叶轮机械中的多场耦合分析技术

介绍了在叶轮机械设计中使用多物理场耦合进行设计分析的发展状况,对叶轮机械中的多场耦合进行分类,阐述了应用多场耦合进行设计分析的必要性。     

基于Monte Carlo的聚焦型X射线脉冲星望远镜多物理场耦合分析方法

聚焦型X射线脉冲星望远镜(XPT)是涉及光学、机械学、热学等多学科的复杂航天载荷,多物理场耦合分析对提高其在轨性能和可靠性至关重要。传统的光机热多场耦合分析(MCA)方法并不能考虑X射线能量及其反射率信息,而且存在学科间数据传递困难的问题。为此,首先基于Monte Carlo和X射线全反射理论提出了一种高效的多物理场耦合分析方法。该方法同时考虑X射线能量和反射率两大特征信息,基于有限元分析(FEA)法建立了XPT热-结构物理场耦合方程和有限元分析模型,针对不同工况进行热分析、结构分析以及热-结构物理场耦合分析。其次,采用Construction Geometry函数分别提取不同工况下光学镜头面形的形变量,并基于多项式函数对变形后的镜头面形进行拟合和误差分析。然后,基于所提方法对变形后的光学系统聚焦性能进行分析与评价,得到镜头形变对XPT光学聚焦性能的影响规律。最后,以多层嵌套的XPT为例,对不同视场角和形变的X射线光学系统聚焦性能进行了仿真分析。结果表明,在全视场时热-结构耦合形变、热形变及结构形变导致XPT聚焦性能分别下降30.01%,14.35%和7.85%,弥散斑均方根依次为2.9143 mm,2.6038 mm,2.5311 mm。通过与试验结果对比分析,验证了所提方法的有效性,可用于XPT的可靠性设计。     

电动汽车牵引用水冷异步电机耦合场分析

基于Ansys多物理场仿真分析平台,对1台车用异步电机进行多物理场耦合分析。仿真电机连续运行在额定工况和峰值工况下的温升和热应力,对电机各部分温度场分布进行深入分析,预测电机峰值工况的最长允许时间。通过热-结构的有限元仿真分析电机内部结构的热应力分布,深入分析转子导条端部与端环焊接位置和机壳与铁心过盈配合面的热应力,校核转子导条端部是否存在开焊的风险,并通过热仿真和应力分析计算机壳与铁心在最高温升工况下不发生滑移或涨开的过盈配合量取值。     

高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响;研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响;针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 kW、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

热固性树脂炭化过程中的耦合控制方程建立

树脂炭化是一个复杂的物理化学变化过程,包括传热传质、应力应变、热分解等耦合过程。基于物理守恒原理,理论推导出了瞬态的热-流-固耦合方程组,包括树脂变形方程、热解气体渗流方程和能量守恒方程,分析了各物理场之间的相互耦合作用,并对后续研究提出建议。     

倾斜结构热电元件的多物理场耦合研究

为了提高热电元件的工作性能,在材料用量不变的前提下,提出了新型倾斜结构的热电元件。以常规的垂直型热电元件为参考,采用数值模拟的方法,通过控制热端温度、电流和冷热端温差等参量,对倾斜结构热电元件进行了多物理场耦合研究,重点讨论了倾斜角度对元件制冷性能的影响。结果表明:倾斜角度越大,热电元件冷端温度越低;在小功率条件下,制冷量和制冷系数随倾斜角度的增大而增大;最佳倾角范围是15°~30°;倾斜结构存在场强突变现象;倾斜结构更适用于微小型低功耗热电制冷设备。     

螺旋孔电解加工多物理场耦合机理研究

基于建立的三维多相流模型及间接耦合多物理模型(热电耦合和热流耦合),以螺旋孔电解加工为研究对象,对电解加工间隙中的电场、流场、温度场进行分析,掌握间隙参数变化规律,包括间隙电解液的流速与温度、间隙氢气气泡率分布、材料表面电流密度分布等。进而对影响材料去除的主要因素——电导率进行研究,确定了电导率在整个加工间隙内的变化规律及其对材料去除的影响,并提出了增加电解液出口背压以改善工件材料去除的一致性。最后,在搭建的实验平台上进行螺旋孔电解加工实验,验证了所提方法的正确性。