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新型高性能电工材料应用特性模块化与自学习建模技术研究

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摘要

新型高性能电工材料因具有优异的性能和广泛的应用前景，为电工及相关行业的发展起到巨大的推动作用，其应用特性的建模问题是这些材料用于工程设计的关键问题。由于这些材料的物质结构及其形成规律各不相同，其特性的显现和变化所依赖的外界因素及敏感程度也各异，并且其应用特性涉及电工学科、材料学科、信息学科、机械学科等多学科领域交叉的许多深层次内容，这就增加了应用特性建模的难度和复杂性。在河北省百名优秀人才支持计划项目的资助下，本文选择了“新型高性能电工材料应用特性模块化与自学习建模技术研究”这一既具有科学价值又具有实际意义的课题，以期为这些材料的应用提供理论依据和器件性能仿真手段，节约设计成本，加快各种相关产品的开发。
　　 本文的主要研究内容有以下几个方面：
　　 1 ．考虑多物理场耦合的特性。新型高性能电工材料对来自外界或内部的各种信息，如电、磁、热、光、应力(应变)等信号之强度及变化具有感知及响应能力，是构成众多的、先进应用器件的基础。同时也因感知和响应的存在，使得材料中原本相互独立的特性，发生了耦合。因此，在新型高性能电工材料应用特性建模时考虑了多场耦合特征。
　　 2 ．引入模块化设计思想。在充分考虑新型高性能电工材料在实际应用中所受到的机械(应力)效应、温度(热)效应、电场效应、磁场效应、光学效应等各种影响的因素上，综合考虑高性能电工材料的应用特性在建模过程中所建模型的线性度、维数、工作状态、耦合因素、耦合方法和数值计算方法等因素，以系统功能为基础，运用模块划分的原则，采用自顶向下(top-down)的方法，对新型高性能电工材料应用特性建模进行了系统研究。
　　 为了使各模块相对独立性强、数据依赖性尽量小和数据冗余较小，利用工程模糊综合评判方法，对系统的功能进行了合并，最终划分了7个模块：材料物理效应模块、模型维数模块、线性度模块、工作状态模块、耦合因素模块、耦合方法模块和数值计算方法模块，并初步实现了新型高性能电工材料应用特性建模的模块化设计。
　　 3 ．引入自学习机制。根据新型高性能电工材料应用特性建模的特点及不同的学习目标，提出的自学习功能具有自适应、优化和智能化特征。将专家系统引入新型高性能电工材料应用特性自学习功能的建模技术中，并采用基于规则的专家系统设计了新型高性能电工材料应用特性建模与分析软件。
　　 4 ．以超磁致伸缩加速度传感器设计为例，将模块化设计方法融入到知识库的设计过程中，建立了超磁致伸缩加速度传感器知识库。采用新型高性能电工材料应用特性建模与分析软件对超磁致伸缩加速度传感器进行建模分析，并根据超磁致伸缩材料应用特性表现出多物理场综合作用的特征，根据用户的输入参数，基于规则库调用磁-机械强耦合等模块进行了建模分析，实现了所提出部分自学习功能。

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