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2022/11
技术分享 | Abaqus静电场分析-热电耦合案例
浏览:67 来源:耀唐科技

耀唐解读



Abaqus是大家所熟知的结构非线性有限元软件,具有强大的结构仿真能力。

除此之外,Abaqus还有其它物理场求解功能,如:流体、声学、热学、静电以及静磁场分析能力。

本文主要介绍Abauqs静电场分析能力以及热电耦合案例。



分析范围

Abaqus静电场分析-热电耦合案例


电磁场分析范围一般以频率大小来划分,对于频率低于1MHz以下的,我们认为是低频分析,如电动机、发电机、变压器、传感器、执行器、涡流制动、感应加热、悬浮、电枪等等。

通俗来讲,如果波长远小于结构尺寸,近似作为低频分析是合适的。对于高频分析,则超出了Abaqus软件的功能,需要使用专业的电磁场软件(如CST)进行仿真分析。



静电分析要点

Abaqus静电场分析-热电耦合案例


静电场主要理论是库仑定律和高斯定律,研究静止电荷产生的电场。涉及到的物理参数主要是电导率和介电常数,前者代表材料的导电能力(与电阻率互为倒数),后者是材料在外部电场作用下的极化能力。

在结构工程师领域,更多的是结合欧姆定律以及焦耳定律,分析产品由电生成热的能力以及相应的热应力分析等。

因此,进行此类分析主要有以下几点需要注意:

  • 材料属性主要是电导率、介电常数、导热系数以及热膨胀系数(如需计算热应力)等。

  • 需要考虑集肤效应,在建模时需要考虑计算域大小。由于导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,导体内的电流会集中在导体的表面。因此可以适当减小计算域的大小以提高效率,同时在网格划分时对近导体表面的网格适当加密、导体内部网格稀疏来减少计算量。

  • 电势是一个相对量,因此边界条件定义时至少需要考虑一个参考电势(电压)。例如,最简单的静电场分析可以是给定材料的电导率、给定两个不同的电压条件(或一个电压+一个电流条件)。

网格划分时,有类流体分析的边界层网格来考虑集肤效应



案例

Abaqus静电场分析-热电耦合案例


我们介绍一个感应加热的案例。这个案例中,我们分析使用矩形截面的环形线圈(如下图,由于对称性,使用1/8模型)对圆柱形金属棒进行感应加热的问题。使用Abaqus中的联合仿真特性,将时谐波电磁分析与瞬态传热分析耦合。联合仿真将杆内感应涡电流产生的焦耳热映射为传热分析中的热载荷。
  • 给定对应的电导系数、导热系数等材料属性,根据需要定义。
  • 矩形截面线圈定义体电流密度,X、Y对称面以及全模型外表面定义Magnetic vector potential边界条件,Z对称面不需要定义,默认为齐次诺依曼边界条件。

零件材料分布与面集合定义

载荷(绿色箭头为有方向的电流密度)及边界条件(蓝色)
  • 计算结果如下图:

磁场矢量图与诱导电流密度矢量图

焦耳热云图(1/8)与焦耳热云图(全模型)




Abaqus作为结构软件,补充的静电场功能,更多还是用于电-热-力耦合分析,即静电场产生的焦耳热导致的结构变形影响。如需更复杂的电磁场分析,还需要专业的电磁场仿真软件。

如果对Abaqus的静电场、静磁场、结构传热分析等感兴趣,请联系我们索取更多资料。





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