電機(jī)熱-力耦合仿真的案例
鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
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(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，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
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“新能源驅(qū)動電機(jī)電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設(shè)計(jì)仿真培訓(xùn)
一、課程背景：
永磁驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車行駛中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件之一，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅(qū)動電動機(jī)主要有起動轉(zhuǎn)矩要大、恒功率區(qū)寬、調(diào)速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機(jī)要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因?yàn)橛来磐诫妱訖C(jī)功率密度大、調(diào)速性能好、體積更小，效率更高等特點(diǎn)，從而現(xiàn)下新能源汽車使用永磁同步電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)最多。
我們知道電機(jī)內(nèi)存在多種不同類型的多場耦合系統(tǒng)，涉及電磁、機(jī)械、電子、流體、熱場等多個學(xué)科相互影響。需要運(yùn)行多場耦合系統(tǒng)，進(jìn)行精確仿真，弄清各場的分布規(guī)律及其控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對各種參數(shù)進(jìn)行綜合分析比較和優(yōu)化，這是新的電機(jī)研究方向。對現(xiàn)下電機(jī)設(shè)計(jì)工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計(jì)算加經(jīng)驗(yàn)修正已經(jīng)滿足不了當(dāng)下的競爭需求，電機(jī)工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進(jìn)行電機(jī)的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機(jī)工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業(yè)界領(lǐng)先的電磁仿真軟件，能滿足電機(jī)工程師的仿真設(shè)計(jì)需求，提升高品質(zhì)電機(jī)設(shè)計(jì)能力；電磁仿真軟件已集成到先進(jìn)的仿真平臺WB中，WB獨(dú)特的項(xiàng)目圖形化界面把整個仿真過程緊密結(jié)合在一起，完成復(fù)雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結(jié)構(gòu)等物理場相互耦合分析驅(qū)動電機(jī)，得到其電磁場、熱場、振動等結(jié)果。為此宏新環(huán)宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅(qū)動電機(jī)電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設(shè)計(jì)仿真培訓(xùn)。
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27.新能源驅(qū)動電機(jī)電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合高級設(shè)計(jì)仿真培訓(xùn).pdf
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COMSOL鋰電池技術(shù)仿真與應(yīng)用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應(yīng)用
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)對紐曼模型描述不了的場景)
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 【11月15-18日 南京】“新能源電機(jī)磁場、磁熱、振動、噪聲多場耦合仿真”第二期培訓(xùn)班
課程背景
眼新能源驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車行駛中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件之一，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅(qū)動電動機(jī)主要有起動轉(zhuǎn)矩要大、恒功率區(qū)寬、調(diào)速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機(jī)要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因?yàn)橛来磐诫妱訖C(jī)功率密度大、調(diào)速性能好、體積更小，效率更高等特點(diǎn)，從而現(xiàn)下新能源汽車使用永磁同步電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)最多。
