DB34∕T 3592-2020 超导回旋加速器 电磁学有限元分析通用规程.docx

ICS 27.120.99F 91DB34安徽省地方标准DB 34/T 35922020超导回旋加速器电磁学有限元分析通用规程Superconducting cyclotron general rules for electromagnetic finite element analysis文稿版次选择2020 - 06 - 22 发布2020 - 07 - 22 实施安徽省市场监督管理局发 布DB34/T 35922020前言本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。本标准由合肥中科离子医学技术装备有限公司提出。本标准由安徽省超导回旋加速器标准化技术委员会归口。本标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。本标准主要起草人：葛剑、陈根、周健、候小雨、孟雪华、黄漪、裴坤、王重、宋云涛、陈永华、杨庆喜。IDB34/T 35922020超导回旋加速器电磁学有限元分析通用规程1  范围本标准规定了超导回旋加速器有限元电磁学分析的总体要求、流程、建模、分析计算、结果评估、后处理以及分析报告撰写。本标准适用于超导回旋加速器电磁学的有限元分析。2  规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2900.60-2002电工术语 电磁学GB/T 2900.85-2009电工术语 数学 一般概念和线性代数GB 3100-1993国际单位制及其应用GB/T 3101-1993有关量、单位和符号的一般原则GB/T 10853-2008机构与机器科学词汇GB/T 26099.1-2010机械产品三维建模通用规则 第1部分：通用要求GB/T 31054-2014机械产品计算机辅助工程 有限元数值计算 术语GB/T 33582-2017机械产品结构有限元力学分析通用规则3  术语和定义GB/T 2900.60-2002、GB/T 2900.85-2009、GB 3100-1993、GB/T 3101-1993、GB/T 10853-2008、GB/T 26099.1-2010、GB/T 31054-2014 和 GB/T 33582-2017 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1超导回旋加速器superconducting cyclotron主线圈是超导线圈的回旋加速器。3.2有限元分析finite element analysisFEA基于有限单元法的仿真分析。 GB/T 31054-2014，定义2.1.3 3.3静态磁场分析static magnetic field analysis1DB34/T 35922020分析直流电（DC）或永磁体所产生的磁场。3.4谐波磁场分析harmonic magnetic field analysis分析低频交流电电流（AC）或者交流电压所产生的磁场。3.5瞬态磁场分析transient magnetic field analysis分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场。3.6射频场分析radio frequency field analysis分析射频电流产生的电场和磁场。3.7稳态电流传导分析steady-state current conduction analysis分析确定直流电或电势降导致的电流密度分布和电势分布。3.8静电场分析electrostatic field analysis分析用以确定电荷分布或外加电势所产生的电场和电场标量位（电压）分布。3.9远场边界far field boundary应用于模型的外边界，可以不强加边界条件而说明磁场、静电场和热场的远场耗散的问题。4  总体要求4.1  有限元模型建立之前，应根据超导回旋加速器的结构特点、激励、边界条件、仿真目的、仿真周期和计算资源制定有限元分析方案。4.2  几何模型特征简化时，在确保关注部件有限元分析精度的前提下尽可能的简化结构的棱角、小凸台、小凹槽等几何模型细节特征。电场几何模型简化时应保留加速间隙的倒角特征，磁场几何模型简化时，应保留磁极上不小于 2 mm 的倒角特征。4.3  电场和磁场有限元分析模型中应建立一个不小于总体尺寸 3 倍的空气场，以保证计算的精度。4.4  单元类型精度选择，应根据超导回旋加速器几何模型特征和有限元分析的类型及目的，合理选择单元类型和精度，以保证计算精度，减小计算时间和机器成本。4.5  网格划分时，应粗化场梯度缓慢变化区域，细化场梯度急剧变化区域；粗化不关注区域，细化关注区域。4.6  计算方法选择时，应根据回旋加速器结构有限元分析类型、分析结果要求、算法的适用范围与优缺点、有限元模型的规模和计算机资源来确定。2DB34/T 359220204.7  分析模型和计算结果评估应根据分析类型和试验结果进行。4.8  分析结果应根据有限元分析的目的和要求输出。5  流程超导回旋加速器电磁学有限元分析流程主要包括建模、分析计算、结果评估、后处理以及分析报告撰写等 5 部分，参加附录A。6  建模6.1  坐标系6.1.1  坐标系采用右手定则来确定，优先选用笛卡尔直角坐标系，必要时可选用柱坐标系或球坐标系。6.1.2  有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型激励、结果显示需求与全局坐标系不一致时，可适当增加局部坐标系。