本發(fā)明涉及磁懸浮連鑄過程優(yōu)化，具體地說，涉及磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法。

背景技術：

1、磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法旨在優(yōu)化電磁場與冷卻過程的耦合和提高材料凝固質量的穩(wěn)定性，通過多物理場耦合仿真與進化拓撲優(yōu)化算法的結合，控制電磁場強度分布、電流配置和材料冷卻速率，實現(xiàn)在磁懸浮連鑄過程中均勻冷卻、穩(wěn)定懸浮和材料性能的優(yōu)化提升。

2、現(xiàn)有的磁懸浮連鑄過程優(yōu)化方法通常難以同時優(yōu)化電磁場與冷卻系統(tǒng)的協(xié)同作用，且由于溫度場、流體場和電磁場的相互作用，材料在凝固時容易出現(xiàn)熱應力不均，進而引發(fā)凝固裂紋，以及電流配置與磁懸浮之間不穩(wěn)定性的問題，因此，提供磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法，以解決上述背景技術中提出的由于溫度場、流體場和電磁場的相互作用，材料在凝固時容易出現(xiàn)熱應力不均，進而引發(fā)凝固裂紋，以及電流配置與磁懸浮之間不穩(wěn)定性的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明目的在于提供了磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1、建立磁懸浮連鑄過程的邊界條件與多物理場下的設計約束；

4、s2、將多物理場耦合仿真技術與進化拓撲優(yōu)化算法相結合，建立包含電磁場、熱場及流體場耦合的新型多場進化拓撲仿真模型，動態(tài)調整線圈物理設計；

5、s3、使用逆優(yōu)化求解技術和進化拓撲優(yōu)化算法，根據(jù)預定磁場和冷卻目標，反向推導電流分布，并通過優(yōu)化迭代，逐步調整電磁線圈的電流配置達到與電磁場分布之間的最優(yōu)耦合關系；

6、s4、實時采集系統(tǒng)的溫度場和電磁場數(shù)據(jù)，評估電磁場分布和冷卻效果。

7、作為本技術方案的進一步改進，所述s1中，建立磁懸浮連鑄過程的邊界條件與多物理場下的設計約束，具體如下：

8、s1.1、多物理場包括電磁場、熱場及流體場；

9、s1.2、設定電磁場強度限制：

10、；

11、；

12、其中，表示磁感應強度的內(nèi)法向分量和外法向分量在邊界連續(xù)；表示磁感應強度大小不超過最大磁場強度；

13、s1.3、設定熱場最大允許溫度梯度：

14、；

15、其中，表示熱場溫度梯度大小不超過最大溫度梯度；

16、s1.4、設定流體場的邊界條件：

17、；

18、；

19、；

20、其中，表示流體速度等于邊界流體速度；表示流體出口壓力等于環(huán)境壓力；表示流體流動速度大小不超過最大流體流動速度。

21、作為本技術方案的進一步改進，所述s2中，將多物理場耦合仿真技術與進化拓撲優(yōu)化算法相結合，建立包含電磁場、熱場及流體場耦合的新型多場進化拓撲仿真模型，動態(tài)調整線圈物理設計，具體步驟如下：

22、s2.1、根據(jù)電磁場強度的限制和線圈初始設計，應用麥克斯韋方程組描述電磁場初始模型：

23、；

24、其中，為磁感應強度的散度；為磁感應強度；為磁場強度的旋度；表示在任何點都沒有磁單極子；為磁場強度；為電流密度；

25、建立熱場初始模型：

26、；

27、其中，為熱導率；為溫度梯度；為熱源項；

28、建立流體場初始模型：

29、；

30、其中，為流體的密度；為流體速度；為流體速度對時間的局部導數(shù)；為對流項；為壓力梯度；為流體的動力黏度；為拉普拉斯算子；為流體場驅動力；

31、s2.2、將電磁場初始模型、熱場初始模型和流體場初始模型進行耦合，建立多物理場耦合仿真；

32、s2.3、根據(jù)多物理場耦合仿真通過進化拓撲優(yōu)化算法，建立新型多場進化拓撲仿真模型，動態(tài)調整線圈幾何形狀和材料分布，達到電磁場、熱場和流體場的最優(yōu)耦合。