我們知道電機(jī)內(nèi)存在多種不同類型的多場耦合系統(tǒng)，涉及電磁、機(jī)械、電子、流體、熱場等多個學(xué)科相互影響。需要運(yùn)行多場耦合系統(tǒng)，進(jìn)行精確仿真，弄清各場的分布規(guī)律及其控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對各種參數(shù)進(jìn)行綜合分析比較和優(yōu)化，這是新的電機(jī)研究方向。對現(xiàn)下電機(jī)設(shè)計(jì)工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計(jì)算加經(jīng)驗(yàn)修正已經(jīng)滿足不了當(dāng)下的競爭需求，電機(jī)工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進(jìn)行電機(jī)的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機(jī)工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業(yè)界領(lǐng)先的電磁仿真軟件，能滿足電機(jī)工程師的仿真設(shè)計(jì)需求，提升高品質(zhì)電機(jī)設(shè)計(jì)能力；電磁仿真軟件已集成到先進(jìn)的仿真平臺WB中，WB獨(dú)特的項(xiàng)目圖形化界面把整個仿真過程緊密結(jié)合在一起，完成復(fù)雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結(jié)構(gòu)等物理場相互耦合分析驅(qū)動電機(jī)，得到其電磁場、熱場、振動等結(jié)果。特舉辦“新能源電機(jī)電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”設(shè)計(jì)仿真培訓(xùn)。
展開 Simcenter Amesim電機(jī)仿真：電機(jī)熱分析應(yīng)用
概述
本文旨在說明如何通過電機(jī)設(shè)計(jì)軟件的輸出結(jié)果，在Simcenter Amesim中創(chuàng)建電機(jī)的集總參數(shù)的等效熱路模型。本文中所用到的電機(jī)為內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)（IPMSM），電機(jī)的幾何設(shè)計(jì)和性能數(shù)據(jù)來自Nissan leaf 2012車型在參考文獻(xiàn)中所公開的數(shù)據(jù)。電機(jī)設(shè)計(jì)工具可以是例如Simcenter SPEED、Motor-CAD等軟件。
2. 熱模型建立
本文介紹的電機(jī)熱模型是在整車環(huán)境下驗(yàn)證電熱耦合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，從定子以及轉(zhuǎn)子上的各個零部件沿徑向以及圓周方向的熱傳導(dǎo)角度出發(fā)，建立等效熱路模型如下圖所示。
圖1 Amesim中的等效熱路模型（左）及熱路結(jié)構(gòu)示意圖（右）
本文中的電機(jī)集總參數(shù)熱模型詳細(xì)建模原理詳見參考文獻(xiàn)[1]。針對Nissan Leaf所采用的這款電機(jī)采用18個熱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述，這些節(jié)點(diǎn)的定義如下圖所示：
圖2 電機(jī)熱節(jié)點(diǎn)分布（左）及等效熱路原理圖（右）
熱節(jié)點(diǎn)之間采用等效熱阻進(jìn)行連接，等效熱阻的參數(shù)確定詳見參考文獻(xiàn)[1]。下面給出分別從徑向和圓周方向?qū)嶙璧臄?shù)學(xué)描述：
圖3 徑向和周向的熱阻計(jì)算
Nissan Leaf 2012所用電機(jī)的幾何設(shè)計(jì)和性能數(shù)據(jù)可以從參考文獻(xiàn)[5]-[7]中得到，將這些參數(shù)值在Simcenter Amesim中定義為全局變量以便引用。下表是從文獻(xiàn)中查到的該款電機(jī)的一些關(guān)鍵參數(shù)。
表1 Nissan Leaf 2012款電機(jī)參數(shù)
電機(jī)端部繞組與端部密閉空間之間的換熱系數(shù)定義如下，詳見參考文獻(xiàn)[2][5]。
其中，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，修正系數(shù)的取值為k1=41.4,k2=0.15,k3=1.0。
展開 基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
基于Ansys WB耦合場瞬態(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。
隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態(tài)模塊進(jìn)行完全熱-力耦合分析。
圖1 WB耦合場模塊
2、三維模型搭建與網(wǎng)格劃分
利用solidworks對剎車盤進(jìn)行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預(yù)定距離為1mm，如圖2所示，導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行幾何清理（將小孔、窄邊等進(jìn)行優(yōu)化）和網(wǎng)格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網(wǎng)格兼容性較好，因此Hypermesh導(dǎo)出網(wǎng)格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。
圖2剎車盤三維模型
圖3 剎車盤網(wǎng)格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導(dǎo)入.inp網(wǎng)格文件，搭建分析流程，如圖4所示。
