耦合场分析
ANSYS耦合场分析_热应力
例如: 如果结构网格包括在热模型中不存在的圆角 时，许多节点将落在热模型的外面。如果圆角足 够大而且热模型足够细致，圆角区域的载荷将不 能写出。
10-15
基本过程
在热-应力分析中，由温度求解得到的节点温度 将在结构分析中用作体载荷。 当在顺序求解使用手工方法时将热节点温度施加到结构单元上有两种选项。选择 的原则在于结构模型和热模型是否有相似的网格划分:
如果热和结构的单元有相同 的节点号码. . .
1
• 热模型自动转换为结构模型，使用 ETCHG 命令(见相应单元表格)。 • 温度可以直接从热分析结果文件读出 并使用LDREAD 命令施加到结构模型 上。
10-3
直接方法 - 例题
在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和FLUID116热—流单元。该单元具有 热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由度。绝大多数 的实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
• 不同场之间使用统一的单位制。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使 用瓦(焦耳/秒)，热单位就不能使用Btu/s。
• 由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。
10-6
直接方法 - 加载, 求解, 后处理
在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面： • 如果对带有温度自由度的耦合场单元选择 瞬态 分析类型的话： – 瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。 – 瞬态电效果(电容，电感)不能包括在热-电分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度 被 激活)。 – 带有磁向量势自由度的耦合场单元可以用来对瞬态磁场问题建模(如,SOLID62). 带 有标量势自由度的单元只能模拟静态现象(SOLID5)。 • 学习每种单元的自由度和允许的载荷。耦合场单元允许的相同位置(节点,单元面等)施加多 种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。 • 耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor 和 Line Search 功能改善收敛性。 • 考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。
某电机多物理场耦合分析
某电机多物理场耦合分析1、概述为了验证ANSYS耦合场分析功能在电机设计中的应用，采用ANSYS的多物理场耦合分析功能，对某机车牵引电机（包括定子、转子）的耦合场分析作了如下工作：1建立起电机用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；2首先进行电机磁场分析，计算获取了电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；3利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机的温度分布；4使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况。
同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析。
所有分析相互间的载荷和边界条件的传递均由程序自动完成。
2、引言众所周知，在电机设计与研究中，要涉及到电磁、绝缘、发热、通风冷却和力学等多种多样的问题，是一个典型的综合性研究学科，各学科之间是相互关联、相互影响的，是典型的多场耦合问题学科。
由于多场耦合问题的研究十分复杂和困难，传统的电机分析研究方法，是把这些相互关联的问题分离，按各学科分类进行独立的研究。
ANSYS是世界上唯一真正能够在同一个界面下，使用统一的数据库进行完善的电磁场、流场、温度场、结构（应力场）耦合分析的商业软件。
应用ANSYS的这种多场耦合能力可以很方便地研究电机的多场耦合问题。
为了实际考核ANSYS的电磁、热、流体（通风冷却）、结构这些多物理场及其耦合分析在电机设计和研究中的应用能力，ANSYS公司成都办事处对某牵引电机进行了多物理场耦合研究分析。
研究分析的内容为：运用ANSYS软件建立起电机（包括定子和转子）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；首先进行电机磁场分析，计算获取电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；在同一个分析模型上，利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热直接耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机在一定的通风量情况下的温度分布规律（同时还包括流体速度、压力等参数）；最后使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及流体－热直接耦合分析中获得的温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况，并同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安全性能。
多物理场耦合分析与高性能计算
1 多物理场耦合分析软件
• COMSOL Multiphysics • ANSYS Multiphysics • ADINA
1.1 COMSOL Multiphysics
• “第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”
• COMSOL Multiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox 1.0。后来改名为Femla b 1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。从2003年 3.2a版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。
CFD-Flo
ANSYS Multiphysics
结构和热分析
ANSYS Mechanical
结构、热和低频 电磁场分析FX和Fl
uent求解器。
1.2 ANSYS Multiphysics应用实例
• 流固耦合 -汽车燃料喷射器，控制阀，风扇，水泵
• COMSOL Multiphysics以其独特的软件设计理念，成功地实现了任意多物理场、直接、双向实 时耦合，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
1.1 COMSOL Multiphysics
• COMSOL Desktop COMSOL桌面提供了清晰的模型树，与当今主流CAD软件类似的桌面架构，使用户可以轻松地 完成从建模过渡到分析的整个过程，犹如在CAD中建模一样便捷地掌控仿真分析的每个环节
