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。

干式铁心电抗器电磁-热-结构多物理场耦合仿真及协同优化研究

干式铁心电抗器长期处于电磁、热及应力等物理场中,其温升和振动问题日益严重。为了解决上述问题,提高金属导体材料的利用率,该文提出了干式铁心电抗器多物理场耦合仿真与协同优化相结合的设计方法。首先分析铁心电抗器温升及振动机理,指出影响铁心电抗器温升及振动的主要因素。然后,搭建干式铁心电抗器系统级协同优化模型。温升方面采用包封线圈-气道单元散热效率优化方法,在振动方面采用Kriging近似模型优化方法,通过灵敏性分析将设计变量划分为敏感和不敏感2个层次。最后,采用多岛遗传算法获得最佳的设计,仿真结果验证了优化设计方法的正确性。优化结果表明,该文提出的干式铁心电抗器多物理场协同优化设计方法,在满足电感、温升和振动等参数的前提条件下,绕组和铁心的用量分别减少了17.1%和6.7%,显著提高了金属导体利用率。

矿用逆变器IGBT模块键合线多物理场耦合分析

针对传统多物理场耦合分析采用静态功率损耗导致有限元仿真精度低,且现有键合线失效未考虑Diode芯片及其键合线等问题,提出一种结合矿用逆变器工况条件的IGBT模块键合线失效机理分析方法。首先建立FZ800R33KF2C三维模型,其次通过双脉冲仿真与实验验证ANSYS simplorer搭建的特征化IGBT模型动态特性,使用该模型得到在矿用逆变器额定工况下IGBT芯片和Diode芯片瞬时功耗,然后结合矿用逆变器温升实验确定隔爆腔内环境温度参数,最后在ANSYS Workbench下进行热-电-力多物理场耦合仿真,对键合线脱落进行系统性分析。分析表明,在大功率IGBT模块键合线多物理场耦合分析中不能忽略Diode芯片及其键合线。并且在Diode芯片键合线和IGBT芯片键合线共同脱落的情况下,前者脱落对IGBT模块影响更大。

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。

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。

声-地震耦合探测中亥姆霍兹共振声通道的设计分析

在声波共振探雷作业中,音箱作为声激励装置需要保持长时间高功率的运作,这使其使用寿命大打折扣。利用亥姆霍兹共振原理,设计了一种应用于探雷声激励扬声器的声通道结构,建立了电磁-机械-声学三物理场耦合仿真模型,仿真和实验测试结果均证明,设计的声通道结构能在保证探雷实验声激励强度的前提下,减小扬声器47.5%的输入电压,或在同等10.1 V输入电压下提高5~6 dB的声压级,为后续声通道的优化设计提供理论支撑,为改进型探测系统开展声-地震耦合与探测实验、验证声通道在提高声-地震耦合效果方面的有效性提供了可行性。

重晶石混凝土压电声场探伤仿真模拟与试验研究

基于COMSOL平台对重晶石混凝土的缺陷检测进行了仿真模拟及试验验证。结果表明:在多物理场耦合作用下,若边界条件与缺陷设定合理、模型建立准确,可以得到压电声场在各种介质中的传播路径与声场分布;通过压电探头接收的电信号与超声波位移场结合可以判断超声波的传播路径,从而对缺陷进行定位和定量计算缺陷半径;模拟缺陷半径接近实测与设计缺陷半径。

SF_(6)断路器触头劣化过程合闸预击穿特性研究

电容器组投切断路器触头烧蚀劣化后会改变合闸预击穿时间,这不仅会影响选相合闸效果,同时也说明预击穿电弧持续时间可作为衡量触头烧蚀状态的指标之一。建立了126 kV SF_(6)断路器灭弧室内合闸预击穿过程电—流体耦合仿真模型,研究了触头劣化过程中合闸预击穿特性,并提出了预击穿时间带电检测方法。结果表明:合闸过程中场强最大点总是出现在静弧触头表面;灭弧室内SF_(6)气体密度几乎保持不变;110 kV电压等级相电压下,触头预击穿电弧持续时间随烧蚀程度变化的试验值与仿真值吻合良好。从电场畸变角度解释了随着触头的表面烧蚀劣化程度增大对应预击穿时间的变化规律,结果可为断路器选相合闸策略和触头状态评估提供理论指导。

