压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。

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.

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。

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。

基于渐进均匀化的力-电-热耦合光滑有限元法研究

针对基于微观结构的力-电-热多物理场耦合压电复合材料的力学特性分析问题,基于压电复合材料的基本方程和力-电-热多物理场耦合效应,结合渐进均匀化方法预测的压电复合材料有效性能参数,提出基于渐进均匀化的力-电-热耦合光滑有限元法;推导力-电-热耦合光滑有限元的动力学控制方程,并运用Wilson-θ法对压电复合材料结构动力学问题进行求解,研究温度变化对结构固有频率和动力学响应的影响,并将其结果与有限元法的求解结果进行对比,验证该方法的正确性和有效性。研究结果表明:本文方法所得结果与有限元法所得结果较一致,且具有较好的收敛性和较高的精度;该方法对分析压电复合材料元器件的多物理场耦合力学特性具有广阔的应用前景。

再论铁电体的热-电-力耦合内场

基于铁电体的热-电-力耦合内场的性质研究,本文进一步探讨其内场的其他性质。由于力学因素使问题变得复杂,故忽略力学因素,以简化后的物性方程为出发点,以一维体系为例推导了内电势与温度之间的关系,计算了内电场和有关的热力学力,给出了确定内电势函数中的积分常数的方法。研究表明,内电势是温度的线性函数,其中的积分常数可由内电场、温度梯度及输运系数确定。这有助于更深入地了解铁电-顺电相变,特别是一级铁电-顺电相变的内在规律。

热-力-粘弹耦合多孔FGVM梁的动力学特性

研究了初始轴向机械力作用下三参数Winkler-Pasternak粘弹性地基上多孔功能梯度粘弹性材料(FGVM)梁在热环境中的自由振动特性。考虑满足热传导方程的稳态温度分布以及材料性质的温度相关性,采用Kelvin-Voigt模型并由含孔隙率修正的混合幂率梯度分布来表征内含均匀孔隙FGVM梁的材料属性。基于n阶广义梁理论,在Hamilton体系下建立该系统动力学模型的控制方程;应用扩展型广义Navier法得到固支-固支、固支-简支、简支-简支这3种边界FGVM梁耦合振动输出响应的精确解;通过算例主要探究了梁理论、边界条件、热-力耦合效应、粘弹性地基系数、结构内阻尼系数、孔隙率、材料梯度指标、跨厚比以及振型阶次等诸多参数对FGVM梁动力学特性的影响。

改进IGBT动态模型与电-热-力多物理场耦合失效分析

绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)失效会对整流或逆变系统产生严重影响, IGBT应用场合不同导致其焊料层失效形式存在较大差异,因此有必要研究IGBT焊料层老化失效规律。首先利用改进的IGBT动态模型搭建三相整流电路并对其电路功耗误差进行修正;其次构建IGBT三维有限元模型,并分析其在电-热-力多物理场耦合下芯片温度和焊料层应力分布规律;最后利用随机生成的焊料层缺陷来探究空洞、裂纹等对焊料层失效的影响,得出焊料层老化失效规律。仿真结果表明,焊料层缺陷面积的比例高于15%时,焊料层空洞、裂纹及脱落对芯片结温及焊料层应力影响显著,其中,脱落和裂纹对焊料层应力影响更大。

车辆稳态回转对轮胎热-力耦合响应的影响研究

研究车辆稳态回转对轮胎热-力耦合响应的影响。结果表明:车辆操纵稳定性测试前采用稳态回转暖胎时,定回转半径、不定车身侧向加速度工况下较定车身侧向加速度、不定回转半径工况下的轮胎整体温升梯度和幅值波动大;车辆稳态回转时,轮胎温度变化对车身侧向加速度波动非常敏感,左转向车辆车身侧向加速度增大与右侧轮胎分配负荷呈正相关变化,在复合侧偏侧倾作用下,能够加剧轮胎温升;暖胎引起轮胎温度的变化改变轮胎侧偏和纵滑等力学特性响应,造成非线性滑移区滞回幅值不稳定,易导致车辆操纵稳定性测试数据的重复性变差,进而对车辆动力学仿真验证和模型调整带来困难。本研究结果可为整车测试提供指导。

