【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于脉冲放电等离子体物理领域，具体是一种基于comsol的金属丝电爆炸电-热-力-磁多物理场耦合仿真建模方法。
技术介绍
1、等离子体不稳定性的研究是一个重要性的研究课题。目前关于等离子体几何结构和物质的初始状态研究，不能较好地解释引发等离子体不稳定性产生的物理过程。
2、目前大多数等离子体不稳定性研究，使用线性甚至非线性磁流体力学理论，其中最关键的步骤是正确选择随机种子扰动作为初始条件。目前的研究中已经证明：等离子体不稳定性种子机制的有效研究需要在电-热-力-磁多物理研究中结合金属丝负载的固有真实物理特性，但有关金属丝负载的固有真实物理模型没有系统的分析，缺乏理论支持。另外目前研究等离子体不稳定性的仿真软件flash只能计算流体的运行规律，无法直接从室温下的固态金属丝进行计算，导致在进行电阻夹杂物种子对金属丝电爆炸影响的分析中，缺乏从真实的固体状态到熔化状态的分析。因此，对金属丝电爆炸进行电-热-力-磁多物理场耦合仿真，计算到熔点温度，进而得到熔点时刻的物理量是十分必要的。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法。
2、本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3、步骤1、获得金属丝的横切面扫描电镜图和纵切面扫描电镜图以及金属丝包含的所有种类元素的能
4、步骤2、从所有纵切面扫描电镜图中，找出粗糙度最高的一张，并选取该纵切面扫描电镜图中粗糙度最高的一个区域定义为区域a；然后提取区域a边界像素点的xy坐标，并测量区域a的边界长度；再将xy坐标值作为matlab的循环区间，并依次读取循环区间内每个像素点的灰度值；然后任意选取一张横切面扫描电镜图，在matlab中遍历该横切面扫描电镜图，确定与区域a相似度最高的区域定义为区域b；然后在matlab中再次遍历除上述横切面扫描电镜图之外的所有横切面扫描电镜图，找出与区域a的相似度超过阈值的所有区域作为区域c；最后由于区域a、区域b和区域c具有相似的特征，根据区域a、区域b和区域c在扫描电镜图上的大小、形状和位置，确定电阻夹杂物的大小、形状、位置和周期性规律；
5、步骤3、在comsol中，建立包含电阻夹杂物的金属丝模型：建立纯金属丝模型；根据步骤2得到的电阻夹杂物的形状和大小，确定单个电阻夹杂物模型；然后根据步骤2得到的电阻夹杂物的位置，将单个电阻夹杂物模型植入纯金属丝模型中的对应位置处，替代纯金属丝模型中的对应部分；然后按照步骤2得到的周期性规律，将所有的电阻夹杂物模型分别植入纯金属丝模型的对应位置处，得到包含电阻夹杂物的金属丝模型；
6、步骤4、在comsol中，分别确定步骤3得到的包含电阻夹杂物的金属丝模型中的金属丝区域和电阻夹杂物区域的材料参数；
7、步骤5、在comsol中，对建模过程中涉及到的电场和磁场模块、固体传热模块以及固体力学模块分别进行初始条件和边界条件的设置；
8、步骤6、在comsol中，进行多物理场耦合的设置；
9、步骤7、完成上述设置后，对步骤3得到的包含电阻夹杂物的金属丝模型进行网格划分，根据模型的不同区域细化和粗化网格；
10、步骤8、模型网格划分完成后，进行求解器的配置；
11、步骤9、求解器配置完成后，对步骤7的网格划分后的包含电阻夹杂物的金属丝模型进行仿真计算，得到comsol的仿真结果并对仿真结果进行分析。
12、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
13、(1)本专利技术基于comsol搭建可模拟金属丝电爆炸早期物理过程的电-热-力-磁多物理场耦合仿真模型，能更准确描述金属丝电爆炸早期物理过程的变化规律和特点，模型能够运行到熔点温度时刻结束。
14、(2)运行模型进行仿真计算，能够模拟金属丝电爆炸过程中的温度场和电场的分布情况。模型运行到熔点，解决了后续flash软件无法计算固态的问题，将comsol最后运行状态的温度、密度和电导率分布作为flash软件的初始状态，方便进行后续的仿真计算，实现了金属丝从室温固态到熔化阶段的物理状态变化的目的，并将最后时刻的温度、密度和电导率分布作为下一阶段的初始状态，为flash由流体方程控制的流体动力学磁化流体模型提供初始条件，有利于复现金属丝从室温固态到等离子体态的实际物理变化过程及建模仿真分析，更加真实地反应金属丝不稳定性的发展规律。
15、(3)本专利技术利用matlab分析电阻夹杂物模型，使得comsol三维物理模型的建立更加真实，解决了金属丝负载随机种子扰动这一关键难题。
16、(4)模型采用脉冲电流驱动金属丝负载相变的冷启动方式，仿真计算金属丝从室温固态到熔化阶段的物理状态变化过程。
