一种多层陶瓷电容在冲击环境下容值数值模拟求解方法

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：

1、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。

2、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：

3、

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、构建mlcc的三维实体模型；

4、对所述三维实体模型进行网格划分，构建有限元模型；

5、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；

6、提取所述变形云图中板间距数据，获取所述mlcc的总电容值。

7、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。

8、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。

9、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。

10、可选地，所述算法选取为：应用于处理连续体的lagrange算法。

11、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；

12、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。

13、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。

14、可选地，对所述外电极部位设置绑定的方式为：

15、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。

16、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。

17、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；

18、所述层间电容容值为：

19、

20、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。

21、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

22、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。

23、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。

技术特征：

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：

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；

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：

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；

技术总结
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。

技术研发人员：汪德武,王亚斌,朱晓宁,贺元吉,江增荣,陈华,刘扬
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13