導熱系數(shù)模擬的案例
一種3D結構復合材料的導熱系數(shù)模擬計算方法
事實上，數(shù)據(jù)驅(qū)動分析使用強大而有前途的工具來揭示數(shù)據(jù)中的隱含相關性，為此發(fā)展可以通過使用各種ML模型進一步模擬預測關于復合材料的導熱系數(shù)是非常重要的。
02
成果掠影
近期，德國達姆施塔特工業(yè)大學的Mozhdeh Fathidoost團隊在通過機器學習建立模型講材料的參數(shù)與有效導熱系數(shù)的響應聯(lián)系起來取得新進展。該論文旨在探討復合材料組分的不同熱參數(shù)和幾何參數(shù)、界面阻力和滲透路徑對復合材料有效導熱系數(shù)的影響。以及不同特性對目標有效導熱系數(shù)的重要性。本研究的其他次要目標是建立替代模型，將復合材料樣品的輸入?yún)?shù)與有效導熱系數(shù)響應關聯(lián)起來，以及訓練一個基于滲透路徑存在的微觀結構分類模型。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的熱滲透分析，闡明了各種特性對復雜三維復合材料結構有效導熱系數(shù)的影響。這些特征包括復合材料成分的熱學和幾何性質(zhì)、界面阻力和滲透路徑的存在。生成了一系列具有不同特征的體素微觀結構樣本。使用基于擴散界面的均勻化方法計算評估了它們的有效導熱系數(shù)。采用基于體素的算法識別結構中潛在的滲透路徑。均質(zhì)化結果表明，在高縱橫比和界面阻力的復合樣品中，滲透路徑的影響尤為顯著。利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的靈敏度研究分析了不同的熱特征和幾何特征對有效導熱系數(shù)的重要性。分析還表明，顆粒體積分數(shù)和界面熱阻是決定有效導熱系數(shù)的最重要特征。最后，采用基于代理的分類模型，可以以93%的準確率區(qū)分有和沒有滲透的微觀結構。
展開 ：具有金屬級導熱系數(shù)和可控導熱路徑的全有機聚合物塊狀材料
總而言之，到目前為止，開發(fā)導熱系數(shù)10 W/m K以上的復合材料仍是一個巨大的挑戰(zhàn)，而如何進一步調(diào)控熱量在這種高導熱復合材料內(nèi)部的傳導路徑更是一件十分有趣、而又困難的事情。
圖2. PDMS/PEMF復合材料的導熱系數(shù)。
低維的高分子材料，特別是高度拉伸取向的纖維或薄膜，在特定方向具有非常優(yōu)異的導熱能力，例如PE纖維的導熱系數(shù)可以高達100 W/m K，但如何將上述PE纖維的優(yōu)點拓展到三維的聚合物塊體材料中目前還尚未有系統(tǒng)性的嘗試。針對上述所提到的幾個問題和挑戰(zhàn)，在本文中，他們利用PEMF長度方向高導熱的特點，通過模具加工、真空浸漬以及高壓水切割的方法可控定構了垂直方向高導熱的PDMS/PEMF絕緣復合材料。如圖2所示，由于PEMF可以在米級尺度上保持完整的連續(xù)狀態(tài)，不會在傳熱方向引入任何的PDMS-PEMF微觀界面，因此該復合材料的垂直導熱系數(shù)可以高達38.27 W/m K，其性能甚至可以比擬一些金屬材料，如不銹鋼等。此外，這種全有機的材料還具有優(yōu)異的絕緣能力，極好的介電性能，以及輕質(zhì)的特點，其絕緣導熱系數(shù)幾乎超過了目前所報道的所有三維塊體材料。
圖3. PDMS/PEMF復合材料的導熱系數(shù)。
展開 技術研究 | 液體高分子材料導熱系數(shù)測試技巧
1、背景描述
導熱系數(shù)是表征材料導熱性能的一個重要參數(shù)，它不僅是評價材料熱學特性的依據(jù)，也是材料在設計應用時的一個依據(jù)。目前，測量導熱系數(shù)的實驗多以固體為測試樣品。對于液體，由于導熱系數(shù)較小，基本屬于不良導熱體，而且液體具有流動性，特別是在加熱時，液體內(nèi)因溫差而形成的對流將使其導熱系數(shù)的準確性降低。而隨著近年來納米流體具有優(yōu)異的傳熱性能，成為了一種新型的導熱介質(zhì)，滿足了熱系統(tǒng)高負荷的傳熱冷卻要求和微尺度狀態(tài)下的強化傳熱要求，在殼管式、雙管式、平板式等不同類型換熱器中的傳熱研究需求也不斷增大，廣泛應用于汽車、化工、太陽能集熱等不同領域。