低频输电高压电力电缆多物理耦合场数值分析及载流量计算

近年来,随着可关断电力电子器件的逐渐成熟和广泛应用,柔性低频交流输电技术受到广泛关注。由于频率越低,交流电磁场的集肤和邻近效应越弱,因此低频运行工况下电力电缆的载流量与工频50 Hz运行工况下电力电缆的载流量将不尽相同。为此,基于多物理耦合场及有限元法,提出了三芯海底电缆埋设方式下磁热流耦合场计算模型和计算方法,分析了不同截面电缆在低频输电工况下载流量数值变化规律及损耗特性。计算结果表明,降低输电频率可有效提升电缆载流量;电缆截面积越大,载流量提升效果越显著;当截面积为500 mm 2、1000 mm 2和2000 mm 2时,相比于工频输电方式,电缆载流量分别提升11.33%、23.26%和34.40%;降低频率可减少电缆总损耗,由环流引起的护套及铠装层损耗平均分别降低了14.85%、6.34%。计算结果为低频输电方式下电缆选型及输电容量提升提供数据决策依据。

异步牵引电动机转子多物理耦合场有限元分析与优化

文章以350 km/h高速动车组用异步牵引电动机为例,以多物理耦合场基础理论为基础,利用ANSYS软件作为分析计算工具,对异步牵引电动机转子多物理耦合场进行了有限元分析与优化,重点考察了导条长度、护环过盈量等参数变化对异步牵引电动机转子动力学特性的影响,分析了不同的结构参数设置对结构应力分布和变形的影响,并对相关参数进行优化,为转子系统的进一步改进、优化和设计提供了理论依据。

双回路顶管隧道敷设下电力电缆多物理耦合场及载流量的数值分析

对于局部穿越河流、道路等不具备开挖条件区域的电缆一般采用顶管敷设。在顶管敷设电缆,排列紧密且埋深较大,是限制载流量的瓶颈段。而现有IEC标准更没有给出这一非典型敷设工况下电力电缆载流量的计算模型和计算方法。为此,以YJLW03 127/220 1×2500单芯交联聚乙烯电缆为研究对象,结合实际工程敷设工况建立了双回路顶管隧道敷设下电缆磁-热-流多物理场耦合有限元计算模型,并提出了载流量计算的弦截法。在此基础上,研究了埋设深度、护层电流的变化对电缆载流量的影响,分析了双回路顶管隧道敷设电缆的载流能力。计算结果表明,双回路顶管隧道敷设中,电缆埋设深度是影响电缆载流量的关键因素,埋深越大,载流量越小,对应的场域温度分布越高;护层电流越大,载流量越小。研究成果为进一步优化电缆敷设方式、充分发挥电缆线路的输电能力提供了理论依据及辅助参考。

多簧片结构的磁保持继电器多物理场刚柔耦合仿真模型建立和实验分析

多簧片结构的磁保持继电器衔铁转动引起的触点碰撞、弹跳现象使运动过程复杂,静、动态特性理论分析和仿真模型建立困难。以某型号多簧片结构的磁保持继电器为研究对象,理论分析结构拓扑及工作机理,考虑触点间切入深度,引入狄拉克函数和赫维赛德函数,解决簧片受力分散及触点由于碰撞、弹跳引起的作用力不连续问题;将簧片等效为悬臂梁,基于欧拉-伯努利梁理论建立触簧系统三簧片分段耦合动力学模型。利用Ansys Maxwell引入基于误差的自适应网格划分方法求解电磁机构静态特性;考虑触簧系统簧片运动变形效应,通过ADAMS基于模态理论,构建刚柔耦合动力学仿真模型。基于分段动力学思想,搭建电-磁-机械运动多物理场刚柔耦合仿真模型。利用高速摄像机、电流探头等设计磁保持继电器实验方案,搭建实验平台,测试并分析磁保持继电器触点吸合运动时间、触点压力、弹跳时间、线圈电流,并分析人工装配簧片引起触点压力不同使继电器动作过程存在的不一致性问题,验证该文所提多簧片结构的磁保持继电器特性分段耦合分析方法和多物理场刚柔耦合仿真模型的有效性。

