基于Comsol软件的电磁兼容课程案例式教学设计

该文介绍基于Comsol软件的电磁兼容课程案例式教学方法。通过案例教学和仿真,学生将理论知识应用于实际问题,深入理解电磁兼容的概念和原理。通过仿真案例的可视化结果,学生直观地理解电磁辐射和传导,观察不同参数对电磁兼容性的影响。结果表明,仿真案例具有直观性和可视化等优势,同时又有简化模型、缺乏实际操作经验和对计算机的依赖等局限性。在设计仿真案例时,要充分发挥其优势,规避不足,为学生的学习提供实践性、直观性和灵活性,培养学生的工程设计与研发能力。

基于COMSOL的7075铝合金微弧氧化时间及正向电压对氧化膜层的影响

研究了微弧氧化时间及正向电压对7075铝合金膜层厚度以及生长趋势的影响。以7075铝合金为研究对象,在多物理场仿真软件COMSOL Mutiphysics的帮助下建立铝合金成膜过程中的物理模型,基于有限元的方法求解出了微弧氧化成膜过程中的膜层厚度变化。仿真得到特定时间或者特定电压下的膜层厚度分布图,根据仿真结果绘制了电压-膜层厚度曲线、时间-膜层厚度曲线。由仿真结果可以看出:当正向电压分别为350、400、450 V时,膜层的最大厚度分别为38.804、50.150、61.496μm;当微弧氧化时间分别为15、25、35、45 min时,膜层的最大厚度分别为25.075、41.792、58.508、75.225μm,且膜层厚度均呈现由中间向两侧逐渐减小的现象。根据仿真结果可以得出以下结论:随着正向电压的升高,膜层厚度增大;随着氧化时间的增加,膜层的厚度也增加。在膜层厚度分布上,越靠近阴极的位置膜层越厚,远离阴极的位置膜层比较薄,且不同参数下膜层的最厚点与最薄点出现的位置不变。

基于COMSOL的导管架平台阴极保护研究

牺牲阳极阴极保护技术是防止海洋平台腐蚀的一种可靠手段。该文以导管架平台为研究对象,选取DNV设计准则,确定牺牲阳极的数量及相关布置,设计一套可靠的牺牲阳极阴极保护系统方案。借助数值仿真技术,通过研究导管架表面电位分布及腐蚀速率的变化来探究服役期间导管架平台阴极保护效果随阳极溶解的变化。

基于COMSOL的电磁发射一体化弹丸动力学分析

为了实现高效、精确的电磁发射一体化弹丸效果,深入理解一体化弹丸在电磁场中的动态响应和运动特性,通过采用基于COMSOL的电磁场仿真模拟方法,结合理论推导和数值计算,对电磁发射一体化弹丸的动力学行为进行了系统的研究。建立了有限元模型,对弹丸在电磁场中的受力情况进行了描述和分析;利用COMSOL软件进行仿真,得到了弹丸在电磁发射过程中的速度和位置等关键参数;并得到相关的磁场特性。通过对仿真结果进行分析,深入了解弹丸在电磁场中的运动轨迹和磁场特性,进一步揭示其运动特性和响应机制,为电磁发射技术的进一步发展提供重要的参考和指导。

基于COMSOL的剪切速率对超声波流量测量影响分析

为了分析影响超声波流量测量结果的因素,提高超声波流量测量的准确性,需要研究聚合物溶液剪切速率对于流体流态和超声波流量计接收声压的影响,利用多物理场有限元软件COMSOL建立超声波流量计三维模型进行仿真,通过流体域的背景流速曲线和超声波接收器波形图来分析剪切速率的影响。结果表明,在其他条件不变的情况下,随着剪切速率的增大流体流态趋向于湍流,超声波流量计接收器声压最大值与最小值相差1%,其对超声波流量计测量结果影响较小可忽略。

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%~80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%~94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。

基于COMSOL的非饱和土中单桩垂直动力特性研究

浅层地表存在大量的非饱和土,其动力特性与饱和介质或单相介质相比存在明显的差异,而这部分非饱和土常常是与单桩接触的主要材料,对单桩的动力行为影响显著。该文考虑动力受荷单桩周边土体的非饱和特性,基于非饱和多孔弹性介质的波动方程、单桩运动方程与边界条件,利用多物理仿真软件COMSOL中的偏微分方程模块构建了非饱和土与单桩动力相互作用的数学模型,并考虑土的成层性、横观各向同性和纵向非均质性。在与现有文献对比验证COMSOL模型正确性后,设计多组数值算例,讨论土体饱和度、地层非均质性等因素对单桩垂直动力阻抗的影响。