铝合金板阵列微结构零件电磁冲击液压成形研究

目的解决室温条件下因铝合金塑性流动不均而导致的零件开裂和尺寸偏差等问题。方法利用高速冲击提高材料成形极限以及流体均匀载荷精确控形的优势,提出了电磁冲击液压工艺并实现了铝合金阵列结构零件的成形,采用实验手段研究了放电电压和放电次数对零件贴模精度和厚度分布的影响。结果随着放电电压的增大,零件的成形深度增大。在单次放电8kV下,板料最大成形深度达到模具深度的97%,连续3次放电8kV后,零件通道填充率达到89.7%。建立了与物理实验模型一致的电磁-流体-结构的多物理场耦合仿真模型,发现冲击液体对板料施加的瞬态压强超过200MPa,板料最大变形速度达到40.5m/s。模拟得到的板料变形轮廓与实验结果一致,证明了多物理场耦合仿真模型的准确性。结论电磁冲击液压成形是一种新型的高速成形方法,能够实现铝合金阵列微结构零件的精确制造,为提高复杂薄壁难变形构件的成形性能和精度提供了新的技术手段。

某型车用发电机电磁噪声的数值仿真

针对某型车用爪极发电机存在的电磁噪声问题,建立了发电机的电磁学有限元模型、动力学有限元模型和声学边界元模型,进行多物理场耦合的数值仿真,获得发电机的电磁力波、振动响应和外部声场噪声等信息。对比仿真与实验分别得到的测试半球面上的平均声压级,发现两者吻合较好,说明该数值仿真方法具有较高的精度。最终结果表明,发电机后端盖无支耳一侧的36阶振动是引起电磁噪声的主要原因,为车用发电机的电磁噪声控制提供了参考。

快速真空开关合闸触头弹跳暂态过程研究

以电磁斥力驱动器作为操动机构的快速真空开关具有分闸速度快,分合闸时间短和分合闸时间分散性小的优势,目前已广泛应用于多种电力设备中。目前对于快速真空开关的分闸过程已有众多研究,但合闸过程的相关问题尚属空白。文中研究了快速真空开关合闸过程中触头弹跳问题。建立了多物理场耦合仿真模型,完整描述了快速真空开关的合闸过程。得到了快速真空开关的v1与Dmax的关系,其中v1为合闸过程中动静触头首次接触的瞬时速度,Dmax为动触头的最大弹跳距离。根据这一关系式,确定了合闸过程中无触头弹跳情况下的临界瞬时合闸速度vcri。根据vcri限制,设计了一种新型的油阻尼器来调节快速真空开关的合闸行程曲线,实现无触头弹跳合闸。研制了装备新型油缓冲器的快速真空开关,搭建了机械特性测试平台,对其合闸特性进行了测试。测试结果表明:测量结果与仿真结果之间的误差不超过10%,且实现了无触头弹跳合闸。

旋转永磁式机械低频天线的系统设计与验证

为实现低频电磁发信系统的小型化和低功耗,面向旋转永磁式机械天线的理论研究和技术实践,提出了基于多物理场耦合仿真的系统设计和性能校验方法。设计了包含永磁磁源、高效驱动电机及其控制器在内的旋转永磁式机械天线系统方案。研制了实验样机,并对其系统性能和近区磁场进行了实验测试,验证了相关设计方法和系统方案的可行性与有效性。结果表明,该样机的磁场场强和尺寸等主要指标达到了美国“机械天线”项目在射频穿透技术领域的要求,为旋转永磁式机械天线方案研究和样机设计提供了一种可行思路。

直流电缆负荷循环系统中温控介质轴向温度分布仿真研究

对交联聚乙烯绝缘直流电缆负荷循环系统的轴向温度分布进行了仿真研究,提出了流体流速、流体传热和固体传热耦合条件下对被试电缆绝缘层温度梯度进行控制的方案。运用COMSOL Multiphysics软件进行仿真,建立了二维轴对称仿真模型,得出水温、线芯导体温度和绝缘层温差轴向分布规律,指出当进水口和出水口水温温度差符合试验要求时,沿电缆长度各处线芯导体温度和绝缘层温差也将符合要求。

SF_(6)断路器灭弧室内短路电流开断过程仿真研究

SF_(6)断路器灭弧室为封闭式结构,难以直接观测到开断过程灭弧室内各物理场的变化情况,为此建立灭弧室内开断过程的电热流体多物理场耦合仿真模型,研究开断过程中各物理场的变化规律。研究发现:当电流在开距较小时过零易导致电弧重燃,电弧的熄灭必须具备足够的吹弧气流速度与介质恢复强度;在开断30 kA短路电流时,电弧最高温度约18000 K,熄弧后弧隙温度迅速降低到3000 K以下;压气缸内气体压力随触头运动逐渐增大,最大可达1.0 MPa;吹弧气体速度随喷口的打开逐渐增大,最大速度为253 m/s,冷态气体会带走大量电弧能量并不断压缩电弧半径,为电流过零创造有利的熄弧条件;弧隙最大电场强度随间隙距离与电压变化,一般出现在静弧触头端部与动弧触头弧角处。研究结果可为SF_(6)断路器短路开断过程与机理分析提供理论支撑。

