使用多物理模拟设计加热电路

在飞机，电子留言板，医疗存储设备等中可以找到加热电路。像许多其他加热元件一样，这些电路通过电阻加热，涉及电流，传热和结构变形的多物理过程来工作。为了考虑这些现象和其他关键设计因素，工程师可以使用ComsolMultiphysics®软件创建供暖电路的虚拟原型。

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加热电路可以为产品或流体提供局部供暖，这是广泛行业用例的有用特征。这些电路通常与温度传感器一起使用，在以下区域有帮助：

• 防止镜头和挡风玻璃（例如汽车和飞机）锦上添花并雾化
• 保护室外电子设备（例如留言板）免受湿度和极端温度的变化
• 在测试和存储期间将医疗产品和样品乐动体育app无法登录保持在稳定的温度
• 制造过程中的变暖粘合剂和液体

高速公路的电子留言板。俄勒冈州运输部的图像。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。

这些加热元件通过电阻加热起作用，也称为焦耳加热，涉及多种身体现象：

1. 当施加电压时，电流开始流过电路
2. 这些电流由于电路材料的电阻率而产生热量
3. 温度升高会导致设备变形

虽然变形有时可能很有用（例如，在热致动器中），但它也可能是加热电路的设计问题。这些电路通常被粘合到另一种非导电材料上，过多的弯曲可能会使粘合剂过度并导致电阻层脱离 - 这又可能导致层着火。设计师还必须确保该零件不会过热与其使用的流体或产品。这可能是一个挑战，这是由于电阻加热所涉及的多种物理现象以及影响加热电路有效性的各种因素（例如应用电压，几何形状，所使用的材料，环境条件等）。

通过使用COMSOL®软件，工程师可以考虑所有各种现象和设计因素，评估和改善加热电路的性能。在下一部分中，我们将以一个示例来查看一个示例：小加热电路的多物理模型。请注意，要创建此模型，传热模块，，，，结构力学模块，要么AC/DC模块或者MEMS模块是必要的。

建模加热电路的多物理学

该模型包括两个部分：电阻层和一个玻璃板。电阻层由壁画制成，壁画是电阻加热元件的常见材料，厚度为10μm，宽10μm。如下图所示，它是蛇纹石形的，末端由银色接触垫封盖。至于玻璃板，上侧（连接电阻层的位置）被空气包围，而下部则面部面部反应性液体。

设置几何形状后，下一步是对施加电压的热量和传输进行建模（在这种情况下为12 V）。为了确定电阻层中电流流的热源，您可以使用分层壳中的电流界面。该界面求解了当前的保护，并且特别适合几何非常薄却非常重要的层。在这种情况下，该层的几何厚度足够小，以至于将其完全排除在几何形状和网格中，从而极大地简化了几何形状和网状处理。同时，从物理角度来看，零厚度不是适当的近似值。这是因为层及其周围环境之间的材料特性存在很大的对比。这分层壳中的电流接口在求解方程时使用适当的厚度，即使它未明确包含在几何形状中。

对于热传输问题，使用类似的方法。该模型利用了薄层功能中的功能固体中的传热接口和电磁加热多物理耦合，该耦合自动结合了模拟焦耳加热的物理。然后，该示例将层中的热问题耦合到板上，并使用传热系数模拟热量如何从板中传递到流体，以及热量如何通过自然对流将热量转移到周围的空气中。

屏幕截图显示电阻层中电热量的建模。

为了轻松模拟所得的变形（以及可能的分层），您可以执行两个固定的结构力学分析。在这里，固体力学界面是玻璃板的好选择，而膜界面（特别适合薄结构）用于电阻层。

检查加热元件的仿真结果

热产生和转移

解决该模型使您能够可视化电阻层中产生的热量。在这里，最强的热源发生在电流密度最高的情况下：曲线的内弯曲。这种电流的浓度是由于潜在梯度与地面连接和末端之间的距离成反比。由于内弯表示最短的路径，因此它们自然会发展最强的电流。通过在电阻层的表面积上集成，您可以获得由于电阻率而产生的总热量，〜13.8 w。

电阻层中的电流密度（左）和热量（右）。

为了确定设备的效率，您可以从评估电输入功率以及热量产生和耗散开始。在这里，输入功率（在这种情况下为12伏和1.15安培的V*I给出）等于与总生成的热量相同：13.8 W.如下所示，最高温度发生在电路中心：154.1°C。通过在板的底部表面的区域集成，您可以获得转移到流体的热量，8.5W。同样，您可以计算出散落到周围空气中的热量：5.3 W.这样做。不仅表明该设计在加热流体方面相对有效 - 有62％的生成热量被转移 - 而且还表明，由于能量输出等于输入，因此能量是保守的。

层和板中的温度分布，显示最大（154.1ºC或309.5ºF）和最小（77.2ºC或171ºF）温度的温度分布

热量通过底部（〜8.5 W）和加热电路的顶部（〜5.3 W）散发。

压力，变形和分层

通过查看有效应力，您可以确定加热电路设计是否会破裂。在此模型中，层和板的变形〜50μm，向空气弯曲。弯曲在设计上施加压力，尤其是在电路的内角，有效应力达到其最高点约为13 MPa。尽管如此，这仍然在玻璃和壁画的最大屈服应力下（分别为250 MPa和360 MPa），这意味着它们都保持完整。

加热回路中的冯·米塞斯（Von Mises）应力。

现在唯一的问题是两者是否会保持纽带。为了确定是否存在分层，您可以检查壁画层和玻璃板之间的界面应力。在这种情况下，应力比表面粘附屈服应力（50 MPa）小得多，这表明这两个元素不会呆在一起。

加热回路中的界面应力。

如本示例所示，工程师可以使用COMSOL®软件来分析加热电路，从而考虑到涉及的多种物理现象。然后，他们可以使用结果来改善特定用例的设计。例如，在为高精度应用设计加热电路（例如半导体包装）时，工程师可以减少变形量。

下一步

您可以通过单击下面的按钮来查看对加热电路进行建模的所有步骤。这将带您到应用程序库，该应用程序库包含此示例的文档以及相关的MPH文件。