33、作為本技術方案的進一步改進，所述s2.2中，將電磁場初始模型、熱場初始模型和流體場初始模型進行耦合，建立多物理場耦合仿真，具體步驟如下：

34、s2.2.1、使用電磁場中的電流損耗作為熱源，將電磁場與熱場進行耦合：

35、；

36、s2.2.2、利用電磁場中的洛倫茲力作為流體場驅動力，將電磁場與流體場進行耦合：

37、；

38、s2.2.3、根據(jù)熱場中溫度分布，計算流體浮力作用于流體場，并修改流體場驅動力，將熱場與流體場進行耦合：

39、；

40、其中，為流體浮力。

41、作為本技術方案的進一步改進，所述s2.3中，根據(jù)多物理場耦合仿真通過進化拓撲優(yōu)化算法，建立新型多場進化拓撲仿真模型，動態(tài)調整線圈幾何形狀和材料分布，達到電磁場、熱場和流體場的最優(yōu)耦合，具體步驟方法如下：

42、s2.3.1、將多物理場耦合仿真結合進化拓撲優(yōu)化算法，構建線圈優(yōu)化目標函數(shù)：

43、；

44、其中，為控制電磁損耗在目標函數(shù)中的權重；為控制溫度梯度對目標函數(shù)的權重；為控制流體速度場對目標函數(shù)的權重；為優(yōu)化區(qū)域；為溫度梯度；為流體速度的平方；

45、s2.3.2、基于線圈優(yōu)化目標函數(shù)和磁懸浮連鑄過程的邊界條件與多物理場下的設計約束，使用進化拓撲優(yōu)化算法，動態(tài)調整線圈幾何形狀和材料分布；

46、s2.3.3、初始設計變量為線圈的材料分布和幾何結構；

47、s2.3.4、使用有限元法對電磁場、熱場和流體場的耦合方程進行求解，得到電磁場分布、熱場分布和流體場分布，并計算線圈優(yōu)化目標函數(shù)值：

48、；

49、其中，為控制電磁損耗在目標函數(shù)中的權重；為控制溫度梯度對目標函數(shù)的權重；為控制流體速度場對目標函數(shù)的權重；為優(yōu)化區(qū)域；

50、s2.3.5、通過靈敏度分析計算第次設計變量對線圈優(yōu)化目標函數(shù)的影響，并更新設計變量：

51、；

52、其中，為第次迭代設計變量；為第次迭代設計變量；為學習率；為第次迭代線圈優(yōu)化目標函數(shù)相對于第次迭代設計變量的梯度；

53、s2.3.6、當線圈優(yōu)化目標函數(shù)在連續(xù)兩次迭代中的變化小于設定閾值，則線圈優(yōu)化目標函數(shù)已收斂：

54、；

55、其中，為第次迭代線圈優(yōu)化目標函數(shù)；為線圈優(yōu)化目標函數(shù)收斂閾值；

56、s2.3.7、若設計變量在連續(xù)兩次迭代中的變化小于設定閾值，則設計變量已收斂：

57、；

58、其中，為第次迭代設計變量與第次迭代設計變量的差值；

59、s2.3.8、當線圈優(yōu)化目標函數(shù)與設計變量均滿足收斂條件時，輸出最優(yōu)線圈物理設計：

60、；

61、其中，為最優(yōu)線圈物理設計；表示求解使線圈優(yōu)化目標函數(shù)最小化的設計變量。

62、作為本技術方案的進一步改進，所述s3中，使用逆優(yōu)化求解技術和進化拓撲優(yōu)化算法，根據(jù)預定磁場和冷卻目標，反向推導電流分布，并通過優(yōu)化迭代，逐步調整電磁線圈的電流配置達到與電磁場分布之間的最優(yōu)耦合關系，具體步驟如下：

63、s3.1、根據(jù)目標磁感應強度分布和目標冷卻要求，建立電流分布目標函數(shù)：

64、；

65、其中，為電流分布；為電流分布產(chǎn)生的磁感應強度分布；為由電流分布產(chǎn)生電磁場所引起的溫度梯度；為磁場對電流分布目標函數(shù)的影響權重；為溫度梯度對電流分布目標函數(shù)的影響權重；