這也對液體的導熱性能測試提出了需求，現(xiàn)目前已有導熱性能的測試手段有6種，根據(jù)傳熱的特點和原理進行劃分。文獻調(diào)研統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，液體導熱系數(shù)測試多以穩(wěn)態(tài)平板法為主，但在重復穩(wěn)態(tài)測量時，即使設定加熱盤和環(huán)境溫度不變，穩(wěn)態(tài)所對應的樣品上下表面的電壓也有起伏，由于其差值比較小，其值的微小變化會對結果造成比較大的影響，而且需要通過其他軟件進行相關結果的擬合。而非穩(wěn)態(tài)中激光閃射法具有適用性強，測試結果精確等特點，而且本身帶有測試液體的樣品支架和軟件擬合模型，如圖1所示。
圖1 樣品框圖（左圖為樣品和支架圖，右圖為實體樣品支架）
圖2 儀器結構示意圖
其測試原理為：當進行樣品Z軸方向上測試，一定的設定溫度 T（恒溫條件）下，由激光源（或閃光氙燈）在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導方式向冷端（上表面）傳播，使用紅外檢測器連續(xù)測量上表面中心部位的相應溫升過程，如圖2所示。因此，需要對激光閃射導熱儀的液體測試方法進行開發(fā)。
展開 如何測試各項異性材料X軸方向的導熱系數(shù)？
5G信號發(fā)射頻率高，設備溫度耗散性能要求高，材料的導熱性能成為了評價5G材料的重要指標。
材料導熱性能的提高，主要原理是增加材料內(nèi)部微觀結構中的導熱通路，一般采用兩種方式，一種是高分子基材本體結構的影響，如結晶性聚合物可通過對材料施加外力，高分子鏈的結構會沿著外力的方向進行排列，形成連續(xù)的短切晶橋，當熱量沿著外力方向傳播時可獲得很高的導熱系數(shù)，從而改善聚合物材料的傳熱能力。對于非晶態(tài)的聚合物來說，在受力后不僅可以形成取向，而且可以使高分子的自由體積受迫變小使內(nèi)部更緊密，從而減弱延取向方向的聲子散射，提高導熱性能。
二是添加導熱填料，高的填充系數(shù)必將獲得更高的導熱系數(shù)。當填充量變大時，導熱粒子之間接觸的可能性變大，一旦形成連續(xù)的粒子連通相導熱系數(shù)將快速提升。同時填料的幾何形態(tài)對材料的導熱系數(shù)是非常明顯的，同種粒子通常會有不同的形貌，一般來說長徑比大的填料更易取向排列形成導熱通路。如將碳纖維填充到聚丙烯中并沿軸向取向，其軸向導熱系數(shù)隨體積分數(shù)變化非常明顯，但垂直方向的導熱系數(shù)基本上毫無變化。
在測量材料的導熱系數(shù)過程中，除了考慮儀器狀態(tài)、實驗條件外，還要考慮到試樣本身因素對測試的影響，因為試樣的厚度和處理的方式直接影響了導熱性能的測試結果。聚合物在兩個方向上，產(chǎn)生了各向異性。由于復合材料的導熱系數(shù)會受到基體和填料結構特性的影響，通常需要分別測試Z軸和X軸不同方向的導熱性能，如圖1所示。以復合材料為例，利用激光閃射導熱儀對材料導熱性能進行測試，其原理是一束激光能量在試樣內(nèi)部沿著Z軸和X軸兩個方向進行能量傳導。
展開 
一種新型高導熱系數(shù)的BN/硅橡膠復合薄膜材料
考慮到電絕緣性和柔韌性，采用高導熱填料的聚合物基復合材料(包括金屬、碳和陶瓷材料)受到了廣泛的關注。然而，金屬或碳填充復合材料的導電性不可避免的限制了其在電子器件中的應用。因此，氮化硼、氧化鋁或氧化鎂等具有高導熱性和電子絕緣性的陶瓷填料是高性能TIM的候選填料。
其中，六方氮化硼(h-BN)由于其高平面內(nèi)導熱系數(shù)(理論上高達2000 W/(mK))和優(yōu)異的電子絕緣而引起了特別的關注。為了有效地將熱源產(chǎn)生的多余熱量傳遞到散熱器，理想的TIM最好具有高的垂直導熱系數(shù)。到目前為止，聚合物/BN復合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的導熱系數(shù)一般小于10 W/(mK)。然而，這種聚合物膠合填料骨架，由于簡單的物理接觸，相鄰填料之間的界面相互作用相對較弱，這在結處造成強烈的聲子散射，極大地限制了所得復合材料的導熱性增強。
