COMSOL 薄膜热电偶仿真（一）：环形热结点几何建模全流程 —— 工作平面 + 多边形差集法

本文是「不同尺寸 NiCr-NiSi 薄膜热电偶激光辐照热电仿真」系列的第一篇，介绍几何建模部分。

1. 模型整体结构

仿真对象为堆叠式薄膜热电偶，由中心圆形热结点区、环形过渡区以及两侧 NiCr/NiSi 引线组成。模型建立 5 个组件（comp1~comp5），分别对应 20mm、16mm、12mm、8mm、4mm 五种热结点直径，便于对比尺寸效应。

由于薄膜厚度仅 800nm，远小于面内尺寸（mm 级），因此采用壳（Shell）模型，在二维边界上求解三维厚度方向的传热与导电，大幅降低计算量。

2. 工作平面 1（wp1）：绘制外轮廓与引线

在工作平面 1 上绘制三个基本图元：

• 圆 1（c1）：半径 10mm（以 16mm 组件为例），居中放置，定义热结点外轮廓；

• 多边形 1（pol1）：通过表格输入顶点坐标，绘制 NiSi 侧引线，从圆边缘向外延伸并弯折；

• 多边形 2（pol2）：同理绘制 NiCr 侧引线，与 pol1 关于圆心对称。

多边形顶点坐标示例（NiSi 侧）：编辑

3. 差集运算：分离引线与热结点

执行差集 1（dif1）：

• 要添加的对象：pol1、pol2（两条引线）

• 要减去的对象：c1（圆）

• 勾选「保留要减去的对象」和「保留内部边界」编辑

这样引线在圆内的部分被切除，圆被完整保留，引线与圆之间形成清晰的内部边界，后续用于分配不同材料。

4. 工作平面 2（wp2）：绘制内圆

在工作平面 2 上绘制第二个圆（c1），半径 8mm，同样居中。该圆用于定义中心热结点的内边界。编辑

5. 三维差集：形成环形区域

再次执行差集运算：

• 要添加的对象：wp1（包含外圆 + 引线的整体）

• 要减去的对象：wp2（内圆）

• 勾选「保留要减去的对象」和「保留内部边界」编辑

运算后得到三个区域：中心内圆（热结点核心区）、环形区域（两种材料交叠的过渡区）、两侧引线。最后执行形成联合体（fin），将所有图元合并为一个几何对象。

6. 多尺寸组件复用

20mm、12mm、8mm、4mm 组件采用完全相同的建模流程，仅修改圆 1 和圆 2 的半径即可。通过参数化半径可实现一键切换尺寸，建议将半径设为全局参数（如 R_outer、R_inner），方便批量研究。

小结：本文用「双工作平面 + 两次差集 + 联合体」的方法，高效构建了带引线的环形薄膜热电偶几何。下一篇将介绍材料属性与多层壳堆叠设置。