新型高性能电工材料应用特性建模的模块化设计
新型高性能电工材料应用特性建模的模块化设计
New high performance materials applied to electrical engineering modeling modular design 江市技师学院 李太胜
摘要：传统的电工材料主要是指电工产品中常用的导体材料、半导体材料、磁性材料以及电工绝缘材料等，然而随着社会的进步和科技的发展，新型高性能的电工材料因其优异的性能，给电工行业注入了新鲜的血液。尤其是它在军民两用高科技领域中的应用，有着出色的表现，同时，也在越来越多的领域中有着广泛的应用背景。但要使得这些材料真正得到运用，我们就需对其物质结构及形成规律进行分析，并据此特性建模，而后通过模块化的设计，解决应用特性的建模问题，进而使更多的新型高性能电工材料得到真正的运用。
关键词：新型高性能电工材料；建模；模块化
Abstract: the traditional electrical materials mainly refers to the electrical products commonly used in semiconductor materials, semiconductor materials, magnetic materials and electrical insulation materials, however, with the progress of society and the development of science and technology, new and high performance electric materials due to its excellent properties, for electrical equipment industry has injected fresh blood. It is especially in dual-use high-tech fields of application, has a good performance, at the same time, also in the more and more widely used in background. But to make these materials be used, we need to analyze the structure of matter and form, and then modeling, and then through the modular design, to solve the application characteristics of the modeling problem, so that more new and high performance electric material get real application. Key words: new and high performance electric material; modeling; modular
材料是现代化国民经济建设的基础与先导。无论是从社会经济实力的增强还是物资文化水平提高，都可看出材料的发展对我们的生活产生了巨大的影响，因而我们对新型高性能电工材料的探析有着重大意义。本文主要从：新型高性能电工材料建模的必要性、建模的模块化设计以及建模的实际运用三个方面对其应用特性的建模进行探讨，以期提出清晰的、多层次的建模体系，并能为这些材料在更多领域中能够得以运用提供支持。
一、新型高性能电工材料介绍
（1）超导材料
在足够低的温度和足够弱的磁场下，其电阻率为零的物质，称为超导体。超导体因为具有能耗低、体积小、重量轻的特点，自二十世纪初发现以来，经过科学家们近百年的探索，超导体已经拥有了极其广阔的应用领域，解决了一系列的关键技术问题。由于超导材料处于超导状态时具有零电阻和完全抗磁的特性，因而超导材料最主要的应用领域在于：发电、输电和储能。具体应用包括：超导发电机、超导输电线路、超导磁悬浮列车、超导磁体计算机等，涉及到了军事领域、科研开发、日常生活的方方面面。
（2）稀土超磁致伸缩材料
磁性体在磁场中受到磁化时，在磁化方向上发生伸缩的情况，去掉外加磁场后， 磁性体又恢复到原来的长度的现象称为：磁致伸缩现象（或效应）。其中，稀土超磁质伸缩材料的磁致伸缩系数可以达到传统磁致伸缩材料磁致伸缩系数的几十倍，具有伸缩系数大、响应速度快 、机械应力高等优异特性，属高新技术新型电工材料，因而在输电、储能领域有极大的应用价值。用它作为关键零部件可以开发出更多集科技、新技术为一体的现代化产品。如：水声换能器技术、海洋探测与开发技术、电声换能器技术、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油、精密加工控制、工程地质、隐蔽工程、无损检测等高技术领域有广泛的应用前景。利用该材料可以进行精确地定位，从而大幅度地减少了辅助设备结构不必要部分的尺寸和重量、提高电能等的输出功率，具有极高的实用价值。
（3）磁性液体
又称磁液、磁流体、磁性流体或铁磁流体，是由纳米尺度的强磁性固体颗粒均匀分散在基液中，再添加界面活性剂混合而成的一种稳定的胶状溶液。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时才表现出磁性，因其既有液体的流动性又有固体磁性材料的磁性以及独特的光学、声学特性，因而在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。磁性液体主要应用于航空航天事业、军事科技领域、光纤通信工程、石油化工行业、医疗机械方面、食品机械、烟草设备、纺织等方面。
二、高性能电工材料应用特性建模的必要性
