智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研究方法.详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展.阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架.作为典型特例,针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性.建立了化学-力学耦合系统的有限元列式,得到了一维化学-力学耦合问题的解析解,并通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用.最后,展望了智能软材料多场耦合问题的未来研究重点和发展趋势.

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COMSOLMultiphysics的承台大体积混凝土热-化耦合研究

通过COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件,我们研究了水泥、粉煤灰掺量、浇筑温度、环境温度和养护措施对大体积混凝土早期开裂的影响,并以某机场站前高架承台为例,进行了深入的研究。经过模拟,我们发现,如果没有进行适当的温度控制,大体积混凝土承台的中心温度可能会升高到85℃以上,导致后期的钙矾石反应延迟,从而出现裂缝。采用60天龄期作为大体积混凝土强度等级评判龄期,将粉煤灰掺量增大到35%,可有效降低混凝土水化热,芯部最高温度可降低到70℃,满足温升不大于50℃的要求。采用保温养护7天,双层黑胶木模板,顶部采用棉被保温的方式,可有效降低大体积混凝土内外温差,满足里表温差不大于25℃,降温速率不大于2.0℃/d的指标要求。

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。

多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于Biot唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上,以化学-力学耦合理论为特例,利用相应的控制方程和本构关系,给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性.基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.

智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程。

考虑电-热耦合的高压电器箱三维电场仿真及优化

动车组车顶高压电器箱内集成了多种电气设备,各设备之间布局较为紧凑,可能造成电器箱内某些部件的表面电场严重畸变,进而导致击穿事故的发生。本文以国内某公司生产的高压电器箱为研究对象,利用COMSOL Multiphysics软件建立了高压电器箱三维电-热耦合模型,研究正常工况下考虑热场影响时电器箱内的电场分布规律。结果表明,考虑热场影响时,箱内场强最大值为32.64 kV/cm,最高温度为98.73℃,更符合实际运行情况。对于高压电器箱内电场畸变严重的设备进行绝缘优化,优化后电器箱内各设备场强均小于设定的起晕阈值。本文可为动车组车顶高压电器箱的工程设计提供参考。

基于IEC安全火花试验装置的电感分断放电电极热-电耦合的数值研究

研究基于IEC安全火花试验装置的电感分断弧前金属液态桥的形成是研究低压、小电流感性电路分断电子产生机制及电弧形成机理的关键。考虑镉盘电极微观表面形貌,基于流体动力学模型,建立了真空环境下钨丝-镉盘电极热-电耦合的几何与数学模型。数值模拟了极间金属液桥的形成过程,得出了液桥的温度分布、固-液相变过程和电压特性;探究了电路串联电感、初始电流及电极初始接触压力对金属液桥形成的影响。数值模拟计算结果表明,模型最高温度出现在接触区域中心,金属液桥形变受热膨胀力与马兰格尼效应共同作用;当接触区域温度均达到镉材料的沸点时,金属液桥完全断裂,此时电极两端电压与实验测量得到的最小建弧电压相符;电路电感大小对金属液桥形成基本无影响,而增大初始电流或减小电极初始接触压力会缩短电极熔化、金属液桥蒸发及完全断裂所需时间。这为进一步探究低压、小电流感性电路分断放电电弧形成及引燃机理提供了理论指导意义。

考虑碳交易与绿证交易的电-热耦合园区低碳规划

电-热耦合系统是综合能源系统的典型形式,对其进行合理规划是推动“双碳”目标下园区低碳转型的现实需求。结合碳交易及绿证交易机制,将园区参与碳排放权交易及绿色证书交易的成本引入优化目标,提出了计及分布式光伏接入的电-热耦合园区综合能源系统低碳规划模型。该模型综合考虑了电、热异质能流的耦合特性及分布式光伏、储能设备的运行特性。在P6H10系统上设立3个场景对所提模型进行仿真验证,结果表明在规划模型中考虑碳排放权交易机制和绿色证书交易机制可有效促进园区内分布式光伏和热电联产机组等低碳设备的规划,从而促进园区的低碳转型。在此基础上,对碳交易价格和绿证交易价格进行了灵敏度分析,表明制定合理的碳交易价格和绿证交易价格可有效降低园区总的成本。

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。

基于热-流-化耦合作用的单井增强地热系统性能分析

地热流体中的矿物溶解沉淀对地热资源开发具有重要影响。本文基于水-SiO_(2)反应速率控制方程,建立了单井增强地热系统(SEGS)热-流-化(THC)耦合数值模型,利用解析解验证了流动换热模型和溶质运移模型的准确性,模拟分析了储层温度、SiO_(2)浓度、反应速率和裂隙宽度之间的耦合关系。基于离散裂隙模型,分析了注入矿物浓度和注入流量对SEGS取热性能的影响。结果表明:①过饱和注入引起的矿物沉淀与欠饱和注入引起的矿物溶解均发生在远离注入段的一定距离处,裂隙宽度的改变呈带状分布,反应速率峰值随时间推移向外围移动;②由热-流(TH)与热-流-化(THC)耦合模型得出的注入压力和采出温度最大相差2.12MPa和4.66℃。欠饱和注入降低了注入压力,加快了采出温度的衰减,过饱和注入则与之相反;③注入流体中的SiO_(2)浓度每增加0.005mol/kg,30年平均注入压力增加0.5MPa,平均采出温度增加0.4℃。将注入流量从8kg/s提高至12kg/s,对于过饱和注入,系统运行30年后的注入压力提高7.2MPa,采出温度下降8.58℃;对于欠饱和注入,注入压力提高5.14MPa,采出温度下降10.43℃。