一种基于COMSOL的四极场离子运动仿真模型

四极场质谱仪是目前应用最广泛的小型质谱仪器之一。研究四极场中离子运动轨迹,对于深入理解和认识四极场中离子的行为非常重要,不仅有助于提出新的质谱技术问题,也对质谱仪器研制具有指导意义。离子运动的数值模拟和仿真是研究四极杆中离子运动行为的高效数字化手段。本文基于COMSOL Multiphysics建立了四极场的数字仿真模型Sim-Quaq-COM-V1.0,应用该模型得到的仿真数据结果与理论计算结果一致,可作为研究四极场中离子行为的精确数字化模型。在此基础上,对比研究了双曲四极杆与圆柱四极杆中离子的运动行为,相同条件下,m/z 69离子在双曲四极场中通过的数量约为圆柱四极场的4倍。该仿真计算模型能够快速配置全局参数,节省几何设计和建模的时间,降低计算难度;模型支持并行计算技术,在计算速度和计算量方面均有大幅提升,能够同时处理大量离子,缩短研究周期,助力质谱仪器设计和研发技术的数字化发展。

基于COMSOL的定长锚注浆液扩散规律及工程应用研究

为研究裂隙岩体精准定长锚注技术,采用COMSOL数值模拟与现场试验相结合的手段,分析了不同注浆长度对孔隙水压力及浆液扩散范围的影响规律。研究结果表明:增加注浆长度能够提升孔隙水压力,但对其影响程度呈现减弱趋势,注浆长度2 m时处于相对饱和的状态,在该长度下能够达到或接近最佳的注浆效果。最后,在深部强扰动、高应力复杂条件巷道中开展了工程现场应用,新型定长锚注支护方式增强锚固承载体整体强度的同时使其具有一定的缓冲让压性能,巷道的稳定性得到显著提高,可以实现多次扰动围岩巷道的长期稳定控制。

基于COMSOL软件的直角弯管声波传播特性规律研究

基于声波传播理论,建立并推导了声波在弯管处的Helmholtz方程。采用COMSOL Multophysics软件的压力声学模块,对不同弯曲半径的直角弯管进行频域分析,研究了不同弯曲半径弯管内声波传播特性规律。研究结果显示,弯曲半径对弯管内声波散射系数和传输损耗具有显著影响,弯曲半径较大的弯管曲率较小,弯管内声波散射效应较弱,传输损耗较小,声压级较高;弯曲半径较小的弯管曲率较大,弯管内声波散射效应较强,传输损耗较大,声压级较低。低频段内,声波波长大于弯管弯曲半径,散射系数与传输损耗较小;高频段内,声波波长接近或小于弯管弯曲半径,散射系数与传输损耗较大。

COMSOL Multiphysics在锂离子电池中的应用

作为一种具有前景的能量存储系统,锂离子电池需要进一步提高能量密度、功率密度、可靠性和循环稳定性,以满足不断增长的大型能源存储、电动汽车和便携式电子设备需求。当前对锂离子电池的实验研究仍然面临多个挑战,这些挑战包括电解液的导电性和安全性、高能量负极的沉积-剥离机制的优化、高能量正极的循环电压和容量维持、高电流条件下的界面极化和容量释放,以及在极端电流-温度-针刺条件下的热失控管理等问题。这些问题涉及到电-化-力-热等多个场的耦合作用,需要进行协同优化处理。COMSOL Multiphysics提供了一种可行的工具,通过求解多物理场耦合的连续方程,能够同时考虑载流子浓度、电流密度、电-化学势、温度、应力/应变和几何形态等综合信息的演化。本文概述了该工具在锂离子电池的电解液、负极和正极设计等方面的研究,并聚焦于多场耦合对电池性能的综合影响、多场耦合模拟方法以及理论模拟与实验表征的结合。最后,本文对理论与实验联合研究中的多场和多尺度问题进行了展望。

基于COMSOL的永磁电磁混合悬浮实验设计与分析

为改善永磁磁浮技术及装置性能验证过程中存在的危险系数高、费用昂贵、现场测试条件差等问题,基于系统仿真软件模拟优势,应用相似理论的模型实验方法,探究了电磁场与永磁场的主动控制策略,设计了一套完整的磁悬浮实验系统。以工程电磁场理论及非线性有限元算法为基础,利用COMSOL Multiphysics模型开发器对永磁电磁系统的磁力场作用规律及控制策略进行了设计与分析,验证了两种悬浮结构的多模态模型下的控制算法的可行性,并为初步研制并联式混合悬浮系统设计及算法实现提供了模拟样机,为提高学生理论分析及应用设计能力提供了更为直观、系统的实验平台。

基于Comsol的锂电池模组热失控仿真研究

随着越来越多纯电动车安全事故的发生,锂电池的热安全性引起越来越多的关注。论文基于Comsol软件,对锂电池包建立集总模型,用外部试验测得的参数模拟内部电芯的电化学特性,研究电池包内部某一电芯热失控状态下,电池包其他电芯热失控状态以及整个电池包热失控蔓延的过程。电池SOC即荷电状态,用来反映电池的剩余容量,研究发现SOC越大,热失控蔓延的现象越严重。集总模型建模仿真结果显示SOC越小,电压下降的趋势也越明显。

