三维体声波滤波器芯片电-力-热耦合建模与仿真

为了直接、高效地建模和分析实际复杂的三维(3D)体声波(BAW)滤波器结构电-力-热耦合效应,文章采用一种基于有限元方法的电-力-热耦合算法。首先,建模BAW滤波器的3D几何模型,设置几何结构内部的材料属性以及材料参数。其次,构建基于有限元(FEM)算法的固体力学和静电场耦合的电-力耦合算法。然后,在电-力耦合算法基础之上考虑BAW滤波器内部由于压电材料在工作过程中机械损耗产生的热耗散问题,建立直接求解的电-力-热耦合算法。该电-力-热耦合算法使用COMOSL软件内部的一种新型自主化的画网格技术。最终,得出一个工作带宽在2.27~2.44GHz,带内损耗在3dB以内,带外抑制在-20dB以下的BAW滤波器内部电-力-热耦合仿真结果。

瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。

瞬态力-热耦合作用下水泥环完整性分析

页岩气井工程实践表明,套管压裂易导致水泥环完整性发生破坏出现环空带压。基于套管压裂工程实际,建立井筒温度场模型和套管-水泥环-地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法结合方式,计算页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合对水泥环应力大小、分布影响规律。结果表明:压裂过程中水泥环内外壁温差先增大后减小,压裂初近内壁处存在陡峭温度梯度,易导致内壁应力显著提高;瞬态力-热耦合作用导致水泥环内壁应力大幅提升,加剧了水泥环完整性失效的风险,压裂初期为水泥环易发生损坏的"风险段";水泥环内壁最大应力随着时间变化,易产生"多裂纹"形态,加剧环空带压。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环完整性设计控制提供参考。

力-热耦合作用下套管应力瞬态变化研究

页岩气井压裂压力高、排量大、时间长,力-热耦合作用明显,力-热耦合作用下套管瞬态应力变化研究较少。基于页岩气水平井压裂工程实际,利用热流固耦合数值算法,对压裂过程中套管温度瞬态变化及力-热耦合作用下套管应力瞬态变化进行计算。计算结果表明:压裂过程中,套管温度迅速降低至近恒值温度T_(min),压裂结束后缓慢回升;温度瞬态变化与排量存在显著关系,排量越大,T_(min)越低;力-热耦合作用下,套管瞬态最大应力先升高后降低,最高值出现在压裂初期;套管瞬态应力变化与排量存在显著关系,排量越大,最大应力值越高,套损风险越大。研究结果可为页岩气水平井压裂过程中套损问题影响因素分析提供参考和借鉴。

铣刀片力-热耦合物理场有限元分析与模糊综合评判

为获得切削性能更优良的可转位铣刀片槽型,从而改善铣刀片的力-热耦合综合物理场,进行了铣削温度试验和铣削力试验,以铣削时刀片的装夹状况和试验所获得的数据为边界条件,对带有三维槽型的波形刃铣刀片和平刀片分别进行了力-热耦合物理场有限元分析。基于模糊数学理论,建立了铣刀片耦合场的模糊综合评判模型,对两种铣刀片的力-热耦合物理场进行了模糊综合评判。结果表明,优化铣刀片前刀面的槽型可明显改善切削性能。

土石坝护坡冻胀破坏水-热-力耦合数值模拟研究

针对寒区土石坝护坡普遍存在的冻胀破坏问题,选取寒区某土石坝工程为研究对象,结合土石坝工程特点,建立考虑水-热-力耦合作用的有限元计算模型。研究护坡在库水位和坝体填土水分迁移作用下冻胀破坏全过程,分析土石坝温度场、水分场和位移场的变化规律,并将位移场有限元计算结果与实测冻胀变形资料进行对比,验证有限元计算结果。研究结果表明:冻胀作用对坝坡影响深度约为2 m,坝坡浅层0~2 m范围的温度变化受外界气温影响较大,坝体内部温度相对坝坡浅层变幅小,且有一定的滞后性;负温使坝坡浅层孔隙水相变成冰,宏观上表现为未冻水体积分数的降低,坝坡浅层土石混合体孔隙水相变、坝体填土内水分向坝坡迁移和冻结峰面向坝体内部移动是护坡冻胀破坏的主要因素;大坝坝坡计算冻胀量为20~30 cm,最大值为36 cm,计算结果与实测冻胀变形资料吻合;护坡冻胀破坏主要由砂砾料垫层、坝体填土等土石混合体冻胀及冰推力共同作用引起。研究结果可为寒区土石坝护坡设计提供参考。

基于电化学-热-力耦合模型的锂离子电池热失控研究

为提升锂离子电池的安全性能,减少由热失控导致的安全事故,分析电池温升的原因并有效降低其温度,依据电化学反应中浓度、电势与热模型中温度的相互影响关系,建立电化学-热-力耦合模型。通过模拟单电池和电池组温度分布的实时情况,分析单电池温度不均匀分布和电池组温度正态分布情况的原因,探讨换热面积和流通量对散热量的影响,研究电池组中单体电池的位置分布及不同传热介质的散热情况。研究结果显示:低温和相对高温环境下,欧姆热、极化热及电化学反应热产热占比不同,但产热最高温度未达到电极材料与电解液分解反应的临界温度420 K;高温环境下,电池温度持续升高接近临界温度,出现热失控趋势,对流换热系数对电池影响较大。电池组间隙为10 mm和20 mm时,整体温度比间隙为0时分别降低了1.1%和1.8%;与无间隙电池组相比,以铜板和铝板为传热介质的电池组温度分别降低了2.0%和1.6%。

