基于虚实融合的多物理仿真高空应激诱发系统

针对目前高空作业人员初期训练手段较少、安全性不高等问题,研制一套虚实融合的高空应激诱发系统,系统由物理反馈、高空虚拟场景和多维数据传输等模块组成。对木板进行倾斜角度设计和静应力载荷仿真,在保障系统安全的前提下提升高空应激强度;构建迷雾粒子特效,消除高空虚拟场景边界线暴露问题,同时减少渲染内容以提高帧率;组织志愿者身穿智能衣采集生理数据,验证系统效果。结果表明,与其他高空应激范式相比,系统心理应激诱发程度较高,可用于高空应激测试训练与儿童防坠楼教育。

基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化

准确计算油浸式变压器的温度分布并寻求优化方法,对设备运行维护具有重要意义。首先建立了35 kV油浸式变压器的3维等效模型,采用Jiles-Atherton模型模拟变压器铁芯材料的磁滞特性,通过磁场计算获取了铁芯和绕组的损耗密度分布。在此基础上将损耗密度作为热源,经过流–热耦合计算得到变压器的温度场和流场仿真结果。根据计算结果提取了铁芯、绕组区域的温度分布及截面的油流流速分布,并绘制了散热片的最高温度和流速曲线。最后结合中心组合设计和仿真分析方法得出不同散热器结构参数下的变压器热点温度,构建热点温度与结构参数间的支持向量机模型,采用粒子群算法获得了最优参数。变压器热点温度较优化前降低了15.12 K,仿真与模型预测结果的相对误差为6.42%,验证了优化模型的有效性。结果表明:优化方法能够显著降低变压器热点温度,为变压器的优化设计提供了新的思路和参考。

基于谐波分析的封装-电路多物理场耦合仿真方法

场-路耦合仿真可以支持跨越芯片-封装-系统的多层级协同分析,多物理场仿真能够对多物理约束下芯片封装的信号完整性、电源完整性以及可靠性进行提前设计.因此,针对场-路结构的多物理场耦合仿真能够实现在初期对芯片封装的设计方案进行筛选和优化,是先进封装仿真技术最重要的发展方向之一.本文基于场-路耦合仿真和多物理场耦合仿真方法的最新研究进展,提出针对非线性场-路结构的频域仿真方法以及电磁-热耦合计算方法 .该方法能够解决基于时域仿真方法的场-路耦合仿真的长时间迭代问题,实现多物理约束下非线性场-路结构的电磁与热特性快速分析.计算结果验证了本文方法的准确性和高效性.

硅基三维异构集成射频微系统的多物理场耦合仿真与设计

利用硅基三维异构集成工艺设计一款射频微系统,以满足设备对射频模组高性能、小型化的需求。为了在设计初期充分评估该微系统的潜在可靠性风险,根据工艺特征以及产品在多物理场中的耦合现象,建立一种面向硅基三维异构集成工艺射频微系统的多物理场一体化仿真流程,逐一分析所涉及的电-热耦合和热-力耦合过程,预判产品在工作条件下的热学和力学特性,为设计环节提供针对性的指导,预先规避可靠性风险,从而有效提高一次性设计成功率。

基于多物理场仿真的低频变压器温度特性分析及导向结构优化

为了降低低频工况下油浸式电力变压器的热点温度与内部温升,基于电磁-热-流体场多物理场耦合对低频变压器绕组区域导向结构开展优化分析。通过对变压器电磁部分的有限元数值计算,确定低频变压器与同工况下的工频变压器在铁芯和绕组区域的磁密分布与损耗特性区别。然后在此基础上将铁芯和绕组的损耗作为热源代入流体场和温度场进行仿真分析,得到变压器整体和绕组区域局部的温度及油流分布。最后通过构建20 Hz低频变压器绕组区域的油流传热模型,结合有限元仿真研究导油挡板数量与分布对绕组区域油流量、平均温度和热点温度的影响,并获得导向结构的最佳分配方案。研究结果表明,20 Hz低频变压器绕组区域的热点温度较无挡油板的模型下降了14.44%,该结果可为低频变压器紧凑化设计提供优化方案。

