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。

多物理场下超薄吸波磨耗层微波加热性能研究

微波加热技术在沥青路面除冰中的应用得到了广泛的关注,然而目前多对沥青路面整体进行微波加热增强,从而导致路表加热效率提升缓慢。为了进一步提高沥青路面路表的微波加热性能,采用碳化硅(SiC)微波增强集料制备了一种超薄吸波磨耗层,通过微波加热以及除冰试验分析了超薄吸波磨耗层的微波加热性能以及加热耐久性,确定了超薄吸波磨耗层的最佳厚度。并采用COMSOL Multiphysics有限元软件建立了多物理场沥青混凝土微波加热模型,分析了超薄吸波磨耗层的设置对微波加热过程中电磁场的强度与分布以及温度场的影响。研究结果表明:在2.45 GHz频率的微波加热下,超薄吸波磨耗层具有良好的微波加热性能,10 mm厚的超薄吸波磨耗层的微波加热效率相比于普通沥青混合料以及整体微波增强的沥青混合料提高了4.47倍和1.40倍。SiC稳定的微波吸收性能保证了超薄吸波磨耗层具有良好的微波除冰耐久性,在经过反复的微波加热除冰后超薄吸波磨耗层的除冰时间仍然可以保持在45 s左右。数值仿真模拟结果表明超薄吸波磨耗层较强的微波吸收能力可以局部增强试件表层的电磁场强度,从而使更高的温度分布在试件表层。超薄吸波磨耗层内部的电场强度和磁场强度分别比普通沥青混合料试件提高了50.9%和15.7%。综上可知,超薄吸波磨耗层的设置可以提高沥青路面表面的微波加热性能。

基于多物理场耦合的大气环境下碳钢点蚀演化及速率预测模型

为揭示大气环境下碳钢点蚀演化规律,基于电化学腐蚀机理,耦合三次电流分布、物质传递和变形几何多物理场建立碳钢点蚀演化的数值模型。基于此,分析pH值、NaCl浓度和相对湿度(Relative humidity,RH)对点蚀速率的影响并建立点蚀速率预测模型。研究表明:点蚀形态由初始圆锥形向半球形转变,最后发展成圆柱状;pH值处于6.0~7.0范围内,碳钢点蚀速率出现明显下降,最大降幅为23.96%;NaCl浓度在0.5%~1%(质量分数)时,增加NaCl浓度对点蚀速率提升明显,最大增幅为10%;碳钢点蚀速率在RH为72%~77%内存在极值;点蚀速率预测值与试验值误差在5%以内。以上表明本工作建立的数值模型和预测公式可用于碳钢点蚀演化和速率预测。

流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热-力耦合或者流-热耦合的设计,且大多局限于简单结构,未考虑流-热-力三场共同作用下的设计,限制了结构性能的提升。针对流-热-力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战,提出了一种流-热-力耦合拓扑优化方法,以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程,对计算域的流固材料进行统一表征;然后以最小化平均温度为目标,以流动能量耗散和结构柔度为约束,建立了流-热-力耦合的拓扑优化模型,并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析;最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计,得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。

不同挤压工况下圆柱形锂离子电池的压缩响应研究

为了满足动力锂离子电池在机械滥用下安全运行的要求,利用实验和有限元模拟相结合的方法对不同挤压工况下锂离子电池的压缩响应特性和失效机理进行了研究。通过自行搭建的三维数字图像相关法监测平台,对18650圆柱形锂离子电池进行了挤压实验,给出了不同挤压工况(平面压缩、局部压痕和三点弯曲)下电池的力-电-热响应行为。基于COMSOL多物理场仿真软件建立了挤压载荷下圆柱形锂离子电池的多物理场耦合模型,具体讨论了加载方式对锂离子电池压缩响应的影响,并与实验结果进行了对比分析,二者吻合较好。研究结果表明,平面压痕和局部压缩工况下锂离子电池表现出一致的响应特性,承载力达到峰值后迅速下降;平面压缩工况下电池的峰值力大于局部压痕工况,随着荷电状态(SOC)的提高,电池的承载能力增强。本工作可为锂离子电池多功能设计和安全评估提供参考。

电工实验台热继电器故障频发的研究与分析

电工实验室核心过载保护装置热继电器的频繁损坏,严重影响实验的顺利进行。随着电工实验台模块的不断增加,电路结构复杂程度不断上升,实验中频繁使用热继电器会导致其损坏越来越多,进而使实验准备时间成倍增加,极大地影响了学生做实验的积极性。针对以上问题及实验教学的实际需要,采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,结合Siemens NX软件完成热继电器线圈在持续工作电流及短路电流下,电流、电磁及温度三场的耦合仿真,并通过与实际数据对比分析查找热继电器频繁损坏的根本原因。这为之后的建模仿真打下良好的基础,同时也为实验室继电保护模块的选型提供了依据。

