一种超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法、装置、终端设备及存储介质与流程

本发明涉及超导磁体电磁仿真与结构优化，尤其涉及一种超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法、装置、终端设备及存储介质。

背景技术：

1、超导磁体凭借其可产生高稳定度强磁场的特性，被广泛应用于聚变堆、高能物理装置、磁共振成像系统及超导储能装备中。超导磁体的核心功能部件为超导线圈，但为保障线圈的结构完整性、热稳定性及长期运行可靠性，磁体内部还嵌设有大量金属薄壁构件，承担机械支撑、低温导冷、热辐射屏蔽及电磁兼容防护等作用。此类金属件通常紧贴超导线圈布置，或直接集成于线圈盒、支撑环及端板等结构组件中，在工作过程中长期处于时变磁场环境下。当超导磁体处于充放电、功率调节、紧急失超保护等动态工况时，时变磁场会在金属件内部感应出涡流，涡流会威胁结构安全、干扰主磁场均匀性。因此，在超导磁体设计阶段，需对不同型号金属件的涡流特性进行准确评估，以指导金属件的材料选型。

2、现有技术中主要用三维有限元法对超导磁体中的金属薄壁构件（简称金属件）在时变磁场中的涡流进行分析，然后根据涡流分析结果来选定金属件的型号，具体是针对多种候选型号的金属件，分别建立各自的三维有限元模型，计算各型号金属件在相同工况下的涡流损耗面密度，并对涡流损耗面密度进行积分得到总涡流损耗，选择总涡流损耗最低的型号作为最终方案，但是该方法需要在厚度方向划分多层网格以捕捉金属件的电流分布，导致网格数量与求解自由度大幅增加，单次计算耗时可达数小时甚至数天，因此，现有技术中金属件的选型方法存在效率较低的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法、装置、终端设备及存储介质，能够解决现有技术中金属件的选型方法存在效率较低的问题。

2、本发明提供的超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法，包括：

3、获取每一待评估金属件的几何参数以及导电特性参数；其中，几何参数包括：上表面的各处高度坐标数据、下表面的各处高度坐标数据以及待评估金属件的厚度；

4、对于每一待评估金属件，基于上表面的各处高度坐标数据及下表面的各处高度坐标数据，抽取一个距离上表面和下表面等距的曲面作为二维求解域；

5、提取目标工况下超导磁体所对应的三维电磁模型的磁场参数；

6、在二维求解域内，基于磁场参数、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，对预设的涡流等效标量建模方程进行求解，得到目标涡流等效标量；

7、基于目标涡流等效标量、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，计算得到待评估金属件的涡流损耗面密度；

8、在二维求解域内对涡流损耗面密度进行积分，得到待评估金属件的总涡流损耗值；将总涡流损耗值最低的待评估金属件作为选定金属件。

9、进一步地，所述磁场参数包括：磁场变化角频率以及法向磁通密度；所述导电特性参数，包括：电导率；

10、所述涡流等效标量建模方程为：

11、

12、其中，为拉普拉斯算子，为待求解的涡流等效标量，为虚数单位，为磁场变化角频率，为电导率，为法向磁通密度。

13、进一步地，在二维求解域内，基于磁场参数、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，对预设的涡流等效标量建模方程进行求解，得到目标涡流等效标量，包括：

14、获取待评估金属件的材料类型信息、各切缝、对称中心线及外边界；

15、根据材料类型信息，得到在二维求解域中不同材料的各材料分界线；

16、基于各切缝、对称中心线、各材料分界线以及外边界，确定用于表征同一材料分界线上各位置处的涡流等效标量均相同的材料分界线约束条件、用于表征外边界上各位置处的涡流等效标量均为零的外边界约束条件、用于表征涡流等效标量沿切缝方向的切向梯度为零的切缝约束条件，以及用于表征涡流等效标量在对称中心线处沿切向方向的梯度为零的对称约束条件；

17、在材料分界线约束条件、外边界约束条件、切缝约束条件及对称约束条件下，基于磁场参数、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，在二维求解域内对预设的涡流等效标量建模方程进行求解，得到目标涡流等效标量。

18、进一步地，在基于目标涡流等效标量、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，计算得到待评估金属件的涡流损耗面密度之前，还包括：