圖4 分析流程搭建
3.1 材料定義
材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數(shù)，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)是三個必要的熱力學(xué)參數(shù)。
展開 永磁電機(jī)電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
永磁電機(jī)電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
新能源電機(jī)電磁、磁熱、震動、噪聲多場耦合
宏新環(huán)宇信息化咨詢中心
宏新環(huán)宇【2018】第（27）號
“新能源驅(qū)動電機(jī)電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設(shè)計(jì)仿真培訓(xùn)
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我們知道電機(jī)內(nèi)存在多種不同類型的多場耦合系統(tǒng)，涉及電磁、機(jī)械、電子、流體、熱場等多個學(xué)科相互影響。需要運(yùn)行多場耦合系統(tǒng)，進(jìn)行精確仿真，弄清各場的分布規(guī)律及其控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對各種參數(shù)進(jìn)行綜合分析比較和優(yōu)化，這是新的電機(jī)研究方向。對現(xiàn)下電機(jī)設(shè)計(jì)工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計(jì)算加經(jīng)驗(yàn)修正已經(jīng)滿足不了當(dāng)下的競爭需求，電機(jī)工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進(jìn)行電機(jī)的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機(jī)工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業(yè)界領(lǐng)先的電磁仿真軟件，能滿足電機(jī)工程師的仿真設(shè)計(jì)需求，提升高品質(zhì)電機(jī)設(shè)計(jì)能力；電磁仿真軟件已集成到先進(jìn)的仿真平臺WB中，WB獨(dú)特的項(xiàng)目圖形化界面把整個仿真過程緊密結(jié)合在一起，完成復(fù)雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結(jié)構(gòu)等物理場相互耦合分析驅(qū)動電機(jī)，得到其電磁場、熱場、振動等結(jié)果。為此宏新環(huán)宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅(qū)動電機(jī)電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設(shè)計(jì)仿真培訓(xùn)。
展開 Comsol凍土路基（熱-水-力耦合）模型 ￥100
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)算時間一年，附帶參考文獻(xiàn)。
新能源電機(jī)電磁、磁熱、震動、噪聲多場耦合
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展開 Abaqus以制動盤轉(zhuǎn)動為例的力熱耦合分析Step by Step ￥3
Abaqus以制動盤轉(zhuǎn)動為例的力熱耦合分析-01-15.pdf
Abaqus 熱-力順序耦合與 DFLUX 詳解 ￥59.9
順序耦合（先熱后力）是工業(yè)中最穩(wěn)健的路線：
熱分析（Heat Transfer）：移動熱源 + 換熱邊界 → 得到溫度–時間歷程 T(x,y,z,t)；
映射（FROM FILE）：把熱場隨時間讀入力學(xué)模型；
力學(xué)分析（Static, nlgeom）：考慮 E(T)、σy(T)、α(T) 等 → 輸出殘余應(yīng)力/變形。
為什么不能只做熱或只做力？
只做熱：沒有熱–力耦合的應(yīng)力演化，無法預(yù)測殘余場；
只做力：沒有真實(shí)的溫度歷程驅(qū)動，熱應(yīng)變與材料退化無從談起。
工程意義：
快速評估工藝窗口（功率/焊速/熱源形參）對峰溫、HAZ、殘余應(yīng)力與翹曲的影響；
用自動化腳本把“手工建模”變成“可復(fù)用流程資產(chǎn)”，支撐 DOE/靈敏度/優(yōu)化。
要讓結(jié)果可信，關(guān)鍵是：能量守恒、邊界換熱量級合理、材料熱物性/力學(xué)參數(shù)隨溫度變化；在力學(xué)側(cè)需最小約束消除剛體模態(tài)，并與熱網(wǎng)格一致以確保映射穩(wěn)定。
2. Goldak 雙橢球熱源、能量守恒與熱力耦合
符號：坐標(biāo) ；熱源中心位置 ；半軸 ；有效功率 ；分配系數(shù) （滿足 ）。
前半橢球（front，）
后半橢球（rear，$x
分段表達(dá)
能量守恒
軌跡（恒速 ，起點(diǎn) ，起始時刻 ）
熱傳導(dǎo)控制方程（瞬態(tài)）
在域 、時間區(qū)間 內(nèi)，溫度場 滿足瞬態(tài)能量守恒（不考慮相變）：
其中 為密度， 為定壓比熱， 為導(dǎo)熱系數(shù)， 為體熱源（W/m^3）。
初始條件：
邊界條件（三類任選/組合）：
指定溫度（Dirichlet）：
指定熱流（Neumann）：
對流 + 輻射（Robin）：
其中 為對流換熱系數(shù)， 為表面發(fā)射率， 為 Stefan–Boltzmann 常數(shù)， 為環(huán)境溫度。
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