一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法

摘要

本发明公开了一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法，以磁场强度、磁场均匀度、逸散场范围、超导线材用量、磁体重量为性能衡量指标，采用有限元与模拟退火算法相结合的联合优化方法进行设计，以公差分析法对设计结果进行分析。本发明中的设计方法综合考虑了多个性能指标，并利用全局优化算法，避免了陷入局部最优的问题，使得超导磁体的结构更合理，屏蔽效果更好，生产成本更低，使用公差分析法对设计结果进行分析，可为工程实施提供理论指导。

主权项

1.一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法，其特征在于：它以磁场强度、磁场均匀度、逸散场范围、超导线材用量、磁体重量为性能衡量指标，采用有限元与模拟退火算法相结合的联合优化方法进行设计，以公差分析法对设计结果进行分析，具体流程如下：1)设置初始条件，包括主线圈个数、目标磁场强度、均匀区直径、超导线材类型及截面尺寸、工作电流强度、铁屏材料类型和公差分析目标；2)设置约束条件，包括磁体长度、磁体重量、磁体内径；3)设置离散化的优化变量，包括主线圈变量和铁屏变量，其中主线圈变量包括每个线圈(1)的单层匝数、绕线层数、内径和空间位置；铁屏变量包括端面铁屏(2)的厚度和长度、侧面铁屏(3)的厚度以及二者的空间位置；4)定义目标函数f＝k₁·(B₀-B_obj)+k₂·P_pm+k₃·D+k₄·L+k₅·T其中B₀为均匀区内磁场强度平均值，通过有限元法和数据插值法可以求出；B_obj为均匀区内目标磁场强度；P_pm为均匀区内的磁场均匀度；D为逸散场范围，D＝D₁·D₂，其中D₁、D₂分别为五高斯等值线在轴向和径向与磁体几何中心点的距离；L为超导线材用量，其中d_i、M_i、N_i分别为第i个线圈内径、单层匝数和绕线层数；T为磁体总重量，T＝ρ_c·L·S_c+ρ_fe·V_fe，其中ρ_c、S_c为超导线材密度和截面积，ρ_fe、V_fe为铁屏材料密度和铁屏体积，S_c、V_fe可由3)输入的优化变量计算得到；k₁、k₂、k₃、k₄、k₅为权重系数，可以适当调节大小以得到最佳的优化结果；5)利用有限元与模拟退火算法相结合的联合优化方法对目标函数进行优化，具体步骤为：a)设置模拟退火算法的初始控制参数，包括3)中各优化变量的初始值、对应的搜索空间与搜索步长、等温抽样次数、降温次数、初始温度接受概率、终止温度接受条件；以优化变量的初始值为当前解保存到结果文件；b)利用有限元算法读入当前解，求得均匀区球面上等弧度的N个点处的轴向磁通密度值B_z1，B_z2，B_z3，…，B_zn，以及五高斯等值线在轴向和径向与磁体几何中心点的距离D₁，D₂；c)利用模拟退火算法读入B_z1，B_z2，B_z3，…，B_zn，D₁，D₂，计算目标函数值；d)在各优化变量对应的搜索空间内随机产生一组新解；e)按照步骤b)、c)计算新解对应的目标函数值；f)按照Metropolis准则判断是否接受新解为当前解，并记录最优解；g)若等温抽样次数达到设定值，则温度下降，否则返回d)；h)若达到降温次数或者满足终止温度接受条件，则结束运算，输出最优解，否则返回d)；6)联合优化方法结束后，进行后处理，对设计结果进行公差分析。