水分对废纸张微波加热特性影响模拟研究

水分对微波加热过程有重要影响,采用COMSOL Multiphysics软件对不同水分下纸张的升温、温度分布、能耗等微波加热特性进行模拟研究。研究结果表明:纸张含水率5%时,其加热效果最佳,高含水率下纸张温度分布更加均匀。较高的微波功率可以减少能耗,微波功率从0.5 kW增加到2 kW,不同含水率纸张温升提高30%~32%。此外,纸张厚度和含水率对纸张的微波加热具有耦合作用:10%含水率时,纸张吸收热量随厚度增加。40%含水率时,厚度3 mm时吸热量最佳。纸张厚度越大温度分布越均匀。

CO_(2)激光作用玻璃管的热效应

激光对单一玻璃管进行热熔封接的过程中,加工质量与玻璃管内的温度分布有密不可分的联系。在考虑表面热辐射、材料内部热传导和空气热对流的情况下,使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对CO_(2)激光作用高硼硅酸盐玻璃管的温度场进行模拟仿真,分析了温度场分布随时间的变化规律,比较了激光功率、激光光斑半径和旋转速度对玻璃管温度分布的影响。仿真结果表明,激光功率越大,光斑半径越小,玻璃管旋转速度越低,玻璃管温度越高。根据仿真结果,选择合适的加工参数能够达到高硼硅酸盐玻璃管进行激光加工的工艺要求,此项研究为后续玻璃管激光热熔封接的工艺参数选择提供了重要理论依据。

考虑热效应的空化流动研究进展

高速航行体的多相水动力学过程,如水下发射与超空泡航行等,在通入高温气体形成空泡的过程中需考虑热效应对空泡动力学的影响.且火箭低温液态燃料供应及核反应堆高温管道输送等工程问题中发生的空化现象也具有显著的热效应.在以上流动中,热效应不仅仅会改变流体的物理性质,影响相间质量输运和热传递,还会引发复杂的动力学和热力学变化,因此考虑热效应的空化机理、能量的传递和输运规律以及流动不稳定性机理是亟需解决的关键科学问题.文章基于不同影响因素将考虑热效应的空化流动分为高温壁面空化、高温通气空泡、高温水空化以及低温热敏流体空化,并分别综述了4类情况下空泡演化特性和影响规律.此外,总结归纳了数值模拟考虑热效应的空化流动常用的空化模型和湍流模型,以及在实验研究中采用的各种多物理场测量技术,但相关数值仿真和实验技术还有待进一步发展完善.未来还需深入研究热效应对空化流动生成和稳定性的影响机制,全面了解和掌握热效应空化流动的特点和行为,为相关领域的工程设计和优化提供更加准确的数据支撑、分析工具和理论基础.

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.

COMSOL Multiphysics在锂离子电池中的应用

作为一种具有前景的能量存储系统,锂离子电池需要进一步提高能量密度、功率密度、可靠性和循环稳定性,以满足不断增长的大型能源存储、电动汽车和便携式电子设备需求。当前对锂离子电池的实验研究仍然面临多个挑战,这些挑战包括电解液的导电性和安全性、高能量负极的沉积-剥离机制的优化、高能量正极的循环电压和容量维持、高电流条件下的界面极化和容量释放,以及在极端电流-温度-针刺条件下的热失控管理等问题。这些问题涉及到电-化-力-热等多个场的耦合作用,需要进行协同优化处理。COMSOL Multiphysics提供了一种可行的工具,通过求解多物理场耦合的连续方程,能够同时考虑载流子浓度、电流密度、电-化学势、温度、应力/应变和几何形态等综合信息的演化。本文概述了该工具在锂离子电池的电解液、负极和正极设计等方面的研究,并聚焦于多场耦合对电池性能的综合影响、多场耦合模拟方法以及理论模拟与实验表征的结合。最后,本文对理论与实验联合研究中的多场和多尺度问题进行了展望。

