CN116362091A - 一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，包括：构建MLCC的三维实体模型；对所述三维实体模型进行网格划分，构建有限元模型；利用LS‑DYNA对所述有限元模型进行冲击仿真分析，获取所述MLCC的变形云图；提取所述变形云图中板间距数据，获取所述MLCC的总电容值。本发明通过数值模拟方法模拟电容受到冲击，可以在不进行实验的情况下求得MLCC在不同冲击环境下的容值。
Description
技术领域
本发明属于高压陶瓷电容领域，尤其涉及一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法。
背景技术
电容是电路系统中的重要元件之一，滤波、退耦、储能是电容的主要功能，其中用于储能的电容器件，为储存更多的电荷，尺寸通常大于同等工作电压的滤波、退耦电容。电子安全系统中，电容被用于储存能量以及脉冲放电，同时由于多层陶瓷电容器(MLCC)绝缘介质特性稳定、耐大电流能力强，同等容量下尺寸更为紧凑，尤其适合大容量的应用背景要求。当高压电容储存极大的能量，在微米尺度内存在上千伏的高压，系统受到强烈的力学载荷激励时，对MLCC内部结构的影响将进一步加剧。但由于这个过程具有高瞬态、大电压、强能量的特征，采用普通测试手段进行观测十分困难。
MLCC的内部结构如图1所示，是由内电极、陶瓷介质层、外电极三个部分组成的，陶瓷介质和内电极交互层叠，在高温下烧结成型，并在两端用金属包覆形成外电极。这样的结构相当于多个平行极板电容器并联，组成了容值更大的电容器，MLCC的容值计算公式可表达为：
其中n为内电极层数，ε0为真空介电常数，εr为陶瓷介质的相对介电常数，S为单层内电极板的重叠面积，d为内电极之间的距离。内电极的层数和面积决定了MLCC的器件尺寸，因此实际在选择元器件时对尺寸大小的要求限制了n和S的选择，而内电极间距d与MLCC的击穿电压有关，在耐压条件一定的情况下，也缩小了d的选择范围。可见陶瓷介质的相对介电常数，也就是陶瓷材料的选择对MLCC的性能有着很大的影响。
由于受到现场试验条件的限制，现有手段很难直接观测到MLCC在高压、高冲击载荷条件下内部结构的动态响应及各部分的受力情况。因此，可采用数值模拟作为一种研究途径，对冲击条件下的高压多层陶瓷电容进行仿真，定量地分析MLCC在力学激励和电学激励的共同作用下容值的变化过程。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，通过数值模拟方法模拟电容受到冲击，可以在不进行实验的情况下求得MLCC在不同冲击环境下的容值。
为实现上述目的，本发明提供了一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，包括如下步骤：
构建MLCC的三维实体模型；
对所述三维实体模型进行网格划分，构建有限元模型；
对所述有限元模型进行冲击仿真分析，获取所述MLCC的变形云图；
提取所述变形云图中板间距数据，获取所述MLCC的总电容值。
可选地，所述三维实体模型包括：保护层、外电极、内电极层和内介质层。
可选地，对所述三维实体模型进行网格划分时，将所述内电极和所述内介质层定义为壳单元。
可选地，对所述有限元模型进行冲击仿真分析包括：算法选取、材料本构参数设置、边界条件设置、冲击加载设置。
可选地，所述算法选取为：应用于处理连续体的Lagrange算法。
可选地，所述材料本构参数设置包括：分别对所述内介质层、外电极和内电极层进行设置；
对于所述内介质层，选择各向同性弹性模型进行定义设置；对于所述外电极和内电极层，选择塑性随动硬化模型行定义设置。
可选地，所述边界条件设置为：模拟电容的焊接状态，对所述外电极部位进行固定。
可选地，对所述外电极部位设置绑定的方式为：
将所述外电极的两个面上的有限元模型的所有节点设置为固定约束。
可选地，提取所述变形云图中板间距数据包括：提取所述内电极层各网格节点的位移信息和网格数量。
可选地，获取所述MLCC的总电容值包括：获取所述内电极的层间电容容值，将各层所述层间电容容值相加获得所述MLCC的总电容值；
所述层间电容容值为：
其中，ε为介质的介电常数，n为微小平行极板的总个数，di为第i个微小平行两极板件间的距离，S为各层极板的总面积，ΔS为微小平行板件的面积，i为微小平行板件的序号，取值从1至n。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
目前对于电容的动态测量，除了试验方案以外很少有数值计算方法，本发明通过数值模拟方法模拟电容受到冲击，可以在不进行实验的情况下求得MLCC在不同冲击环境下的容值。
对三维实体模型进行网格划分的过程中，能够大规模的减少网格数量，提高计算的效率。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的MLCC结构示意图；
图2为本发明实施例的一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法流程示意图；
