电磁激振器多场耦合仿真分析及体积优化设计

论文摘要

激振器是建筑工程中最常见的机械之一,传统的激振器多为液压式和气动式。电磁作为一种清洁能源一直备受关注,随着电磁理论的发展以及新材料技术的革新,各种新型磁力机械不断涌现,电磁激振器也应运而生。与传统的激振器相比电磁激振器具有可控性强、节能环保、效率高、寿命长、工作平稳、可靠性高和应用范围广等优点。电磁激振器是直流动铁式激振器,其工作过程是非线性的,是电磁场、结构场以及温度场多场耦合的复杂过程,一直以来多场耦合下电磁场的准确求解一直是研究的关键和难点。因为准确的仿真计算结果可以验证设计的结构是否符合技术要求以及帮助设计人员进行结构的修改,从而有效的减少了实际测试的次数,提高设计效率,降低设计成本。针对这个问题,本文对电磁激振器的电磁场-结构场耦合场进行了仿真和分析。首先,对电磁场计算的基本理论和有限元的基本理论进行了归纳,得到电磁场重要参数的一般分析方法和求解过程,建立了电磁激振器求解的数学模型。其次,提出了一些合理的简化,建立了电磁激振器多场耦合的有限元模型,并进行了仿真分析,得到了电磁激振器的磁力线分布情况图、磁流密度矢量图、节点磁通密度等值云图、电磁激振器阀芯受力与气隙关系的曲线图、能量与气隙关系曲线图以及线圈电感与气隙关系曲线图。最后,在现有实验条件,设计了测试阀芯加速度的实验以验证所得到的磁-结构耦合仿真模型的可行性与准确性,并测绘了加速度曲线图。将实验所得数据和软件模拟仿真的数据进行了比对,结果显示误差在允许范围内。说明运用多场耦合有限元仿真分析来研究实际工程问题有一定的可靠性和准确性。在此基础上,将线圈的高和宽作为设计变量,提取计算的端面吸力作为状态变量,电磁铁体积作为目标函数,对样机的电磁铁进行了体积的优化设计,使优化后的电磁铁结构尺寸既满足技术要求,又符合体积最小的优化设计准则。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的背景和现状
• 1.2.1 研究的背景和意义
• 1.2.3 国内外研究现状
• 1.3 电磁激振器的设计
• 1.4 课题研究的主要内容和方法
• 第二章 电磁激振器分析和计算
• 2.1 电磁激振器的结构与性能分析
• 2.1.1 电磁激振器的基本结构
• 2.1.2 电磁激振器的性能特性
• 2.2 电磁激振器电磁场的计算
• 2.2.1 Maxwell方程组
• 2.2.2 自感储能的数值计算
• 2.2.3 磁能的数值计算
• 2.2.4 磁场力的数值计算
• 2.3 电磁激振器的研究方案
• 2.3.1 电磁激振器的数学模型
• 2.3.2 数学模型求解方案的确定
• 2.4 本章小结
• 第三章 耦合仿真计算方法
• 3.1 电磁场仿真的计算方法
• 3.1.1 矩量法
• 3.1.2 时域有限差分法
• 3.1.3 有限元法
• 3.2 多场耦合的数值计算方法
• 3.2.1 参数耦合法
• 3.2.2 方程直接耦合法
• 3.3 本章小结
• 第四章 电磁激振器多场耦合仿真与分析
• 4.1 电磁激振器多场耦合仿真基础
• 4.1.1 仿真理论与仿真软件
• 4.1.2 Ansys多场耦合介绍
• 4.2 电磁激振器耦合建模
• 4.3 仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 原型样机实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 原型样机实验与结果分析
• 5.2.1 综合实验方案的拟定
• 5.2.2 实验仪器与步骤
• 5.2.3 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 电磁激振器的结构优化设计
• 6.1 Ansys优化设计原理
• 6.2 激振器的结构优化设计
• 6.2.1 优化的设定
• 6.2.2 优化过程与结果
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A: 攻读学位期间发表的论文目录