聚合物-六方氮化硼(BN)復合材料因其高導熱性和優(yōu)異的電子絕緣性而成為電子器件理想的熱界面材料(TIM)。然而，由于BN填料的二維形狀和化學惰性，BN的垂直排列和巨大的熱阻是當前面臨的挑戰(zhàn)，阻礙了聚合物/BN復合材料的高效傳熱。因此開發(fā)新型的材料制備策略調(diào)控填料的排列方式是非常重要的研究方向之一。
02成果掠影
近期，復旦大學陳敏教授團隊在開發(fā)高導熱系數(shù)的硅基橡膠復合材料取得新的進展。該團隊提出通過結合一種新型的非溶劑誘導相分離工藝“原位焊接”策略。
結果表明，室溫硫化硅橡膠(RTV SR)注入后，得到的RTV SR/ W -BN復合膜在BN負載僅為15 wt%的情況下，通過面導熱系數(shù)顯著提高至15.4 W/(mK)。此外，有限元調(diào)制和模型擬合表明，由于焊接材料和BN填料之間的晶格結構相同，原位焊接BN- BN可以有效降低BN- BN的ITR。
展開 樣品導熱系數(shù)測定的App制作 ￥3500
本案例基于COMSOL軟件制作了一App界面程序，用于測定樣品的導熱系數(shù)，所制作的App程序為任一圓柱形樣品提供了導熱系數(shù)的測試方法，并且基于該App可拓展至任意形狀和任意材料的樣品的導熱系數(shù)的測定，所開發(fā)的App界面如圖所示：
感興趣的朋友，進行交流模型
中科潤資成功降低硅系纖維氣凝膠復合材料導熱系數(shù)
來源 | 中科潤資公眾號
近日，中科潤資通過前驅(qū)體金屬氧化物注入、控制濕凝膠介孔成型， 并調(diào)整纖維載體成分和直徑比例分布，優(yōu)化惰性氣體置換條件等技術措施，成功將硅系纖維氣凝膠復合材料在高溫段（500℃）的導熱系數(shù)降低至0.044w/m·k（穩(wěn)態(tài)熱防護板法 GB/T 10294-2008，ASTM C177-19），并滿足在1300℃時長效穩(wěn)定絕熱，達到世界領先水平!
中科潤資研究人員根據(jù)高溫環(huán)境下熱量傳遞的特點，針對性地對高溫熱輻射的阻擋效應進行增強設計，應用大目數(shù)小直徑金屬氧化物顆粒在氣凝膠內(nèi)部進行間隙固溶分布，并調(diào)整了氣凝膠介孔的大小和比表面積，構建起一張張“遮陽板”，極大地增強了氣凝膠復合材料對高溫輻射的反射效應，同時改變纖維分布情況，根據(jù)輻射熱傳遞特點，改善材料的各向異性，從而有效地阻礙了熱輻射傳遞。
此項技術可應用于航空航天、熱電、鋼鐵、化工、醫(yī)藥、食品、建筑等多個包含過程中熱管理的行業(yè)門類，中科潤資在深耕絕熱材料研制的同時，在終端應用研究上也狠下功夫，運用有限元分析等現(xiàn)代化技術，模擬應用終端溫度及熱流分布，同時結合自主設計的小型化測試工裝具體實驗和復現(xiàn)設計指標，互應修正，向客戶提供最優(yōu)質(zhì)的全過程熱管理服務，提高能源利用率，為企業(yè)增效、節(jié)能降碳做出貢獻！
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展開 圓柱形鋰電池各向異性導熱系數(shù)測試技術
實際上，圖2-1 所示的準穩(wěn)態(tài)測試模型是一種傳統(tǒng)的測試方法，常被用于測量
柔性和顆粒狀隔熱材料的高溫導熱系數(shù)。在標準的準穩(wěn)態(tài)法測試過程中，需要測試絕熱面的溫度（如圓柱形樣品的軸心溫度）。在恒定熱流加熱情況下，經(jīng)過一段時間后，樣品的加熱面和絕熱面溫度將達到相同的升溫速率，傳熱方向上樣品內(nèi)外溫度差將趨于相同，這種狀態(tài)稱之為準穩(wěn)態(tài)。通過溫差測量，很容易獲得不同溫度下的導熱系數(shù)。
但對于圓柱形鋰電池，不允許在電池中心插入測溫傳感器，只能在電池的外表
面進行各種測量，這就為測量帶來了難題。
2.1. Jain 團隊的研究工作