图3为本发明实施例的MLCC三维实体模型剖面图；
图4为本发明实施例的MLCC变形云图；
图5为本发明实施例的平板电容冲击变形示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例
本实施例提出一种数值模拟方式，基于MLCC容值的计算公式，使用前处理软件HyperMesh进行网格划分，再利用LS-DYNA可以得到多层陶瓷电容在不同强度的冲击下的电容的形变，在根据经验公式求得电容在冲击环境下的容值。其中，LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。
如图2所示，本实施例提供了一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，包括如下步骤：
构建MLCC的三维实体模型；
对所述三维实体模型进行网格划分，构建有限元模型；
利用LS-DYNA对所述有限元模型进行冲击仿真分析，获取所述MLCC的变形云图；
提取所述变形云图中板间距数据，获取所述MLCC的总电容值。
进一步地，所述三维实体模型包括：保护层、外电极、内电极层和内介质层。
进一步地，对所述三维实体模型进行网格划分时，将所述内电极和所述内介质层定义为壳单元。
进一步地，利用LS-DYNA对所述有限元模型进行冲击仿真分析包括：算法选取、材料本构参数设置、边界条件设置、冲击加载设置。
进一步地，所述算法选取为：选择应用于处理连续体的Lagrange算法。
进一步地，所述材料本构参数设置包括：
对于所述内介质层，选择各向同性弹性模型进行定义设置；对于所述外电极和内电极层，选择塑性随动硬化模型行定义设置。
进一步地，所述边界条件设置为：模拟电容的焊接状态，对所述外电极部位进行固定。
进一步地，对所述外电极部位设置绑定的方式为：
将所述外电极的两个面上的有限元模型的所有节点设置为固定约束。
进一步地，提取所述变形云图中板间距数据包括：提取所述内电极层各网格节点的位移情况和网格数量。
进一步地，获取所述MLCC的总电容值包括：获取所述内电极的层间电容容值，将各层所述层间电容容值相加获得所述MLCC的总电容值；
本实施例的技术解决方案是：本实施例主要包括模型建立、网格划分、动力学仿真、容值求解四个步骤。
模型建立使用soildworks软件，几何模型的建立是有限元分析较为关键的环节。在建立模型的过程中，原则上应尽量还原物体实际的几何结构，但对于一些结构过于复杂，且局部细节特征较多但又不影响计算结果的部分可以根据求解工况作适当的简化。
网格划分使用前处理软件HyperMesh在MLCC中内电极的厚度仅有2微米，是其长宽尺寸的万分之一量级，为避免全网格方式带来的超大网格数量问题，采用壳单元模拟内电极结构，并对陶瓷介质结构网格进行适当的放宽，建立了能够适应计算条件的有限元模型，最小网格尺寸为0.2mm。
动力学仿真使用LS-DYNA进行有限元分析，包括算法选取、材料本构参数设置、边界条件和接触设置、冲击加载设置四个步骤。处理连续体的算法有Lagrange、Euler和ALE算法，本发明采用Lagrange算法。材料的本构关系可以理解为材料的应力张量与应变张量之间的关系，是对某种材料的宏观力学性能的综合表述。选用MLCC参数如表1所示。边界条件和接触设置将MLCC根据场景进行条件约束，将MLCC外电极模拟焊接状态。冲击载荷的加载根据MLCC的应用场合，选择恰当的加速度曲线。
表1
容值求解主要根据仿真结果进行曲面之间电容的求解，相比于平面极板电容的求解公式。在过载下曲面极板划分为微元，然后进行累加得到两极板的容值。
如图2整个数值模拟的流程图所示，几何模型的建立是有限元分析的第一步，利用soildworks建立MLCC的三维实体模型，如图3所示为建立的三维实体模型剖面图。MLCC模型由上下两层保护层、两端外电极、内电极层和内介质层四部分组成，此结构准确的还原了所需的结构特性，可以合理仿真再冲击条件下的结构响应。
网格划分是将建立好的MLCC三维模型导入前处理软件HyperMesh进行网格划分，在这里为避免全网格方式带来的超大网格数量问题，采用壳单元模拟内电极结构，并对陶瓷介质结构网格进行适当的放宽，建立了能够适应计算条件的有限元模型。
动力学仿真利用LS-DYNA求解器进行计算。包括算法选取、材料本构参数设置、边界条件和接触设置、冲击加载设置四个步骤。算法的选用选择应用于处理连续体的Lagrange算法。在整个冲击过程中，着重考虑MLCC不出现大变形的范围内的结构响应，内部结构为连续且均匀的介质。使用此算法可以较为精确地描述结构边界发生形变时的运动情况，且物质不能在网格之间发生流动。
材料本构参数的设置主要根据MLCCC的材料属性设置，对于陶瓷材料，在断裂前一般都不会出现塑性变形阶段，在弹性形变范围内就会发生脆性断裂，因此在LS-DYNA中可选择*MAT_ELASTIC材料模型进行定义，即各向同性弹性模型，所需参数与前述一致。对于内外电极材料属于金属材料，采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型进行定义，即塑性随动硬化模型。
