带有高速运动导体的三维暂态电磁场计算方法研究

电磁发射是通过脉冲电流将电枢加速到大于数倍火炮炮弹的速度(达5km/s)。而常规电磁设备电磁计算方法或软件(如ANSYS)当导体速度大于0.5km/s时便出现问题。主要原因是速度项对有限元刚度阵性质的影响，加之时间步长、导体运动空间步长和单元尺寸的选择不合理，暂态迭代计算过程中每步的误差累积，造成运动导体内的场量迅速出现局部过大而溢出，计算发散。本项目将通过研究运动坐标系下的电磁场方程，从根本上改变速度项的突出影响；研究快速瞬态场计算的时间步长、空间步长、网格单元尺度与导体电气参数及场量之间的物理和数学关系，得到由场量的时时状态自适应确定步长的方法，实现上升沿小于毫秒、脉宽几毫秒的电流激励下，导体速度高于5km/s的三维问题有限元求解。并研究处理运动与非运动导体界面的非连续单元方法、暂态电流源的施加方法和并行计算方法。给出时域有限元计算高速导体问题的有效实施技术，形成有效稳定的计算方法。

有许多实际问题是带有高速运动导体的暂态电磁场仿真计算问题，如电磁轨道炮和高速磁悬浮轴承等。针对常规运动速度实现的算法与开发的软件一般不能满足高速问题的求解。主要原因是速度项对有限元刚度阵性质的影响，暂态求解时间步长、导体运动空间步长和单元尺寸的配合需要特殊处理并满足一定要求。否则，暂态迭代计算过程中每步的误差累积会造成求解发散或产生很大计算误差。本项目的主要研究内容包括：三维暂态电磁场计算方法研究，主要是通过位函数精确计算电场强度和电流密度的有限元方法研究；速度对有限元刚度阵性质的影响以及时间步长、导体运动空间步长和单元尺寸对刚度阵性质以及计算稳定性的影响；处理运动与非运动导体界面以及接触面之间存在窄缝隙的计算方法研究；另外还研究了暂态电流源的施加方法。主要成果包括：提出了一种三维全域场强精确计算有限元方法，该方法是在有限元法计算出节点矢量磁位与电位后通过再次求解有限元方程得到节点电场强度和电流密度，该方法虽然需要付出计算时间代价，但可以大大提高场强和电流密度的计算精度；分析了时间步长、导体运动空间步长和单元尺寸之间需要匹配关系的原因，并给出了三者合理匹配的基本策略，由此可以提高迭代计算的稳定性与计算精度；为了处理运动与非运动导体界面存在的窄缝隙，提出了一种几何上移除该缝隙而通过界面上矢量磁位耦合而电位不耦合实现界面上磁场连续而电流场不连续的仿真方法，利用该方法可以有效处理导体界面的窄缝隙问题，避开了有限元法不能求解窄缝问题的弊端；提出了一种暂态电磁场计算中通过施加电压源而间接实现电流源激励的计算方法，该方法容易实现，且基本不影响计算精度。基于该项目中提出的方法所开发的计算程序可以实现电枢速度高达5km/s的电磁轨道炮的电磁场仿真计算。