高速电主轴角接触球轴承热-力耦合特性研究

在高速电主轴转子系统中,角接触球轴承的工作特性受温升的影响显著,极易产生胶合。为了得到更加精确的角接触球轴承瞬态温度场,建立了考虑自旋的角接触球轴承生热及传热模型,并利用MATLAB软件得到了轴承的生热量,随后建立了轴承的三维参数化模型,并基于显示动力学理论在LS-DYNA平台上进行了热-力耦合有限元仿真分析,且对影响轴承瞬态温度场的主要因素进行了研究。研究结果表明:转速与温升呈非线性正相关;高转速下轴承温升对预紧力更加敏感;生热量随预紧力的增加逐渐增大,当施加的预紧力大于最小预紧力时,温升随预紧力增加而变大。研究可为高速电主轴轴承的设计和稳定性分析提供理论参考。

混凝土热-水-化-干湿应变多场耦合模型

为了准确研究水工混凝土在服役环境中因湿度变化引起的应变应力特性,从基本理论出发,建立修正的热-水-化-干湿应变(THCD)多场耦合模型.在已有模型的基础上,引入优化的化学亲和力函数和吸附等温线方程,实现对水化过程和湿度多阶段演变的准确模拟,进一步建立湿度和应变之间的关系,使模型可以对湿度变化引起的应变应力特性进行描述.基于模型对不同水灰质量比及养护条件下的自干燥、自收缩、单轴扩散干燥试验进行模拟验证,并进行干湿循环试验的数值模拟.结果表明,所提模型具有较好的适应性,可以准确模拟试验中湿度和应变的演变过程,在干湿循环试验中由湿度引起的应变应力特性符合一般规律.该模型可以为水工混凝土结构的安全评估和寿命预测提供支撑.

基于IGDT理论的电-热耦合系统低碳扩展规划

为贯彻落实碳达峰碳中和(简称“双碳”)目标,促进低碳产业发展,国家采取一系列碳减排政策推动能源系统低碳转型。构建了考虑碳减排收益的电-热耦合系统低碳扩展规划模型,同时考虑到系统中具有的大量源-荷不确定性,基于信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)构建鲁棒低碳规划模型与机会低碳规划模型。采用IEEE-13节点配网和32节点热网组成的能源系统测试算例对模型进行对比验证,分析了鲁棒模型的风险规避特点以及机会模型的寻求收益特点,验证了IGDT方法在不确定信息并不充足时仍然能够量化不确定性,且能根据规划决策者不同的风险偏好在预期的投资成本范围内求得相应的最优规划结果。同时,对比了碳减排收益对两种低碳规划模型的影响,分析了两种模型的不确定性与碳减排收益的关系。最后,分析了储能配置对低碳规划的影响。算例结果证明了储能配置可有效降低两类规划模型的投资成本,即储能投资对规划决策者的风险偏好选择不敏感。

考虑多约束条件下的电-氢-化耦合系统控制方法

在电-氢-化耦合系统中,电解水制氢装置在消纳风、光等可再生能源或参与电网平衡调控的同时,其变负载运行需满足多约束条件,以保证系统各环节安全稳定运行。针对电-氢-化耦合系统中各环节存在的耦合作用关系,详细介绍了系统核心环节——电解水制氢系统的模型,并提出一种考虑各环节多约束条件下的系统控制方法。对兆瓦级碱性电解槽的模型进行详细分析,包括电化学模型、热力学模型等,同时建立辅助设备压缩机、储氢罐的数学模型;综合考虑电解槽温度、电解槽压力、储氢罐压力、下游煤化工环节用氢等约束条件,提出电解水制氢系统的控制策略。基于MATLAB/Simulink搭建电-氢-化耦合系统的仿真模型,并通过RT-LAB半实物仿真平台,在不同的电网功率指令下,对电-氢-化耦合系统的运行特性进行深入研究,并对所提控制策略的控制效果进行验证。

高密度阳极铝电解槽电-热场耦合仿真研究

在铝电解槽中,阳极炭块内存在的气孔会降低炭块的导电和导热性能,并且增加炭渣,降低电流效率,导致炭耗和直流电耗升高。通过浸渍工艺得到的高密度阳极可以有效地降低炭块的气孔率。为了探究高密度阳极铝电解槽的电-热场变化和影响,基于ANSYS软件建立高密度阳极铝电解槽的电-热场耦合计算模型。研究结果表明:铝电解槽高密度阳极炭块的平均温度上升8.73℃,热应力增加,但形变量减小;侧部槽壳的平均温度下降28.59℃,热应力和形变量均降低,有利于保持槽膛内形稳定;热场变化主要与阳极炭块物性改变有关;槽电压降低49.16 mV,主要与炭块物性改变和电解质电阻率降低有关;高密度阳极电流全导通时间缩短3.39 h,可有效减弱换极产生的负面影响,阳极使用寿命可延长4 d,炭耗降低10.3 kg/t;铝电解槽反应能耗占比增加0.62%,电流效率提高1.69%,直流电耗降低270 kW·h/t。

增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明:经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m^(3);提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。

基于ECM的电芯电-热耦合建模与验证

电芯内阻不仅影响电池的电性能,而且影响电池工作过程中的温度。本工作通过恒流充放电搁置测试,建立二阶等效电路模型(ECM),辨识电芯在不同电流、温度和SOC下的电容、电阻参数,计算电芯电性能,同时给出Bernardi产热模型中的不可逆热,不可逆热结合可逆热计算电芯产热,通过STAR-CCM+将电-热模型耦合,模拟电芯在不同工况下的电响应与温度响应;由于HPPC存在脉冲时间短、内阻体现不完整等缺点,故本工作采取恒流充放电搁置测试获得RC参数,进行等效电路仿真,研究结果表明:将恒流充放电搁置测试得到的RC参数导入电-热耦合模型中,仿真结果对比实验偏差很小。