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為了驗證上節(jié)設(shè)計的多孔陶瓷電容器有限元仿真模型的有效性和可靠性,本節(jié)使用ABAQUS軟件建立了多孔陶瓷電容器的數(shù)值仿真模型,并對利用溫度和散熱邊界條件對其最大應(yīng)力進行了數(shù)值仿真模擬。
1.1多孔陶瓷電容器仿真模型
ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件,其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS/CAE是ABAQUS進行操作的完整環(huán)境,在這個環(huán)境中,可提供簡明,一致的界面來生成計算模型,可交互式地提交和監(jiān)控ABAQUS作業(yè),并可評估計算結(jié)果.本文建立的多孔陶瓷電容器的ABAQUS軟件仿真模型,在模型中施加了溫度邊界條件,并設(shè)置了材料參數(shù),為了分析更能真實的反映器件的結(jié)構(gòu),在模型中使用了粘聚力單元。
1.2失效特性計算結(jié)果
通過數(shù)值仿真模擬計算得到了應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果云圖,通過對最大應(yīng)力的分析可以實現(xiàn)電容器失效特性的仿真設(shè)計。表示通過ABAQUS有限元仿真模擬計算得到的應(yīng)力變形圖,由圖可以看出,在熱源作用下,在電容器的應(yīng)力集中位置產(chǎn)生了明顯的變形,為了直觀顯示最大應(yīng)力,本文通過仿真計算得到了的應(yīng)力云圖。表示在電容器發(fā)熱過程中的應(yīng)力分布圖,圖中區(qū)域1(紅色部分)表示應(yīng)力最大位置,從區(qū)域1(紅色)到區(qū)域5(藍色)應(yīng)力逐漸降低,由圖可以看出,在電容器發(fā)熱的位置應(yīng)力比較大,但是還沒有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。隨著電容器的持續(xù)發(fā)熱,電容器變形逐漸增大,此時最大應(yīng)力也逐漸增大,最終導(dǎo)致電容器撕裂。其撕開過程是由電極端部單元達到其強度而發(fā)生撕裂,并迅速擴展,直至整個路徑完全撕開而使器件失效。表示開裂距離和最大應(yīng)力的計算結(jié)果表,由表可以看出,在開裂距離為112μm時,最大應(yīng)力出現(xiàn)了比較大的變化,當(dāng)最大應(yīng)力達到305.3MPa時開始急劇下降,其變換趨勢圖如圖所示。表示開裂距離和最大應(yīng)力的變化趨勢,由圖可以看出,在初始開裂距離為112μm之前應(yīng)力沒有發(fā)生變化,112μm之后應(yīng)力發(fā)生了明顯的變化,應(yīng)力逐漸增大后又急劇降低,說明電容器發(fā)生了失效破壞。因此,在多孔陶瓷電容器的設(shè)計過程中需要充分考慮溫度對電容器的影響,可以依據(jù)最大開裂距離來對電容器進行保護,避免電容器失效。
2結(jié)論
本文將數(shù)值仿真模擬方法引入到了電容器散熱失效的仿真計算過程中,提出了一種新的電容器失效特性設(shè)計方案。依據(jù)有限元思想本文建立了二維多孔陶瓷電容器應(yīng)力和傳熱數(shù)學(xué)模型,并將ABAQUS軟件引入到了多孔陶瓷電容器的失效仿真計算過程中,通過計算得到了多孔陶瓷電容器的最大應(yīng)力和應(yīng)變的分布云圖。為了得到多孔陶瓷電容器的臨界應(yīng)力點,本文對持續(xù)發(fā)熱的電容器進行了仿真計算,得到了最大應(yīng)力隨開裂距離的變化趨勢,為多孔陶瓷電容器的設(shè)計提供了技術(shù)參考。
作者:胡鵬 劉志剛 單位:南昌工學(xué)院 南昌大學(xué) 河南省礦山信息化重點實驗室