19、获取目标工况下超导磁体所对应的三维电磁模型，作为初始三维电磁模型；

20、根据初始三维电磁模型，重复执行标量修正操作，以对目标涡流等效标量进行修正，得到修正后的目标涡流等效标量；

21、所述标量修正操作包括：

22、基于当前涡流等效标量、厚度及电导率，得到待评估金属件的当前涡流面电流密度及当前涡流损耗面密度；

23、在二维求解域内对当前涡流损耗面密度进行积分，得到待评估金属件的当前涡流损耗值；

24、将当前涡流面电流密度作为一个电流源，得到当前等效电流源；

25、基于当前等效电流源及当前三维电磁模型，得到更新后的三维电磁模型；其中，第一次执行标量修正操作时的当前三维电磁模型为所述初始三维电磁模型；

26、提取更新后的三维电磁模型的法向磁通密度，得到修正法向磁通密度；

27、在修正法向磁通密度与当前法向磁通密度的偏差值小于预设偏差阈值的情况下，将当前涡流等效标量作为修正后的目标涡流等效标量；其中，第一次执行标量修正操作时的当前法向磁通密度，为所述初始三维电磁模型所对应的磁场参数中的法向磁通密度；非第一次执行标量修正操作时的当前法向磁通密度为上一次执行标量修正操作时的修正法向磁通密度；

28、在修正法向磁通密度与当前法向磁通密度的偏差值大于或等于预设偏差阈值的情况下，在待评估金属件的二维求解域内，基于磁场变化角频率和修正法向磁通密度、待评估金属件对应的电导率及厚度，对涡流等效标量建模方程进行求解，得到更新后的涡流等效标量。

29、进一步地，基于当前涡流等效标量、厚度及电导率，得到待评估金属件的当前涡流面电流密度及当前涡流损耗面密度，包括：

30、对当前涡流等效标量进行梯度运算，得到涡流势梯度矢量；将涡流势梯度矢量与预设法向向量进行矢量叉乘，得到单位厚度涡流密度；

31、根据厚度对单位厚度涡流密度进行幅值换算，得到当前涡流面电流密度；

32、对涡流面电流密度进行自身点乘，得到涡流面电流模平方，再基于涡流面电流模平方、电导率及厚度，得到待评估金属件的当前涡流损耗面密度。

33、本发明另一实施例还提供了一种超导磁体中金属件在目标工况下的选型装置，包括：数据获取模块、二维求解域确定模块、磁场参数确定模块、目标涡流等效标量确定模块、涡流损耗面密度确定模块以及选定模块；

34、数据获取模块，用于获取每一待评估金属件的几何参数以及导电特性参数；其中，几何参数包括：上表面的各处高度坐标数据、下表面的各处高度坐标数据以及待评估金属件的厚度；

35、二维求解域确定模块，用于对于每一待评估金属件，基于上表面的各处高度坐标数据及下表面的各处高度坐标数据，抽取一个距离上表面和下表面等距的曲面作为二维求解域；

36、磁场参数确定模块，用于提取目标工况下超导磁体所对应的三维电磁模型的磁场参数；

37、目标涡流等效标量确定模块，用于在二维求解域内，基于磁场参数、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，对预设的涡流等效标量建模方程进行求解，得到目标涡流等效标量；

38、涡流损耗面密度确定模块，用于基于目标涡流等效标量、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，计算得到待评估金属件的涡流损耗面密度；

39、选定模块，用于在二维求解域内对涡流损耗面密度进行积分，得到待评估金属件的总涡流损耗值；将总涡流损耗值最低的待评估金属件作为选定金属件。

40、进一步地，目标涡流等效标量确定模块包括：第一数据获取子单元、各材料分界线确定子单元、约束条件确定子单元及求解子单元；

41、第一数据获取子单元，用于获取待评估金属件的材料类型信息、各切缝、对称中心线及外边界；

42、各材料分界线确定子单元，用于根据材料类型信息，得到在二维求解域中不同材料的各材料分界线；

43、约束条件确定子单元，用于基于各切缝、对称中心线、各材料分界线以及外边界，确定用于表征同一材料分界线上各位置处的涡流等效标量均相同的材料分界线约束条件、用于表征外边界上各位置处的涡流等效标量均为零的外边界约束条件、用于表征涡流等效标量沿切缝方向的切向梯度为零的切缝约束条件，以及用于表征涡流等效标量在对称中心线处沿切向方向的梯度为零的对称约束条件；