• 值得注意的是，ADINA中的FSI是真实流固耦合，而非一般CFD软件的单纯moving boundary， 而其网格重建也非一般的ALE方法，而是真正的即时重建。
2 实例——电子产品多物理场耦合仿真
• 电子产品多物理场耦合仿真涉及CAD/CAE/CAO、虚拟样机、软件集 成、协同仿真、中间件、可视化等技术，其相关研究以系统建模 为基础
ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础
ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础耦合场分析概述前⾔耦合场分析，也称为多物理场分析，分析不同的物理场的相互作⽤以解决⼀个全局性的⼯程问题。
例如，当⼀个场分析的输⼊依赖于从另⼀个分析的结果，那么分析就会被耦合。
耦合⽅式有：单向耦合：前⼀个分析的结果作为载荷施加给下⼀个分析，⽽下⼀个分析的结果不会影响前⼀个场的分析结果。
例如，在热应⼒问题中，温度场会在结构场中引⼊热应变，但是结构应变通常不会影响温度分布。
因此，⽆需在两个现场解决⽅案之间进⾏迭代。
双向耦合：两个物理场的结果会相互影响。
例如，⾮线性材料的感应加热中，谐波电磁分析计算出焦⽿热，该热在瞬态热分析中⽤于随时间变化的温度解，⽽温度的变化会反过来影响电磁场材料属性的变化，从⽽改变电磁分析结果。
⼀、耦合场分析类型1.直接耦合场分析直接⽅法通常只包含⼀个分析，它使⽤⼀个包含所有必需⾃由度的耦合单元类型，通过计算包含所需物理量的单元矩阵或单元载荷向量的⽅式进⾏耦合。
具有直接耦合功能的单元有：SOLID5 ---------3-D 耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)PLANE13---------⼆维耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID29 ---------⼆维声学流体 单元(声学矩阵的推导)FLUID30 ---------3-D 8 节点声学流体单元 (声学矩阵的推导)LINK68------------热电耦合杆单元SOLID98----------四⾯体耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID116---------热流体耦合管单元CIRCU124--------电路单元TRANS126-------机电转换器单元(电容计算，耦合机电⽅法)SHELL157--------热电耦合壳单元FLUID220---------3-D 20 节点声学流体单元FLUID221---------3-D 10 节点声学流体单元PLANE222--------⼆维 4 节点耦合场实体单元PLANE223--------⼆维 8 节点耦合场实体单元SOLID226---------3-D 20 节点耦合场实体单元SOLID227---------3-D 10 节点耦合场实体单元PLANE233--------⼆维 8 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID236--------3-D 20 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID237--------3-D 10 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)优点：1.允许解决通常的有限元⽆法解决的问题。
激光重熔热力耦合场有限元分析流程
这 些 零 件 的 表面 重熔 时 必 须 建 立 真 实 形 状 参 数， 而 工 艺 参 数 则 是 熔 池 温 度 及 形 状 变 随 温 度 变 化 ， （ ３ ） 忽略熔池 流动； （ ４ ） 忽 略 材 如 果 模 型结 构 较 为 对 称 ， 可 化 的原 因 ， 具体 工艺 参 数包 括 ： 激 光功 率Ｐ 、 料 的汽 化 作用 。 对应 力场 的假 设 为 】 ： （ １ ） 材 的 有 限元 模 型 ， 以 考 虑 采用 １ ／ ２ 或ｌ ／ ４ 建 模方 式 。 对 于 复 杂 扫 描 速 度Ｖ、 光 斑 直径 Ｄ等 。 有限元模拟 即 料 连 续 和 各 向同性 ； （ ２ ） 忽 略 熔 池 流体 的 流 结构 零件， 国 内 外 学 者 大 多 采用 在 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ 将 激 光 功率 Ｐ 、 扫 描速 度 Ｖ 、 光 斑 直 径 Ｄ和材 动 ， 将流 体 假 设成 流 动应 力很 低 的固体 ； （ ３ ） 或 ＵＧ 等 软件 中建 立 三 维 模 型 再 通 过 Ｉ Ｇ Ｅ Ｓ 料 热 物 理 性 能 等 参 数 以 数 学 模 型 的 形式 加 涂 层和 基 体 均采 用 弹 塑性 材 料 模 型 ； （ ４ ） 忽 等 图形 交换 格 式 导入 有 限 元 分 析 软 件 中的 载 在所建立 的模型上， 从 而 模 拟 出 熔 池 温 略 材 料 塑 性 变 形 的 生 热 ， 即 采 用 热 力 弱 耦 方法， 并在 数 据 库 里 形 成 节点 、 单 元 等 模 型 度场 ， 由于 温 差 的 存 在 所 引起 的 膨 胀 或 收 合 ； （ ５ ） 不 考虑 初始 应 力 。 数 据 ， 如 图３ 所示 。 缩， 当所 引起 的膨 胀 与收 缩 受 到无 外力 约束 激 光重熔过 程中， 激 光 束 的 能 量 以 热 网 格 划 分 质 量 直 接 影 响 有 限 元 分 析 时， 在物 体 内部 产 生 由于温 度 变 化所 引起 的 流 密 度 的 形 式 输 入 到 金 属 表 面 上 ， 从 而 产 结 果 的 准确 性 和 精 度 ， 因 此 划 分 网 格 时 要 热 变 形 受 到 约 束 而 产 生 的应 力称 之 为 热 应 生 随 时 间变 化 的 温 度 场 。 根 据 傅里 叶 定 律 充 分 考 虑计 算 时 间和 计 算 精度 的 统 一 性 。
ANSYS分析指南精华：耦合场分析
第四章耦合场分析耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。
例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。
其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。
耦合场分析的类型耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。
序贯耦合解法序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。
它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场1的耦合的。
例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。
直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。
在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。
例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。
