熱-電-力耦合
關(guān)注創(chuàng)建者：海鷗喬納森 創(chuàng)建時(shí)間：2022-09-14
熱-電-力耦合的視頻教程
考慮熱-電-力-化耦合的復(fù)合材料雷擊損傷分析
通過考慮雷擊過程的電-熱-力-化學(xué)多場(chǎng)耦合，計(jì)算了復(fù)合材料雷擊過程中的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、損傷場(chǎng)及熱解度場(chǎng)。同時(shí)也對(duì)復(fù)合材料雷擊后的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了分析，講解了不同場(chǎng)在計(jì)算中的傳遞方法，獲得了雷擊對(duì)復(fù)合材料的影響效果。
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Altair電池包解決方案系列研討會(huì)之電池熱-電耦合和熱失控仿真
Altair電池包解決方案系列研討會(huì)之電池熱-電耦合和熱失控仿真 1.SimLab Battery Solution 介紹； 2.電池包熱模型建模； 3.電池包熱管理和熱失控仿真。
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二維的電-磁-熱耦合超導(dǎo)磁通跳躍模型下載
當(dāng)超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱不能通過邊界及時(shí)的擴(kuò)散出去，必將引起局部位置的溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生磁通跳躍、磁通崩塌以及失超等現(xiàn)象。
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熱-電-力耦合的實(shí)例教程
這是由于熱導(dǎo)致的界面應(yīng)力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會(huì)過熱，這又加速了電阻層的分離。最后，在 最糟糕的情況下，電路可能會(huì)過熱并燒壞。從這一角度而言，研究由于溫差以及電阻 層和基板的不同熱膨脹系數(shù)引起的界面張力也很重要。電阻層的幾何形狀是設(shè)計(jì)電路 正常工作的關(guān)鍵參數(shù)。可以通過模擬電路來研究上述所有方面。
本案例基于一加熱電路模型，它由沉積在玻璃板上的電阻層組成，向電路施加電壓時(shí)，該電阻層產(chǎn)生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產(chǎn)生的熱量。模擬了加熱電路的焦耳熱分布以及熱膨脹變形，模擬結(jié)果如圖所示：
焦耳熱分布云圖
電熱板熱膨脹變形
感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流
展開 當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會(huì)同時(shí)受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會(huì)使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會(huì)下降，因此還需要對(duì)雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對(duì)復(fù)合材料承載力的影響。
對(duì)復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個(gè)步驟：1 電-熱強(qiáng)耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析。
電-熱強(qiáng)耦合分析
電流流過導(dǎo)體的過程中，所耗散的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電場(chǎng)控制方程為
電流流過導(dǎo)體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設(shè)耗散的電能全部轉(zhuǎn)換為熱量，則ηv=1.
熱傳導(dǎo)方程可以用下式描述
美國軍用標(biāo)準(zhǔn)給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進(jìn)行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
最后
建立如圖所示的平板進(jìn)行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點(diǎn)處不同時(shí)間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場(chǎng)后，可以根據(jù)溫度場(chǎng)確定雷擊導(dǎo)致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標(biāo)記燒蝕的單元，并將其損傷設(shè)置為1.然后結(jié)合UMAT子程序，采用hashin準(zhǔn)則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對(duì)含初始損傷的復(fù)合材料平板進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，以獲得其剩余強(qiáng)度。計(jì)算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸載荷作用下，復(fù)合材料從雷擊點(diǎn)處開始發(fā)生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
展開 當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會(huì)同時(shí)受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會(huì)使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會(huì)下降，因此還需要對(duì)雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對(duì)復(fù)合材料承載力的影響。
對(duì)復(fù)合材料的雷擊分析可以分為兩個(gè)步驟：1 電-熱強(qiáng)耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析。
電-熱強(qiáng)耦合分析
電流流過導(dǎo)體的過程中，所耗散的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生焦耳熱。電場(chǎng)控制方程為
電流流過導(dǎo)體耗散的能量可以通過焦耳定律描述
熱流密度可以表示為
這里假設(shè)耗散的電能全部轉(zhuǎn)換為熱量，則ηv=1.