為了解決上述難題，美國德克薩斯大學Jain 團隊的Drake 在讀博期間開展了專項研究[1]，開發(fā)了一種新穎的測試技術并進行了報道，測量裝置與圖2-2 結構基本相同，只是少了薄膜熱流計。測試過程中，通電控制加熱膜溫度線性升溫，經(jīng)過一段時間后，整個電池的溫度變化進入準穩(wěn)態(tài)過程，熱電偶測量的電池表面溫度也逐漸呈線性升溫，希望通過此升溫曲線來測定相關熱性能參數(shù)。
另外，Drake 等人針對測試模型建立了相應的數(shù)學表達式，并采用有限元方法進行仿真模擬，報道了數(shù)學表達式與有限元模擬結果有很好的吻合，如圖2-3 所示，計算了電池外表面、軸心線和徑向不同位置處的溫度變化。
圖2-3 徑向數(shù)學模型與有限元熱模擬的比較
通過對數(shù)學模型的分析，Drake 等人認為在進入準穩(wěn)態(tài)后，通過測量圓柱形電池外表面溫度變化直線段的截距和斜率，來分別得到電池的導熱系數(shù)和比熱容。由此分別對26650 和18650 電池的徑向和軸向導熱系數(shù)以及比熱容進行了測量，測試曲線如圖2-4 和圖2-5 所示，鋰電池的導熱系數(shù)和比熱容測試結果如表2-1 所示。
展開 『原創(chuàng)』ANSYS的單位在哪可以看見和設置，F(xiàn)LOTRAN模塊中，流通導熱系數(shù)怎么設置？
本人正在做論文，初學ANSYS不久，現(xiàn)向大家求教
ANSYS的單位在哪可以看見和設置，F(xiàn)LOTRAN模塊中，流體導熱系數(shù)怎么設置？
另在一個二維的圓環(huán)流體模型中，我設置了內(nèi)圓環(huán)邊界流體速度，那么外圓環(huán)流體速度還要設置嗎？
實驗研究聚氨酯導熱、傳熱CFD模擬 ￥20
三、模型邊界設置
1、 木箱外表面、底面、目前內(nèi)裸露在空氣中的面設置為對流傳熱邊界，向外界環(huán)境散熱（convention wall），外表面與空氣接觸，對流傳熱系數(shù)20，底面與大地接觸，對流傳熱系數(shù)100；
2、 聚氨酯上表面溫度較高且與空氣直接接觸，對流傳熱系數(shù)100；
3、 聚氨酯與木箱接觸的壁面設置為耦合面；
4、 環(huán)境溫度設定為20℃。
5、 聚氨酯反應生熱以內(nèi)熱源形式定義UDF如下：
利用LAMMPS 實現(xiàn)導熱的分子動力學模擬
LJ體系的熱導率模擬
1.1.問題描述
1.2模型說明
具體模型如圖1.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，晶體為面心立方結構，晶格參數(shù)為0.6，沿x（100）、y（010）方向為10倍晶格長度，z（001）方向為20倍晶格長度。采用compute chunk/atom將模型沿著z方向分成20塊，設置底端0-1倍晶格長度為熱端，中間10-11為冷端。模擬溫度為1.35。先讓模型在該溫度下NVT弛豫1000步。然后再使用NVE系綜，冷熱源采用langevin控溫。熱端設置為1.7，冷端設置為1.0，弛豫到熱源和冷源的溫差達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這時整體的熱流基本也達到了穩(wěn)定狀態(tài)。此時再繼續(xù)運行20000步，統(tǒng)計冷源和熱源的動能轉(zhuǎn)移和溫度分布情況，用以計算熱導率。
圖1.1：晶體模型示意圖
1.3結果整理與分析
在最后一1000步的溫度梯度和溫差波動如圖1.2所示，可以明顯看出熱端和冷端的溫度差，熱流保持著相對穩(wěn)定的狀體。由于本次計算采用周期性體系，因此溫度呈現(xiàn)V形分布。具體熱導率的計算過程為：
（1） 熱流密度計算:
總轉(zhuǎn)移能量為(Q)：參與能量轉(zhuǎn)移的原子數(shù)*(熱端轉(zhuǎn)移能量-冷端轉(zhuǎn)移能量）/2；
總計算時間為(t)：時間步長*運行步數(shù)
截面積：lx*ly
熱流密度:
(2) 溫度梯度計算：
平均溫差(dt)：0.57；
溫度梯度（考慮周期性）：dt/2/lz
因此本次計算的熱導率為3.39
圖1.2：最后一1000步的溫度梯度（左）和模擬過程中的溫差波動