基于多场耦合有限元的天福庙水库清淤过程污染物磷释放行为研究

天福庙水库处于黄柏河流域东支,是宜昌市嫘祖镇的水源地,受周边磷矿开采的影响,2015年以来水库水环境质量不断恶化,为此宜昌市政府对天福庙库区河道实施了生态环保清淤工程。实施过程中发现,清淤船作业时清淤设备吸头会对周边水体及底泥造成扰动,进而可能会对水库水体造成二次污染。为了探究清淤过程导致的底泥沉积物扰动情况,利用COMSOL Multiphysics中的层流和稀物质传递等模块建立水库底泥污染物磷释放模型,基于天福庙水库水质和清淤设备的属性数据,以及前人总结的经验值,模拟清淤扰动过程中不同清淤时间和不同水平扰动范围下底泥的扩散速度分布特征,以及水库底泥和孔隙水中的磷污染物的释放规律,并进一步通过实地模拟底泥扰动实验验证模型可靠性。模拟和实验结果表明:当清淤扰动时间不断增加,底泥及其所含的污染物会逐渐向水面扩散,扩散速度和污染物浓度会随时间的推移而不断增大;在同一清淤扰动时间下,再悬浮液和磷污染物的纵向扩散受水平扰动范围的影响明显,水平扰动范围越大,底泥向水面扩散越多,底泥磷污染物释放浓度越多,对水库水环境质量危害越大。释放初期,水体中污染物浓度增加较为剧烈,孔隙水中的磷污染物释放起主导作用;随后水体中污染物浓度增加速度变缓,后期再悬浮液逐渐混合均匀,垂线上的总磷浓度差距减小,底泥中污染物的释放达到平衡状态。研究发现模型能够对清淤扰动造成的水体总磷浓度变化进行合理预测,为湖泊型深水水库清淤工程实践的防范措施提供了科学依据。

板状燃料富集度对燃料性能的影响研究

核燃料的富集度对燃料性能有着重要的影响。为探究燃料富集度对U3Si2-Al板状燃料性能的影响,本研究基于BEEs-Plates/OpenMC/ZEBRA耦合程序,针对15%、20%和25%富集度的组件开展了中子物理-热工水力-燃料性能耦合计算,并分析了组件平均燃耗达125.71 GWd·tU^(-1)时的中子物理参数和燃料性能参数。计算结果表明,燃料组件富集度越高,其体积应变、蠕变应变和塑性应变越大。对中子物理参数的分析结果表明,25%富集度的组件功率密度比15%富集度的组件高出约18%,且富集度越高的组件最大燃耗也越大。对燃料性能参数的分析结果表明,25%富集度的组件塑性应变比15%富集度的组件最大高约40%,说明富集度越高的组件越容易发生失效。

纸膜双层缺陷检测的视觉成像光场设计

为实现包装盒纸质基底层和透明膜层缺陷的同步检测,开展了对纸和膜缺陷的同步成像研究。首先,分别建立了标准球面积分光场、椭球面积分光场和弧面积分光场模型,并利用COMSOL Multiphysics 5.6对3类光场进行射线仿真,对比分析了球面积分光场下射线角度均匀性及辐照均匀性,通过正交仿真优化椭球面积分光场参数;其次,在椭球面积分光场环境、亮场前打光环境、暗场前打光环境下对包装盒成像。与此同时,对包装盒的油污、抵触、开口、泡皱、破损5项常见缺陷依次进行物理检测和机器视觉检测,验证缺陷成像的有效性。试验结果表明,在椭球面积分光场下成像,图像对纸质基底层缺陷特征、透明膜层缺陷特征均有较好的呈现效果,图像上油污、抵触、开口、泡皱、破损的物理检出率分别为96.2%、92.5%、100%、95%、92%,异常检出率分别为98.6%、97.5%、100%、100%、98.4%,缺陷类别检出率分别为97.6%、96%、100%、97%、96%。研究结果表明,椭球面积分光场光路角度和辐照强度均匀,覆透明膜包装盒的缺陷特征呈现清晰,满足工业生产的检测要求。

多物理场下食品组分的交互响应及真实场景加工控制方法

食品加工环节的低碳转型升级,是实现食品产业“双碳”目标战略的核心动能。本文聚焦真实场景加工过程,重点探究多物理场下食品组分的能量吸收及结构响应,解析复杂食品体系中多组分互作机制。通过构建的多物理场耦合模型,结合人工智能决策方法设计,阐明热、力、声、电磁和压力场等场分布的时/空间累积规律,提出食品加工过程强化建议与单元替代策略,为提高装备可靠性、加工精准性及工艺流程的智能化控制提供理论依据。

