组合网格法及其在电磁问题中的应用

提出了应用组合网格法解决电磁问题的思想。论述了该方法的基本原理和计算步骤,将计算结果与单套网格的计算结果比较,总结了该方法应用过程中应注意的问题。指出了当粗细网格材料不同时应在细网格区域外加一层粗网格区域的材料,从而提高解的精度。将该方法应用于一个运动电磁问题,证明了它的有效性和准确性。     

改进电流丝法及其在感应线圈炮场路结合分析中的应用

对线圈炮路方法——电流丝法进行了修改,通过对激励线圈进行剖分提高了等效网络中的互感计算精度,使电流丝法能够更准确地分析线圈炮的性能。为了验证修改后电流丝法的有效性并对线圈炮的电磁暂态进行研究,将电流丝模型计算得到的激励线圈电流加载到对应的场模型中,实现对线圈炮的场路结合分析。线圈炮的场模型基于三维组合网格法建立,组合网格法使用2套网格分别离散静止和运动区域,2套网格之间没有拓扑约束从而克服了常规有限元法在处理运动导体涡流场问题时需要重剖分的麻烦。通过电流丝法改进前后场路结合法计算结果的对比可知,对激励线圈进行剖分可以提高场分析和路分析结果的一致性。提出的场路结合法使感应线圈炮的精细化分析成为可能。     

变频调速异步电机场路分析中的动态网格剖分

本文针对变频调速异步电机场路计算中，动态网格剖分的困难性，通过几种常用有限元剖分方法的比较，变形和简化了前推-Delaunay网格剖分算法，根据异步电机的结构特点衍生出了一种可以适用于变频调速电机设计与分析的新的动态网格剖分算法。该算法就是把要剖分的区域划分成几个带状小区域，根据距离最短原则生成网格。并且编程实现了有限元剖分模块。该方法与经典的ANSYS软件剖分进行了比较：有效剖分节点数、单元数，以及所占用的计算机CPU时间、内存，都远远小于ANSYS软件的剖分结果。从而证明了该方法的有效性。     

特高压直流输电系统阀厅金具表面电场精细求解

特高压直流输电系统阀厅内部结构复杂,采用有限元(FEM)法模拟计算其内部电场时剖分困难。为此,结合某±800 k V特高压换流站阀厅的3维全模型,基于模块化与独立化的思想,提出了实体模型区域化网格剖分方法。该方法克服了复杂模型下网格剖分困难、对计算机硬件要求高的问题,剖分后可获得质量较高的网格。针对模型单元数较多的情况,选用不完全Cholesky分解预处理共轭梯度法(ICCG)求解复杂模型的有限元方程组。最后结合区域网格剖分与子模型技术,实现了阀厅内局部区域电场强度的准确计算。结果表明:将求解域尺寸设置为内部模型尺寸的1.3倍以上时,所得到的切割边界符合子模型计算要求,此时边界上的最大计算误差≤2%,子模型电场计算精度满足要求。     

大规模复杂模型电场计算的快速精细化有限元数值建模

有限元法是电场数值计算中普遍采用的一种方法,当求解域内实体较多且结构复杂时,整体模型的区域离散往往难度较大。为此,基于模型的基本几何形态,提出一种针对复杂模型电场数值分析的快速建模剖分方法。以简单2维模型为例,介绍外包区域实体生成及相互位置关系判断算法,结合有限元电场计算时的网格剖分策略,参数化实现模型表面多层网格加密,剖分的效率及质量较高。将该方法应用于特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)阀厅设备表面电场计算中,计算结果表明:该方法较子模型法计算所得结果最大误差仅为3.80%,计算效率较子模型法大幅提高。该方法实现了大型复杂模型表面网格精细化控制,对大规模有限元电场计算的快速、准确建模具有一定指导意义。     

变频调速异步电机场路分析中的动态网格剖分

本文针对变频调速异步电机场路计算中 ,动态网格剖分的困难性 ,通过几种常用有限元剖分方法的比较 ,变形和简化了前推 Delaunay网格剖分算法 ,根据异步电机的结构特点衍生出了一种可以适用于变频调速电机设计与分析的新的动态网格剖分算法。该算法就是把要剖分的区域划分成几个带状小区域 ,根据距离最短原则生成网格。并且编程实现了有限元剖分模块。该方法与经典的ANSYS软件剖分进行了比较 :有效剖分节点数、单元数 ,以及所占用的计算机CPU时间、内存 ,都远远小于ANSYS软件的剖分结果。从而证明了该方法的有效性。     