熱傳導(dǎo)方程可以用下式描述
美國軍用標(biāo)準(zhǔn)給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進(jìn)行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
建立如圖所示的平板進(jìn)行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點(diǎn)處不同時(shí)間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場(chǎng)后，可以根據(jù)溫度場(chǎng)確定雷擊導(dǎo)致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標(biāo)記燒蝕的單元，并將其損傷設(shè)置為1.然后結(jié)合UMAT子程序，采用hashin準(zhǔn)則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對(duì)含初始損傷的復(fù)合材料平板進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，以獲得其剩余強(qiáng)度。計(jì)算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發(fā)現(xiàn)，在拉伸載荷作用下，復(fù)合材料從雷擊點(diǎn)處開始發(fā)生破壞，失效過程與中心開孔板類似。通過修改不同的電流峰值，可以定量得到雷擊對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。
有Abaqus相關(guān)的問題可以聯(lián)系扣扣1653004885
展開 在紐曼框架基礎(chǔ)上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴(kuò)展模型的能力(應(yīng)對(duì)紐曼模型描述不了的場(chǎng)景)
電熱耦合
電化學(xué)-熱耦合模型是基于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體傳熱接口，主要用于模擬電池的溫度變化分布情況。鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個(gè)部分分工明確并相互耦合。首先，電化學(xué)模型計(jì)算出發(fā)熱功率，然后將發(fā)熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據(jù)發(fā)熱功率計(jì)算出溫升，然后將此時(shí)電池溫度傳遞給電化學(xué)模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實(shí)現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。電化學(xué)-熱耦合模型涉及的理論方程也分為兩部分，一部分是電化學(xué)模型所用 到的電荷守恒、質(zhì)量守恒以及電極動(dòng)力學(xué)，另一部分是熱模型構(gòu)建所用的結(jié)合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關(guān)系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準(zhǔn)確地反映出電池的電化學(xué)性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學(xué)-力耦合模型基于電化學(xué)插層反應(yīng)而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學(xué)接口，主要用于模擬電池的內(nèi)部應(yīng)力變化分布情況。
展開 為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算熱應(yīng)力時(shí)采用半槽模型進(jìn)行計(jì)算。
圖3 熱應(yīng)力計(jì)算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入。
（2）位移邊界為AB梁底部的支柱固定。
（3）所施加載荷為：
重力加速度9.8m/s2
槽內(nèi)熔體的壓力：
上部結(jié)構(gòu)壓力
圖 4 溫度分布由熱場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入
3 后處理結(jié)果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向?yàn)闊煹蓝说匠鲣X端，Y方向?yàn)檫M(jìn)電端到出電端，Z方向?yàn)樨Q直方向?？偽灰谱畲笾禐?9.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內(nèi)襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢(shì)，中間的炭塊上拱最明顯。
圖5 電解槽位移計(jì)算結(jié)果
電解槽應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。最大應(yīng)力為422Mpa，位于搖籃架拐角處，此處應(yīng)力集中比較嚴(yán)重。
圖6 電解槽Mises應(yīng)力
4 小結(jié)
本文建立了電解槽熱應(yīng)力-鈉膨脹耦合計(jì)算模型，提出了利用傳熱和擴(kuò)散的相似性來模擬鈉擴(kuò)散的方法，并根據(jù)計(jì)算出的鈉濃度分布把鈉膨脹轉(zhuǎn)化為熱膨脹，模擬了電解槽的鈉膨脹應(yīng)力和熱應(yīng)力。模型中考慮了材料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內(nèi)襯的受熱收縮效應(yīng)，得出了與實(shí)際情況比較相近的結(jié)果。