基于Comsol的锂电池冷却性能的仿真研究

论文基于Comsol软件,建立电池组冷却系统的流固耦合模型,对锂电池组用试验测得的实际数据建立集总模型,同时用试验测得某商用电池组2C放电状态下产生的热量,模拟电池组工作过程产生的焦耳热,研究串联和并联两种不同冷却系统结构下,电池组的冷却性能。结果显示并联结构方式冷却能力略优于串联的冷却管路布置形式。并联的结构下,冷却管路进口流量越大,电池组的平均温度以及单体单体的温差均呈现下降趋势;而且随着冷却液初始温度的下降,电池组的平均温度下降的更加明显,冷却能力更强。建立的仿真模型更接近真实工况,可以给锂电池冷却性能的研究提供参考。

基于COMSOL的无线电能传输性能仿真实验研究

磁耦合谐振式无线电能传输性能与系统的频率密切相关,当谐振补偿电路的谐振频率与电源工作频率一致时,系统达到最优输出性能。众多文献报道MCR-WPT的谐振频率从100 kHz到1 000 kHz,然而针对不同的谐振频率对系统传输性能的研究较少。因此,本研究从MCR-WPT等效电路角度详细分析,通过COMSOL Multiphysics有限元仿真软件进行多物理场耦合建模仿真,获取线圈电路参数,最后利用MATLAB软件进行计算分析,综合比较不同的谐振频率对系统传输性能的影响。仿真实验得出在100~1 000 kHz范围内,系统谐振频率在100~400 kHz时系统输出功率和传输效率最优。

基于COMSOL的气浮轴承动态刚度分析

针对气浮轴承的性能分析对于气浮轴承的高效及可靠应用有着重要的作用,COMSOL软件可以轻松完成气浮轴承的静压薄膜、负载计算,然而通过仿真分析动态刚度来确定空气轴承的稳定性却非常困难。文章阐述COMSOL完成气浮轴承频域分析的具体过程,通过对频域扰动分析参数的调整,并通过对气浮轴承的仿真计算验证该分析方法,结果证明:该分析方法适用于各种气浮轴承的设计分析,包括多物理场分析。

基于COMSOL仿真的脉冲电流激励下电动汽车动力电池热特性研究

随着电动汽车的快速发展,锂离子电池作为电动汽车主要动力来源,其综合性能受到越来越多的关注。而在低温环境下动力电池性能衰减严重,影响电动汽车在北方寒冷地区的发展和普及。低温预热技术作为电池热管理系统的核心技术之一,可以有效缓解动力电池在低温环境下的性能衰减。文章通过试验得到电池的基本参数,基于COMSOL仿真软件搭建了电池脉冲加热模型,探究电池在加热过程中温升速率的变化以及模组温度分布情况。研究结果表明:在低温环境下,脉冲加热可以有效提高电池的温度。在加热过程中,电池模组内温度分布均匀,平均温差为0.55℃,整体呈现出温度向电池模组中心聚集的趋势。此外,还将脉冲电流加热与电加热膜加热的加热效果作了对比,验证了脉冲加热的加热效果和温度一致性都优于电加热膜加热法。

利用COMSOL Multiphysics开发高中物理电场线教学素材

在中学物理教育中,电场和电场线是重要的抽象概念。然而,传统教材中的示意图往往过于简化,缺乏实际物理情境的支撑,这不利于学生对这些概念的理解和思维建构。为解决这一问题,笔者利用COMSOL Multiphysics开发了一系列电场线相关的教学素材,生动展现了孤立带电体及其在复杂外界影响下的电场线分布。这些素材的开发有助于教师利用仿真技术有效地分析和可视化电场概念,同时提供了一系列更贴近真实生活的非理想环境案例,使学生能够深入理解电场,并培养他们的探究精神和创新能力。

基于COMSOL的工作面瓦斯场与流动场耦合分析

针对工作面和采空区内风流的不稳定运动,使用COMSOL Multiphysic多物理场耦合模拟软件和气体运移的相关原理,模拟分析工作面及采空区的空气和瓦斯的运移和浓度变化。结果表明,进风风速增大,采空区内的空气含量增大;通风时间越长,采空区空气含量越高;自然通风很难解决瓦斯的上隅角积聚。模拟结果可以有效地指导矿井瓦斯抽放,为火灾爆炸事故预防提供理论依据。

COMSOL中挠曲电圆筒的力电耦合行为分析

针对目前商业有限元软件中缺少挠曲电模块且有限元自主编程数值模拟挠曲电问题的复杂性问题,提出在COMSOL软件中的偏微分方程模块(PDE模块),对考虑挠曲电效应的力电耦合问题直接进行数值模拟的方法.首先,通过数值计算固定边界位移的挠曲电圆筒,验证有限元数值计算方法的正确性.接着,研究挠曲电系数和不同材料梯度指数对圆筒力电耦合的影响.数值结果表明:在微米尺度下,增大挠曲电系数对径向位移的影响很小,但是对圆筒内部的电势和电位移分布影响很大.增大材料梯度指数对挠曲电圆筒内部力电耦合影响非常明显,圆筒内部径向位移相对边界处变化范围逐渐减小,圆筒内部电势呈现负值逐渐减小后转为正数的趋势,而圆筒内部电位移值负值逐渐增大.本工作可以为挠曲电效应数值计算及挠曲电结构设计提供帮助.