66、s3.2、根據(jù)目標磁感應強度分布，使用逆優(yōu)化求解技術計算目標電流分布；

67、s3.3、通過靈敏度分析法逐步調整電流分布，使得磁場分布逐步接近目標磁感應強度分布；

68、s3.4、多次迭代調整電流分布，直到電流分布目標函數(shù)收斂以及電流分布收斂；

69、s3.5、當電流分布目標函數(shù)與電流分布均滿足收斂條件時，輸出最優(yōu)電流分布。

70、作為本技術方案的進一步改進，所述s3.2中，根據(jù)目標磁感應強度分布，使用逆優(yōu)化求解技術計算目標電流分布，具體步驟方法如下：

71、s3.2.1、根據(jù)目標磁感應強度分布，計算目標磁場強度分布：

72、；

73、其中，為真空磁導率；

74、s3.2.2、根據(jù)安培定律，計算目標電流密度：

75、；

76、s3.2.2、根據(jù)目標電流密度，積分得到目標電流分布：

77、；

78、其中，為目標電流分布，為電磁線圈的橫截面積；

79、所述s3.3中，通過靈敏度分析法逐步調整電流分布，使得磁場分布逐步接近目標磁感應強度分布，具體步驟如下：

80、s3.3.1、對電流分布目標函數(shù)求導：

81、；

82、其中，為磁場關于電流的靈敏度矩陣；

83、s3.3.2、使用梯度下降法迭代計算第次迭代電流分布：

84、；

85、其中，為第次迭代電流分布。

86、作為本技術方案的進一步改進，所述s3.4中，多次迭代調整電流分布，直到電流分布目標函數(shù)收斂以及電流分布收斂，具體如下：

87、s3.4.1、當電流分布目標函數(shù)的變化小于閾值時，則電流分布目標函數(shù)已收斂：

88、；

89、其中，為第次迭代電流分布的電流分布目標函數(shù)值；為第次迭代電流分布的電流分布目標函數(shù)值；為電流分布目標函數(shù)收斂閾值；

90、s3.4.2、當電流分布的變化小于閾值時，則電流分布已收斂：

91、；

92、其中，為電流分布目標函數(shù)收斂閾值；

93、所述s3.5中，當電流分布目標函數(shù)與電流分布均滿足收斂條件時，輸出最優(yōu)電流分布，具體方法如下：

94、；

95、其中，為最優(yōu)電流分布。

96、作為本技術方案的進一步改進，所述s4中，實時采集系統(tǒng)的溫度場和電磁場數(shù)據(jù)，評估電磁場分布和冷卻效果，具體方法如下：

97、s4.1、使用熱電偶實時監(jiān)控材料表面的實時溫度分布；使用磁感應傳感器測量實時磁感應強度；

98、s4.2、根據(jù)實時磁感應強度，計算磁感應強度誤差；

99、s4.3、根據(jù)實時溫度分布，計算溫度梯度和溫度變化率。

100、作為本技術方案的進一步改進，所述s4.2中，根據(jù)實時磁感應強度，計算磁感應強度誤差，具體方法如下：

101、；

102、其中，為實時磁感應強度；為目標磁感應強度；為磁感應強度誤差；

103、所述s4.3中，根據(jù)實時溫度分布，計算溫度梯度和溫度變化率，具體方法如下：

104、；

105、；

106、其中，為溫度梯度；為溫度場的梯度；為時間；為溫度變化率；為在空間位置處，時間時的溫度值。

107、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

108、1、該磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法中，基于多物理場耦合仿真和進化拓撲優(yōu)化算法的結合，可以動態(tài)優(yōu)化電磁線圈的幾何形狀與材料分布，確保電磁場、熱場和流體場的協(xié)同作用，提升磁懸浮穩(wěn)定性與冷卻均勻性，并減少凝固裂紋。

109、2、該磁懸浮連鑄過程仿真與優(yōu)化方法中，通過逆優(yōu)化求解技術與靈敏度分析的迭代優(yōu)化，實現(xiàn)電流分布的動態(tài)調整，使得電磁場分布與冷卻過程達到最優(yōu)耦合，有效減少熱應力、提升材料凝固質量。