ABAQUS多物理场---热电耦合分析

        热电耦合分析是一种同时求解电势场和温度场之间耦合的方法，需要使用热电耦合单元。该方法可以考虑电流的热效应，包括热相互作用，如间隙辐射、间隙传导和表面之间的发热（参见热接触特性），以及空腔辐射效应和电相互作用，例如流过表面的电流。该方法可以是稳态的或瞬态的，可以是线性的或非线性的。

        当电流流经导体时，会产生焦耳热，Abaqus/Standard提供了一个完全耦合的热电耦合分析方法，即同时求解节点温度和电势的耦合热电方程。该方法包括电问题、热问题以及这两个问题之间的耦合分析。耦合来自两个来源：温度相关的材料属性和焦耳热。热分析部分可以包括热传导和热储存以及空腔辐射效应，但不能计算流体流经网格引起的强制对流。

01

—

热电耦合分析

        稳态分析提供稳态解，意味着忽略控制传热方程中的内能项（比热项）。在电气问题中，只考虑直流电，并假设系统具有可忽略的电容。（电瞬态效应非常迅速，可以忽略不计。）与结构场一样，稳态分析没有物理学意义上的时间，时间只能作为一个加载比例控制变量来使用。

        如果进行瞬态分析，可以指定一个终止计算程序的参数，在温度变化量小于设定值的时候中止计算。也可以采用增加计算时长的方法来获得稳态解。时间增量不能无限制的缩小，推荐∆t>ρc/6k∆l^2。其中，ρ表示密度，c表示比热容，k表示热传导率，∆l表示单元的特征长度。

        如果在二阶单元网格中使用小于该值的时间增量，则在解中可能出现伪振荡，特别是在温度快速变化的边界附近。这些振荡是非物理的，如果存在依赖于温度的材料特性，则可能会导致问题。在使用一阶单元的瞬态分析中，热容项被集中，这消除了这种振荡，但可能会导致小时间增量的局部不精确解。如果需要较小的时间增量，则应在温度快速变化的区域使用更精细的网格。

时间增量大小没有上限（积分过程无条件稳定），除非非线性导致收敛问题。

材料定义

        在热电耦合分析中，热学属性和电学属性都是需要定义的。如果省略了热属性，则进行非耦合电分析。该分析将忽略了所有力学行为材料模型（如弹性和塑性）。

传热部分：

• conductivity：必须定义热导率。

• heat specification：还必须为瞬态传热问题定义比热（参见比热）。

• latent heat：如果相变引起的内能变化很重要，则可以定义潜热（参见潜热）。

• thermal expansion热膨胀系数（热膨胀）在热电耦合分析中没有意义，因为没有考虑结构的变形。

• 可以指定内部发热（参见非耦合传热分析）

电部分：

• electric conductivity：必须定义电导率（参见电导率）。电导率可以是温度和用户定义的场变量的函数。

• joule heat fraction：还可以定义作为热量耗散的电能的分数。

耦合单元

        耦合热电分析中需要使用温度（自由度11）和电势（自由度9）都作为节点变量的单元。有限元模型还可以包括纯传热单元（从而为模型的该部分提供纯传热分析）和耦合的热电单元，其中没有给出其热特性（从而为该部分提供了纯导电解）。

        Abaqus/Standard提供一维、二维（平面和轴对称）和三维耦合热电单元。

相互作用与边界条件

相互作用：

• 参照纯热学分析（点击跳转）的相互作用章节，所有的热学相互作用均可以用于热电耦合分析，包括film condition 、surface radiation和cavity radiation等。

边界条件：

• 可以指定电势（自由度9）和温度（自由度11）的约束。

• 电势和温度均可以是时间的函数。

• 没有任何规定边界条件的边界对应于绝缘表面，绝热又绝电。

加载载荷：

• 热载荷和电载荷都可以应用于耦合的热电分析中。

预定义场：

• 可以在耦合热电分析中定义初始温度场；不允许其他预定义的温度场。即无法在initial载荷步之外定义或编辑预定义温度场。应该使用边界条件来指定温度。

• 可以在耦合热电分析中指定其他预定义的变量。这些值仅影响依赖于场变量的材料特性。