激光维持等离子体多物理场耦合模型与仿真

激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源,在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值.本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程,介绍了其基本物理过程及数学描述方程,建立了基于多物理场耦合的二维流体模型.利用该模型研究了激光在等离子体中的传播过程,探讨了激光维持等离子体的初始演化过程、能量注入机制、稳态特性及不稳定性等关键问题.通过与高气压氙气等离子体实验结果对比,确定了仿真模型的有效性.相关仿真结果有助于深入理解激光维持等离子体的底层物理机制,为实现光源系统设计、多参数优化提供理论依据.

基于多物理场耦合的Q345钢应力腐蚀行为研究

海上风力机组的支撑结构和相应的变压器平台极易受到腐蚀,腐蚀缺陷会导致应力集中,从而严重影响风机设备的使用寿命。以Q345钢为研究对象,采用COMSOL多物理场仿真软件建立一种Q345钢表面腐蚀缺陷生长预测的有限元模型,模拟研究海洋环境中Q345钢的应力腐蚀行为。通过电化学腐蚀试验得出Q345钢的Tafel关系,应用多物理场耦合计算应力对腐蚀缺陷处电化学腐蚀的影响,结合Faraday定律开展腐蚀缺陷的生长预测。结果表明:随着拉伸应变和缺陷深度的增加,缺陷处的应力也随着增加,加速了缺陷处的失效;当应力在缺陷处引起塑性变形时,局部腐蚀活性显著增强;在缺陷处的力学和电化学效应改变了缺陷中心的应力分布,增强了缺陷中心腐蚀速率。

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。

高线速度石墨密封多物理场耦合特性

高线速度运行的石墨密封常伴随着高热量的摩擦磨损,为了满足航空发动机轴承腔高线速度和低压差工况的密封需求,基于四瓣式石墨密封,建立多物理场耦合分析模型,并通过实验结果比对验证计算模型的准确性;通过多物理场耦合分析,研究高线速度和低压差工况下石墨密封的流场、温度场及结构场特性。结果表明:封严气体在周向槽及密封环段搭接处压力不平衡,流速分布不均且在流场出口附近紊乱;泄漏量随着密封线速度的增大而减小,随着密封压差的增大而增大;密封环温度、变形和应力都随着密封线速度的增大而增大,温度场对密封环结构影响最大;封严气体能减轻密封环变形,但气体力会增大密封环的应力值;摩擦热对密封结构影响显著,尤其在环段搭接和防转销处。

基于神经网络的热管反应堆多物理场耦合快速预测

本文基于热管反应堆多物理场耦合分析框架,提出了一种基于数据驱动型神经网络构建的快速预测方案。该方案利用神经网络部分代替分析框架中的数值计算模块,实现核-热-力多物理场耦合迭代过程的高效求解。以Megapower作为分析对象,搭建了相应的神经网络模型构建快速预测方案并对其进行相关参数的预测,与传统数值计算方法对比。快速预测产生的关键参数和数值计算的结果差异很小,其中,最大应力差值不超过2 MPa,燃料平均温度差值不超过3 K。相同计算环境中,相比于数值计算需要6 h的计算时间,快速预测仅需4 min,计算时间降低了95%以上。基于上述结果,认为基于神经网络的快速预测方案具有准确性高、速度快的特点。配合其灵活性及对训练数据量要求低、可针对性的优化模型等特点,认为基于神经网络的快速预测方案是应对堆芯优化等大规模计算需求场景的优选方案。