在边界条件的设置上，为了模拟电容的焊接状态，对上述模型外电极部位设置绑定，使用关键字*BOUNDARY_SPC_NODE，将端电极两个面上的有限元模型的所有节点设置为固定约束。
由于在MLCC的建模过程中，整体结构被分为了内电极层、内介质层、保护层和外电极四个零件(part，一个part是指具有相同的单元类型、实常数和材料号的单元组成的一个集合)，并以装配体的形式导入求解器，因此各零件间还需要进行接触设置。在实际情况下，MLCC的电极-介质相互交叠的结构是通过整体在高温下烧结而形成的，内部不同结构的面与面之间不存在滑移或分离的情况，所以面面接触的类型全部选择固连接触(*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE)。
冲击载荷的加载根据MLCC的应用场合，选择恰当的加速度曲线。
容值求解包括对仿真结果的提取、以及利用公式进行容值的求解。仿真得到MLCC在冲击载荷下的变形云图如图4所示，提取内电极各网格节点坐标，经数据处理后获得内电极变形情况。当平行极板受冲击过载变形后，平行极板电容器的计算公式已不适用，但可以用有限元的思想将极板划分为n个微小的平行极板电容器的并联，则等效后的电容为各个微电容器的容值之和，即：
设ε为介质的介电常数，n个微小平行极板的面积相同，均为S/n，di为第i个微小平行两极板件间的距离，S为各层极板的总面积，ΔS为微小平行板件的面积，i为微小平行板件的序号，取值从1至n。以图5所示单侧极板变形时的情况为例，两层内电极间的电容可由多个微电容并联获得。若以底部未变形极板所在平面为xoy平面，极板法向为z轴建立空间坐标系，则每一个微极板的平面方程可表示为z＝di。
则层间电容容值可表示为：
MLCC有限元模型在网格划分时各单元的面积是相同的，由上式可知，只需提取内电极各网格节点的位移情况和网格数量，即可计算出各层层间电容器的容值，最后将各层电容值相加即可得到MLCC的总电容值。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，包括：
构建MLCC的三维实体模型；所述三维实体模型包括：保护层、外电极、内电极层和内介质层；
对所述三维实体模型进行网格划分，构建有限元模型；
对所述有限元模型进行冲击仿真分析，获取所述MLCC的变形云图；
提取所述变形云图中板间距数据，获取所述MLCC的总电容值。
2.根据权利要求1所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，对所述三维实体模型进行网格划分时，将所述内电极和所述内介质层定义为壳单元。
3.根据权利要求1所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，对所述有限元模型进行冲击仿真分析包括：算法选取、材料本构参数设置、边界条件设置、冲击加载设置。
4.根据权利要求3所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，所述算法选取为：应用于处理连续体的Lagrange算法。
5.根据权利要求3所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，所述材料本构参数设置包括：分别对所述内介质层、外电极和内电极层进行设置；
其中，对于所述内介质层，选择各向同性弹性模型进行设置；对于所述外电极和内电极层，选择塑性随动硬化模型行定义设置。
6.根据权利要求3所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，所述边界条件设置为：模拟电容的焊接状态，对所述外电极部位进行固定。
7.根据权利要求6所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，对所述外电极部位进行固的方式为：
将所述外电极的两个面上的有限元模型的所有节点设置为固定约束。
8.根据权利要求1所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，提取所述变形云图中板间距数据包括：提取所述内电极层各网格节点的位移信息和网格数量。
9.根据权利要求1所述的多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法，其特征在于，获取所述MLCC的总电容值包括：获取所述内电极的各层的层间电容容值，将各层所述层间电容容值相加获得所述MLCC的总电容值；
所述层间电容容值为：
其中，ε为介质的介电常数，n为微小平行极板的总个数，di为第i个微小平行两极板件间的距离，S为各层极板的总面积，ΔS为微小平行板件的面积，i为微小平行板件的序号，取值从1至n。
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