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熱-電-力耦合的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
熱-電-力耦合的最新內(nèi)容
AnsysWB匯流排電-熱耦合仿真6個(gè)月前
用于仿真的幾何形狀包含一個(gè)單元的耦合組件，以及一段連接到電源的
槽間母線板。它由陽極頂部和四個(gè)中心柱組成，柱上固定著銅棒和銅條。
施加直流電流及溫度，以及對(duì)流散熱等邊界條件。
AnsysWB直流母線電容DC Link電-熱耦合仿真6個(gè)月前
DC-Link 薄膜電容是電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，在反復(fù)充放電的過程中會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)熱，影響其使用壽命。
本文基于ANSYS 仿真軟件對(duì)某型號(hào)DC-Link 薄膜電容器進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，結(jié)果表明，在
高溫環(huán)境中，電容器芯子中心處為溫度最高點(diǎn)，而配備散熱器后，最高溫度點(diǎn)轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)離散熱器的外殼處，散熱器能顯著降低芯子溫度。
1.基于某款實(shí)際電容產(chǎn)品簡(jiǎn)化的3D模型
Comsol凍土路基（熱-水-力耦合）模型7個(gè)月前
Comsol凍土路基（熱-水-力耦合）模型，水熱采用PDE建模，力學(xué)采用軟件自帶的固體力學(xué)模塊，路基分為兩層土，計(jì)算時(shí)間一年，附帶參考文獻(xiàn)。
Abaqus 熱-力順序耦合與 DFLUX 詳解7個(gè)月前
——科研到工程：Abaqus Goldak 雙橢球 + FROM FILE 實(shí)現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含 Goldak 熱源 DFLUX ）
適用人群：做焊接/鍵合殘余應(yīng)力/變形預(yù)測(cè)、增材制造熱-力場(chǎng)分析的工程師與研究生
代碼環(huán)境：Abaqus/CAE 2019（Python 2.7），Abaqus/Standard（DFLUX Fortran 子程序）
本文提供 兩個(gè)腳本（Abaqus/CAE
Comsol金屬氧化物避雷器（MOA）電-熱耦合計(jì)算
關(guān)鍵詞：電磁避雷器；電-熱耦合；有限元；數(shù)值計(jì)算
1 避雷器電-熱特性研究
1.1 避雷器
避雷器：用于保護(hù)電氣設(shè)備免受雷擊時(shí)高瞬態(tài)過電壓危害，并限制續(xù)流時(shí)間，也常限制續(xù)流幅值的一種電器。避雷器有時(shí)也稱為過電壓保護(hù)器，過電壓限制器。如圖1所示就是避雷器實(shí)物圖。
圖1. 避雷器
避雷器連接在線纜和大地之間，通常與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)
本案例基于COMSOL軟件建立了一三維電纜模型，如圖1所示。
圖1 幾何模型
電纜結(jié)構(gòu)中考慮了以下結(jié)構(gòu)層及材料的定義：
基于COMSOL軟件中的電- 熱耦合相關(guān)模塊，數(shù)值仿真得到了電纜的電勢(shì)分布和溫度場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如圖所示：
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使用熱接觸模型仿真插頭熱電力耦合
紐曼模型框架
紐曼模型（Newman model）是用于描述鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)和傳輸過程的一種數(shù)學(xué)模型。該模型以電池的正負(fù)極為基礎(chǔ)，通過一組偏微分方程來描述電池內(nèi)部的電流、電壓和鋰離子濃度分布等關(guān)鍵參數(shù)。這個(gè)模型的主要目標(biāo)是理解電池的性能和響應(yīng)
當(dāng)復(fù)合材料遭遇雷擊時(shí)，復(fù)合材料會(huì)同時(shí)受到電-熱-力的耦合作用。根據(jù)焦耳熱定律，雷電流流過時(shí)由材料電阻產(chǎn)生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導(dǎo)致材料出現(xiàn)燒蝕損傷。燒蝕損傷也會(huì)使材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能降低。受到雷擊作用后，復(fù)合材料的性能必然會(huì)下降，因此還需要對(duì)雷擊后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，定量計(jì)算雷擊對(duì)復(fù)合材料承載力的影響。
基于Ansys WB耦合場(chǎng)瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據(jù)其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計(jì)算結(jié)構(gòu)體的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動(dòng)過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導(dǎo)致盤片變形，變形的盤片進(jìn)一步影響盤片和摩擦片的接觸關(guān)系，又進(jìn)一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合
