汇流排COMSOL仿真过程

1、汇流排COMSOL仿真过程目的 通过COMSOL仿真，精确计算汇流排加热了多少。如果已掌握基本多物理场现象，即可以深入研究热膨胀屈服结构应力、汇流排应变和空气蒸汽的冷却影响。模型简要分析 焦耳热效应可由电流守恒定律和能量守恒定律两个方面来表现。在求解的过程中，这两个守恒定律分别产生电场和温度。除了螺栓接触面外，所有的表面都是通过在汇流排周围的空气中自然冷却的。我们可以假设暴露在空气中的螺栓并不会导致设备的冷却或加热。 在汇流排垂直侧右上角处螺栓表面的电势为20mV，水平侧两个螺栓表面的电势为0V。这相当于这种类型的汇流排的相当高且潜在的不安全的负载。结合AC/DC模块，电磁学分析能更有利的给出

2、边界条件，如能给出边界上的总电流。步骤：1.建立新模型 模型向导选择3D选择物理场（热传导电磁热焦耳热）选择求解器（稳态） （预制研究器里面包含了符合所选物理场的相关求解器和公式）2.设置全局定义 参数设定：汇流排水平面长度为L ; 钛合金螺栓半径rad_1 ; 汇流排厚度tbb ； 设备宽度wbb；网格控制参数mh ； 自然冷却传热系数htc ； 通过汇流排的电压值Vtot . 3.建立几何 第一步：画汇流排的轮廓 在组件1中选择工作平面1，选择XZ工作平面 设置坐标轴: x轴范围（-0.01,0.11），y轴范围（-0.01,0.11） 设置格子大小：x轴向0.005m ， y轴向0.00

3、5m （相当于每个小方格规格为5e-3 *5e-3） 点击更新按键，生成坐标系 在组件1中，右击几何按键，画出第一个长方形（长为L+2*tbb , 高为0.1 ）。长方形左下角定点位置（0,0）。选择创建选定按钮进行创建 在组件1中，右键几何按键，画出第二个长方形（长为L+tbb , 高为0.1-tbb）。长方形左下角定点位置（0,tbb）。选择创建选定按钮进行创建 （利用布尔差运算把第二个长方形从第一个长方形中分离出来 ) 在组件1中，右击面几何按钮选择布尔和分离按键后选择差集，在图形框中选中长方形r1 . 在图形框中选中长方形r12, 后选择创建选定按钮，就可以得到两者分离后的L型图形 在

4、组件1下，右击面几何选择圆角按钮，将节点3和节点6分别变成半径为tbb和2*tbb的圆角。 第二步：拉伸工作平面，创造三维汇流排几何体 右击工作平面1，选择拉伸按钮，输入距离为wbb，点击创建选定按钮进行创建。 （接下来通过拉伸两个平面中的两个圆来创建钛合金螺栓）右击几何1，选择工作平面2，在设定栏中选择面类型为面平行。 在图形框中点击平面8，将其加入设置里面的平面栏中。 点击显示工作平面按钮，将平面8单独显示出来，并将其放大，进行画圆，用来代替螺栓在汇流排中的位置。 在工作平面2中，右击面几何选择圆按钮，在设置窗口中将半径输入为rad_1 , 圆心位置设置为（0,0），选择创建选定按钮进行创

5、建。 右击工作平面2选择拉伸按钮，在设置窗口中输入拉伸距离为-2*tbb。点击创建选定按钮创建贯穿汇流排的圆柱状钛合金螺栓。 右击几何1选择工作平面3，在设定栏中选择面类型为面平行。在图形框中点击平面4，将其加入设置里面的平面栏中 。 点击显示工作平面按钮，将平面4单独显示出来，并将其放大，进行画圆. 在工作平面3中，右击面几何选择圆按钮,在设置窗口中输入半径为rad_1，输入圆心位置为（-L/2+1.5e-2 , -wbb/4）,创建。 （复制第二个圆作为第三个圆）在工作平面3中右击面几何选择复制按钮。在图形框中点击圆c1将其计入复制设定栏中的输入对象中，并设定位移为y方向距离wbb/2。点

6、击创建按钮创建。 右击工作平面3选择拉伸，在拉伸设置窗口输入距离为-2*tbb。点击全部构建进行构建。4.材料设置 将汇流排材料设置为铜，螺栓材料设置为钛合金。 右击组件1点击材料按钮，选择增加材料，加入铜材料。 加入材料钛合金。 因为铜材料是第一个选择的材料，所以汇流排所有表面都默认为是铜材料，接下来要将螺栓的材料设置为钛合金，而螺栓所在的这些面要覆盖住之前所做的设置。 点击钛合金按钮，选择所有除了域1之外的所有域，即可覆盖域2、3、4、5、6、7中设置的铜材料，从而将螺栓设置成钛合金材料。 5.物理场边界条件设置 这一步可以检查所设置的物理场，同时给热传递问题和电流问题设置边界条件。 接下

7、来我们开始设置热传递边界条件： 右击固体传热按钮选择热通量按钮，在设置窗口中选择所有边界。假设螺栓不受周围空气的冷却和传热影响，接下来我们将这些边界驱除开来。 除去边界8,15,43 。 输入传热系数为htc。 下面开始设置电流边界： 右击电流按钮，选择电势按钮。在设置窗口中选中域43，并将其电势设置为Vtot 接下来就是将汇流排水平面中剩余的两个螺栓表面接地。 右击电流按钮，选择接地按钮。在设置窗口中选中域8和15，将其接地。6.网格设置 点击网格按钮，在设置窗口中选择 用户控制网格类型。 点击尺寸按钮，在设置窗口中选择定制选项，设置最大单元尺寸为mh，最小单元尺寸为mh-mh/3，用来控制