6.2  单位制单位制的选择应遵照 GB 3100-1993 和 GB/T 3101-1993 的规定执行，根据超导回旋加速器产品特点选择 SI 单位制或其他单位制。6.3  几何模型构建6.3.1  构建原则6.3.1.1  几何模型应简洁准确地表达回旋加速器产品结构设计信息。6.3.1.2  在满足要求的情况下，应尽量使模型简化。6.4  有限元模型构建6.4.1  单元阶次选择6.4.1.1  超导回旋加速器产品结构形状不规则、场分布复杂和相关量梯度变化较为剧烈的区域宜选用高阶单元。6.4.1.2  计算精度要求高的区域宜选用高阶单元，精度要求低的可选用低阶单元。6.4.2  网格疏密程度控制6.4.2.1  应对回旋加速器结构变化较大、曲面曲率变化大、激励变化大及不同材料过渡区域网格进行细化。6.4.2.2  网格过渡平滑，粗细网格之间应有足够的网格进行过渡，避免相邻网格之间的场梯度变化较为剧烈。6.4.2.3  场关注区域的网格密度应大于场不关注区域的网格密度。6.4.3  网格划分6.4.3.1  应保留主要的几何轮廓线，网格应与几何轮廓保持基本一致。6.4.3.2  对称结构宜采用对称模型网格。6.4.3.3  有限元网格检查划分网格时，应对网格单元进行检查，偏斜比应小于 0.8，长宽比应小于 20。3DB34/T 359220207  分析计算7.1  选择分析类型根据不同的分析要求选择静态磁场分析、谐波磁场分析、瞬态磁场分析、射频场分析、稳态电流传导分析、静电场分析等对应的分析类型。7.2  设置材料属性7.2.1  材料属性的单位应与几何模型采用的单位一致。7.2.2  材料属性输入信息应准确完整，能准确表达回旋加速器部件的电磁特性。7.2.3  经过试验验证的材料属性信息应进行数据积累，作为材料属性设置的参考。7.3  施加边界条件和载荷（激励）7.3.1  对称边界的施加应根据有限元模型几何特征施加。7.3.2  激励的施加应根据实际工况施加。7.3.3  远场边界的施加应根据有限元模型的外边界范围而定。7.4  检查检查模型尺寸、材料参数、单元质量、边界及激励条件等是否与实际工况一致。7.5  求解求解设置应保证收敛容差小于 1E-6，计算精度小于 5 ppm，并综合考虑计算机资源。8  结果评估8.1  评估方法8.1.1  表象评估法通过基本表象进行定性评估，基本原则如下：a)  检查模型的收敛性；b)  分析电磁场分布位置的合理性：超导回旋加速器电场应主要集中在加速间隙的位置；超导回旋加速器峰区位置的磁场应高于谷区位置的磁场。8.1.2  数值评估法通过多次调整试算有限元模型的边界和激励参数，数值上评估分析结果的可靠性。8.1.3  样机试验法进行样机试验，对比有限元分析结果和试验结果，如若偏差较大，通过分析试验工况来重新修正有限元分析模型后重新计算后评估。8.2  评估方法选择4DB34/T 35922020应采用表象和数值两种评估方法对分析结果进行评价，必要时，采用样机试验法进行评估。评估后，如分析结果与实际结构电磁场分布存在较大偏差，应根据情况，对有限元模型的单元类型、阶次、网格尺寸、材料属性及边界条件进行修正，并重新计算和评估，直到结果满足评估要求。9  后处理分为一次提取（软件直接导出）和二次再加工（数据导出后利用其它软件进行图形、格式及场特性二次分析的处理），具体处理内容包括：a)  显示关键部件的磁通分布，等值线图等；b)  显示关键部件的磁场强度分布、梯度分布等；c)  显示关键部件的电场分布及梯度分布等；d)  导出相应节点上磁感应强度、磁场强度、电场强度等的数值；e)  利用软件自身插值或者是 d）中导出的节点值进行插值得出关心区域的磁场相关值等；f)  导出相应单元节点上电磁力及涡流，用于结构及热的耦合场分析。10  分析报告撰写10.1  报告相关内容报告应包括不限于以下内容：a)  分析的相关名称；b)  分析的具体目的及任务；c)  分析中存在的问题及解决方法；d)  分析的结论。10.2  分析任务的简述应针对分析的目的及任务进行相关的介绍，说明本次分析应使用的类型和方法及所关心的分析结果等。10.3  基础文件当报告中含有其他的数据及结论时，应在具体引用位置处表明，并具体到引用的文件名，出版或完成时间和作者等详尽信息。10.4  数学符号的说明对在报告中出现的数学符号都应进行必要及详尽的解释说明。10.5  分析标准流程应包括：a)  确定分析目标；b)  建立分析模型；c)  针对分析目标进行模型简化，并依据分析目的进行不同尺寸的网格划分、确认材料模型、设置合理的边界条件、施加正确激励条件和选择合适求解方式，并应对上述每个过程进行相应的充分说明。5DB34/T 3592202010.6  模拟结果分析和结论10.6.1应结合分析目的给出相应的正确的图表结果，如磁感应强度分布云图、磁感应强度梯度分布云图、电场分布云图、电场梯度分布云图等。图表中表达应简单，便于了解沟通，不应包含有不必要的信息。10.6.2应根据给出的图表及二次加工的数据结果，进行必要的总结分析等，最后得出合理的结论，如中平面平均场，电场分布情况等。10.7  参考文献报告中所引用的相关参考数据、文献、报告等应在本次报告的最后进行标明，包括参考文件的作者、全名和发表时间等相关信息。6DB34/T 35922020AA附录A（资料性附录）超导回旋加速器电磁学有限元通用分析流程图图A.1  超导回旋加速器电磁学有限元通用分析流程图_7