Page 43 - 《橡塑技术与装备》2017年10期（5月塑料）

综述与专论 董军·基于有限元的复合材料介电性能仿真方法初探

基于有限元的复合材料介电性能仿真

方法初探

Simulation method of dielectric properties of composite
materials based on finite element method

董军
( 旅顺金利橡胶厂，辽宁 大连 116043)

摘要 ： 为探索复合绝缘材料介电性能的计算机仿真研究方法，本文以聚合物基体添加非线性无机填料制备具有自行均化电场
分布功能的非线性复合材料为例，提出了利用有限元法对复合材料模型进行电场计算来模拟材料介电性能的方法，分析了交变电
压下复合材料内部微观的电场分布变化与其宏观电流响应间的关系。在此基础上，利用时域最小二乘法依据外加电场对总电流分
解而获得非线性介质的交流等效电导率和相对介电常数。实验结果验证了方法的有效性，表明利用有限元法认识复合材料内慢极
化过程中的电场现象和仿真计算材料的介电参数为材料介电性能的研究提供了新的途径。
关键词 ： 复合材料 ；介电性能 ；有限元 ；非线性 ；电场 ；仿真
中图分类号 ： TQ330.73 文章编号 ： 1009-797X(2017)10-0023-05
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2017.10.006

复合材料是由不同组分复合而成的多相材料，它 形，利用傅立叶分析区分了非线性复合材料中的各电
不仅可以保持各原组分的部分特性，而且还可能具有 流响应成分，并利用时域最小二乘法对总电流分解而
原组分所不具有的性能。因此，利用复合材料的乘积 获得非线性介质的交流等效电导率和相对介电常数。
效应或加和效应研制新型功能 ( 或智能 ) 的电介质材
料已成为电介质工程领域的一个前沿性课题。研究表 1 仿真方法
明，在聚合物中添加无机半导体填料（氧化锌，碳化 有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种
硅等）可以使绝缘材料表现出非线性电导特性，即其 数值计算方法。它首先利用变分原理把所要求解的边
电导率会随着电场的改变而变化。此类绝缘材料突出 值问题转化为相应的变分问题，也就是所谓的极值问
优点是在不均匀交 ( 或直 ) 流电场下能自行均化电场 题，然后利用剖分插值将变分问题离散化为普通多元
分布，可以用来改善电气绝缘中的电场分布，并能简 函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数方程组，
化电气产品的绝缘结构，为此又有 “ 智能绝缘材料 ” 解之即得待求边值问题的数值解。
之称 [1~6] 。 1.1 复合材料单元结构的有限元模型
以往对非线性复合材料的介电性能主要是以实验 目前关于聚合物复合介质的极化模型中，多数都
为主要研究手段，开发复合材料介电性能的模拟方法 是采用球形微粒，这对模型的简化有很大的帮助 [12] ，
替代部分实验可以节省大量人力、物力。复合材料内 因此在 COMSOL 中建立三维模型时，以圆球代表近球
的电场因素与材料的宏观电性能密切相关，借鉴于有 型填料颗粒，立方体代表聚合物基体。建立了复合材料
限元法在分析介质内复杂电磁现象中的广泛应用 [7~11] ， 单元模型如图 1 所示。填料为圆球 SH1，半径 30 μm ；
本文利用有限元计算软件 COMSOL 建立了复合材料
亚微观的单元结构模型，在低频交变电场下对模型进 作者简介 ：董军（1966-），男，本科，工程师，主要负责
行瞬态求解，分析了复合材料内部多点电场变化的波 技术研发和生产管理工作。
收稿日期 ：2016-12-28

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