44、求解子单元，用于在材料分界线约束条件、外边界约束条件、切缝约束条件及对称约束条件下，基于磁场参数、待评估金属件的厚度以及导电特性参数，在二维求解域内对预设的涡流等效标量建模方程进行求解，得到目标涡流等效标量。

45、进一步地，还包括：修正模块；

46、修正模块，用于获取目标工况下超导磁体所对应的三维电磁模型，作为初始三维电磁模型；

47、根据初始三维电磁模型，重复执行标量修正操作，以对目标涡流等效标量进行修正，得到修正后的目标涡流等效标量；

48、所述标量修正操作包括：

49、基于当前涡流等效标量、厚度及电导率，得到待评估金属件的当前涡流面电流密度及当前涡流损耗面密度；

50、在二维求解域内对当前涡流损耗面密度进行积分，得到待评估金属件的当前涡流损耗值；

51、将当前涡流面电流密度作为一个电流源，得到当前等效电流源；

52、基于当前等效电流源及当前三维电磁模型，得到更新后的三维电磁模型；其中，第一次执行标量修正操作时的当前三维电磁模型为所述初始三维电磁模型；

53、提取更新后的三维电磁模型的法向磁通密度，得到修正法向磁通密度；

54、在修正法向磁通密度与当前法向磁通密度的偏差值小于预设偏差阈值的情况下，将当前涡流等效标量作为修正后的目标涡流等效标量；其中，第一次执行标量修正操作时的当前法向磁通密度，为所述初始三维电磁模型所对应的磁场参数中的法向磁通密度；非第一次执行标量修正操作时的当前法向磁通密度为上一次执行标量修正操作时的修正法向磁通密度；

55、在修正法向磁通密度与当前法向磁通密度的偏差值大于或等于预设偏差阈值的情况下，在待评估金属件的二维求解域内，基于磁场变化角频率和修正法向磁通密度、待评估金属件对应的电导率及厚度，对涡流等效标量建模方程进行求解，得到更新后的涡流等效标量。

56、本发明另一实施例还提供了一种终端设备，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时，实现如本发明提供的超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法的步骤。

57、本发明另一实施例还提供了一种计算机可读存储介质项，包括：存储的计算机程序，在计算机程序运行时，控制计算机可读存储介质所在的设备执行如本发明提供的超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法的步骤。

58、通过实施本发明具有如下有益效果：

59、本发明提供了一种超导磁体中金属件在目标工况下的选型方法、装置、终端设备及存储介质，本发明的方法与现有技术相比，不再是对待评估金属件建立各自的三维有限元模型，从而计算得到各型号金属件在相同工况下的涡流损耗面密度，而是针对超导磁体金属件为薄壁结构、厚度尺寸远小于平面延展尺寸的结构特性，基于在该结构特性上，金属件厚度方向电磁场分布均匀、涡流参数无明显梯度变化的磁场特性原理，摒弃厚度方向的分层求解，创新性地引入一个涡流等效标量来等效模拟超导磁体在时变磁场下金属件的整体涡流场分布特性，再结合目标工况的磁场变化角频率、金属件电导率、法向磁通密度及厚度，构建涡流等效标量建模方程，求解方程即可得到目标涡流等效标量，再基于目标涡流等效标量得到涡流损耗面密度，最后对涡流损耗面密度进行积分得到总涡流损耗值即可完成选型，由于本发明采用二维建模方式替代传统三维实体建模，仅在金属件对应的二维求解域平面内构建并求解方程，不需要像三维有限元模型那样需要在金属件厚度方向多层剖分网格、构建大规模三维网格模型并进行多自由度迭代求解，大幅减少了网格数量与求解自由度，简化了建模流程与计算逻辑，因此能高效计算出各型号金属件在相同工况下的涡流损耗面密度，再对涡流损耗面密度在求解域内进行积分即可得到总涡流损耗，最终选择总涡流损耗最小的作为选定的型号，因此本发明提高了超导磁体中金属件的选型效率。