如何使用 3DEXPERIENCE SIMULIA 开展热电‑应力耦合分析

热电‑应力耦合分析用于评估热载荷与电载荷相互作用，对零部件或系统力学行为带来的影响。

该分析在电子、汽车、航空航天以及能源领域十分重要，这些行业内的零部件会同时承受电流作用与温度变化。智诚科技ICT提供的 3DEXPERIENCE WORKS SIMULIA 仿真方案，能够帮助仿真分析师与团队在制作原型之前，评估热电耦合效应对设计系统造成的影响。

什么是热电‑应力耦合

热电‑应力耦合现象会在大电流工况下产生，点焊就是典型场景。热载荷与电载荷会改变零部件的材料属性，并产生应力，进而引发变形与疲劳问题。

3DEXPERIENCE【结构力学工程师】角色提供的分析工具，可以捕捉温度、电势以及应力分布三者之间的相互影响。

• 温度自由度与电自由度之间的耦合关系，来源于随温度变化的电导率以及内热源生热。

• 温度自由度与应力自由度之间的耦合关系，来源于随温度变化的材料属性、热膨胀以及内热源生热。

• 电自由度与应力自由度之间的耦合关系，出现在电流在接触表面之间传导的问题当中。

该类分析可以求解稳态响应或者瞬态响应，但会忽略惯性效应。在瞬态分析中，时间增量步控制热电‑应力耦合分析的求解推进过程。

如何使用 3DEXPERIENCE SIMULIA 开展热电分析

本文以一盏灯具模型作为算例进行说明：在入口位置施加电势，电流流动产生焦耳热效应，由此形成沿截面积与材料属性分布的非均匀热流；再通过结构仿真评估该热量引发的热应力。

使用【结构力学工程师】角色搭建热电‑应力耦合分析流程：

1、新建【通用】类型仿真。

2、在【工况】选项卡中，选择【热电‑应力耦合分析】选项。

启动热电‑应力耦合分析

3、选择材料，材料定义信息需要包含导热系数、比热容、热膨胀系数、电导率以及焦耳热系数。

在 3DEXPERIENCE SIMULIA 中定义新材料

4、在模型底部施加电势，使电流流经灯具内部的筒壁，传导至顶面。

为模型施加电势

5、设置两组不同的膜系数来定义对流换热系数。第一组用于灯具暴露在空气中的外表面，第二组用于灯具内部筒壁。

定义膜系数

6、为所有零部件设置初始温度。

7、采用合适网格精度的线性四面体单元对模型划分网格。

完成网格划分后的模型

8、在底部施加固定约束，为结构仿真限制全部自由度。

9、定义输出请求项：电流密度、电压分布与热流密度。

10、提交仿真求解，查看零部件在焦耳热产生的热载荷作用下发生的结构变形。

借助【结构力学工程师】角色，产品设计师与工程师可以提升产品可靠性、降低原型试制成本，在多学科仿真（MODSIM）领域加快创新迭代。

查看算例结果

3DEXPERIENCE 平台上的【力学场景创建】应用，支持用户高精度完成复杂的热电‑应力耦合分析，并提供高效的仿真结果展示方式。

热流密度云图用于展示模型内部热量传递的方向与大小，帮助工程师定位热集中区域、评估散热性能。

热流密度矢量云图

电流密度云图展示电流在零部件内部的流动路径，便于识别容易引发过热或者性能异常的大电流区域。

电流密度云图

电压分布云图展示模型上的电势分布，方便工程师验证导电性能，查找设计当中的电压降位置。

灯具与内部筒壁的电压分布云图

热应力云图展示由温度变化与电载荷共同产生的应力，帮助工程师预判容易发生变形或者失效的区域。

电流载荷生成的热应力云图

变形与位移云图展示结构在热电共同作用下的响应，用于验证尺寸稳定性以及整体设计完整性。

灯具变形结果云图

各类云图可以指导设计工程师输出更安全的设计方案，规避原型试制阶段可能出现的问题。

运用 3DEXPERIENCE SIMULIA

3DEXPERIENCE SIMULIA 是工程师用于设计验证与优化、节约时间和成本的高效工具。产品包内包含多个角色，提供有限元分析（FEA）、计算流体仿真（CFD）、电磁仿真等各类求解能力，支撑持续设计工作。

我们智诚科技ICT 团队拥有近 30 年行业经验，可为您提供全方位支持，助力达成项目目标。仿真专家随时解答您遇到的各类问题。