電熱力多場耦合的案例
鋁電解槽多物理場耦合分析之電-熱-結構耦合計算
因為鈉擴散是瞬態過程，所以要利用瞬態熱場計算來模擬。瞬態熱場計算中所用到的材料屬性包括密度、比熱容、傳熱系數。鈉在半石墨質炭塊中的飽和濃度為3%，啟動初期鈉的滲透比較劇烈，可以認為表層碳塊在較短時間內就達到了飽和濃度。根據計算出的鈉濃度分布，可以得到每一層碳塊的鈉膨脹率，進而得到對應的熱膨脹系數。
圖2 鈉濃度分布
2 熱應力計算
熱應力計算模型可以直接由熱場模型去掉熔體、陽極炭塊、上部結構、立柱母線等部位得到。為了節省計算時間，計算熱應力時采用半槽模型進行計算。
圖3 熱應力計算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場計算結果導入。
（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
槽內熔體的壓力：
上部結構壓力
圖 4 溫度分布由熱場計算結果導入
3 后處理結果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向為煙道端到出鋁端，Y方向為進電端到出電端，Z方向為豎直方向。總位移最大值為29.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢，中間的炭塊上拱最明顯。
展開 鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
對于一般的加熱電路，電阻層分離是常見的主要故障。這是由于熱導致的界面應力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會過熱，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引起的界面張力也很重要。電阻層的幾何形狀是設計電路 正常工作的關鍵參數。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，該電阻層產生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產生的熱量。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 Comsol的電潤濕液態鏡頭多物理場耦合仿真 ￥2800
同時我們也看到，目前設計的單個液體透鏡很難獲得極高的成像質量，成熟的液體透鏡產品太少，很多企業和科研單位的研究都處于實驗階段。</p><p> 此次根據電潤濕的原理，通過Comsol兩相流、靜電場和幾何光學模塊多物理場耦合仿真了電潤濕液體透鏡電壓從低到高的調節過程，使得液體透鏡從散焦到聚焦變化。</p><p><br></p><p> 電壓從低到高，液體分界面的變化。<img src="https://img.jishulink.com/upload/202102/e1e6a97fa56e4a53adaefae9244995bc.gif" height="342" width="476"></p><p> 光路變化</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202102/7a60b8c3e6944b908f67cd9576d4f8e6.gif"></p><p><br></p><p><br></p><p>光路龐加萊圖的變化</p><p> <img src="https://img.jishulink.com/upload/202102/12983d0e837b4411b538ffbacd6a7330.gif"></p><p><br></p><p>有興趣的可以加我，交流模型。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 Abaqus 復合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導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
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準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行電-熱耦合分析
可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示
考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124對含初始損傷的復合材料平板進行漸進損傷分析，以獲得其剩余強度。計算得到的損傷云圖和載荷位移曲線如圖所示。
可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，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復合材料強度的影響。
展開 
Abaqus 復合材料雷擊后的電-熱-力多場耦合分析
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。
電-熱強耦合分析
電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為
電流流過導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
這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.
熱傳導方程可以用下式描述
美國軍用標準給出了雷電載荷的波形
選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述
A段電流波形如下
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可以發現，在拉伸載荷作用下，復合材料從雷擊點處開始發生破壞，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復合材料強度的影響。
有Abaqus相關的問題可以聯系扣扣1653004885
展開 馬偉明院士：關于電工學科前沿技術發展的若干思考
圖13 器件多物理場瞬態建模與仿真
2）極端條件電磁能材料動態響應表征原理
目前，電磁熱力多場耦合極端條件下電磁能材料動態響應表征方面的研究是“無人區”，缺乏電磁能材料在極端條件作用下的測試理論和測試方法。傳統測試手段一般采用穩態熱環境或緩慢熱加載，應變率范圍窄，難以考慮純電致塑性效應和溫度沖擊效應。
而電磁能裝備的電磁、溫度、應力沖擊速率大，多個物理場耦合沖擊作用，例如，沖擊條件下的電流密度、溫升速率和應變率分別是現有測試手段的10000倍、100倍和10000倍。因此，開展多場耦合極端沖擊材料物性在線測試和原位觀測方法研究，獲得電磁熱力多場耦合沖擊下的材料動態響應表征原理，是電磁能材料性能調控和優化電磁能裝備應用性能的關鍵。
3）極端條件電磁能材料的非線性構效關系
極端條件多場耦合沖擊作用下，電磁能材料的構效關系呈“強非線性”特征，國內外在此領域的研究均為空白，電磁能材料的構效關系不完備、性能結果不完善，導致設計理論難突破，嚴重制約著電磁能裝備新材料的研發和裝備性能的提升。開展多場耦合極端沖擊材料的非線性構效關系研究，明晰材料成分、組織與極端沖擊性能關系，是認知電磁能與材料相互作用機理和提升電磁能裝備性能的基礎。
4）極端條件電磁能裝備穩定性與失效機制
電磁能裝備工作于電磁熱力多場耦合作用的極端工況，與傳統機電轉換系統不同，其每次運行都伴隨著材料性能的明顯劣化，直至達到使用壽命進而失效。由于電磁能裝備設計面臨診斷依據匱乏的難題，無法實現設備狀態的實時評估，嚴重制約了電磁能裝備極端工況長期服役的穩定性。
展開 天線年會 | Ansys專場技術研討會：聚焦HFSS底層技術與應用
10月25日 19:00~21:00
Ansys專場技術研討會：聚焦HFSS底層技術與應用（東錢湖1廳）
議題1：Ansys全能大型陣列天線系統仿真解決方案
嘉賓：羅輝
羅輝，Ansys公司高頻應用工程師，負責HFSS等高頻電磁仿真軟件的售前售后技術支持，在天線、微波器件、射頻電路和射頻系統干擾等應用方向具有深厚的行業經驗和技術積累，為客戶提供量身定制的高頻電磁場仿真方案、軟件使用培訓和設計咨詢等各方面服務。
關鍵詞：3D component, unit cell, FA-DDM, CA-DDM, 場路協同，多物理場
簡介：隨著軍用、民用等多方面需求的驅動，大型陣列天線系統技術被極大地推動，日趨復雜的設計需求也帶來了更大的設計挑戰，如大規模陣列仿真、MIMO模擬、有源天饋系統性場路協同、電熱力多物理場耦合等。本主題主要介紹HFSS軟件在陣列天線系統設計仿真方面的解決方案，以及HFSS在相控陣設計仿真流程中的關鍵功能更新，講解由單元選型和優化、靈活的陣列建模、大規模并行計算、場路協同、多物理場等多個方面組成的完善的陣列天線全系統仿真流程。
議題2：5G毫米波天線仿真——HFSS 5G工具箱
嘉賓：吳紫玉
吳紫玉，Ansys高級應用工程師，畢業于電子科技大學，獲工學碩士學位。
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