热-电直接耦合实例分析

热-电直接耦合实例分析上海交通大学（单位）江丙云（姓名）分析目的：电导产品的温升分析类型：热-电耦合分析对象：电子连接器产品知识要点：热传、电导材料热-电场直接耦合稳态和瞬态求解1.1热-电直接耦合稳态分析实例本节以图1-1所示的电子产品的端子通电升温为例，采用稳态求解，详细讲解多物理场的热-电直接耦合。1.1.1问题描述图1-1（a）所示为电子产品用于导通电流1A的两个端子：端子1（Terminal-1）和端子2（Terminal-2）；端子1&2材料为铍铜C7025-TM02，其热传导系数为0.19W/mm-℃，电传导IACS%为45%，即电传导系数为26100/(ohm-mm)，工程实际中，端子1的B处与端子2的C处受力接触，造成接触阻抗𝑅𝐶（ContactResistance），而端子自身阻抗称为体阻抗𝑅𝑏（BodyResistance）；简化有限元模型，接触用Beam连接代替，接触阻抗通过赋予Beam对应的材料实现，稳态求解即可。热-电直接耦合实例分析『2』整个电路导通如图1-1（b）所示，电流从A点导进，经Beam连接，至D点流出。（a）端子几何模型（b）电路导通示意图1-1导通端子有限元模型注意：1．工程中常用IACS%表示金属材料的电传导能力，其为该材料电传导系数（Electricalconductivity）与纯铜电传导系数[58000/(ohm-mm)]的比值百分比，举例换算C7025_TM02的电传导系数为45%*58000=26100/(ohm-mm)；2．接触阻抗通常是通过定义电接触对实现，但不易控制其接触阻抗值，故在本例中使用Beam连接单元代替接触对。1.1.2导入几何部件创建、保存模型打开Abaqus/CAE，创建ModelDatabase:WithStandard/ExplicitModel，应用FileSaveas命令保存模型为9.3_T-E.cae。重命名模型如图9-9所示，右击树目录的Model-1，重命名（Rename）Model-1为Model-1_T-E。导入几何部件应用FileImport:Part命令，或右击树目录PartsImport，导入光盘中本节几何文件：T-E.igs，其余，如图9-10默认选项即可。注意：此操作导入2个端子为一个部件，以减少后续创建实例（Instance）步骤。但对于复杂装配体，还是建议分别导入为独立的部件，以便后续定义属性。图1-2重命名Model-1图1-3导入几何1.1.3网格划分切换到Mesh模块。对Part:T-E划分网格。1、切分端子2从默认颜色，可知端子2为棕色，即不能直接划分成Hex网格，需应用工具箱（PartitionCell：DefineCuttingPlane）命令，在端子2的折弯部分如图9-11（a）切分。2、定义种子应用SeedPart，或工具箱（SeedPart）命令，设置全局种子尺寸（Approximateglobalsize）为0.10；应用SeedEdges，或工具箱（SeedEdges）命令，选择端子厚度线，Bynumber定义厚度单元数为4，如图9-11（b）。（a）切分端子2（b）定义厚度方向单元种子图1-4网格划分3、网格划分应用MeshPart或工具箱（MeshPart）命令，单击提示Yes，完成网格划分。热-电直接耦合实例分析『4』4、定义单元类型应用MeshElementTypes或工具箱（AssignElementTypes）命令，根据提示框选全部单元，定义类型为图9-12示意的8节点热电DC3D8E单元。图1-5定义单元类型注意：用户可用MeshVerify命令检查单元质量。1.1.4创建Beam单元保持工作环境是Mesh模块。1、创建Beam单元应用MeshEdit或工具箱（EditMesh）命令，弹出图9-13（a）所示编辑网格对话框，选择Element:Create，根据提示，选择图9-8（a）示意的B、C两个节点，创建出图9-13（b）所示的Line2单元，即Beam单元。（a）EditMesh对话框（b）选择2节点，创建Beam图1-6创建Beam单元2、定义Beam单元类型应用MeshElementTypes或工具箱（AssignElementTypes）命令，根据提示，选择Beam单元，定义其类型为2节点热电单元DC1D2E。注意：在Abaqus6.12版之前，独立Beam单元是不能创建到附于几何的单元之上，需用MeshCreatemeshpart命令，把部件网格从几何分离出，然后再创建Beam单元。1.1.5创建单元集为方便后续指派材料属性，先创建单元集。创建Beam单元集Set-Beam应用ToolsSetCreate命令，或从树目录右击SetsCreate，弹出Createset对话框，命名Set-Beam，类型Element，单击Continue…，根据提示，选择唯一的Beam单元。创建端子1单元集Set-Terminal1同上，命名Set-Terminal1，根据提示，框选端子1全部单元。注意：可用ToolsDisplayGroupCreate:Sets，隐藏（Remove）Beam单元（Set-Beam）。创建端子2单元集Set-Terminal2先隐藏Set-Beam和Set-Termianl1。同上，命名Set-Terminal2，根据提示，框选端子2全部单元。1.1.6创建属性切换到Property模块。在此例中，端子材料和Beam材料处理方式有较大区别。1、创建端子材料C7025-TM02应用MaterialCreate命令或单击工具箱（CreateMaterial），弹出编辑材料对话框。命名：对话框中Name为Material-C7025。热传导系数：对话框中应用ThermalConductivity，定义热传导系数0.19W/mm-C。