SiC高温激活退火炉反应室的温场均匀性研究

SiC高温激活退火炉反应室的温度高、结构复杂,通工艺气体时易导致反应室内温度不均匀,影响产品质量。为获得高均匀温场的反应室,根据退火炉的设备数据建立反应室的物理模型;基于固体和流体传热、表面对表面辐射传热模型等,应用COMSOL Multiphysics6.0系统构建退火炉反应室仿真模型。通过改变工艺管、衬管结构,优化加热器距离、气体流量、隔热屏高度等参数来模拟退火炉反应室的温度分布情况。仿真结果表明:将工艺管和衬管设计为嵌套结构,加热器距离为9 mm、流量为25 L/min、隔热屏高度为178 mm时,最大温差由340℃降至±4℃,反应室内温场均匀性达到最优。

压电陶瓷可控机械密封多场耦合模型与调控性能分析

提出一种基于压电陶瓷的可控机械密封结构,基于有限元软件分析施加电压和压电陶瓷数量对密封静环端面的变形规律;考虑密封动静环与润滑液膜间的热力耦合作用,建立可控机械密封的流固热耦合模型,研究施加电压和压电陶瓷数量对密封调控性能的影响。结果表明:施加电压的压电陶瓷使静环端面产生了径向锥度和周向波度变形,变形量随电压的增大而增加;静环端面变形在增大液膜承载力的同时减小了端面接触力;压电陶瓷数量的增多减小了周向波度变形,增大了径向锥度变形,使静环端面变形趋于周向均匀化;增大压电陶瓷电压可实现密封端面润滑状态的转变,使密封端面摩擦温升降低,使泄漏率控制在允许范围之内。

变厚度铺层Nomex蜂窝夹层件固化变形的数值模拟

为准确预测变厚度铺层夹层结构的固化变形,基于热-化学-结构多物理场耦合方法对AS4/8551碳纤维/环氧树脂复合材料-Nomex蜂窝夹层结构的固化过程进行数值模拟。考虑材料时变特性的影响,结合复合材料瞬时线弹性本构模型、细观力学理论和改进的Gibson等效理论建立起夹层结构三维有限元仿真模型,研究了结构在整个固化周期中的固化度场、温度场和应力-应变场的分布关系,并同已有的实验结果进行对比验证,最后通过解析模型分析预固化工艺对结构回弹变形的影响规律。结果表明:建立的有限元模型能够比较准确地反映结构固化过程,固化变形的平均预测误差为4.8%,最大预测误差不超过6.0%;变厚度铺层设计对较薄区域面板的固化应力影响较大,表现为沿厚度方向的向上剪切应力,在冷却阶段集中于结构端部并转化为结构翘曲;面板预固化处理削弱了固化放热和材料各向异性对夹层结构固化变形的影响,0.25预固化程度下结构最大变形的降低幅度达到14.78%。研究结果为复杂设计蜂窝夹层件制造精度的提升和工艺优化提供了重要参考。

基于现场湿度和损伤密度的固化土基层疲劳性能仿真

为了有效分析固化土基层在现场湿度分布下的疲劳性能,构建了考虑现场湿度的固化土路面结构数值仿真计算框架。首先基于平衡基质吸力的求解和回弹模量的预估,实现了固化土路面结构内部由于应力依赖和湿敏性引起的材料非线性力学性能的表征;然后基于能量力学法和损伤力学理论构建了非饱和固化土基层疲劳性能仿真理论建模方法;最后利用Comsol Multiphysics软件分析程序中的PDE⁃FE方法实现了在湿度场和应力场耦合作用下的非饱和固化土基层疲劳性能仿真计算。结果表明,该数值仿真计算框架可以较好地实现固化土路面结构的疲劳仿真分析,能够考虑现场湿度分布的影响,从而得到固化土路面结构内部真实力学响应。

基于神经网络的双面散热功率模块本构热阻建模与表征

双面散热(double-sided cooling,DSC)功率模块的结-壳热阻,是其电热设计、状态监测与失效分析的关键性能指标。然而,现有的结-壳热阻模型及其测试标准,仅针对单通道传热的功率模块,难以匹配多通道传热的DSC功率模块,无法识别DSC功率模块的本构热阻信息。首先提出DSC功率模块的本构热阻模型,阐释DSC功率模块本构热阻的物理意义,分析重构单通道传热本构热阻的可行性和唯一性;其次,评估所提本构热阻与传统测试热阻的本质差异。基于商业化DSC功率模块,采用多物理场分析方法,构建DSC功率模块的热阻数据库;然后,基于神经网络学习方法和所构建的数据库,建立DSC功率模块的本构热阻模型,并通过大量训练数据和测试数据的交叉验证及多款DSC功率模块的实测结果,验证神经网络重构本构热阻的泛化能力和兼容能力,为多通道散热功率模块的热阻建模与表征,提供新的研究思路和技术途径。