基于多物理场耦合的大容量干式空心并联电抗器温度场仿真研究

干式空心电抗器的温度场研究对电抗器的设计和制造至关重要。文中对大容量干式空心并联电抗器,采用电磁—流热多物理场耦合方法,考虑了温度对铝导线电导率的影响,建立了包含星型架、撑条和包封绝缘的三维电抗器有限元仿真模型。对于110 kV输电系统中BKGKL-40000/110电抗器进行了仿真分析,分析结果表明电抗器温度分布总体呈现上高下低的趋势,在电抗器上部中心的空气流速最高,将结果与试验测温结果相比较,两者较为接近,说明了仿真方法的准确性。此外,对加设防雨罩后的电抗器仿真结果进行了分析比较。通过分析电抗器的温度分布特点,为干式空心并联电抗器的设计与制造提供参考。

多物理场耦合下不同因素对大功率液冷充电电缆温度影响的仿真研究

为解决新能源电动汽车快速补能带来的热效应显著上升和充电电缆线径不可能相应增大的互相矛盾问题,基于电磁温度流体多物理场耦合的有限元仿真模型,提出对充电电缆增加主动降温的空间冷却通道,对比分析在不改变缆芯横截面积和环境温度的前提下冷却介质种类、冷却通道结构、冷却液流速对超快速充电场景下充电电缆缆芯温度及载流量的影响。仿真结果表明:冷却通道管径对充电电缆导体温度与载流量影响最大;液冷较强制风冷的冷却效果更为显著;理想的冷却介质流速为0.1~0.15 m/s。当缆芯截面积为70 mm^(2)、冷却液流速为0.1 m/s、冷却介质为乙二醇水溶液、冷却通道与缆芯横截面积之比为1.25时,充电电缆载流量达到600 A,温度为49.7℃。相关研究为超快速充电场景下大功率冷却型充电电缆的结构优化与设计提供了参考依据。

基于多物理场耦合的变压器噪声及降噪措施研究

随着电压等级、变压器的容量以及数量的不断提升,变压器的噪声污染日益严重,采取有效措施降低变压器噪声已迫在眉睫。基于有限元仿真平台搭建了110 kV系列变压器模型,采用电-磁-力-声多物理场耦合的方法对不同容量变压器的声压级分布以及应力分布情况进行仿真分析,揭示了不同容量变压器噪声与磁通密度、磁致伸缩效应等参数的关系,依据所得结果提出了基于改进变压器铁心材料和改变铁心夹紧力等方法的降噪措施。

挠性印制电路板内置熔断体的多物理场耦合仿真

基于一种应用于新能源汽车动力电池模组集成母排上的挠性印制电路板(FPCB)内置熔断体结构,建立电-热-结构多物理场耦合仿真模型,对熔断体进行多场耦合仿真分析。仿真结果表明:室温环境下,电流密度最大值出现在熔断体弯折处;最高温度出现在熔断体中间熔体部分;环境温度越高或对流传热系数越小,熔断体升温速率越快。基于仿真模型发现,增大电流后熔断时间缩减。仿真结果可为FPCB内置熔断体结构设计、生产及测试提供重要参考。

基于多物理场耦合的高强度线夹可靠性分析

随着电力系统负荷的增加和电网的扩容,电力设备的负荷和温度也在不断增加,针对多物理场的耦合效应,建立了并沟线夹有限元仿真模型。首先依据接触面上的电流控制,获得不同安装扭矩下并沟线夹与导线间的接触电阻,并根据热源理论计算线夹到导线的接触面积,在不同安装扭矩下,对其不同部位的电流密度、欧姆损耗和温度分布进行分析。实验结果表明:线夹与导线间电流传递集中于接触面的25%左右,接触面利用率不高,且线夹温升最高达到了345.78K。依据这些数据可以更准确地分析线夹在不同工况下的和电性能变化,从而为线夹结构设计的进行精确调整,以期提高高强度线夹的可靠性和性能。

