使用 Abaqus 进行多物理场仿真和分析
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Abaqus 提供了将不同物理场相互耦合仿真的可能性。除了使用静态或动态应力分析对组件进行纯结构机械考虑之外，还可以模拟热和电气现象。这可以通过适当的耦合过程或联合仿真来完成。这篇文章是关于在 Abaqus 中使用合适的程序构建热-电-机械多物理场仿真。多物理场耦合仿真的类型
一般来说，这些模拟分为三种类型。第一个是“非耦合分析”（见图1）。它可以使用映射策略或像单个传热分析一样进行模拟。在这种情况下，可以先执行单个热分析，然后可以将结果用作结构分析的输入。第二种是“顺序耦合分析”（见图1）。通过这种类型的耦合，可以进行热变形分析、热电分析或热电机械分析。在这种情况下，每个时间步的温度对下一个时间步的应力分析有影响。第三种是“完全耦合分析”（见图1）。该分析是温度和电压相互影响的模拟。 a）非耦合分析
b) 顺序耦合分析 
c) 完全耦合分析
图 1：三种不同类型的耦合仿真 [1]
Abaqus 中的热传递相关示例
热-电-机械仿真最重要的目标之一是计算电流引起的温度变化。
传热分三种方式：“传导”、“对流”和“辐射”。传导是通过分子相互作用在固体或静止液体中传递热能（见图 2）。对流是表面和移动的流体之间的热能传递（见图 2）。辐射是利用电磁波通过介质或真空传递热能（见图 2）。
a) 传导 
b) 对流 
c) 辐射 
图 2：三种传热类型
下面考虑简单的插头或扁平插头。这是经典插头插座连接的示例，请参见图 3。扁平插头的简单模型由两部分组成 - 插针和插头（参见图 4）。连接器上的红点表示连接器的温度测量点，用于计算最小步长。这将在下一节中更详细地解释。
图 3：插座和插头示意图
图 4：铲形连接器的简单模型
传热、力学和导电这三种物理现象在这个模型中汇集在一起。第一步是通过插入扁平连接器来查看机械结构，然后通电并检查插头的温升情况。
建立模型注意点：
1.材料的热、电、机械性能：
根据程序，定义材料属性。例如，必须为瞬态过程指定“密度”和“比热”。该模拟使用“密度”、“弹性行为”、“比热”、“热电导率”和“焦耳热分数”。比热容表示为了使温度升高一开尔文而必须添加到每单位质量的物质中的热量。这必须在非平稳分析中定义。焦耳热分数用于指示在热电耦合问题中以热量形式释放的耗散电能的分数。它是一个可选参数，默认值为 1。
在输入参数之前，应选择统一的单位制，如表1所示。我们选择单位系统“mm-t-s”进行分析。在我们的模型中，采用以下材料属性。
表 1：Abaqus/CAE 中选定的单位制
2、模型组网及流程：
定义材料属性后，应将组件装配。采用具有热、电和机械自由度 (Q3D8) 的线性单元。 考虑温度自由度的模型可以模拟为瞬态或稳态。在瞬态模拟中，计算温度变化的时间过程，而稳态模拟则代表在很长一段时间后发生的最终温度场。下面对这两种情况进行研究。每个模拟都包含两个“步骤”。第一个模拟插头的运动以及由此产生的机械应力。“静态一般”或“热电结构”可以用作该步骤的分析步。第二步计算热电效应。此步骤使用“热-电-结构”。 为该过程输入的参数之一是最小增量大小。对于瞬态热传导问题，重要的是时间增量不要变得太小，以避免不稳定。该时间增量取决于网格大小，并使用以下公式计算：
其中p是密度，c是比热，Δl是靠近最高温度表面的单元节点之间的距离（图5），k是热导率。
图5：靠近温度梯度最高的表面的单元节点之间的距离
3. 接触表面和向环境的传热：
相互作用定义包含机械接触，传热，及电接触。可以在表面或节点之间定义“一般接触”或“接触对”。在此模拟中，选择了表面接触对选项，使用无摩擦接触。接触面的特性如表3所示。| Tangential Behavior | Thermal Conductivity |
| Electrical Conductivity |
| Heat Generation |
|---|
| Conductivity | Release | Conductivity | Pressure |
|
| Frictionless | 10 | 0 | 0 | 0 | Standard |
| 0 | 0.5 | 10 | 53.326 |
|
| Conductivity | Separation | Conductivity | Pressure |
|
| 25 | 0 | 0 | 0 |
|
| 0 | 0.5 | 10 | 53.326 |
|
该模型的另一个相互作用是组件与环境对流换热。对于向环境的热传递，应选择所有外表面并定义合适的属性。属性列于表 4 中。
表4：对流换热定义
与环境的对流换热定义为“表面膜条件”。设置如图6所示。对于热-电-机械耦合阶跃，对于“热沉温度”，振幅应定义为“瞬时”（见图 7），因为零件的温度随着阶跃的变化而降低。
图 7：“热沉温度”的幅值曲线
为了使模型真实，初始温度应设置为环境温度。这是在“预定义场”下设置的，温度为 25°C（见图 8）。
图8：初始温度为环境温度
仿真结果分析
为了测试我们模型的有效性，首先检查通过组件横截面的电流。因此，必须选择“SOE”（通过该部分的总电流）作为“历史输出”。为了分析SOE，必须定义“综合输出部分”。如果辐射特性在模拟中发挥作用，则集成输出切片的任意表面应该不具有辐射特性。SOE 在 Abaqus/CAE 中不可用于耦合热电结构步骤，必须通过关键字编辑器请求，如下所示：*Output, history
*Integrated Output, section=I-section-name
SOE
对于应用中的插头，允许的连续电流负载为 141.4 安培，允许的短期负载为 282.7 安培。模拟是用两种不同的表面电流进行的。 SOE 的结果由连接器记录为图 9 中的图表，显示通过选定表面的电流量。如前所述，此选项可帮助用户比较模拟中的电流和实验中的电流。图9显示了四次模拟的结果；瞬态电流为 141.4 安培，瞬态电流为 282.7 安培，静止电流为 141.4 安培，静止电流为 282.7 安培。
图 9：两个模拟部分的 SOE 或总电流
图 10：该模拟在 141.4 安培时的节点温度结果
图 11：282.7 安培时该模拟的节点温度结果
该模拟在 141.4 安培时的最高温度约为 36°C，在 282.7 安培时的最高温度约为 67°C（图 10 和图 11）。四次模拟期间的温度变化如图 11 所示。这也解释了为什么短期负载允许使用 282.7 安培的电流。持续时间小于 20 秒，最高温度达到 35 °C；持续时间较长，温度升至 67 °C。
图 12：四次模拟的节点温度结果
总结
在 Abaqus 中，不同的物理场可以相互耦合。作为一个例子，本文着眼于热、电和机械耦合，对扁平连接器进行了耦合仿真。多物理场仿真显示插头在特定电流水平下的温度。这种插头允许的短期和连续负载分别为 282.7 安培和 141.4 安培。虽然在连续负载电流最高温度可达 36 °C，但两倍高的电流可能导致温度高达 67 °C。 然而，如果遵守 20 秒的短时负载，则此处的温度也保持在 36 °C 以下的范围内。为了进一步考虑，可以添加通风或冷却系统，实现高电流下的散热。