BMS电路板多模块协同热-力耦合建模及仿真分析

针对现有电动汽车电池管理系统(BMS)电路板研究仅仅考虑单一功能模块的温度场及其散热效果,缺乏考虑BMS多个功能模块在温度场和力场下的相互影响及协同效应的研究的情况,以某商用BMS电路板为研究对象,采用ANSYS构建了表征BMS多模块协同作用下的热-力耦合数值仿真分析模型并验证了其有效性.在此基础上,针对BMS电路板各功能模块温度场及热变形行为开展了数值仿真研究.结果表明:BMS电路板温度分布不均,最大温差达20.5℃.均衡模块存在积热,温度高达54.4℃.高温导致电路板组件发生热膨胀变形,同时电路板约束诱发均衡模块及供电模块边缘的贴片电阻出现热应力集中,两者共同作用致使BMS均衡模块、供电模块产生凸起翘曲变形,且Z轴热变形量随着温度升高而增大,最大变形量达9.5μm,应针对BMS电路板上积热模块开展散热优化设计.

热管堆固态堆芯燃料辐照-热-力耦合性能分析

热管冷却反应堆(简称:热管堆)具有高可靠性和固有安全性、体积小、模块化和全固态堆芯等特点。固态堆芯燃料服役过程在高温、强辐照、固态约束多因素作用下堆芯的传热和力学性能受到严重影响,基体接触导致应力与间隙换热都随燃耗加深而发生较大非线性改变,且两者相互影响,因此基体在服役过程中的多物理场耦合的辐照-热-力行为复杂。本文基于有限元多物理场分析软件针对固态堆芯燃料开展辐照-热-力耦合分析,考虑UO2芯块与316不锈钢基体的辐照变形效应以及蠕变效应,并在固态堆芯间隙中引入间隙传热模型,探究固态堆芯寿期内间隙变化特点以及传热和力学耦合作用特性。结果显示:基体与燃料包壳的完全接触会导致芯块温度上升以及基体与包壳蠕变现象加强,燃料棒周围平均热管数量较少会导致附近区域较高的温度和应力分布,且寿期中该区域包壳因燃料棒内压和基体-包壳接触压力具有蠕变失效风险。分析结果表明间隙接触会对热管堆固态堆芯的传热和力学性能造成影响,甚至提高包壳的失效风险。

炸药热-力耦合响应机制研究进展

炸药一般会在热-力耦合刺激下经历能量吸收和累积,易引起分解甚至燃烧爆炸。此过程较复杂,为深入探究炸药的热-力耦合响应机制,围绕炸药产品和炸药晶体,通过实验分析、有限元模拟、分子动力学模拟等多种研究手段,综述了热-力耦合响应机制的相关进展。目前,聚焦炸药产品应用的研究工作,多通过实验分析、有限元模拟以及二者结合的方法展开;针对炸药晶体,围绕高温-高压耦合条件,进行热-力耦合响应机制研究工作,但与实际生产条件仍存在一定差距。在未来工作中,随着实验分析技术和各类模拟手段的持续发展,有望对炸药产品及晶体在热-力耦合刺激下,不同时间尺度、不同空间尺度的物理变化过程、化学反应过程开展更为详尽的探究,推动炸药热-力耦合响应机制的进一步深入,为实现炸药从安全性科学研究向实际应用奠定扎实的理论基础。

热-湿-力耦合作用对高温后方钢管混凝土短柱轴压力学性能影响试验研究

火灾发生时钢管混凝土内部会产生水蒸气,为探讨热-湿-力耦合作用对高温后方钢管混凝土轴压力学性能的影响,进行了10根高温后方形钢管混凝土短柱轴压力学性能试验,研究排气孔数量、布置位置、轴压比和升温时间等参数对其破坏形态、轴压刚度与剩余承载力等力学性能的影响。试验结果表明,试件破坏形态表现为压溃破坏;在其他参数相同的情况下,与升温前相比,随着排气孔数量从2个增加至4个和6个,轴压刚度分别降低了69.1%、73.3%、76.4%,剩余承载力分别降低了15.8%、16.2%、21.7%。轴压刚度随轴压比的增大而降低;随着升温时间的延长,剩余承载力先随轴压比的增大而增大,后随轴压比的增大而减小。研究结果可为钢管混凝土柱的抗火设计和该类结构火灾后的损伤评估与加固提供参考。

电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

脑组织热-力耦合行为综述

脑组织是由固相与液相组成的饱和含液多孔材料,固、液、生理环境(尤其温度)之间相互作用,具体表现为脑组织内部温度场、渗流场、应力场相互影响的热-力耦合行为,故阐明脑组织的热-力耦合行为是理解大脑功能和疾病病理的关键.该文首先介绍了脑组织的传热学和力学性质,重点关注实验测量及应变率和温度的影响;其次,总结了描述脑组织热-力耦合行为的数理模型,包括力学模型、传热学模型和热-力耦合模型;最后,对该重要学科交叉领域进行了总结和展望.