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。     

一种基于有限元法与改进无网格法耦合的双定子电机振动噪声分析方法（英文）

针对传统有限元法在电机的多物理场耦合计算过程中存在计算量大、耗时长、精度过于依赖网格剖分的缺点,而传统无网格法又存在边界条件施加不方便,在收敛计算过程中矩阵容易产生病态的缺陷。以一台电动汽车用双定子永磁电机为例,提出一种将有限元法与改进无网格法结合的多物理场耦合分析计算方法,来解决旋转机械的振动噪声计算问题。首先,建立电机二维有限元电磁模型,然后深入研究了考虑任意电流激励下的电机电磁力。其次,分别将内外定子齿及永磁体电磁力导入基于有限元和无网格法的三维结构场中进行谐响应分析。在多物理场耦合分析过程中,精确的边界条件和数据传输是求解的关键所在。该文通过在有限元法与无网格法交界面之间的过渡区域内构造一个不匹配的网格数据映射矩阵,可以较好地解决有限元-无网格耦合计算边值问题,实现了两种方法之间的数据映射。然后,将振动分析结果作为边界条件,利用有限元法计算辐射噪声。再次,针对传统无网格-有限元耦合方法求解过程中存在截断误差的缺点,提出构造一种通过修改局部基函数的方法对无网格法进行优化并重新计算谐响应运动。最后,将这两种无网格方法仿真结果与基于有限元计算结果及实验进行对比,在验证了该文耦合计算结...     

一种参数化网格剖分方法及其在电机优化设计中的应用

提出了一种适用于电机优化设计的参数化网格剖分方法。该方法将所有剖分节点坐标表示为一组几何参数的线性函数,当电机的几何尺寸变化时不需要网格重新剖分,能显著减少有限元(finite element method,FEM)预处理时间,并通过自适应网格剖分方法和交换对角线技术提高网格单元质量。对电机的参数化网格剖分模型进行FEM计算,利用表面响应法对FEM计算的结果进行处理,构建电机的优化模型,再利用粒子群优化算法寻求优化模型的最优解,得到电机的最优结构参数。将该方法应用于电机优化设计的两个实例,验证了其有效性。     

输电线路电场计算的非连续网格有限元法

本文利用有限元方法计算了输电线路沿线的电场,同时利用分界面自由度耦合的非连续网格法进行网格剖分,提高了计算效率。经500kV交流输电线路模型计算分析得出,在距离地面1.5m处电场强度未超过国家标准限值。论证了分界面自由度耦合的非连续网格有限元法适用于"大尺寸区域小尺寸元件"模型的网格剖分,适用于输电线路电场的计算。     

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。     

某大型海底隧道接地网特性计算

鉴于现有的用于计算发变电站地网的解析公式对特殊形状的大型海底隧道接地网并不适用,采用有限元法对某大型海底隧道接地网建立了计算模型,得到该地网的接地电阻、最大地网电位升、跨步电压、接触电压等参数,并参照相关规程对计算结果进行了综合评价。提出通过把隧道两端变电站地网与隧道地网并联的方法来降低隧道内部地网接地电阻并讨论了采用该方法需注意的相关问题。此研究成果对于大型海底隧道的接地网设计具有一定的指导价值。     

基于非均匀FDTD混合算法的微带电路电磁耦合分析

微带电路包含微带线以及电路元件等局部精细结构,采用传统的FDTD方法进行电磁波照射PCB板电磁耦合的全波模拟,因网格剖分得很细,导致网格量大,计算效率低下.将非均匀FDTD方法与多网格集总元件FDTD方法结合起来,形成一种新的FDTD混合算法,模拟了电磁脉冲对带有集总元件微带电路的电磁耦合,能够快速计算得到集总元件上耦合产生的瞬态电压和电流响应.通过与有限积分法软件的仿真结果进行对比,验证了该时域混合算法的正确性,并分析了不同电磁脉冲类型以及微带线线间距对微带电路电磁耦合的影响.     

