[發明專利]任意形狀磁體磁場空間分布仿真模擬方法

有效

• 申請號: 202010579036.5
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111709150B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 謝夢君;劉大剛;劉臘群;王輝輝
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所(普通合伙) 51215
• 代理人: 劉勛

任意形狀磁體磁場空間分布仿真模擬方法，涉及計算機仿真技術。本發明包括下述步驟：步驟一、在直角坐標系下，將假想磁荷模型提出的位函數利用拉普拉斯方程進行有限差分，獲得三維空間上磁位的迭代公式；步驟二、分別按笛卡爾直角坐標系和Yee網格模型將系統分為兩套網格；第一套網格中，采用笛卡爾直角坐標系，根據磁體和添加材料的尺寸進行網格剖分，并建模：步驟三、第二套網格采用Yee網格模型，將步驟二求得的靜態磁感應強度Bsubgt;s/subgt;利用線性插值的方法，插值到Yee網格模型節點處；步驟四、將Yee網格節點上的電磁場信息線性插值到宏粒子在笛卡爾坐標系中的實際位置處；循環執行步驟三、四，直到模擬結束。本發明的模擬更加符合實際。

技術領域

本發明涉及計算機仿真技術。

背景技術

粒子模擬(PIC)隨著多年來的不斷優化和改進已經滲入到生物醫學、磁約束聚變、等離子體物理、微波傳輸及氣體放電等各個先進的科學領域，應運而生出許多簡單、高效、計算精準的PIC算法，但仍有邊界條件、算法穩定性和數值色散特性等重要問題沒有完全解決。因此，對于粒子模擬的研究，大批學者提出各類粒子模型，試圖解決關鍵科學問題。

粒子模擬主要針對的是粒子的運動受力及電荷、電流密度更新等模塊，而電磁場更新模塊一般根據實際的需求采用不同的算法，例如利用泊松方程求解靜電型問題，利用時域有限差分方法(FDTD)求解電磁型問題，而某些準中性或電荷密度極小的問題則不考慮帶電粒子對整個電磁場的作用等等。帶電粒子的運動和受力除了與電流、電荷激發的庫倫電場有關，也與磁場相關，其運動受力服從牛頓-洛倫茲運動方程，粒子的推進基本是采用蛙跳法(LeapFrogMethod)來推進。

基于粒子模擬在各個領域中的豐富應用，將計算任意形狀永磁體的空間磁場與粒子模擬相結合，不僅可以使設置空間磁場更加方便快捷，還可以仿真在空間中添加其他磁材料后，永磁體外部磁場的場型變化，以便得到更精確的三維磁場分布，從而反映更真實的粒子受力運動過程。

永磁體屬于鐵磁性材料，在仿真永磁體的磁場時，需要考慮如何設置永磁體參數才能使仿真符合實際。比較通用方法是：利用畢奧-薩伐爾定律，直接設置磁體的矯頑力、剩磁、磁導率等參數，通過有限積分的方法計算磁場。此種方法僅能實現某些磁體在真空或空氣中的模擬，具有一定局限性。而當在空間中添加如順磁物質、抗磁物質或其他磁材料時，磁場在空間中的場型將或大或小地發生變化，這時此種方法就不再適用。另外，有的方法直接用經驗公式求解磁場，即根據經驗對某一類磁體直接進行解析計算。此種方法僅能針對特定某一類磁體進行較準確的仿真，即一種經驗公式對應某一類磁體材料，當需改變永磁體形狀和材料屬性時，經驗公式也就不再適用，因此，此種方法局限性更大。還有的方法根據實驗所得磁場數據將其擬合成函數，通過設置磁場函數來實現。這種方法的局限性在于：對于一些磁場數據，有時很難擬合出合適的函數，又或者擬合出的函數過于復雜和存在較大的誤差。總之，上述方法存在以下幾個方面的不足：

(1)有限積分方法相較于有限差分方法來計算磁場，前者無法仿真出添加其他材料對磁場的場型所造成的影響，不如后者簡單靈活；

(2)經驗公式局限性大，僅僅符合“一對一”(即一個經驗公式對應某一種磁體)磁體選擇上；

(3)利用函數來設置磁場，計算費時且精度不夠，況且難以根據不規則磁場的場型來設定相應函數。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，結合粒子模擬，提供一種對任意形狀磁體磁場空間分布進行仿真模擬的方法，以精確計算磁場和粒子的運動受力，減小目前粒子模擬的局限性。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，任意形狀磁體磁場空間分布仿真模擬方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟一、在直角坐標系下，將假想磁荷模型提出的位函數利用拉普拉斯方程進行有限差分，獲得三維空間上磁位的迭代公式；

步驟二、分別按笛卡爾直角坐標系和Yee網格模型將系統分為兩套網格；