基于有限元法的电气设备热场分析

第一章绪论1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。

经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。

在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。

回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。

随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。

功率的提高必然带来一些负面的影响。

如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。

缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。

可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。

此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。

缸体对活塞的支撑力也增大。

于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。

尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。

不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。

在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。

发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。

为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。

有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。

由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。

基于ANSYS有限元的热学力模拟分析全文第1章绪论1.1选题背景及意义随着时代的发展，现代各个领域包括船舶，航天等对于新型高分子纳米材料的诉求越来越高，基于这种背景下，石墨烯（G）和碳纳米管（CNTs）诞生了。

虽然二种材料从发明开始，就受到了极大的推崇，但是不能否认的是，它们也有一些缺陷，比如团聚现象；这一种现象在某些特殊的背景下应用，缺陷暴露的就更加明显了。

因此，必众多学者从本质上出发，根据二种材料的最外层电子为4的特性，从共价非共价改性进行探索，进而拓宽了二种材料的应用。

并且基于实际情况的需求，由于离子液体（ILs）一些优良性能，比如不易挥发等；完美的契合了这些实际情况的需求，并且ILs对于石墨烯材料以及碳纳米管材料有着很好地改良作用，进而进一步得到了推崇。

本文最大的创新就在于对于三者的综合应用，本文选用的离子液体是绿色溶剂离子液体，选用此溶剂是因为其对于石墨烯材料以及碳纳米管材料有着物理吸附作用，物理吸附可以不破外这些材料本身的化学结构，并且使得二种材料在基体中具有之前没有的特性：分散性，进而得到导电润滑脂。

这一新的研究，是一种三种元素结合起来的新的研究方向。

最后，把本文比较了ILs改性后和未改性后的二种高分子纳米材料作为润滑添加剂的各项性能。

1.2 石墨烯1.2.1 石墨烯的结构与性质对于石墨烯（G）这样一种新型高分子纳米材料而言，本质是碳原子组成的二维晶体，其各个维面是六边形蜂窝状。

首次发现是在21世纪初期，是由Novoselov[1]等通过胶带法首次获得的。

石墨烯具有一个特殊的离域大π键，其穿透了只有一个碳原子厚度的石墨烯。

这一特性使得石墨烯具有强度高，导电性好[2]、几乎完全透明、比表面积大[3]、载流子迁移率高[4]。

1.2.2石墨烯的制备方法对于石墨烯（G）获得的方法划分可以分为三种、石墨烯超声研磨法制取、石墨烯热剥离法制取、、石墨烯电化学法制取，三种方法具体情况如下：（1）超声研磨法第一种方法主要是根据超声波的原理，使得完整的石墨内部承受超过其承受能力的剪切应力，进而其二侧会造成缺陷，也就得到了石墨烯；该方法对于石墨的剥落产生了极大地便利。

高压电力设备温度场仿真分析一、引言高压电力设备是电力系统的重要组成部分，在输电、变电、配电等方面都发挥着重要作用。

为了确保高压电力设备的正常运行，对其进行温度场仿真分析有助于发现问题，提高设备的运行效率和延长其使用寿命。

二、高压电力设备温度场的形成在高压电力设备中，由于电流通过设备，设备会产生电阻。

通过欧姆定律，我们知道电阻会产生热量。

设备通过散热来消散热量，散热的能力不足会使设备的温度升高。

在高压电力设备的内部，由于电流分布的不均匀，设备内部的一些部分会比其他部分热，形成片状、点状热场。

这些热场会随着时间的推移而不断变化，其变化的趋势与设备的结构、外部环境因素以及设备本身的特性相关联。

三、高压电力设备温度场仿真分析的作用高压电力设备温度场仿真分析可以帮助我们了解设备内部的温度分布和变化趋势。

我们可以通过得到的仿真数据，对设备进行优化改进，提高其散热能力，延长其使用寿命。

同时，通过仿真结果，我们还可以判断设备是否存在局部异常的温度升高现象。

对异常的部分可以进行更为详细的分析，找出问题产生的原因，采取有效的措施加以解决。

四、高压电力设备温度场仿真分析的方法高压电力设备温度场仿真分析的方法可以分为两类：一是基于数学模型的仿真方法，另一种是基于有限元方法的仿真方法。

基于数学模型的仿真方法适用于较为简单的设备，方法简单，速度快。

采用这种方法需要先根据设备的物理特性建立模型，然后解出偏微分方程，得到模型的温度分布曲线。

基于有限元方法的仿真方法可模拟较为复杂的高压电力设备，其精度更高，更加逼真。

这种方法需要将设备分割成多个小区域，建立各区域之间的数学关系，求解得到该设备的温度场分布。

五、高压电力设备温度场仿真分析的关键因素高压电力设备温度场仿真分析的关键因素包括：设备本身的结构、环境的影响、电流分布的不均匀性以及与设备相连的引线电缆等附件的影响。

六、高压电力设备温度场仿真分析的案例分析一种高压电力开关设备，由于对其散热导柜结构进行了优化，未来将会在新项目中使用。

有限元在传热学中的应用——温度场的有限元分析摘要：热分析在许多工程应用中扮演着重要角色。

有限元法是热分析中常用，高效的数值分析方法。

利用有限元法可以求解传热学中温度场的重要参数，在材料成型中，在铸造这一块有着重大意义。

1、有限元法的应用：有限元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法，首先在连续力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后也很广泛用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。

