[发明专利]电磁器件分析中电磁-热-应力三场去耦合计算方法

说明书

本发明公开了一种电磁器件分析中电磁‑热‑应力三场耦合的去耦合计算方法。根据电磁波传播原理与阻抗边界条件建立电磁波在金属微波器件内壁的微波电磁损耗模型，通过微波电磁损耗模型将电磁场和力场之间去耦合，平面波入射到金属微波器件时在内部形成电磁场分布会产生热量，先计算获得金属内壁产生的热损耗分布，根据热损耗分布进行求解得到温度场分布，根据温度场分布计算获得热应变分布，获得去耦合计算结果。本发明依据电磁波传播原理将电磁‑热‑应力三场耦合计算简化为电磁‑热，热‑应力两次两场计算，大大降低了计算复杂度，工程分析中适用性强。

技术领域

本发明涉及了一种金属微波器件分析计算方法，尤其是涉及了一种电磁器件分析中电磁-热-应力三场耦合的去耦合计算方法。

背景技术

所谓多物理场耦合，指在一个系统中，多个物理场交织在一起，互相影响，互相作用而彼此影响的物理现象，这种现象在客观世界和工程实际中广泛存在，只要多个物理场存在且各物理场之间发生了能量交换，必然随之会产生多物理场耦合系统。各种物理场现象都可以用偏微分方程来描述，如热、电、力。多物理场的本质是偏微分方程组。

金属微波器件是非常典型的、具有强烈耦合度的多物理场环境，包括电磁场、温度场、力场的相互耦合。由于很多因素同时起作用，必须给出一种可以同时处理这些因素作用的多物理场联合分析方法。

描述金属微波器件涉及电磁、热、力多种物理现象的组合，而这些现象都基于特定的物理规律，这些物理规律可借助于偏微分方程得到精确描述和分析。故解决多物理场耦合的基础是建立它们的数学模型，这需要充分了解各物理场的基本理论，列出其数学模型(偏微分方程组)，多物理场分析意味着求解多维度的偏微分方程组。系统性地讨论它们之间的场耦合关系，得到偏微分方程体系，建立电-热-应力约束条件下的典型空间金属微波器件模型。

发明内容

为了简化电磁-热-应力三场耦合计算的复杂度，本发明的目的在于提供了一种电磁器件分析中电磁-热-应力三场耦合的去耦合计算方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是如图1所示：根据电磁波传播原理与阻抗边界条件建立电磁波在金属微波器件内壁的微波电磁损耗模型，通过微波电磁损耗模型将电磁场和力场之间去耦合，使得电磁场通过温度场间接与力场耦合，进而对力场分布计算。

电磁-热-力场之间存在着耦合作用，从原理上来说，由于电磁损耗，微波器件中大功率微波的传播会在微波器件内部产生热损耗Q(包括电阻性损耗Q_rh与磁性损耗Q_ml)。电阻性损耗可用介质的损耗角正切tanδ或介电常数的虚部ε来表示，与材料的电阻率有关，电阻率越大，阻性损耗越小。磁性损耗主要存在于磁性材料中，与复磁导率的虚部μ成正比。电磁损耗热效应产生的热成为温度场的场源，求解热传递方程可确定温度场的分布。而温度场对结构的作用表现为温度差导致物体的膨胀或缩小，从而产生热应变ε_inel。作为力场的场源，通过求解线弹性力学方程组可得到应变、位移与应力的分布。现有技术中，电磁场、温度场和力场三个物理场通过彼此提供物理场场源的方式进行耦合。而本发明使得电磁场和力场之间去耦合，电磁场的电场和磁场与温度场耦合，温度场与力场耦合，电场和磁场分别与力场之间不耦合。

所述的平面波入射到金属微波器件，在金属微波器件的内部形成电磁场分布并产生热量，先计算获得金属内壁产生的热损耗分布，热损耗包括电阻性损耗和磁性损耗，将热损耗分布作为热源以赋值到热应力场的方式进行求解得到温度场分布，根据温度场分布计算获得热应变分布，获得去耦合计算结果。

本发明将三个物理场分为两个步骤电磁-热、热-应力进行分步计算，具体是在所述平面波入射到金属微波器件采用以下方式计算获得去耦合计算结果：

第一，先通过电场形式下具有附加边界条件的波动方程获得金属微波器件内的电场分布，接着利用麦克斯韦方程组以及金属微波器件与其外部环境内在的本构关系计算出电位移、磁感应强度、磁场强度和自由电流密度物理量，从而获得电磁场分布情况；