基于二元耦联性解耦下多孔FGM梁的热-力耦合振动与屈曲特性

采用一种改进型广义微分求积(MGDQ)法,数值研究了初始轴向机械力作用下含均匀孔隙的功能梯度材料(FGM)梁在热环境中的耦合振动及耦合屈曲特性。考虑了材料性质随温度的相关性,温度沿梁的厚度方向按不同类型稳态分布,采用含孔隙率修正的Voigt混合幂率模型来表征多孔FGM梁的材料属性。采用一种n阶广义梁理论(GBT),在Hamilton体系下统一建立描述该系统耦合振动及屈曲问题力学模型的控制方程。通过引入边界控制参数,可实施3种典型边界梁动态响应MGDQ法求解的MATLAB统一化编程。基于两种静动态力学行为之间的二元耦联性,编写循环子程序用来获得屈曲静态响应,该分析方法极大地简化了解耦过程并提高了计算效率。通过算例主要探究了梁理论、边界条件、温度分布、升温、初始轴向机械力、热-力耦合效应、孔隙率、梯度指标、跨厚比等诸多参数对多孔FGM梁振动及屈曲特性的影响,同时刻画并揭示了两种静动态力学行为之间的二元耦联性。

基于电-热-机械应力多物理场的IGBT焊料层健康状态研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效将导致功率变流器故障,而IGBT主要失效模式之一——焊料层疲劳则主要是由于温度分布不均匀和材料参数不匹配引起的热应力造成。因此研究IGBT模块温度-机械应力分布特性,对变流器安全评估尤其重要。基于所建立的IGBT功率模块电-热-机械应力多物理场模型,分析了IGBT模块稳态以及瞬态下的热-机械应力分布特性规律。基于论文提出的模型,针对IGBT焊料层疲劳失效,分析了焊料层空洞位置以及大小对功率模块热-机械应力的影响规律,结果表明焊料层热应力最大值出现在焊料层边角以及空洞边缘处,相同面积下拐角空洞更容易导致IGBT模块失效,而且芯片结温随着中心空洞半径增加而升高,当空洞率达到50%时,结温温升达到5.10℃,严重时将会导致模块失效。基于能量微分以及热应力理论,本文提出了基于温度梯度评估焊料层运行状况的方法,并从理论以及仿真模拟层面,验证了该方法的准确性,并分析了不同焊料层失效程度对温度梯度的影响规律,发现温度梯度变化规律与结温变化规律一致,且灵敏度高,具有可追踪故障点位置的优点。

基于电-热-力耦合模型功率器件焊料层失效下的热力特性分析

焊料层缺陷是引起功率器件失效的主要诱因之一,分析不同焊料层缺陷作用下功率器件的热力特性是提高功率器件可靠性的有效手段。本文首先建立了IGBT模块热-力特性分析的电-热-力多物理场全尺寸模型,该模型基于测量参数考虑了材料温度依赖性和力学特性;其次,分析了焊料层空洞和焊料层脱落分层在功率循环以及小载荷下对模块热力特性的影响规律。结果表明所建立的电-热-力多物理场模型能够较好表征焊料层空洞和焊料层脱落时功率器件热力特性的影响规律。当焊料层中出现空洞后,芯片表面温度分布发生了明显改变,高温主要集中在空洞边缘区域;当焊料层疲劳累积到一定程度后将进入非线性扩展阶段,模块热阻和结温呈指数函数增大,直至失效。

热冲击作用下复合热电薄膜结构的热-电-力耦合行为研究

采用分离变量法和奇异积分方程研究了在热冲击作用下复合热电薄膜/基底结构的热-电-力耦合行为及薄膜边缘应力集中问题.得到了复合薄膜温度场以及层间热应力分布,给出了应力强度因子表达式.分析了在热冲击作用下复合薄膜尺寸、材料参数配比和界面漏电行为对应力强度因子的影响规律.结果表明,复合热电薄膜越薄,边缘处的热应力集中越弱;在高温侧选择塞贝克系数较大,热导率较低且电导率较低的热电材料,可以有效降低其层间热应力;界面漏电会降低复合热电薄膜层间热应力.研究结果将为热电薄膜器件的结构设计及安全使用提供理论指导.