何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。
例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。
而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。
这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。
直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。
直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁2场耦合分析。
求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。
3。
Ansys经典界面耦合场分析单元转换
维度：3D
耦合场：热-应力；热-电-磁；热-应力-电-磁
节点数：8
自由度：温度；结构位移；电势；磁矢势
单元几何形状
PLANE13
维：2D
耦合场：热-应力；热-电
节点数：4
自由度：温度；结构位移；磁矢势
单元几何形状
PLANE67
维度：2D
耦合场：热-电
节点数：4
自由度：温度；电势
单元几何形状
单元几何形状
PLANE223
维度：2D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电；热-压电
节点数：8
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
SOLID226
维度：3D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电；热-压电
节点数：20
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
SOLID227
维度：3D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电；热-压电
④4节点四边形
⑤8节点四边形
⑥圆锥体
⑦圆柱体
⑧球体
CONTA171
维度：2D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电
节点数：2
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
CONTA172
维度：2D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电
节点数：3
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
CONTA173
维度：3D
LINK68
维度：3D
耦合场：热-电
节点数：2
自由度：温度；电势
单元几何形状
SOLID69
维度：3D
耦合场：热-电
节点数：8
柴油机气缸套耦合场的有限元分析
ｕ ｐ ｒｐ ｒ ｆｉ ｎ ｒ ｓ ｒａ ｅ ｉ ｈ ｙ ｉ ｄ ｒｌｎ ｒ ａ ｅ ｈ ｇ ｏ ５ ２ Ｋ，ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｅｄ ｄ ｓｉ— ｐ ｅ ａ ｔｏ ｎ ｅ ｕ ｆ ｃ ｎ ｔ ｅ ｃ ｌｎ ｅ ｉ ｅ ，ｃ ｎ ｂ ｉ ｈ ｕｐ ｔ ８ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｉｔ ｉ ｌ
界条件 ， 缸套 与机 架 问 的边 界条 件 以及 缸 套冷 却 水
对 气缸套 冷却水 侧 的第三类 热边界 （ 图 ３中 如 Ｂ Ｃ段 ） 采 用 Ｃ Ｄ—Ｆ Ａ 流 固耦 合 的 方 式 进 行 施 ， Ｆ Ｅ
加， 首先对 发动机 冷却 系统进 行流动 和传热 分析 ， 然 后将气 缸套 侧水 腔表 面的温 度值 和换 热 系数值 映射
机体与螺栓之间的接触。 气 缸套 的 材 料 为 铸 铁 ， 能 参 数 如 下 ： 度 性 密
７ ５ ｋ／ 比 热 容 ４ ０／ ｋ ・Ｋ） 导 热 系 数 ３０ ｇｍ ， ８Ｊ（ ｇ ，
４ Ｗ／ ｍ ・ ， ５ （ Ｋ） 弹性模 量 １０ Ｐ ， ３ Ｇ ａ 线膨 胀 系 数 １ ２ ．Ｅ
的变形 破坏 了活塞 环 的 密 封性 能 ， 发 动机 的正 常 对
对其 影 响因素 进行 分析 ， 为缸 套设计 提供 科学 依据 。
ｌ 有 限元 模 型
本 次计 算 以某 柴 油 机 气缸 套 为研 究 对 象 ， 算 计
模 型 包括 ： 缸套 、 气 机体 、 气缸 盖 、 缸盖 螺栓 和气 缸 气 垫等 ， 图 １ 示 。为 了保 证计 算结 果真 实可 靠 ， 如 所 对
式 （ ） （ ） 以求得 轴 向距 气缸 顶部Leabharlann ｈ ０＜ｈ＜Ｓ １和 ２ 可 （ ）
图 ２ 气 缸 套 模 型
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ANSYS非线形分析指南基本过程
第四章耦合场分析
耦合场分析的定义
耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。
例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。
其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。
耦合场分析的类型
耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。
序贯耦合解法
序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。
它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。
例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。
直接耦合解法
直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。
在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。
例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。
何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法
对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。
例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。
而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。
这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。
直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。
直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。
求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。
第1页。