新型高性能建工材料主要包括：磁性液体材料、超磁致伸缩材料、电（磁）流变液、压电（铁电）材料以及磁光效应材料等。这些高性能电工材料都具有良好的性能和广泛的应用背景。因其应用特性涉及电工学科、材料学科、信息学科等学科的高层次交叉部分，且其价格十分昂贵，这既增加了应用特性建模的难度，也为能够完全将其做成器件，应用到工程中造成了重重障碍。然而，随着计算机技术的发展，手工设计在工程涉及领域越来越难以适应形势的发展。而通过计算机技术，针对高性能材料的应用特性进行建模，并后进行模块化的分析，大大的提高了产品的设计质量与生产效率，使得产品设计和仿真工作得以更加顺利的进行。然而，对大多数新型高性能电工材料并没有成熟的专业建模设计软件，因而我们需对材料特性进行建模，使其能够使各模块在符合系统统一设计的基础上能够独立的运行，这样才能使这些材料的开发具有更深的意义。
三、高性能电工材料建模的模块化设计
（1）模块化设计的思想
模块化设计的思想主要分为以下几步：首先，对复杂问题按照功能、顺序、数据、过程等方法进行分解；其次，以划分原则为基础，按照该划分原则把统一、复杂的大系统依次分解成多个相对独立的子系统，分别建立模型；之后将各个子系统按一定的顺序、规则连接起来，从而构成整个系统模型。最后，再通过系统合并等方法将关联较大的系统进行合并，冗余的系统进行删减，从而对系统模型进行优化。
（2）模块设计的原则
首先，模块应具有独立的功能；其次模块应能在内部独立处理有数学关联的部分；再次，模块与模块间也需要相互关联、相互约束；最后，模块的划分应保证其连接过程能够顺利进行。
（3）模型的分类
按线性度分为：线性模型和非线性模型。按材料维数分为：一、二、三为模型。按材料工作状态分为：静态模型、动态模型。按材料因素耦合程度分为：强耦合材料、弱耦合材料。建模时需根据实际环境选择相应的模型类型。
（4）影响建模的主要因素
机械效应：材料在实际运用过程中， 可能要受到机械力的作用，此时，要考虑在机械力的作用下，材料的弹性模量受到影响的程度，以及材料的电、磁参数（导电率、导磁率或介电常数）的对环境变化的敏感程度。
温度效应： 一般情况下，材料的特殊性能都会随着温度的变化而变化。如绝缘材料，有最高温度的限制，而超导材料则必须在低温中工作等。因而，材料的应用特性建模必须要考虑温度的变化。
电、磁场效应 ：通常材料在外加电、磁场的作用下，其应用性能会随着外加场强的大小、场的方向的不同而有明显变化。
光学效应：有些材料的特性在不同波长、频率的光线的照射下会有改变。
（5）模块化设计过程
模块化设计首先要从整体上综合考虑系统对象，把系统功能分解成不同用途和性能的模块，如：仿真系统、材料特性、数值方法等，再通过选择不同的模块，迅速组成能够满足不同需求的方法，并使之接口标准化，以实现系统的统一标准化和通用化。
系统内部不同模块间存在着不同的联系，有些是功能的，有些是物理的，有单项联系，也有双向联系，这些联系相互影响，相互作用，决定了模块的划分方式。而评价一个模型的模块化程度，关键就是看它内部模块间的联系是否完善，这时可以采用层次分析法，对系统不同部分重要程度进行权衡，确定出功能相关度。通过用AHP对这些难以完全用定量分析的问题进行分析，便能评价出模块分解的合理程度。
本文定义的功能相关度和使用相关度，具有如下性质 ：
利用功能相关度进行计算得：
相关矩阵的形式为：
根据不同类型的相关度，可以定义不同的相关性矩阵，综合多个角度的相关性，便得到：
依据功能相关度计算原则，分别得到功能相关型矩阵，最后通过对其权重的计算，便能得出总体相关性矩阵。
在通过相关度评估后，便可以对模块间独立性较小、数据依赖性较强的部分、以及数据冗余较大的模块进行合并。通过取一个相关矩阵阈值，依次进行计算，便可得到截矩阵，因而判断出两个部分是否应划分进同一模块。并按照同样的方法依次计算，最后将模块依次合并。
四、建模的实际应用
许多课题研究通过对高性能电工材料建模的模块化设计，在磁致伸缩材料、磁性液体的应用特性等方面做出了贡献。如：利用稀土超磁致伸缩材料低场大应变、可以制成结构简单的微位移驱动器，可广泛应用于超精密定位系统、水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、飞机机翼调节器、激光微加工仪器、精密流量控制、数控车床、原子力显微镜、仪器仪表精密机器人、减振、隔振和阀门控制等方面。再比如：建立了磁性液体倾斜角传感器、水平加速度、垂直加速度传感器等。
五、结语
新型高性能电工材料的出现在国际上引起了极大的关注，它是一种可提高国家综合竞争力的新型资源，是新世纪的战略物资，目前世界上只有少数几个国家能够生产这类材料。它优越的性能以及广泛的应用范围，为电工行业的发展注入新的活力。因而只有通过解决其应用特性建模的问题，才能进一步解决新型材料的电磁特性、优化设计、稳定保护等方面的问题，从而使我国早日进入生产此类材料的先进行列，使新型高性能电工材料能够应用到社会生活的更多领域。
参考文献：
[1] 王博文，李淑英，闫荣格等. 巨磁致伸缩材料的磁致伸缩计算.河北工业大学学报，2001，30(1)：5～8
[2] 曹淑瑛, 王博文, 郑加驹等. 应用混合遗传算法的超磁致伸缩致动器磁滞模型的参数辨识. 中国电机工程学报，2004，24（10）：127～132
[3] 杨庆新, 闫荣格, 陈海燕, 等. 新型高性能电工材料应用特性建模技术研究[J]. 电工技术学报, 2006, 21(6): 1-6.
[4] 宗鸣镝, 蔡颖, 刘旭东, 等. 产品模块化设计中的多角度、分级模块划分方法[J]. 北京理工大学学报, 2003, 23(5): 552-556.
[5] 曹淑瑛, 王博文, 郑加驹等. 应用混合遗传算法的超磁致伸缩致动器磁滞模型的参数辨识. 中国电机工程学报，2004，24（10）：127～132
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