COMSOL 中两种不同附着材料的热膨胀系数不匹配导致的应力

计算科学 有限元 康索尔
2021-12-19 12:17:11

我正在模拟被二氧化硅包围的铜线的热机电行为。换句话说,线段承受机械和热负荷,同时电流在其中流动。

为了准确地进行模拟,我认为我应该考虑由于铜和氧化物之间的热膨胀系数不匹配而导致的初始应力。我正在使用 COMSOL 进行模拟。COMSOL 为我提供的选项是“体载荷”和“边界载荷”。谁能告诉我应该选择哪一个?哪一个是更现实的假设。谢谢。

1个回答

热应力是在两种主要情况下出现的自应力

  1. 如果在两种具有不同热膨胀的材料之间的界面处施加位移连续性,并受到均匀的温度变化;
  2. 如果均质材料受到不均匀的温度变化。

(这里的uniform是指相对于空间的常数,即没有梯度。)

作为自应力(平衡到消失的外部体力),您不能将它们建模为外部载荷。

如果您执行热机械模拟,即求解温度场和应力场,则会正确考虑热效应。当然,应力-应变关系的写法应该考虑到热膨胀引起的非弹性应变。

几点意见。

  1. 非常注意机械边界条件:众所周知,在受到机械约束的热载荷结构中可能会产生巨大的应力。所以问问你自己,建模的边界条件是否准确地表示了你的物理原型。
  2. 热机械模拟可以解耦(首先求解温度和应力)或耦合(同时求解温度和应力)。由于您还需要对电气行为进行建模,因此请准确分析三个场方程的耦合方式。

编辑

只要对热膨胀进行正确建模,使用 FEM 热应力就可以很容易地融入模型中。(每本关于固体力学和有限元分析的教科书都应该为您提供详细信息。)

的情况下N不同的材料,每个都有自己的领域Ωi,Ωi=1NΩi, 简单地通过在材料界面上具有连续位移和温度来处理(对于在Ω) 和不连续的热膨胀和弹性常数(同样可以通过分配给每个子域的元素来简单地获得Ωi相应的材料属性)。这将导致整体正确的(不连续的)热应力场Ω.

不需要额外的或临时的假设。