基于神经网络模型与多岛遗传算法的空心电抗器隔音装置优化设计

干式空心电抗器长期处于电磁–热–力等多物理场环境中,其噪音和温升问题一直是学者关注的热点问题。根据干式空心电抗器的设计参数,利用COMSOL有限元软件建立了3维电磁–结构–声场和流场–温度场多物理场耦合仿真模型,获得了加和未加隔音装置下电抗器声场和温度场仿真结果。分析了电抗器声压级水平和温升分布特点,采用中心组合试验设计与有限元仿真相结合的方法,获得了在不同结构参数的隔音装置下电抗器声场和温度场仿真结果。在此基础上,构建了神经网络模型,该模型反映了电抗器测点声压级水平及最高温度与隔音装置结构参数间的响应关系,通过灵敏度分析技术获得结构参数对电抗器声压级水平和最高温度的影响程度。最后,基于多岛遗传优化算法,获得了最佳的隔音装置结构参数。优化结果表明:在最佳结构参数下,电抗器声压级水平和最高温度分别下降了13.9 dB和26.3℃,该优化方法对电抗器隔音装置的参数优化具有重要的参考意义。

辐射加热同轴天线的研制

为获得非单一辐射方向图,设计辐射电长度为3倍波长的同轴辐射天线。应用电磁场有限元分析方法分析天线与物料耦合时端口驻波比,确定同轴辐射天线内导体尺寸为479 mm,辐射天线端口驻波比不高于1.6;2.45 GHz时辐射天线效率高达95%。应用多物理场分析方法研究了热变形的天线端口驻波比变化情况,结果表明聚四氟乙烯护套最高温度为126℃时轴向最大变形量为0.1 mm,径向最大变形量为0.05 mm,辐射天线端口驻波比变换量不超过0.65%,该变化量在可接受范围内。对加工完成的天线应用物料水进行实测,三根天线的端口驻波比不高于1.54,大功率测试结果显示,三根天线满足基本使用要求。

飞机燃油温度的影响因素分析

本文研究飞机燃油温度的影响因素及其对飞行性能和安全的影响。通过实验和数值模拟发现,燃油温度受多种因素影响,包括环境、燃油系统和操作因素。同时,燃油温度对燃油的黏度、密度和流动性等特性有显著影响,进而影响发动机的性能和燃烧特性。因此,加强飞机燃油温度的监测和控制对于确保飞行安全和提高飞机性能至关重要。

双水内冷同步调相机定子温度场分析

温度场的研究对双水内冷同步调相机安全运行具有重要的意义。针对双水内冷同步调相机,采用有限元法建立了电磁场二维模型以及流体-温度三维温升计算模型,求取了电机不同运行工况下的电枢电流、励磁电流以及对应的电机定子损耗。在此基础上,根据流体-温度耦合的传热理论,以定子线圈和铁心损耗为热源,求解定子各部分温度分布,研究电枢电流、冷却水流速、冷却水进水温度对定子温升的影响。结果表明,双水内冷同步调相机运行时定子下层线圈温度高于定子上层线圈温度,定子线圈最高温升与电枢电流的二次方呈正比,且其温升与冷却水的流速相关,与进水温度成正比。本文中关于温度场的研究可为大型同步调相机散热结构优化及过载能力分析提供理论参考价值。

热变形对射频同轴开关性能的影响分析

通过建立三维射频同轴开关的电磁-热-结构多物理场耦合仿真模型,得到了射频同轴开关在0-6 GHz的插入损耗、稳态温升及其所导致的热形变量,进而分析了热变形对射频同轴开关射频性能的影响。分析结果表明,即使是相对内导体尺寸较小的热形变量,也会导致插入损耗发生明显变化。从而为射频微波器件设计人员的热特性设计工作提供参考指导。

基于Realizable k-ε模型的叶盘通道电解加工多场耦合分析

叶盘通道电解加工(ECM)是决定整体叶盘电解加工成形精度的关键工序,其加工间隙不规则、建模困难。基于Realizablek-ε模型建立叶盘通道电解加工的气液两相流模型,根据参数传递关系建立多物理场耦合模型,分析加工间隙内电解液温度、氢气体积分数、电导率等重要参数的分布规律。仿真结果显示电解液在侧面间隙出现涡流现象,使该区域氢气堆积、温度上升,影响工件的成形表面质量,并导致该处的材料蚀除量减小,该结果在试验中得到证实。试验与仿真得出的工件轮廓形状变化趋势一致,试验与仿真获得的端面平衡间隙尺寸分别为0.26、0.33mm,仿真的相对误差(27%)明显小于经典公式的相对误差(73%)。因此,模型可较为准确地模拟叶盘通道电解加工成形过程,反映各参数对工件成形的影响过程。