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。

小周期区域内热-力-电耦合问题的高阶双尺度渐近分析

文章通过运用高阶双尺度方法构造了热-力-电耦合问题解的高阶双尺度渐近展开式,从而得到该问题的均匀化解和均匀化方程.基于构造的高阶双尺度近似解,定义了二阶双尺度近似解,并分析了相应的渐近误差估计.

基于水-热-力耦合分析的钢混梁徐变数值模拟研究

文中基于多物理场、多尺度耦合分析平台DUCOM-COM3,研究了湿度、温度、顶部纵筋配筋率、混凝土水灰比四种因素对钢混梁徐变挠度发展的影响。结果表明标准环境下模拟结果与试验结果吻合,且模拟结果展现出的各种因素对钢混梁徐变的影响符合徐变机理解释。进而,基于大量工况模拟结果,回归建立了多因素钢混梁徐变预测模型,并通过耦合工况下的分析结果验证了模型的合理性。

电阻连续加热成形过程电热力耦合有限元模拟分析

利用有限元方法,建立了轴对称的电-热-力耦合有限元模型,实现了电-热耦合与热-力耦合的顺序模拟。以42CrMo4钢圆柱体在电阻连续加热情况下的热镦成形过程为例对模型进行验证。结果表明,模拟所得坯料温度及载荷变化与试验结果一致。电阻连续加热成形过程中坯料温度急剧下降主要由于成形过程中坯料电阻的下降,而坯料温度下降也导致成形载荷迅速增加。

基于数据驱动的电-热互联综合能源系统线性化潮流计算

电-热互联综合能源系统非线性潮流方程的线性化处理是简化电-热互联综合能源系统运行与控制分析计算的一种重要方法。基于偏最小二乘法及最小二乘法对电-热互联综合能源系统的历史数据进行处理,构建热网中节点热功率到管道流量、节点供水温度和回水温度的回归模型以及电网中节点有功和无功功率注入到节点电压相角和幅值的回归模型。结合电-热耦合单元的模型,提出一种基于数据驱动的电-热互联综合能源系统潮流线性化模型,通过历史数据与物理模型的融合克服了传统物理模型的数值稳定性问题。

混凝土箱梁热—力耦合模型及剪力滞时变效应

为了研究混凝土箱梁墩顶块翼缘板早期裂缝机理,采用热-力耦合方法,建立了混凝土箱梁水化热温效剪力滞耦合模型,提出了广义剪力滞概念,以混合网格对混凝土箱梁墩顶块进行分层网分。计算了剪力滞随水化热温度荷载变化的全过程,分析了水化热温效剪力滞时变效应规律,并将计算值与试验数据进行了比较。结果表明:水化热温度所产生的剪力滞效应为负剪力滞,其程度与水化热温差峰值相关,降低水化热温差峰值,可有效降低水化热负剪力滞效应;翼缘板边缘拉应力峰值出现的时间滞后于温度峰值时间约40h。因此,水化热—力耦合模型能有效地模拟混凝土箱梁墩顶块水化热剪力滞效应,估计翼缘板拉应力峰值出现的时间,及时采取措施进行控制,防止开裂。

塔-线耦合模型的建立及其在输电工程中的应用

目前输电线路的设计方法中,塔架与导地线是分开考虑的,导地线荷载作为外力施加在塔架上;对于刚度较小的塔架,受载荷作用时塔架上部容易产生较大位移,塔架与导地线之间的耦合作用明显,不能忽略。为此,本文考虑塔架和导地线沿导地线方向的耦合作用,提出导地线力-位移等效元的概念,给出整个输电线路系统的理论等效模型,进行非线性数值仿真和实验比较。结果表明:等效模型理论值与数值仿真和实验结果吻合较好;并给出断线和覆冰情况下用等效模型计算的示例,对输电线路的整体设计具有指导和应用价值。