磁流体加速度传感器的有限元仿真和参数优化

摘要

磁流体是一种液体磁性材料，具有与普通磁性材料和液体材料不同的性质，在许多领域中有其特殊的用途。论文以“磁流体加速度传感器的有限元仿真和参数优化”为题，将磁流体应用到加速度传感器中，建立了一种基于永磁悬浮的磁流体加速度传感器模型，并利用有限元软件COMSOL Multiphysics对其进行了仿真分析。论文得到高等学校博士学科点专项科研基金(20060561003)、广东省自然科学基金(06025670)和中国博士后科学基金(2005037579)的资助。 论文首先介绍了磁流体在传感器领域中的应用和磁流体数值模拟技术的研究现状。阐述了磁流体的相关性质及其加速度传感器仿真分析的理论基础，分析了磁流体的力学特性和物体在磁流体中的受力以及运动情况。建立多场耦合策略和步骤，对磁流体在圆形管道中的流动进行了磁场和流场的耦合分析，比较了在有磁场作用和无磁场作用两种情况下，磁流体的流动行为的不同。利用有限元软件COMSOL Multiphysics对永磁体在磁流体中的静态悬浮能力进行了求解，表明永磁体可以在自身产生的磁场作用下，稳定的悬浮在磁流体中。永磁悬浮是磁流体加速度传感器应用到的重要原理之一，是磁流体加速度传感器能否实现的关键。基于永磁悬浮机理，建立了一种新型磁流体加速度传感器的模型，分析了传感器的工作原理和永磁体的受力，并对这种传感器进行磁场的有限元计算，利用软件的后处理模块获得磁场力的大小。根据仿真得到的结果，分析磁流体加速度传感器的静态特性，优化传感器的材料和结构参数以满足传感器的性能要求，其中主要讨论了永磁体剩磁、磁流体的磁化规律以及容器的长度等因素对传感器的量程以及灵敏度的影响。 仿真结果表明，在没有外磁场作用情况下，合理选择磁流体、永磁体及容器等参数，可以实现永磁体在磁流体中稳定悬浮。对磁流体加速度传感器的磁场进行数值模拟，通过边界积分获得永磁体受到的磁力。当永磁体的惯性力等于磁场对永磁体的作用力时，由于磁流体对永磁体的阻力作用永磁体最终会停在这一位置上，通过检测此时永磁体的位置，就能获得被测的加速度大小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的提出及研究意义

1.2论文相关的国内外研究现状

1.2.1磁流体传感器的国内外研究现状

1.2.2磁流体数值模拟的国内外研究现状

1.3论文的主要研究内容

第二章磁流体相关性质及其加速度传感器仿真分析的基础理论

2.1引言

2.2磁流体的相关性质

2.2.1磁流体的组成结构及稳定性

2.2.2磁流体的密度

2.2.3磁流体的磁化特性

2.2.4磁流体的粘度

2.3磁流体加速度传感器仿真分析的基础理论

2.3.1与磁流体相关的电磁场理论

2.3.2与磁流体相关的流体力学理论

2.3.3物体在磁流体中的静态受力分析

2.3.4物体在磁流体中的运动分析

2.4本章小结

第三章磁流体中磁场和流场耦合分析

3.1引言

3.2耦合场分析方法及有限元软件COMSOL Multiphysics

3.2.1耦合场分析方法

3.2.2有限元软件COMSOL Multiphysics

3.3磁流体中磁场和流场的耦合

3.3.1磁流体中磁场和流场耦合模型

3.3.2磁流体耦合场分析步骤

3.4磁流体耦合场计算实例

3.4.1建立物理模型

3.4.2边界条件设定

3.4.3有限元计算与分析

3.5本章小节

第四章磁流体加速度传感器的模型分析和数值计算

4.1引言

4.2磁流体中永磁体悬浮模型及其数值模拟

4.2.1磁流体中永磁体悬浮的数学模型

4.2.2磁流体中永磁体悬浮能力的数值求解

4.3磁流体加速度传感器的模型分析和数值计算

4.3.1磁流体加速度传感器的结构和工作原理

4.3.2磁流体加速度传感器的数值仿真

4.4本章小结

第五章磁流体加速度传感器的参数优化

5.1引言

5.2各参数对传感器性能的影响

5.2.1永磁体的剩磁

5.2.2磁流体的磁化曲线

5.2.3容器长度

5.3参数的确定和灵敏度分析

5.4本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢

评定意见