行業新聞 2025-05-28
工業設備的服役環境往往較為復雜，如高溫、高壓、高電流、強磁等，涉及多個物理場。為保證設備各方面的性能，需要對這些物理問題進行分析，以驗證和改進設計方案。這些不同的物理問題有時還會產生顯著的相互影響，即多物理場耦合，對分析計算帶來挑戰。
PCB涉及多物理場耦合
Abaqus作為通用有限元分析軟件，除了傳統的結構分析以外，還支持傳熱、聲學、電磁、電化學、滲流、質量擴散和多物理場耦合分析，如熱-結構耦合、熱-電耦合、電-結構耦合（壓電效應）、熱-電-結構耦合等。
基于Abaqus的保險絲熱-電耦合模擬
其中熱-電-結構耦合涉及三個物理場，較為復雜。以下分別對熱-電-結構耦合分析的適用場景、相關概念、基于Abaqus的建模要點和應用案例做介紹。
熱-電-結構耦合分析的適用場景
熱-電-結構耦合分析是指同時對溫度場、電場、位移場求解。這三個物理場同時作用并且相互產生影響時（例如材料屬性依賴于溫度、存在壓阻效應、考慮非線性熱和焦耳熱，以及表面之間的導熱和導電依賴于接觸間隙或接觸壓力等情形），則有必要進行熱-電-結構耦合分析
熱-電-結構耦合的情形
熱-電-結構耦合分析在工業中有著很多應用場景，如動力電池熱失控、電氣設備性能、電子器件制造工藝、焊接工藝等。
熱-電-結構耦合分析的相關概念
熱-電-結構耦合有限元分析是以溫度場、電場和位移場的有限元分析為基礎，它們三者的對應關系如下所示。其中節點溫度、電勢和位移為自由度，能量守恒方程、電荷守恒方程和力的平衡方程為控制方程。另外它們還有各自的材料屬性、邊界條件和載荷等。
熱、電、結構分析對應關系
熱-電-結構耦合分析的建模要點
下面分別從分析步、單元類型、材料屬性、接觸屬性、邊界條件和載荷等方面介紹Abaqus熱-電-結構耦合分析的建模要點。
分析步
Abaqus支持穩態和瞬態的熱-電-結構耦合分析。其中，對結構分析忽略慣性效應（靜力分析），并且在瞬態分析時可以考慮蠕變及粘彈性行為；對電場分析忽略瞬態效應；對傳熱分析可以是穩態的或瞬態的。
在定義分析步時，可以指定穩態或瞬態分析、增量步控制、蠕變和粘性計算等。熱-電-結構耦合分析的Jacobian矩陣為非對稱矩陣，需要采用非對稱矩陣方式存儲和求解。
定義熱-電-結構耦合分析步
單元類型
Abaqus提供了熱-電-結構單元類型，這些單元的節點上包含溫度、電勢和位移自由度，單元編碼為Q3Dx和QAXx，可用于三維實體和軸對稱模型。
指定單元類型
材料屬性
材料屬性需要包含力學屬性、熱屬性和電屬性。在這些屬性中可以定義相互影響的行為，如溫度相關性、熱膨脹系數、非彈性熱、焦耳熱等。對于電屬性，可以定義電導率或電阻率，使用電阻率時還可以指定壓阻效應。
定義材料行為
接觸屬性
接觸屬性包括力學屬性、熱屬性和電屬性，熱屬性可以指定表面間導熱、輻射和摩擦生熱，電屬性可以指定表面間導電。這些屬性可以依賴于接觸間隙、接觸壓力和摩擦力。
定義接觸屬性
邊界條件和載荷
邊界條件用于約束溫度、電勢或位移自由度，其中溫度自由度編號為11，電勢自由度編號為9，位移自由度編號為1~3（三維模型）或1~2（軸對稱模型）。
載荷可以指定力、熱、電的作用，其中熱載荷可以是集中熱流、分布熱流、對流換熱和輻射，電載荷可以是集中電流和分布電流。
指定電流
熱-電-結構耦合分析的應用實例
下面通過幾個案例展示熱-電-結構耦合分析的應用。
電阻焊工藝仿真
電阻焊是指通過兩個電極同時對工件施加電流和壓力，利用電阻熱將工件局部加熱至熔化或塑性狀態，使其焊接在一起的成型方法。在焊接過程中涉及溫度相關材料屬性、焦耳熱、熱膨脹以及接觸面之間的導熱和導電等，需要通過熱-電-結構耦合方法進行分析。
基于Abaqus建立對應的有限元模型，包括分析步、材料屬性、接觸屬性、邊界條件和荷載等。計算后得到如下結果，左側為電極和工件上的電勢分布，右側為溫度分布。
基于Abaqus的電阻焊熱-電-結構耦合分析
在2014年SIMULIA全球年會上，一篇題為Numerical Simulation of Nugget Formation in Spot Welding的論文，詳細介紹了基于Abaqus進行電阻點焊的建模過程和不同工藝參數對結果的影響。歡迎點擊文章底部“閱讀原文”下載和參考這篇論文。
電池熱失控仿真
近期，國家標準《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB38031-2025）發布，又引發了人們對動力電池安全性的關注。電池在受到沖擊后容易引發短路進而熱失控甚至起火燃燒，這一過程涉及沖擊破壞和熱-電-結構耦合分析。
首先基于Abaqus/Explicit可以進行電芯沖擊仿真，模擬電芯變形和隔膜失效。
電芯沖擊變形
在基于Abaqus/Standard進行熱-電-結構耦合分析時，選取受沖擊的局部區域作為分析模型，以沖擊變形為輸入，考慮沖擊破壞導致的短路，模擬電場和溫度場。經過計算，電流密度和溫度分布如下所示，并將測點溫度隨時間變化與試驗進行對比，兩者吻合。
沖擊引起的電流密度分布
沖擊引起的溫度分布
測點處溫度隨時間變化與試驗對比
電氣探頭連接仿真
將兩個電氣探頭擠壓在一起并通電，并考慮接觸面之間的導熱、導電和摩擦生熱，分析由此導致的溫度和電場情況。Abaqus 2023 FD03版本新增了軸對稱熱-電-結構耦合單元 (QAXx)，這里分別建立探頭連接的軸對稱模型和三維實體模型。
探頭連接仿真模型
通過熱-電-結構耦合分析，可以得到探頭上的應力、電流密度和溫度分布結果。
工業中存在許多熱-電-結構耦合相關問題，分析時同時考慮三者的耦合效應，能夠更準確全面地評估產品性能和工藝質量。Abaqus支持各種耦合行為（材料屬性、接觸屬性等），為熱-電-結構耦合提供了完整的有限元分析能力，并有廣泛應用。
熱-電-結構耦合分析是在熱-結構耦合分析的基礎上增加了電場分析，更多內容可參考Abaqus幫助文檔中Fully Coupled Thermal-Electrical-Structural Analysis, Coupled Thermal-Electrical Analysis, Fully Coupled Thermal-Stress Analysis和其他相關部分。
通格創智是達索SOLIDWORKS大中華區核心經銷商和增值服務商，如需采購Abaqus，可來電聯系我們：400-112-8028
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