行波感应加热问题的研究及粒子群算法的改进

【摘要】：行波感应加热除具有传统纵向磁通感应加热和横向磁通感应加热同样的优点外,还能产生更均匀的温度分布,而且具有振动和工业噪音低的显著优点。行波感应加热多物理场耦合场问题的求解是计算电磁学的技术难点,对其研究具有重要的理论意义。并且从实用上看,行波感应加热涉及重要的工程技术,其研究成果必然会对我国金属制品加工设备水平的提高具有积极的推动作用。 本课题在合理简化计算模型的基础上,建立行波感应加热耦合分析模型,对带材工件内磁场、涡流场进行研究。由于行波感应加热装置结构复杂,因而将整个场域依据材料特性与结构特点划分成不同的子域,依据子域采用适当的位函数,之后在公共子域和公共交接面处实现整体合成。各场量的耦合采用间接耦合方法。在这一问题上借鉴了横向磁通感应加热的研究成果,采用有限元方法进行研究。 本文主要工作可以归纳为如下几点: (1)提出无槽模型可以在一定程度上克服狭槽效应并进行了二维磁场和涡流场的分析。在传统有槽模型中,槽的正下方与齿的正下方因有效气隙长度不同.轭铁金属磁导率远大于空气磁导率,则带材中轭铁齿位置下方磁感应强度比槽位置下方磁感应强度大的多。二维磁场分布仿真结果显示在传统模型中一部分磁力线未穿越带材区,这将影响能量的传输效率。 (2)进行了交叉行波感应加热系统和传统行波感应加热系统三维磁场的计算。从行波感应加热对称模型和交叉模型三维磁场分布情况可见,交叉模型的能量传输效率要比传统模型高。并且,因为上下感应器的位置偏移,交叉结构的磁场分布范围较对称结构时要广。上下感应器线圈产生的磁场更有效地弥补了彼此的弱磁区,带材表面磁场分布更加均匀。 (3)为克服此早熟收敛现象,本文借鉴人类社会在进化过程中愈来愈合理的联姻策略,提出了一种新的混合粒子群优化算法。新算法一方面通过部落联姻,避免了粒子基因过于接近,另一方面采用交叉遗传策略,在一定程度上克服了过度破坏个体适应度。在优化Rastrigin函数时,改进的算法显现出了它的优越性。 (4)本文从分析粒子群算法的早熟现象的原因入手,受生物进化过程中突变和灾难现象的启发,在标准粒子群优化算法的基础上,本文提出一种群体消亡粒子群优化算法。该算法将微粒分成大小相同的几个种群,在粒子群算法运行的适当时机,依一定方式使群体的适当子群体消亡,并随机补充新个体,以维持群体的适当规模和多样性。对Schaffer's f6函数的仿真结果表明,该算法易于找到全局最优解。 最后,论文对所做工作进行了总结,并提出了进一步研究的方向。