采煤机牵引变频器多物理场散热仿真设计

大功率采煤机牵引变频器散热问题不仅体现在IGBT上,也体现在变频器腔体内。为解决该问题,首先建立变频器热仿真模型,然后进行多物理场仿真分析,并基于结果进行了优化设计。仿真结果及试验测试表明,在相同条件下在变频器内部增加散热风扇不仅能大幅降低电抗器温度,同时能降低散热板和变频器腔体内空气温度。

考虑累积效应的35 kV油浸式三相变压器温升特性仿真与试验研究

变压器长期处于不停机运行状态,焦耳热、电磁热等热源产生的温升会严重影响变压器的运行状态和使用寿命。为了更准确地得到35 kV油浸式变压器的热点温度和温升特性,针对现有研究未考虑温度影响下参数的时间尺度变化特征的问题,考虑温度累积效应带来的影响,围绕油浸式变压器的温升特性展开研究。首先,建立时变电流密度、磁感应强度的理论模型;其次,基于电磁热流多物理场耦合仿真方法,对油浸式变压器带负载工作过程进行电磁场、温度场及流场的有限元仿真分析,得到了铁心、绕组及漏磁损耗作用下油箱内部温度变化及其分布特性;最后,完成油浸式变压器长期带负载运行实验,并采集得到升高座下方及初级、次级绕组温度。仿真发现绕组附近温度约为95℃,铁心的直角区域及升高座下方也存在高温区,原因是该位置油流流速较大,仿真结果约为28 mm/s。实验与仿真的对照结果表明,考虑累积效应的仿真结果与实测值较为接近。研究内容可为油浸式变压器的温升特性提供技术参考。

基于多物理场仿真和神经网络算法相结合的油浸式变压器热点温度动态反演方法

绕组热点温度是影响油浸式电力变压器绝缘老化程度的重要因素之一。已有的变压器热点温度计算方法主要包括经验热模型、热路等值模型、人工智能算法等,这些方法在计算准确性和实际应用方面各有不足。基于此,提出了基于多物理场仿真和神经网络算法相结合的油浸式变压器热点温度反演方法。借助多物理场仿真技术实现变压器的高精度模拟,以获取多种环境温度和负载升降变化运行断面下的可信样本,并提取环境温度、顶层油温、负载系数等特征参量作为输入,采用反向传播神经网络建立变压器热点温度的反演模型。以100 kVA/10 kV变压器为例进行分析,结果表明该文提出的热点温度计算方法可以实现负载系数和环境温度变化过程中热点温度的动态反演,其动态反演曲线和实际测量曲线均方根误差为0.94℃,较现有的导则经验公式和热路模型有更高的计算精度。

水冷式射频组织焊接电极的多物理场仿真与实验研究

为了降低射频组织焊接中高温造成的热损伤,设计了一种创新的水冷式射频组织焊接电极,使用COMSOL Multiphysics软件对猪小肠的体外焊接过程进行了多物理场仿真,结合焊接和爆破压实验对生物组织的焊接温度与效果进行了分析。结果表明:仿真使用“温度阈值”方法解决了现有模型中生物组织水分的可逆蒸发问题;在相同实验条件下水冷电极的最大焊接温度为139.8℃,平均焊接温度为112.5℃,较典型金属电极明显得到控制;水冷电极作用下生物组织爆破压达到62.3±13.7 mmHg,满足焊接要求。仿真模型预测的温度与实验结果拟合良好,且水冷电极有效焊接了组织,控制了焊接温度。

10 kV三相无屏蔽层电缆的多物理场仿真研究

近年来配电网管廊中10 kV三相电缆的金属屏蔽频繁被盗,无屏蔽层电缆极易引发绝缘问题,严重影响配电网管廊的安全性。为此以YJV22型10 kV无屏蔽层电缆为对象,针对深度为1.95 mm、2.45 mm、2.95 mm的划伤,100~300 Pa压强下的挤压变形,0~31.9 mm间距松散结构等状态开展电磁热结构场仿真研究。仿真结果表明:不同尺寸的划伤缺陷会引发电缆内部电场发生不同程度的畸变,且在缺陷充水情况下的畸变场强远高于缺陷充空气情况下的畸变场强;无屏蔽层电缆在受到不同大小挤压力后会发生不同程度的形变,进而影响电缆内部电场发生变化,受挤压位置处电场强度大;松散分布的无屏蔽层电缆交流电阻减小,导体温度降低,载流量增大。根据以上分析结果,提出必要的维修措施以避免由畸变场强造成的击穿事故。