8、网格的大小。设置曲率因子为0.2，曲率因子用来控制圆弧边界单元的数量曲率因子越小所设置的网格就越好。最大单元生长率决定了单元从最小尺寸变为最大尺寸的快慢，当它的值为1时，不发生变化。 点击全部构建按钮，创建网格。7.研究 右击研究按钮，选择计算。8.结果 通过计算得出三个图，分别为：电势多切片图，表面温度图，温度等值面图。 由表面温度图中可以看到，汇流排上温度分布是关于介于水平面两螺栓中间且贯穿垂直平面的螺栓的垂直镜面对称的。 电势多切片图如上第3个图，温度等值面图如上面第4个图。 接下来，我们来画汇流排上表面电流密度分布图： 右击结果按钮，选择三维绘图组4，点击三维绘图组4，选择表面1按钮。

9、在表面设置窗口中输入表达式ec.normJ（电流密度模），点击绘图按键进行绘图。 在表面设定窗口手动调节颜色范围。将最大值改为1e6。再次点击绘图按键进行绘图。 结果显示（1）电流在流经汇流排90度角处时会选择最短路径。（2）螺栓外侧的汇流排基本不用于传导电流。（3）螺栓接触表面周围电流密度最高。 热膨胀影响的仿真过程： 完成汇流排焦耳热的仿真后，我们知道汇流排的温度会有所升高。接下来我们讨论由于热膨胀而引起的结构力学问题。为解决这个问题，我们引入一个结构力学物理场。具体步骤如下： 1.建立结构力学物理场 打开之前所建立的汇流排COMSOL文件，将文件重命名并另存为重命名文件。 右击组件1，选

10、择增加物理场按钮，后加入固体力学，再关闭选项框。 下一步，增加热膨胀作用的影响到我们所研究的物理场中。 右击多物理场按钮，选择热膨胀，加入热膨胀物理场。在设置窗口中选择所有域。这会使得热膨胀可以同时发生在材料为铜的汇流排和材料为钛合金的螺栓上。热膨胀属性中包含热膨胀系数和应变参考温度两个属性。其中热膨胀系数取决于材料。应变参考温度默认为293.15K（室温），且标志着没有热膨时的温度值。 接下来我们设置约束条件。 右击固体力学按钮，选择固定约束。点图形框中旋转汇流排点击选择域8,15,43 将其加入到设置框中的选择区域栏中 现在我们在模型中加入焦耳热以及热膨胀作用的影响。 焦耳热的影响是独立于

11、汇流排的压力与应变而言的，它假设产生的形变很小，且忽略电接触压力的影响。这也就是说，你可以将温度作为输入进行结构分析来运行仿真软件。换句话说，这个扩展的多物理场具有低耦合性。基于以上说法，为解决此问题我们可以将其分为两步，一步用于解决焦耳热问题，第二步用于解决结构分析。 右击研究1 ，加入第二个稳态求解器（步骤2：稳态） 点击步骤1：稳态按钮，在设定窗口中将固体力学后面的对号改成错号。 点击步骤2：稳态按钮，在设定窗口中将电流和固体传热后面的对号改成错号 这也就意味着我们将模型设置为先求焦耳热，再进行固体力学分析。 右击研究1按钮，选择计算，即可以得到最后的计算结果。形成电势多切片图、温度表面

12、图、温度等直面图。 接下来我们增加一个位移图。 点击结果按钮，选择三维绘图组4，在三维绘图组中选择表面按钮。在设置窗口中的表达式栏中输入solid.disp（总位移），并且将单位改成mm。 这样由于热膨胀而产生的局部变形就在COMSOL的表面图中显示出来了。 接下来我们把这个变形情况加入到汇流排中去。 右击三维绘图组4下的表面1，选择变形按钮，后点击绘图即可产生变形后汇流排的图形。空气冷却影响的仿真过程： 在分析完汇流排上的热效应以及可能产生的热膨胀现象后，我们接下来我们可以探讨让空气流通过汇流排表面时让汇流排冷却的方法。这个模型不需要添加新的模块，但是需要引入之前对焦耳热的分析（不包括之前的

13、热膨胀分析）。 在焦耳热模型中加入流体流动可以形成一个新的多物理场耦合。为了模拟立体流动的流域，我们需要在汇流排周围创建一个空气盒。 我们首先引入几何体，然后设定一个新的参数。 在案例库中加入汇流排盒子模板，双击打开。 在全局定义中点击参数按钮，加入参数入口速度Vin,设定其值为1e-1m/s，描述为Inlet velocity。 接下来我们加入空气材料属性。 右击材料按钮，选择增加材料，在组件1中加入空气材料。在空气材料设置窗口中选择域1，将盒子的材料设置为空气属性。 右击层流按钮选择对称，在对称设置框中将域1、3、4、48加入选择域中。 为了更快得到结果，我们可以将网格设置得更轻，且让它变粗。现在几何体的网格设置需要很长时间才能得到结果，我们可以改善一下它。 点击网格下面的尺寸按钮，在设置窗口中将其设置为预定义（标准），点击全部构建，就可以得到相应的网格几何体。 我们可以假设流速非常快，可忽略掉流域里温度的影响。依据这种假设，我们先要求解流速问题，然后再利用求解出的流速问题的解来求解温度问题。 右击研究1按钮，加入步骤2：稳态2. 点击步骤1 ，在修改研究步骤的物理数和变量中选