多物理场耦合下不同短路与接地故障对变压器绕组状态影响的仿真研究

为研究不同短路与接地故障对变压器多次冲击后绕组状态的影响,基于变压器电、磁、热、力物理场理论,搭建了三相变压器的三维模型,考虑了温度对绕组材料属性的影响,采用迭代方法对电磁-热场进行了双向耦合仿真,然后将各故障类型下的电、磁和温度等物理量导入瞬态结构场,实现了绕组形变位移的仿真计算。结果表明,变压器内部的最大漏磁密对应故障为低压侧三相短路;绕组中部线饼服从整体磁密分布,其余部分线饼呈现一端大,另一端小的分布规律;绕组最高温度对应故障为低压侧三相短路,最高温度为97.36℃,位于A相低压绕组0°处;单次冲击下,位移最大对应故障为低压侧三相短路,其出现在高压绕组-20°~20°范围、高度1/3~2/3范围内;多次冲击后,绕组最大累积位移对应故障为低压侧两相接地,累积位移随冲击次数的增加而增加,直至趋于饱和。研究为变压器的多物理场耦合数值仿真提供参考。

基于多物理场耦合的双块式无砟轨道早期混凝土时变行为研究

针对无砟轨道道床混凝土早期开裂问题,基于多物理场耦合理论,提出一种适用于浇筑早期的双块式无砟轨道水化-热-湿-力耦合计算模型,利用既有试验验证模型合理性,获取无砟轨道道床早期各物理场的时空分布规律,进行开裂风险预测。结果表明,与试验结果对比,本文模型对早期混凝土各物理场的模拟较为合理,尤其对表面干燥下的湿度场、复杂应力场的计算具有较强的适用性;道床水化速率先迅速增大后逐渐减,至第7 d基本停滞,最大水化速率出现在浇筑后约7 h,不同深度的水化度发展一致;受水化热影响,浇筑后24 h道床温度呈升高趋势,后受环境影响程度增大,随环境温度呈日周期变化;道床相对湿度及含水量呈垂向梯度分布,支承层对道床底部的干燥作用较为明显,水化耗水是导致道床内含水量降低的主要因素;道床早期应力及开裂风险呈周期性变化,最大开裂风险达到1.0,位于轨枕与道床的结合面处,并预测了道床早期开裂的3种主要形式。

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。

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。

伺服比例阀多物理场耦合仿真研究

伺服比例阀是一个涉及多学科领域的复杂物理系统,建立包含机械、电、磁、流场等模块在内的多物理场耦合模型对其进行仿真研究。基于对伺服比例阀结构和工作原理的分析,搭建阀芯位移闭环控制电路及阀芯动力学模型,建立伺服比例电磁铁有限元瞬态仿真模型、液动力瞬态流场降阶模型,并将各模块耦合完成伺服比例阀多物理场模型,实现动态特性仿真。为验证伺服比例阀多物理场耦合模型的准确性,对采用相同的测试条件及控制电路的伺服阀阀芯位移控制系统进行试验,通过输入不同的指令信号得到阀芯位移的阶跃响应曲线及电磁铁电流曲线。经对比,阶跃响应测试中阀芯位移仿真结果与试验曲线相比最大误差不超过15%,不同阶跃指令下仿真得到的电磁铁电流与试验电流曲线变化趋势相同,验证了模型的准确性,为后续伺服比例阀的研发及优化提供有效平台。

考虑多场耦合作用的航空薄辐板齿轮热处理后辐板车削变形研究

薄辐板齿轮拥有质量轻、结构与受力相匹配等诸多优点,常应用于航空航天等重要场合。然而,薄辐板齿轮本身的刚度较小,工艺过程复杂且涉及应力场、温度场等多个物理场的耦合作用,难以对其进行精确变形及加工精度的控制与预测。以薄辐板齿轮件为研究对象,针对齿轮辐板的热处理及车削加工工艺过程,建立了零件的工艺参数与其应力场间的映射模型,并通过试验验证了该模型的正确性;基于该模型,分析了不同的工艺参数、工艺路线以及零件的装夹方式等对航空薄辐板齿轮辐板的热处理后车削加工变形的影响,明确并优化了导致零件产生变形的主要因素。