弧触头烧蚀程度对灭弧室内短路开断过程多物理场的影响

为研究SF 6断路器开断过程中弧触头烧蚀程度对灭弧室内多物理场变化的影响,建立了弧触头接触行程分别减小0、5 mm、10 mm和15 mm下灭弧室内开断过程的多物理场耦合仿真模型,获得了短路电流开断过程中灭弧室内温度、气流和电场分布特性。计算结果表明:开断过程中,弧道最高温度出现在弧根处,其值随弧触头烧蚀程度变化不大;随着弧触头烧蚀程度的加剧,SF 6气体最高速度不断减小,吹弧效果减弱;最大场强集中在静弧触头端部或动弧触头弧角处,且随弧触头烧蚀程度加剧而畸变更严重。基于此,根据流注理论的气体击穿判据计算了不同弧触头烧蚀程度下SF 6介质恢复特性,发现当弧触头接触行程减小15 mm时,临界击穿电压低于瞬态恢复电压,触头间隙可能再次击穿造成电弧重燃。研究结果可为SF 6断路器电寿命退化机理提供理论支撑。

高功率密度永磁同步电机多物理场设计与优化

针对额定功率50 kW、额定转速2050 r/min的高效率高功率密度永磁同步电机进行多物理场优化设计,包括电磁场、温度场和应力场的设计与仿真分析。为进一步提高功率密度,选用发卡绕组替代传统的圆线绕组;为改善反电动势的正弦度,相较于传统的径向充磁,选用了多段式Halbach阵列充磁方式。本文给出了高功率密度电机的设计流程和电磁参数优化过程,通过多物理场仿真表明,本文所设计电机能够同时满足电磁指标和各项温升和应力指标。

大容量抽水蓄能发电机断路器发热特性仿真与散热优化方法

过高的温升会加速真空断路器结构老化、降低机械强度,基于温升仿真分析的断路器散热优化设计对断路器性能提升具有重要意义。为此通过建立大容量抽水蓄能发电机断路器电磁仿真模型,计算不同通流情况下的电磁损耗,并基于各端面接触电阻损耗,获得总发热损耗参数。在此基础上,建立包含对流、传导、辐射热传递模式的断路器自然对流仿真模型,从增强自然对流、辐射两方面对断路器散热结构进行优化设计。研究结果表明,在通流12.5 kA情况下,断路器监测点最高温升为133.7 K,辐射功率占比约23%。通过增加散热片及热管,最高温升能够降低至109.5 K。增大断路器部件表面发射率能够低成本实现辐射功率提升,从而将最高温升进一步降低至96.9 K。通过断路器稳态通流温升实验,验证了仿真可靠性,监测点温升的仿真与实验平均误差小于2.1 K。

基于多物理场耦合模型的碱性水电解槽工作特性

风电制氢系统将富余的风电用于电解水制取氢气,有效提高了风电的消纳能力。碱性水电解槽是电制氢的重要设备,通过数值方法研究其工作特性对于提高制氢效率具有重要意义。然而,现有电解槽模型通常只关注其电学性能,难以对各工况下设备运行状态进行准确预测。为此,提出了碱性水电解槽电场-流场-浓度场多物理场耦合模型。首先对碱性水电解槽进行了几何建模;接着建立电解槽电场、流场、浓度场数学模型,并基于COMSOL平台进行多物理场模型搭建;在验证模型有效性后,分析了电压、温度、压力、电解液浓度与流速对电解槽稳态、瞬态工作特性的影响。模拟结果表明:升高温度与降低压力减小了单位电流所需电压;降低电流、升高温度与压力增大了电解效率。单位电流所需电压随电解液浓度增加先减小后增大,而电解效率随浓度增加而先升后降,50℃时在质量分数为30%处达到最大电解效率。电压突变会产生电流过冲现象;流速突变不会发生电流过冲现象。研究成果可为碱性水电解槽设计与性能预测提供理论指导。

