[發明專利]電磁器件分析中電磁-熱-應力三場去耦合計算方法

有效

• 申請號: 201611193245.6
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106650093B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 沈昱舟;周天益;王瑞;吳明光;崔萬照;皇甫江濤;冉立新
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種電磁器件分析中電磁?熱?應力三場耦合的去耦合計算方法。根據電磁波傳播原理與阻抗邊界條件建立電磁波在金屬微波器件內壁的微波電磁損耗模型，通過微波電磁損耗模型將電磁場和力場之間去耦合，平面波入射到金屬微波器件時在內部形成電磁場分布會產生熱量，先計算獲得金屬內壁產生的熱損耗分布，根據熱損耗分布進行求解得到溫度場分布，根據溫度場分布計算獲得熱應變分布，獲得去耦合計算結果。本發明依據電磁波傳播原理將電磁?熱?應力三場耦合計算簡化為電磁?熱，熱?應力兩次兩場計算，大大降低了計算復雜度，工程分析中適用性強。

技術領域

本發明涉及了一種金屬微波器件分析計算方法，尤其是涉及了一種電磁器件分析中電磁-熱-應力三場耦合的去耦合計算方法。

背景技術

所謂多物理場耦合，指在一個系統中，多個物理場交織在一起，互相影響，互相作用而彼此影響的物理現象，這種現象在客觀世界和工程實際中廣泛存在，只要多個物理場存在且各物理場之間發生了能量交換，必然隨之會產生多物理場耦合系統。各種物理場現象都可以用偏微分方程來描述，如熱、電、力。多物理場的本質是偏微分方程組。

金屬微波器件是非常典型的、具有強烈耦合度的多物理場環境，包括電磁場、溫度場、力場的相互耦合。由于很多因素同時起作用，必須給出一種可以同時處理這些因素作用的多物理場聯合分析方法。

描述金屬微波器件涉及電磁、熱、力多種物理現象的組合，而這些現象都基于特定的物理規律，這些物理規律可借助于偏微分方程得到精確描述和分析。故解決多物理場耦合的基礎是建立它們的數學模型，這需要充分了解各物理場的基本理論，列出其數學模型(偏微分方程組)，多物理場分析意味著求解多維度的偏微分方程組。系統性地討論它們之間的場耦合關系，得到偏微分方程體系，建立電-熱-應力約束條件下的典型空間金屬微波器件模型。

發明內容

為了簡化電磁-熱-應力三場耦合計算的復雜度，本發明的目的在于提供了一種電磁器件分析中電磁-熱-應力三場耦合的去耦合計算方法。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是如圖1所示：根據電磁波傳播原理與阻抗邊界條件建立電磁波在金屬微波器件內壁的微波電磁損耗模型，通過微波電磁損耗模型將電磁場和力場之間去耦合，使得電磁場通過溫度場間接與力場耦合，進而對力場分布計算。

電磁-熱-力場之間存在著耦合作用，從原理上來說，由于電磁損耗，微波器件中大功率微波的傳播會在微波器件內部產生熱損耗Q(包括電阻性損耗Q_rh與磁性損耗Q_ml)。電阻性損耗可用介質的損耗角正切tanδ或介電常數的虛部ε來表示，與材料的電阻率有關，電阻率越大，阻性損耗越小。磁性損耗主要存在于磁性材料中，與復磁導率的虛部μ成正比。電磁損耗熱效應產生的熱成為溫度場的場源，求解熱傳遞方程可確定溫度場的分布。而溫度場對結構的作用表現為溫度差導致物體的膨脹或縮小，從而產生熱應變ε_inel。作為力場的場源，通過求解線彈性力學方程組可得到應變、位移與應力的分布。現有技術中，電磁場、溫度場和力場三個物理場通過彼此提供物理場場源的方式進行耦合。而本發明使得電磁場和力場之間去耦合，電磁場的電場和磁場與溫度場耦合，溫度場與力場耦合，電場和磁場分別與力場之間不耦合。

所述的平面波入射到金屬微波器件，在金屬微波器件的內部形成電磁場分布并產生熱量，先計算獲得金屬內壁產生的熱損耗分布，熱損耗包括電阻性損耗和磁性損耗，將熱損耗分布作為熱源以賦值到熱應力場的方式進行求解得到溫度場分布，根據溫度場分布計算獲得熱應變分布，獲得去耦合計算結果。

本發明將三個物理場分為兩個步驟電磁-熱、熱-應力進行分步計算，具體是在所述平面波入射到金屬微波器件采用以下方式計算獲得去耦合計算結果：

第一，先通過電場形式下具有附加邊界條件的波動方程獲得金屬微波器件內的電場分布，接著利用麥克斯韋方程組以及金屬微波器件與其外部環境內在的本構關系計算出電位移、磁感應強度、磁場強度和自由電流密度物理量，從而獲得電磁場分布情況；