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1.一种基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤1具体是：采用聚焦离子束技术制取实验所用的金属丝的局部横切面和局部纵切面两个电镜样品，然后分别进行扫描电镜拍摄和能谱分析，获得金属丝的局部横切面扫描电镜图和局部纵切面扫描电镜图以及金属丝包含的所有种类元素的能谱分析图。
3.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤4中，对于金属丝区域，根据实验所用的金属丝种类在COMSOL材料库中选取相应的材料参数。
4.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤4中，对于电阻夹杂物区域，首先在MATLAB中对任意一张扫描电镜图进行遍历像素点操作，得到像素点对应的所有灰度值，并且统计不同灰度值的出现次数；然后取出现次数最多的灰度值代表金属丝元素的灰度值，再根据G＝kZ2确定比例系数k的大小，其中G为灰度值，Z为元素的原子
5.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤5中，在电场和磁场模块中，设置所有的边界条件为电绝缘和磁绝缘，初始电势和磁矢势均为0；令金属丝的一端接地，另一端作为终端，终端类型为电流，依据实验中所爆金属丝的尺寸、材料及实验条件确定电流的波形及大小。
6.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤5中，在固体传热模块中，将所有边界设置为热绝缘，并将模型所有域的初始温度设置为室温，其中涉及到的公式原理为能量守恒定理，如式(2)所示：
7.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤5中，在固体力学模块中，设置固体力学的所有边界为自由边界，固体力学的初始位移和初始速度均为0；在线弹性材料中添加塑性部分，该模型涉及到的应变为小应变，等效应力屈服函数F定义了弹性状态的极限，F(σe,σys)≤0是设置塑性变形的开始，等效应力σe用von Mises应力表征；模型所使用的材料被认为是各向同性的，各向同性硬化模型用Johnson-cook模型表征：
8.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤6中，在多物理场模块中将电场和磁场与固体传热耦合为电磁热，将固体力学和固体传热耦合为热膨胀。
9.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤7中，采用超细化的网格划分方式对电阻夹杂物区域进行网格划分，采用粗化的网格划分方式对金属丝区域进行网格划分。
10.根据权利要求1所述的基于Comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤8中，选择默认求解器配置，配置求解模式为瞬态模式，先在频域-瞬态的时间栏根据实际实验结果设置仿真的时间和单位，然后根据研究物理过程的详细程度设置输出步长，然后检查选择的物理场和变量是否被勾选进行耦合求解。
...【技术特征摘要】
1.一种基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤1具体是：采用聚焦离子束技术制取实验所用的金属丝的局部横切面和局部纵切面两个电镜样品，然后分别进行扫描电镜拍摄和能谱分析，获得金属丝的局部横切面扫描电镜图和局部纵切面扫描电镜图以及金属丝包含的所有种类元素的能谱分析图。
3.根据权利要求1所述的基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤4中，对于金属丝区域，根据实验所用的金属丝种类在comsol材料库中选取相应的材料参数。
4.根据权利要求1所述的基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤4中，对于电阻夹杂物区域，首先在matlab中对任意一张扫描电镜图进行遍历像素点操作，得到像素点对应的所有灰度值，并且统计不同灰度值的出现次数；然后取出现次数最多的灰度值代表金属丝元素的灰度值，再根据g＝kz2确定比例系数k的大小，其中g为灰度值，z为元素的原子序数；再利用公式g＝kz2分别确定能谱分析图中检测出的所有元素各自对应的灰度值g；最后根据电阻夹杂物的类合金性质计算出电阻夹杂物的材料参数，材料参数包括密度和电导率。
5.根据权利要求1所述的基于comsol的金属丝电爆炸多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，步骤5中，在电场和磁场模块中，设置所有的边界条件为电绝缘和磁绝缘，初始电势和磁矢势均为0；令金属丝的一端接地，另一端作为终端，终端类型为电流，依据实验中所爆金属丝的尺寸、材料及实验条件确定电流的波形...
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