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。

2、创建Beam材料Beam的电传导系数要根据其长度，通过计算后获得。

计算过程如图9-4。

由Ke=1/ρ和R=ρL/A得Ke=LRA（9-10）式（9-10）中：Ke为电传导系数；ρ为电阻率；L为Beam长度；R为阻抗（电阻）；A为Beam截面积。

图 1-7Beam电传导系数计算根据工程经验，接触阻抗R为4mΩ，即0.004Ω；应用Tools→Query: Distance测出Beam 长度L为0.145mm；再假设Beam截面积A为0.04mm2，应用式（9-10）则计算出Beam的电传导系数为Ke=LRA =0.1450.004∙0.04=906.25/(ohm−mm)。

应用Material→Create，弹出编辑材料对话框。

●命名：Name为Material-Beam。

●热传导系数：应用Thermal→Conductivity，定义热传导系数也为0.19W/mm- C。

●电传导系数：应用Electrical/Magnetic→Electrical Conductivity，定义电传导系数为906.25/(ohm-mm)。

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

3、创建截面属性应用Section→Create，或单击（Create Section），弹出Create Section对话框。

●创建端子截面属性在Create Section对话框，命名为Section-C7025，选项Solid: Homogeneous；单击C ontinue…，在Edit Section对话框中，选择材料Material-C7025；单击OK。

●创建Beam截面属性在Create Section对话框，如图9-15（a），命名为Section-Beam，选项Beam: Truss；单击C ontinue…，在Edit Section对话框中，选择材料Material-Beam，设置截面积（Cross-sectional area）为0.04mm2，如图9-15（b）所示。

4、指派截面属性应用Assign →Section，或单击（Assign Section）命令。

●指派端子1的截面属性根据提示，点开S ets…；如图9-16（a）所示，选择Set-Terminal1，单击C ontinue…；弹出Edit Section Assignment 对话框，选择Section 为Section-C7025，单击OK 。

（a ）创建截面对话框（b ）编辑截面对话框图 1-8 创建Beam 截面属性● 指派端子2截面属性同上，选择图9-16（a ）中的Set-Terminal2，单击C ontinue…，选择Section-C7025。

● 指派Beam 截面属性同上，选择图9-16（a ）中的Set-Beam ，单击C ontinue…，选择Section-Beam 。

应用Section →Assignment Manager 或单击工具箱（Section Assignment Manager ），查看完成的截面指派，如图9-16（b ）所示。

图 1-9 指派截面属性1.1.7 创建装配切换到Assembly 模块。

应用Instance →Create ，或单击工具箱（Create Instance ），默认Parts 选择T-E ，单击OK 完成创建实例。

1.1.8 创建分析步切换到Step 模块。

（a ）选择指派区域对话框（b ）指派属性管理应用Step→Create，或单击工具箱（Create Step），弹出Create Step对话框；选择Procedure Type为General: Couple thermal-electric，单击C ontinue…；Edit Step对话框如图9-17所示，在Basic选项卡设置响应（Response）为稳态（Steady-state），在Incrementation 选项卡，定义初始增量和最大增量均为0.1，其余默认，单击OK。

图 1-10编辑热-电分析步本例中，接触使用Beam单元代替，无需定义Interaction。

1.1.9 创建边界和载荷切换到Load模块。

1、创建电流输入、输出的节点集应用Tools→Set: Create，弹出Create Set对话框。

●创建电流输入节点集Set-Current-In在Create Set对话框，命名为Set-Current-In，选择Type为Node，单击C ontinue…；根据提示，选择图9-8（a）示意的A处节点，创建图9-18（a）所示的70个节点的节点集。

（a）电流输入节点集Set-Current-In （b）电流输出节点集Set-Current-out图 1-11创建节点集●创建电流输入节点集Set-Current-Out在Create Set对话框，命名为Set-Current-Out，选择Type为Node，单击C ontinue…；根据提示，选择图9-8（a）示意的D处节点，创建图9-18（b）所示的27个节点的节点集。

图 1-12查询节点数2、创建电流载荷应用Load→Create或单击工具箱（Create Load），弹出图9-20（a）所示创建载荷对话框，命名为Load-Current，加载类型为集中电流（Concentrated current），单击C ontinue…；点击提示区S et…；在弹出的Region Selection对话框中选择节点集Set-Current-In，单击C ontinue…；在弹出的编辑载荷对话框中，定义加载集中电流值（Magnitude）为1/70.，也就是每节点输入电流0.0142857A，共70个节点，即输入总电流1A；单击OK，完成定义。