在传热学中，如果导热物体的几何形状不规则，边界条件复杂，很难有解析解。

解决这类问题的最好办法就是数值解法，而数值解法中最具实用性和使用最广泛的就是有限单元法。

2、有限元数值解法的基本思路：将连续求解区域减走势只在节点处相连接的一组有限个单元的组合体，把节点温度作为基本未知量，然后用插值函数以节点温度表示单元内任意一点处温度，利用变分原理建立用以求解节点未知量（温度）是有限元法方程，通过求解这些方程组，得到求解区域内有限个离散点上的温度近似解，并以这些温度近似解代替实际物体内连续的温度分布。

随着单元数目的增加，单元尺寸的减少。

单元满足收敛要求。

近似解就可收敛于精确解。

3、有限元数值解法的基本步骤有限元法在工程实际中应用的广泛性和通用性，体现在分析许多工程问题是，如力学中的位移场和应力场分析，传热学中的温度场分析，流体力学中的流场分析，都可以归结为给定边界条件下求解其控制方程的问题，虽然各个问题中的物理性质不同，却可采用同样的步骤求解。

具体步骤为（1）：结构离散。

（2）：单元分析。

（3）：整体分析。

（4）：边界条件处理与求解。

（5）：结果后处理。

有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推倒有限元方程式，求解有限元方程组，数值结果表述。

4、用于传热学的意义有限元法作为具有严密理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，近年来，以由弹性平面问题扩展到空间问题，板壳问题。

从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；它在工程技术中的作用，已从分析和校核扩展到优化设计。

基于有限元分析的电力设备热仿真模型研究1. 引言电力设备的热仿真模型研究对设备的可靠性和性能优化具有重要意义。

本文将基于有限元分析方法，探讨电力设备热仿真模型的研究，以及其在实际工程应用中的价值。

2. 有限元分析方法2.1 有限元分析原理有限元分析是一种以有限单元法为基础的数值计算方法，通过将复杂结构分解为多个简单的有限单元，以近似的方式来模拟实际的物理过程。

2.2 有限元分析在电力设备热仿真中的应用有限元分析在电力设备热仿真中被广泛应用，可以用于模拟电力设备内部的温度分布、热传导以及热辐射等过程，从而帮助工程师优化设备的散热设计和材料选择。

3. 电力设备热仿真模型的建立3.1 设备几何模型的建立在建立电力设备的热仿真模型时，首先需要将设备的几何形状进行建模。

可以使用CAD软件进行三维建模，或者根据设备的尺寸和形状进行简化建模。

3.2 材料参数的设定热仿真模型的准确性与材料参数的设定密切相关。

材料参数包括热导率、比热容、密度等，可以通过实验测试或者文献调研来获取。

3.3 边界条件的设定边界条件是指在热仿真模型中设定的温度边界和热流边界。

通过合理设定边界条件，可以模拟实际工况下的热传递过程。

4. 电力设备热仿真模型的求解4.1 传热方程的建立电力设备的热仿真可以根据传热方程来描述。

常见的传热方程包括热传导方程、热对流方程和热辐射方程等。

4.2 有限元离散化将传热方程进行离散化得到一组代数方程，然后通过求解这组代数方程得到设备内部的温度分布。

4.3 仿真结果分析利用有限元分析软件进行仿真计算后，可以对仿真结果进行分析，如温度分布图、热流分布图等，以评估设备的散热性能。

5. 电力设备热仿真模型的应用电力设备的热仿真模型广泛应用于实际工程中，具体包括设备散热设计优化、设备性能预测、故障诊断等方面。

5.1 设备散热设计优化基于热仿真模型的计算结果，可以评估现有的散热设计方案，并通过优化设计来提高设备的散热能力，降低温度升高对设备性能的影响。

基于有限元方法的热传导分析及其工程应用热传导是热力学中的一个重要现象，它描述了热量在物体中的传递过程。

在许多工程领域中，对热传导进行准确的分析和预测至关重要。

有限元方法是一种常用的数值模拟方法，可以有效地用于热传导分析，并在工程实践中得到了广泛的应用。

1. 有限元方法简介有限元方法是一种将复杂问题离散化为简单问题的数值方法。

它将需要求解的区域划分为有限数量的子区域，称为单元。

通过在每个单元上建立适当的数学模型，并考虑其边界条件，可以得到整个区域的近似解。

有限元方法可以应用于不同的物理场问题，例如结构力学、热传导、流体力学等。

2. 热传导的数学模型热传导过程可以用热传导方程表达。

对于三维空间中的热传导问题，热传导方程可以写作：∇·(k∇T) + q = ρCp∂T/∂t其中，T是温度分布，k是热导率，q是体积源项，ρ是密度，Cp是比热容。

这是一个偏微分方程，可通过有限元方法进行离散化求解。

3. 有限元离散化过程为了使用有限元方法解决热传导问题，首先需要将待求解区域划分为有限数量的单元。

常见的单元形状有三角形、四边形单元等。

然后，在每个单元内选择适当的插值函数来近似温度场的分布。

通过在每个单元上建立局部方程，并将它们组装成一个整体方程，可以得到一个线性方程组。

通过求解这个方程组，可以得到整个区域的温度分布。

4. 边界条件的处理在热传导问题中，边界条件起着重要的作用。

边界条件可以分为温度边界条件和热通量边界条件。

温度边界条件指定了边界上的温度值，而热通量边界条件指定了热量在边界上的传递速率。

在有限元方法中，通过在网格节点处施加相应的边界条件，可以得到方程组的边界条件部分。

5. 工程应用基于有限元方法的热传导分析在工程中有着广泛的应用。

以热导率为例，对于材料的选取和设计，了解其热导率的分布是非常重要的。

有限元方法可以对材料的热导率进行模拟和预测，从而指导工程设计和优化。

同时，在导热设备的设计中，有限元方法也可以用来评估材料的热传导性能，确定热传导路径，优化传热效果。