Analyse thermo-mécanique fusible – effet Joule

Au sein d’un appareil électrique (exemple du cœur électrique), le fusible est sensé « fondre » lorsque le courant électrique atteint la valeur nominale. A cette valeur de courant, la densité de courant dans la restriction de section devient telle que l’effet joule crée un échauffement atteignant la température de fusion du matériau qui le compose. La chaleur produite est très ponctuelle et décroit très vite à mesure qu’on s’éloigne de la zone de restriction de section. Ces variations de températures au sein de la zone conductrice du fusible conduisent à des dilatations différentielles et donc à l’apparition de contraintes thermomécanique.

Dans cette étude, on se propose de modéliser grâce à l’outil de simulation numérique en mécanique des fluides (CFD Computational Fluid Dynamics) et en mécanique des structures (FEA Finite Element Analysis) ces phénomènes, de la sollicitation par application d’une différence de potentielle jusqu’à la détermination de la déformée et du niveau de contraintes thermomécanique.

Conditions aux limites et modèles physiques du calcul thermique

• Une différence de potentiel continue est imposée entre les deux bornes. Le flux de courant ainsi que l’effet joule sont résolus.
• Le fusible est situé dans un air ambiant à 20°C et à pression atmosphérique
• Les échanges thermiques entre l’air et les matériaux composant le fusible (conducteur et isolant) se font par convection naturelle. La dilatation de l’air et la force gravitationnelle terrestre sont pris en compte dans la modélisation.
• L’échange thermique par rayonnement est pris en compte.

Résultats de l’étude thermique

La dissipation maximale dans le modèle est atteinte dans la restriction de section, là où la densité de courant est la plus importante. Les phénomènes de dispersion dans l’environnement de la chaleur émise (convection naturelle, rayonnement) s’équilibrent vers le champ de température stationnaire montré ici.

Conditions aux limites et modèles physiques du calcul mécanique

• Les déplacements ne sont pas autorisés sur les bornes du fusible
• La dilatation thermique est modélisée utilisant le profil de températures issu l’étude thermique
• La simulation est statique linéaire avec hypothèse des petits déplacements

Résultats de l’étude thermomécanique

Des pics de contraintes non physique sur les bornes dont dus à la condition aux limites très restrictive de blocage des déplacements sur ces zones. La zone centrale qui chauffe fort se dilate avec la plus grande amplitude. Les contraintes mécaniques sont les plus fortes dans cette zone. Le niveau des contraintes relevées dépasse largement la limite élastique du matériau ce qui est dû au caractère linéaire de la relation contraintes-déformations utilisé ici et qui amplifie la déformée de manière non physique. Un calcul élastoplastique pourrait renseigner sur la déformation réelle du composant.