Microwave-induced thermoacoustic imaging (MTI) has the advantages of high resolution, high contrast, non-ionization, and non-invasive. Recently, MTI was used in the field of breast cancer screening. In this paper, based on the finite element method (FEM) and COMSOL Multiphysics software, a three-dimensional breast cancer model suitable for exploring the MTI process is proposed to investigate the influence of Young’s modulus (YM) of breast cancer tissue on MTI. It is found that the process of electromagnetic heating and initial pressure generation of the entire breast tissue is earlier in time than the thermal expansion process. Besides, compared with normal breast tissue, tumor tissue has a greater temperature rise, displacement, and pressure rise. In particular, YM of the tumor is related to the speed of thermal expansion. In particular, the larger the YM of the tumor is, the higher the heating and contraction frequency is, and the greater the maximum pressure is. Different Young’s moduli correspond to different thermoacoustic signal spectra. In MTI, this study can be used to judge different degrees of breast cancer based on elastic imaging. In addition, this study is helpful in exploring the possibility of microwave-induced thermoacoustic elastic imaging (MTAE).

介绍并分析了一种新型的电介质基底, 旨在提升微波加热的温度分布均匀性。该基底为非轴对称结构, 由 FR-4环氧玻璃纤维板与氧化铝制成, 其几何参数的选定是以降低球形介质样品的平均温升变异系数为目的。为探究电介质基底对微波加热均匀性的影响, 采用球形马铃薯为研究对象, 利用 COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件模拟微波加热过程, 并计算马铃薯的平均温升变异系数。仿真结果表明: 相比于不加载基底直接加热, 加载电介质基底加热的马铃薯样品的平均温升变异系数降低了 40%以上。最后, 进行实验测试验证计算的有效性, 实验结果表明: 实验测试与仿真计算结果一致, 温度上升曲线吻合较好, 使用该电介质基底可以有效改善微波加热的均匀性。

光机热仿真分析是预测光学系统光学性能及结构优化的有效手段，本文提出了一种基于有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysics，耦合固体传热学、固体力学以及几何光学的多物理场耦合建模方法，实现了离轴四反光学系统的光机热一体化仿真，避免了传统的光机热仿真分析在不同软件间信息传递和转换的过程，提高了仿真的集成性。本文针对离轴四反光学系统构建其多物理场耦合仿真分析模型，分析了光学系统在不同温度条件下的结构变形和光学镜面变形，并通过光线追迹和点列图判断光学性能变化，为后续开展光学系统的优化提供了一种有效手段。

为精准还原单脉冲激光褪漆过程，建立了单点褪漆有限元计算模型，分析了激光褪漆的温度场和热应力场变化规律，通过生死单元技术实现了漆层形貌仿真还原，并完成了不同功率的激光试验对比验证。结果表明：单脉冲激光褪漆过程中，温度判据决定最大烧蚀形貌深度，热应力判据决定最大烧蚀形貌宽度。所提多物理场分析模型获得的褪漆形貌与试验的平均贴合度达到93.3%，较传统单温度场的仿真形貌精度提高6.5%，该研究对实际激光褪漆工艺具有较好的指导与应用价值。

通过耦合温度场、熔池流场、多组分浓度场建立三维数值模型,并结合正交参数设计与极差分析研究了工艺参数对Ni/304SS激光传导焊接中接头元素重分布的影响。以Fe元素为研究对象,量纲分析结果表明,焊接过程中合金元素的输运机制由熔池对流主导。用流入Ni侧的Fe元素平均含量表征熔池中的元素分布情况,设计了L₂₅(5 ³)正交模拟实验,并通过极差分析研究工艺参数的相对重要性。结果表明,扫描速度的极差为9.45%,光斑偏移量的极差为9.17%,功率的极差为1.11%。流入Ni侧的Fe元素平均质量分数与扫描速度负相关,与偏移量正相关。此外,适当降低扫描速度并将光斑向304SS侧偏移有利于Fe元素的稀释,使其分布更均匀。

为了在高功率体声波谐振器的设计中考虑自热效应的影响, 提出一种声-电磁-热多物理场协同仿真方法, 来模拟自热导致的频率偏移, 并针对此频率偏移的消除问题, 提出了相应的修正方案。首先, 由常用的Mason模型设计出满足谐振频率要求的初始谐振器。接着, 通过声-电磁-热多物理场协同仿真得到自热导致的频率偏移。然后, 初步调整压电层厚度, 来抵消此频率偏移。最后, 对调整后的谐振器迭代进行声-电磁-热多物理场协同仿真, 以确定压电层厚度的调整量。结果表明: 自热效应会导致高功率体声波谐振器的谐振频率明显下偏(谐振器案例的频率偏移量为3 MHz), 通过减薄压电层厚度(案例中为1.7 nm)可彻底消除此频率偏移。所提出的高功率体声波谐振器的修正方案能有效地解决自热效应导致的谐振频率偏移问题。

介绍了自主研发的强电磁脉冲多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-System的情况，该程序采用时域有限元方法，基于JAUMIN并行自适应结构网格支撑框架研制，并行效能高，可扩展性强，且支持动态负载平衡。通过算例测试表明，该程序对于键合线的电-热-应力失效过程的最高温度与范式等效应力计算结果与COMSOL软件计算结果吻合较好；SiP功率放大模块的热-应力耦合天河2高性能计算平台并行计算结果表明，该程序在CPU1024核时，具有38.1%并行效率。

采用稳态磁场和电场耦合形成定向洛伦兹力，基于多物理场耦合原理及网格变形法建立了定向洛伦兹力作用下的熔池模型，采用离散元法模拟了熔池内的气泡运动过程。与熔覆工艺条件相同但未施加外场时比较，结果显示，定向洛伦兹力具有优异的气孔调控能力。当洛伦兹力向上时，熔池的最高流速被抑制了62.5%，气泡运动方向向下偏转，熔覆层的气孔明显增多; 当洛伦兹力向下时，熔池的最高流速被抑制了25%，但气泡因所受浮力增大而逸出加速，熔覆层无气孔。仿真结果与实验结果吻合良好，验证了仿真模型的可靠性。