基于热-力耦合的悬索桥结构抗火性能研究

利用火灾动力学软件FDS和有限元软件ABAQUS,开展基于热-力耦合原理的悬索桥结构抗火性能数值分析,探讨不同火灾工况(火源功率和环境风速)下悬索桥温度场及力学响应的变化规律。结果表明:不同火源工况的温升曲线变化趋势基本一致,但其温度上升速率及最高温度并不相同。随着火源横向、纵向距离增加,构件温度逐渐降低。随着风速增大,显著提高桥梁结构耐火时间,最大提高可达50%。随着火源功率增大,其耐火时间显著降低。当环境风速为2 m/s时,耐火时间下降约33.33%。

基于连续逐层添加的金属增材制造热-力耦合行为数值模拟研究

金属增材制造是引领第三次工业技术革命的核心技术之一。然而,因过大的残余应力所引发的变形、开裂、抗腐蚀性能下降等问题仍然是阻碍金属增材制造发展的主要瓶颈之一。本文借助开源多物理场仿真平台Elmer,开展了基于连续逐层添加的金属增材制造热-力耦合行为数值模拟研究。其中,连续逐层添加是依据时间与单元位置等信息实时控制单元的激活状态得以实现,应力释放的预测是通过人为将基板的弹性模量设置为很小的值得以实现。针对激光能量输入与基板预热温度对金属增材制造热-力耦合行为的影响,发现随着激光能量输入逐渐降低或基板预热温度逐渐提高,制件的位移逐渐减小,制件的残余应力水平逐渐减弱;相比于激光能量输入,基板预热温度对金属增材制造热-力耦合行为的影响更大。

热-力-电耦合下天线罩电性能仿真及分析

在实际飞行工况下,热力载荷会改变高速飞行器天线罩原有的电磁特性,从而影响制导性能。提出了一种基于六面体网格划分的热-力-电耦合模型及仿真方法,可准确表征高速飞行工况下天线罩介电温漂和结构变形对电性能的影响。基于天线罩热-力-电共享网格模型,首先通过瞬态热仿真得到天线罩响应温度场,通过静力分析得到天线罩结构变形场。然后,将天线罩介电温漂和结构变形准确传递到其电磁仿真模型中,并采用三维射线跟踪法计算其电性能。最后通过一个典型算例对高速飞行工况下天线罩电性能的变化进行仿真和分析,结果表明电性能变化非常明显,也进一步说明了所提方法的可行性和研究的必要性。

热-水-力耦合条件下花岗岩裂隙开度的变化

地质选址考察和地基分析对地下空间工程建设十分重要。以浙江舟山地区花岗岩为样本,在地质勘测的基础上对热-水-力耦合条件下岩体裂隙的开度进行了数值模拟分析与计算。结果表明:在热-水耦合条件下,花岗岩裂隙的开度随着时间的增加先迅速增大,然后趋于稳定,距裂隙入口20 mm处热应变增大明显,但热应变范围在10-5量级;在热-水-力耦合条件下,5 MPa围压下岩体裂隙变形程度较3 MPa围压下更大,裂隙的开度受耦合作用影响显著,裂隙的开度随着围压的增大而不断减小,导致花岗岩裂隙内部渗流能力降低。该研究结果可为花岗岩岩体裂隙稳定性研究提供参考。

角接触球轴承热-力耦合建模方法研究

在研究角接触球轴承热-力耦合建模方法的过程中,通过分析滚动轴承动力学建模、角接触轴承热-结构建模以及接触轴承热-力耦合建模及其特性,使轴承热分析流程得到简化,使角接触球轴承热-力耦合建模方法更具普遍性、广泛性,突破了有限元建模过程,确保更多人员可以应用此方式开展工作。

热-力耦合作用下能量桩单桩分析方法及工作特性研究

能量桩在正常服役过程受热-力耦合作用,其荷载传递特征将发生改变,但现有能量桩承载特性的理论方法尚不够完善.为研究热-力耦合作用下能量桩单桩承载特性,考虑温度对荷载传递函数的影响,提出基于荷载传递法和能量平衡原理的热-力耦合作用下能量桩单桩分析方法,通过迭代求解得到任意荷载-温度组合作用下桩身内力和位移,将计算结果与试验结果进行对比,结果较吻合.研究结果表明:温度作用会影响桩身轴力和桩侧摩阻力变化规律.对不同桩顶荷载水平下的桩顶沉降值进行分析,在荷载-升温/降温工况下,当桩顶荷载水平较低时(≤25%Pu,Pu为极限荷载),温度变化对桩顶沉降幅度影响显著,桩顶沉降幅度可达到55%(25%Pu);尤其荷载-降温工况下,当桩顶荷载水平超过75%Pu时,桩顶沉降量临近极限值,此时需特别注意桩基承载性能.