热-电直接耦合实例分析

热-电直接耦合实例分析

上海交通大学（单位）江丙云（姓名）分析目的：

电导产品的温升

分析类型：

热-电耦合

分析对象：

电子连接器产品

知识要点：

热传、电导材料

热-电场直接耦合

稳态和瞬态求解

1.1 热-电直接耦合稳态分析实例

本节以图1-1所示的电子产品的端子通电升温为例，采用稳态求解，详细讲解多物理场的热-电直接耦合。

1.1.1 问题描述

图1-1（a）所示为电子产品用于导通电流1A的两个端子：端子1（Terminal-1）和端子2（Terminal-2）；端子1&2材料为铍铜C7025-TM02，其热传导系数为0.19W/mm- ℃，电传导IACS%为45%，即电传导系数为26100/(ohm-mm)，

工程实际中，端子1的B处与端子2的C处受力接触，造成接触阻抗R C（Contact Resistance），而端子自身阻抗称为体阻抗R b（Body Resistance）；简化有限元模型，接触用Beam连接代替，接触阻抗通过赋予Beam对应的材料实现，稳态求解即可。

整个电路导通如图1-1（b）所示，电流从A点导进，经Beam连接，至D点流出。

（a）端子几何模型

（b）电路导通示意

图 1-1导通端子有限元模型

1.1.2 导入几何部件

●创建、保存模型

打开Abaqus/CAE，创建Model Database: With Standard/Explicit Model，应用File→Save as命令保存模型为9.3_T-E.cae。

●重命名模型

如图9-9所示，右击树目录的Model-1，重命名（Rename）Model-1为Model-1_T-E。

●导入几何部件

应用File→Import: Part命令，或右击树目录Parts→Import，导入光盘中本节几何文件：T-E.igs，其余，如图9-10默认选项即可。

图 1-2重命名Model-1 图 1-3导入几何

1.1.3 网格划分

切换到Mesh模块。对Part: T-E划分网格。

1、切分端子2

从默认颜色，可知端子2为棕色，即不能直接划分成Hex网格，需应用工具箱（Partition Cell：Define Cutting Plane）命令，在端子2的折弯部分如图9-11（a）切分。

2、定义种子

应用Seed→Part，或工具箱（Seed Part）命令，设置全局种子尺寸（Approximate global size）为0.10；应用Seed→Edges，或工具箱（Seed Edges）命令，选择端子厚度线，By number定义厚度单元数为4，如图9-11（b）。

（a）切分端子2 （b）定义厚度方向单元种子

图 1-4网格划分

3、网格划分

应用Mesh→Part或工具箱（Mesh Part）命令，单击提示Yes，完成网格划分。

4、定义单元类型

应用Mesh→Element Types或工具箱（Assign Element Types）命令，根据提示框选全部单元，定义类型为图9-12示意的8节点热电DC3D8E单元。

图 1-5定义单元类型

1.1.4 创建Beam单元

保持工作环境是Mesh模块。

1、创建Beam单元

应用Mesh→Edit或工具箱（Edit Mesh）命令，弹出图9-13（a）所示编辑网格对话框，选择Element: Create，根据提示，选择图9-8（a）示意的B、C两个节点，创建出图9-13（b）所示的Line 2单元，即Beam单元。

（a）Edit Mesh对话框（b）选择2节点，创建Beam

图 1-6创建Beam单元

2、定义Beam单元类型

应用Mesh→Element Types或工具箱（Assign Element Types）命令，根据提示

，选择Beam单元，定义其类型为2节点热电单元DC1D2E。

1.1.5 创建单元集

为方便后续指派材料属性，先创建单元集。

●创建Beam单元集Set-Beam

应用Tools→Set→Create命令，或从树目录右击Sets→Create，弹出Create set对话框，命名Set-Beam，类型Element，单击C ontinue…，根据提示，选择唯一的Beam单元。

●创建端子1单元集Set-Terminal1

同上，命名Set-Terminal1，根据提示，框选端子1全部单元。

●创建端子2单元集Set-Terminal2

先隐藏Set-Beam和Set-Termianl1。同上，命名Set-Terminal2，根据提示，框选端子2全部单元。

1.1.6 创建属性

切换到Property模块。在此例中，端子材料和Beam材料处理方式有较大区别。

1、创建端子材料C7025-TM02

应用Material→Create命令或单击工具箱（Create Material），弹出编辑材料对话框。

●命名：对话框中Name为Material-C7025。

●热传导系数：对话框中应用Thermal→Conductivity，定义热传导系数

0.19W/mm- C。

●电传导系数：对话框中应用Electrical/Magnetic→Electrical Conductivity，定义

电传导系数为26100/(ohm-mm)。

●电-热转换系数：对话框中应用Thermal→Joule Heat Fraction，默认设置1。