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。     

基于双倒易边界元法的非稳态导热几何边界识别

采用基于双倒易边界元法和共轭梯度法的反演算法求解二维非稳态导热边界识别问题。正问题采用双倒易边界元法求解,该法避免了传统边界元法需进行区域积分的缺点,仅需纯边界积分计算。反问题的解在正问题的基础上通过共轭梯度法最小化目标函数得到。考虑了管道和空腔未知边界为正弦曲线、偏心圆、椭圆等形状时的识别情况,讨论了初值、测量误差和加热热流大小等因素对反演解精度的影响。结果表明,该方法能将各种不规则边界识别出来,对初值和测量误差不敏感,加热热流增大时反演解精度有所提高。     

一种基于边界元离散的导热问题几何边界识别算法

采用基于边界元法和共轭梯度法的反演算法求解二维导热边界识别问题,即几何反问题。正问题采用边界元法求解,反问题的解则在正问题的基础上通过共轭梯度法优化目标函数得到。考虑了未知边界为偏心圆、正弦曲线、椭圆等形状时的识别情况,讨论了初值、测量误差和测量点数等因素对反演解精度的影响。结果表明,该方法能将各种不规则边界识别出来,对初值和测量误差不敏感,测量点数适当减少对反演解精度影响不大,测量点离未知边界越近反演解精度越高。     

非重叠Mortar有限元法在电磁分析中的应用

Mortar元法（mortarelement method,MEM）是一种新型区域分解算法,它允许将求解区域分解为多个子域,在各个区域以最适合子域特征的方式离散。在各个区域的交界面上,边界节点不要求逐点匹配,而是通过建立加权积分形式的Mortar条件使得交界面上的传递条件在分布意义上满足。Mortar有限元法（mortar finite element method,MFEM）将MEM和有限元法（finite element method,FEM）相结合,在各区域中分别使用FEM网格离散,区域的交界面上通过施加Mortar条件实现区域间的自由度连续。该文阐述了非重叠Mortar有限单元法（non-overlappingMFEM,NO-MVEM）的基本原理,介绍了NO-MFEM的程序实现过程,使用NO-MFEM对2维静磁场问题和3维静电场问题进行了计算,并与FEM模型结果进行对比,验证了该文方法咐有效性。将NO-MFEM应用于电磁分析,丰富了电磁场数值计算理论,为运动涡流问题和大规模问题的分析提供了新的选择。     

变电站接地网的频域有限元方法

变电站接地网的安全性问题已成为电力系统电磁兼容的重要研究课题之一。文中基于有限元方法，将接地网一维导体单元与三维土壤单元相耦合，并考虑导体阻抗的频变特性，研究变电站接地网的接地性能。与三维有限元的A-V方法相比，该文计算方法的计算量大大降低，同时可以考虑频率对接地网接地性能的影响。通过与矩量法和测量结果进行比较，验证了该计算方法的正确性和有效性。利用计算得到的接地网导体轴向电流和土壤泄漏分布电流，进一步计算了接地网产生的空间磁场强度。结果表明，文中方法与矩量法的计算结果略有差异，原因在于矩量法中未考虑土壤泄漏分布电流的影响，文中计算方法可以方便地应用于复合土壤结构的接地网的接地性能分析。     

大地电导率横向变化对地磁暴感应电场H极化及地磁感应电流的影响

磁暴感应地电场在输电网、铁路、管线中产生地磁感应电流(GIC),对设备的正常运行产生不利影响。大地电导率的横向差异使磁暴感应地电场在海岸等复杂地质结构地区发生畸变,而"海岸效应"就是H极化情况下的一种典型畸变现象。本文考虑大地电导率的横向变化建立了分块模型,应用有限元法计算了H极化情况下磁暴感应地电流场的分布,定量分析电导率变化系数与地电场畸变现象之间的关系,揭示大地电导率横向差异对地电场分布的影响规律;假设变电站位于分界面附近,讨论电导率变化系数、变电站与分界面距离等因素对线路GIC的影响,为电网GIC的准确计算提供理论基础。     

A Student-Oriented Finite Element Program for Electrostatic Potential Problems

The use of FINEL, a finite element program for electrostatic potential problems, in an electrical and computer engineering undergraduate course in field analysis at Carnegie-Mellon University is described. Motivation for this coverage derives from the widespread introduction and rapid growth of the method in the context of practical applications. FINEL is accompanied by PLOTR, a program for drawing the finite element grid and equipotential lines on a Tektronix plotting terminal or CALCOMP plotter. Finite element grids and equipotential structures for several specific problems are shown.