Comsol多物理场仿真软件在滑坡数值模拟中的运用

滑坡地质灾害由于其成因机制特殊,涉及水与岩土体之间作用,有关能模拟流-固耦合的软件相对较少。而Comsol作为一款多物理场仿真软件,其“多孔弹性”接口很好的做到了达西定律与固体力学的耦合,对于评估流体导致岩土体的变形有很大的优势。基于此,文中以某实际滑坡案例为基础,利用Comsol多物理场数值模拟软件对滑坡进行了流-固耦合计算,获取了滑坡的变形破坏机理及特征。

驻极体电容传声器指向性的有限元仿真分析

建立驻极体电容传声器声学模型,添加电、力、声的耦合多物理场,并通过有限元仿真计算的方式,获取传声器灵敏度与声波入射方向的极坐标曲线图。通过改变驻极体传声器声学模型中阻抗材料的阻抗参数来仿真分析传声器指向性与阻抗材料阻抗参数的关系。将仿真结果与集中参数电路模型得出的指向性控制结论相比较,验证有限元仿真分析的正确性。

多物理场耦合仿真下声波对直流电弧的影响

断路器等开关设备是当前直流输配电领域的研究重点与难点,开关电弧是影响断路器等设备性能的重要因素。基于磁流体动力学(MHD)理论,建立了声场影响下的直流电弧仿真模型。通过多物理场的耦合仿真,研究了在声场影响下各物理场与直流电弧的特性及相关性,通过实验对仿真结果进行检验。

轴向永磁式涡流制动器特性的多物理场仿真分析

随着电磁装置的设计面向于小型化和高功率化的趋势,其温升可能引起装置性能衰减甚至是结构损坏。因此,在设计阶段,除电磁场特性之外,温度场以及流体场特性分析也至关重要。该文针对双边轴向永磁式涡流制动器结构,分析其电磁场、流体场和温度场特性以及相互之间的影响机理。首先,通过电磁场有限元法分析涡流制动器的制动特性以及导体板中的涡流损耗变化曲线。其次,通过建立的三维流体场模型,分析涡流制动器气隙中的流体流动规律以及传热特性。最后,基于电磁场和流体场计算结果,建立涡流制动器的热网络模型,分析其温升特性,并通过三维温度场有限元法验证其准确性和有效性。通过上述方法,可以精确估计涡流制动器的运行状态,给设计人员提供理论依据。

PCMR体声波谐振器多物理场仿真及芯片制作

文章介绍了一种轮廓模式压电谐振器的工作原理,阐述了多物理场的概念并利用多物理场有限元分析方法分析了该谐振器的谐振过程,并利用多物理场原理对压电谐振器结构进行了仿真优化。多物理场仿真可以更加直观,深入的理解PCMR的工作原理和过程。不利用等效电路模型,所以可以准确的找到谐振器各组成部分对谐振器的影响。基于仿真的结果,分别设计了平板型(82.75MHz)和交指型(346.5MHz)轮廓模式谐振器并利用MEMS工艺对其进行了制作。制作的轮廓模式谐振器具有较高的Q值(800),机电耦合系数2%,测试结果和仿真结果基本的吻合。

中压开关柜温升特性的多物理场耦合仿真研究

长期过热问题威胁着中压开关柜的安全稳定运行,准确把握开关柜内部温升十分重要。为此以UR4-10型开关柜为研究对象,建立三维多物理场耦合仿真模型,探究不同电流下开关柜温度场和流场分布特性,以及负荷电流对开关柜温升特性的影响。研究结果表明:额定电流下通电导体回路整体温升从高到低为断路器触头处、上梅花触头、下梅花触头和进线母排;进线母排温度随着与母排搭接处距离的增加而逐渐降低;通过拟合函数的方式评估温度仿真数据已经趋于稳定,并得出在额定电流下开关柜最终稳定的最高温度为44.9℃;开关柜内流场分布较为稳定,内部空气流速分布范围在0.05~0.22 m/s;开关柜结构差异对对流散热的影响,使得三相之间以及上下梅花触头处产生温升差异;电流对开关柜温升影响较大,对柜内温升趋于稳定的时间和流场分布影响较小。研究结果可为开关柜温升研究和开关柜温度在线监测的监测点选择提供理论依据。