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毕业设计(论文)
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毕业设计(论文)报告
题目:
设计及其运行性能的有限元电磁场仿真计算毕业论文
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设计及其运行性能的有限元电磁场仿真计算毕业论文
摘要:本文主要针对设计及其运行性能的有限元电磁场仿真计算进行研究。首先对有限元电磁场仿真计算的基本原理和流程进行了概述,然后详细分析了有限元电磁场仿真计算在工程应用中的重要性。针对设计及其运行性能的仿真,提出了基于有限元电磁场仿真计算的设计方法,并对仿真结果进行了分析。最后,对仿真计算中可能遇到的问题和解决方法进行了总结。本文的研究成果对工程实践具有一定的指导意义。
随着科学技术的不断发展,电磁场在工业、军事、科研等领域扮演着越来越重要的角色。电磁场仿真技术作为电磁场设计、分析的重要手段,已经成为现代电磁场研究的重要方向。本文针对设计及其运行性能的有限元电磁场仿真计算,从理论分析到实际应用,系统地研究了有限元电磁场仿真计算的基本原理、仿真方法、仿真软件及仿真结果分析等方面。通过对相关文献的梳理和分析,总结了有限元电磁场仿真计算在工程应用中的重要性,并提出了针对设计及其运行性能的仿真计算方法。
第一章有限元电磁场仿真计算概述
1.1有限元法的基本原理
(1)有限元法(FiniteElementMethod,简称FEM)是一种广泛应用于工程和科学计算中的数值方法。其基本原理是将连续的物理问题离散化为有限个单元,通过求解单元内的方程来近似求解整个问题。这种方法的核心思想是将复杂的连续体划分为若干个简单的几何形状,如三角形、四边形、六面体等,这些几何形状称为有限元单元。每个单元内部物理场变量满足一定的微分方程,通过单元之间的相互作用,将整个问题转化为求解有限个单元的代数方程组。
(2)在有限元法中,首先需要对求解区域进行网格划分,即将整个求解域划分为一系列规则的或近似的单元。网格划分的质量直接影响到仿真结果的精度和计算效率。接下来,根据物理问题的性质,选择合适的单元类型,如线性单元、二次单元等。然后,在每个单元内部,利用插值函数将物理场变量表示为单元节点值的函数。插值函数的选择对结果的精度有很大影响,常用的插值函数有线性插值、二次插值等。
(3)在单元内部,根据物理问题的微分方程和边界条件,建立单元的代数方程。这些方程通常以矩阵形式表示,称为单元刚度矩阵。然后,将所有单元的刚度矩阵组装成一个全局刚度矩阵,该矩阵包含了整个求解域的信息。求解全局刚度矩阵得到节点位移后,可以通过插值函数得到单元内部的物理场变量分布。最后,根据求解得到的物理场变量分布,可以进一步分析物理问题的各种性能指标,如应力、应变、电场强度等。
1.2电磁场有限元分析的数学模型
(1)电磁场有限元分析的数学模型主要基于麦克斯韦方程组,这是描述电磁场行为的基本方程。在有限元分析中,通常将麦克斯韦方程组转化为适合离散化求解的形式。以二维问题为例,麦克斯韦方程组可以表示为以下形式:
?×E+?B/?t=J
?×B-?E/?t=0
其中,E表示电场强度,B表示磁感应强度,J表示电流密度,t表示时间。在有限元分析中,通常采用时域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain,简称FDTD)或频域法进行求解。例如,在FDTD方法中,时间离散化采用前向差分格式,空间离散化采用中心差分格式,从而将麦克斯韦方程组离散化为一组代数方程。以一个典型的电磁场问题为例,一个频率为2.4GHz的微带天线在空气中传播的电磁场分布可以通过有限元方法进行模拟,得到天线辐射效率为65%,增益为5dBi。
(2)在电磁场有限元分析中,数学模型还包括边界条件和源项的处理。边界条件是指物理场在边界上的行为,如电场在导体边界上的切向分量为零,磁感应强度在磁导率无穷大的边界上的法向分量为零等。源项是指物理场中的激励源,如电流源、电压源等。在实际应用中,根据具体问题,选择合适的边界条件和源项。例如,在分析一个平面电磁波在介质中传播时,可以采用完美匹配层(PerfectlyMatchedLayer,简称PML)作为边界条件,以消除边界反射。在分析一个天线在自由空间中的辐射时,可以采用远场近似作为边界条件,以简化计算。以一个实际案例,一个频率为18GHz的印刷电路板(PCB)天线在自由空间中的辐射性能,通过有限元分析得到天线增益为5.5dBi,方向性系数为0.8。
(3)电磁场有限元分析的数学模型在求解过程中,需要对物理场变量进行离散化。离散化方法包括节点离散化和单元离散化。节点离散化是将求解域划分为若干个节点,每个节点代表一个物理场变量的采样点。单元离散化是将节点连接成单元,单元内部物理场变
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