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橋梁橫向分部系數(shù)ABAQUS模擬
橋梁橫向分部系數(shù)計算方法有：杠桿法、剛性橫梁法、修正剛性橫梁法，鉸接板梁法、剛接板法和比擬正交法，其中剛性橫梁法用的較多，且重慶交院王老師編制了專門的計算程序，我采用ABAQUS模擬T梁，橫膈板采用剛性梁，用3D空間模擬，效果不錯，請大家鑒賞
axa.rar
橋梁橫向分部系數(shù)ABAQUS模擬
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標準6m立方體體型系數(shù) | 數(shù)值模擬(CFD)結果 VS 現(xiàn)場實測結果
1.RFEM5 與 RWIND 協(xié)同
1）工具>RWIND SIMULATION 模擬和生成風荷載
2）按照角度間距生成計算風工況或者自定義風工況。
3）添加風速剖面和湍流強度剖面（風速剖面，國標可按照Vz=V0(Z/Z0)α計算，V0可由W0=ρV02/2換算得到；湍流強度國標沒有規(guī)定，參考日本規(guī)范注2）。
4) 選擇RWIND安裝的版本（版本1只能實現(xiàn)RANS法，版本2可以進行LES大渦模擬）。其余參數(shù)默認即可。
5）"后臺計算LC"或者"全部在后臺計算"。計算完后，點擊"確定"后回到RFEM查看壓力分布。
6）切換到風工況，點擊顯示結果，即可查看返回的風壓分布（考慮了基本風壓、風壓高度變化和粗糙度、體型系數(shù)的影響），屋頂和側墻的邊緣存在較大負壓區(qū)，屋面墻面次構件設計時需注意。
7）如果想了解表面壓力系數(shù)分布、面域的定義和體型系數(shù)的提取、流場狀態(tài)等，那么就需要點“在RWIND Simulation中打開 ”。面域的定義和體型系數(shù)的提取參考上面第三節(jié)“壓力系數(shù)轉(zhuǎn)化為體型系數(shù)”。
展開 變摩擦系數(shù)下的鋁合金板材沖壓成形無網(wǎng)格法數(shù)值模擬
在沖壓成形過程的數(shù)值仿真中，摩擦系數(shù)作為鋁合金板料和模具之間的接觸邊界條件，對板料變形及成形性能有著重要影響。目前，許多學者采用平均摩擦系數(shù)或經(jīng)驗摩擦系數(shù)模擬鋁合金板材的沖壓成形過程。然而有學者研究指出，在鋁合金沖壓成形過程中，摩擦系數(shù)隨著成形速度及接觸壓力的變化而變化，不再是簡單的固定值?；诖耍捎米兡Σ?em>系數(shù)模擬鋁合金板材的沖壓成形過程更符合實際。
近年來，無網(wǎng)格理論和技術日漸成熟，LS_DYNA、ABAQUS等大型商業(yè)軟件均加入無網(wǎng)格計算板塊，其計算精度高于有限元法，在分析材料大變形及斷裂方面有著顯著優(yōu)勢。因此，以變摩擦系數(shù)作為鋁合金板材和沖壓模具的接觸邊界條件，并選擇無網(wǎng)格耦合有限元的方法對鋁合金零部件的沖壓過程進行仿真分析是一個更為有效的方法和途徑，而此類方法的相關研究較少見于文獻報道中。
本文以6016鋁合金作為研究對象，通過標準拉伸及高速拉伸試驗得到了鋁合金板材的準靜態(tài)及動態(tài)力學性能；考慮成形速度及接觸壓力對鋁合金板材摩擦系數(shù)的影響，使用摩擦系數(shù)測試系統(tǒng)測試，得到了成形速度和接觸壓力介于0～900mm/s及0～26.2MPa時的變摩擦系數(shù)。基于LS_DYNA中的MAT_36各向異性材料本構模型、有限元及無網(wǎng)格算法，以變摩擦系數(shù)作為鋁合金板材與模具的接觸邊界條件，對鋁合金發(fā)動機罩內(nèi)板零件沖壓過程進行了數(shù)值模擬研究，并對數(shù)值模擬結果進行了試驗驗證。驗證結果表明：鋁合金板材在主要成形區(qū)域成形性能較好，在邊角部相同位置出現(xiàn)了波紋狀起皺。研究結果表明使用變摩擦系數(shù)及無網(wǎng)格法計算能準確的預測鋁合金板材的成形性能，本文研究結果及方法能為提升鋁合金板材沖壓成形性能的預測精度提供一定意義的參考。
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