电传导系数：对话框中应用Electrical/MagneticElectricalConductivity，定义电传导系数为26100/(ohm-mm)。电-热转换系数：对话框中应用ThermalJouleHeatFraction，默认设置1。注意:因采用稳态求解，故无需定义比热容和密度。电-热转换系数即电能转换成焦耳热的比率JouleheatFraction，默认为1，即100%转换。热-电直接耦合实例分析『6』2、创建Beam材料Beam的电传导系数要根据其长度，通过计算后获得。计算过程如图9-4。由𝐾𝑒=1/𝜌和𝑅=𝜌𝐿/𝐴得𝐾𝑒=𝐿𝑅𝐴（9-10）式（9-10）中：𝐾𝑒为电传导系数；𝜌为电阻率；L为Beam长度；R为阻抗（电阻）；A为Beam截面积。图1-7Beam电传导系数计算根据工程经验，接触阻抗R为4𝑚𝛺，即0.004𝛺；应用ToolsQuery:Distance测出Beam长度L为0.145mm；再假设Beam截面积A为0.04𝑚𝑚2，应用式（9-10）则计算出Beam的电传导系数为𝐾𝑒=𝐿𝑅𝐴=0.1450.004∙0.04=906.25/(ohm−mm)。注意：不同读者创建的Beam长度可能不一，请自行测量。应用MaterialCreate，弹出编辑材料对话框。命名：Name为Material-Beam。热传导系数：应用ThermalConductivity，定义热传导系数也为0.19W/mm-C。电传导系数：应用Electrical/MagneticElectricalConductivity，定义电传导系数为906.25/(ohm-mm)。电-热转换系数：对话框中应用ThermalJouleHeatFraction，默认设置1。3、创建截面属性应用SectionCreate，或单击（CreateSection），弹出CreateSection对话框。创建端子截面属性在CreateSection对话框，命名为Section-C7025，选项Solid:Homogeneous；单击Continue…，在EditSection对话框中，选择材料Material-C7025；单击OK。创建Beam截面属性在CreateSection对话框，如图9-15（a），命名为Section-Beam，选项Beam:Truss；单击Continue…，在EditSection对话框中，选择材料Material-Beam，设置截面积（Cross-sectionalarea）为0.04𝑚𝑚2，如图9-15（b）所示。4、指派截面属性应用AssignSection，或单击（AssignSection）命令。指派端子1的截面属性根据提示，点开Sets…；如图9-16（a）所示，选择Set-Terminal1，单击Continue…；弹出EditSectionAssignment对话框，选择Section为Section-C7025，单击OK。（a）创建截面对话框（b）编辑截面对话框图1-8创建Beam截面属性指派端子2截面属性同上，选择图9-16（a）中的Set-Terminal2，单击Continue…，选择Section-C7025。指派Beam截面属性同上，选择图9-16（a）中的Set-Beam，单击Continue…，选择Section-Beam。应用SectionAssignmentManager或单击工具箱（SectionAssignmentManager），查看完成的截面指派，如图9-16（b）所示。图1-9指派截面属性1.1.7创建装配切换到Assembly模块。应用InstanceCreate，或单击工具箱（CreateInstance），默认Parts选择T-E，单击OK完成创建实例。1.1.8创建分析步切换到Step模块。（a）选择指派区域对话框（b）指派属性管理热-电直接耦合实例分析『8』应用StepCreate，或单击工具箱（CreateStep），弹出CreateStep对话框；选择ProcedureType为General:Couplethermal-electric，单击Continue…；EditStep对话框如图9-17所示，在Basic选项卡设置响应（Response）为稳态（Steady-state），在Incrementation选项卡，定义初始增量和最大增量均为0.1，其余默认，单击OK。图1-10编辑热-电分析步本例中，接触使用Beam单元代替，无需定义Interaction。1.1.9创建边界和载荷切换到Load模块。1、创建电流输入、输出的节点集应用ToolsSet:Create，弹出CreateSet对话框。创建电流输入节点集Set-Current-In在CreateSet对话框，命名为Set-Current-In，选择Type为Node，单击Continue…；根据提示，选择图9-8（a）示意的A处节点，创建图9-18（a）所示的70个节点的节点集。（a）电流输入节点集Set-Current-In（b）电流输出节点集Set-Current-out图1-11创建节点集创建电流输入节点集Set-Current-Out在CreateSet对话框，命名为Set-Current-Out，选择Type为Node，单击Continue…；根据提示，选择图9-8（a）示意的D处节点，创建图9-18（b）所示的27个节点的节点集。注意：Set集的个数查询，直接把鼠标移至树目录相应Set集上即可获得，如图9-19。图1-12查询节点数2、创建电流载荷应用LoadCreate或单击工具箱（CreateLoad），弹出图9-20（a）所示创建载荷对话框，命名为Load-Current，加载类型为集中电流（Concentratedcurrent），单击Continue…；点击提示区Set…；在弹出的RegionS