMs using the 3-D finite element method is compared; (3) the design space of thin LDM with long strokes is clarified. The LDM measurement value (thrust constant) was increased at 0.60 N/A from the first LDM. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (4): 84–93, 1997     

河床式水电站混凝土蜗壳抗裂和限裂研究

结合某河床式水电站工程实际,对混凝土蜗壳结构进行了三维非线性有限元分析,探讨了钢纤维混凝土、环氧砂浆等材料在蜗壳抗裂和限裂方面的作用。研究表明:混凝土蜗壳虽承受水头不高,但孔口尺寸较大,在蜗壳顶板、底板与边墙相交处、机墩等部位易发生开裂;对规模较大的混凝土蜗壳,采用高强混凝土或钢纤维混凝土可减轻混凝土损伤,但抗裂效果并不显著,且带来水化热较大、施工工艺复杂等问题,可根据实际情况选择强度较低的混凝土,限制结构裂缝宽度在允许范围内,并做好防渗措施;在蜗壳混凝土内表面设钢衬或环氧砂浆涂层均是有效的防渗措施,亦可承担部分荷载,有助于控制裂缝宽度,但环氧砂浆存在老化、脱落等问题,耐久性低于钢衬。     

750 kV避雷器阀片电压最大偏差的多变量拟合

利用有限元法建立和分析了750 kV避雷器置于地面时的2D轴对称静电场模型,提出了以避雷器阀片电压偏差最小化为目标函数的避雷器设计方法。在拟合目标函数与各均压环直径、悬挂高度单变量的基础上,结合最小二乘法,求解出阀片电压最大偏差与所有均压环直径和悬挂高度的多变量关系。设定这些变量的取值范围后,求取了该表达式的最小值,从而设计出了阀片电压偏差最小时的所有均压环排列。该最小值与有限元计算结果的一致性说明,多变量拟合所得阀片电压最大偏差与各均压环尺寸间的关系揭示了物理量间的内在规律,为优化设计避雷器甚至其它电力设备提供了一条途径。     

有限元和有限体积法结合的油浸式变压器温度场计算方法

油浸式电力变压器是电网中的重要设备。为了准确得到油浸变压器的温度场,文章经过对比有限元和有限体积法的各自优点,提出了一种新的变压器温度场分布的混合计算方法;以一台110 kV/31.5 MVA变压器为例建立立体模型,并利用有限元和有限体积混合方法,得到变压器的温度场分布结果。通过对比运行监测到的变压器顶层油温数据和混合方法得到的计算结果,结果表明,混合计算方法的计算结果与监测数据的平均误差只有1.6℃,证明了这种计算方法能更准确计算油浸式变压器的温度场。     

电力机车主变压器油箱损耗的三维有限元分析

利用基于边单元的有限元法,对一台200km/h高速电力机车主变压器的油箱损耗进行了三维有限元分析和计算。由于电力机车主变压器是高漏抗,多绕组变压器,经试验(采用放大法)得到该台变压器油箱损耗为31.245kW,使用FEM二维有限元分析法计算结果为45.791kW,而采用三维有限元分析法计算结果为30.478kW。从而表明,采用三维有限元分析能够更加准确地计算主变压器油箱的涡流分布和杂散损耗,为其采取有效的屏蔽措施提供了更加可靠的科学依据。     

基于支持向量机和遗传算法的爪极发电机建模及参数优化

爪极发电机广泛应用于汽车、航天等国民经济重要领域,高质量的发电机输出电压是用电设备可靠运行的重要保证.本文从爪极发电机有限元仿真计算出发,通过电机参数样本空间设计,利用支持向量机对其电磁模型进行非线性回归分析,而后利用遗传算法对其结构进行优化.仿真结果表明,所建立的非参数模型是准确可行、并且是高效的.采用支持向量机回归方法和遗传算法相结合对电机的结构参数进行优化,为电机优化设计提供了一种新的思路.