ANSYS 高级技术分析：耦合场分析定义
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SOLID5PLANE13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。
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。
ANSYS软件中耦合场分析方法及应用
ANSY S 软件中耦合场分析方法及应用王永新Ξ(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)摘 要:在水工结构计算中,大型通用商务有限元软件ANSY S 得到了广泛应用。
文章主要是介绍ANSY S 耦合场分析方法,以实例介绍耦合场分析的基本过程,并对不同的耦合方法进行比较,说明其各自适用的范围和特点。
关键词:ANSY S ,有限元,耦合场中图分类号:TP39117 文献标识码:B 文章编号:1006-3951(2006)04-0032-03 随着计算机软硬件技术的迅速发展,大型通用商务ANSY S 在水工结构计算中应用的比较多,该软件不仅可进行静力、动力、流体、温度、结构优化等有限元计算,还可对不同的物理场进行耦合分析。
下面介绍使用ANSY S 耦合场方法对大坝进行温度应力场的仿真分析及一个流—固耦合的实例,简述耦合场分析方法的基本过程,与大家共同学习。
1 耦合场分析概述耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。
在水电工程中,同一个建筑物或构筑物多是承受多个物理场同时作用的。
例如混凝土坝,在施工期不但要考虑其温度场同时还要计算其由于温度荷载等产生的应力场,在运行期还要考虑水流对大坝产生的作用。
因此要进行热—应力耦合分析、流体—结构耦合分析等。
耦合场分析依赖于所耦合的物理场,具体有两大类,即顺序耦合和直接耦合。
顺序耦合包括两个或多个按一定顺序排列的进行分析,为每一种属于某一物理场分析。
即通过将前一个物理场分析的结果作为载荷施加到第二个物理场分析中的方式进行耦合,适用于多场的非线性程度不是很高的情况;直接耦合只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元进行直接计算,适用于耦合场之间具有高度非线性的相互作用时。
由于顺序耦合中每种分析是相互独立的,其应用更有效也更灵活,如在热—应力耦合分析中,可以先进行瞬态或稳态热分析,然后进行结构应力分析。
可以将热分析中任一载荷步或时间的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。
ANSYS耦合场分析
ANSYS耦合场分析指南第三章2007-11-20 作者：安世亚太来源：e-works发表时间：关键字：ANSYS耦合场分析CAE教程3.141 静态分析对于静态分析，施加在换能器上的电压将产生一个作用在结构上的力。
例如如图 3 —3给机电换能器单元（TRANS126 ）施加电压（V l>V2 ）将产生静电力使扭梁旋转。
转换器单元本身就同时具有稳定和非稳定解，根据开始位置（初始间隙值），该单元可以收敛到任一个解。
静电换能器的静平衡可能是不稳定的。
增加电压电容板间的吸力增加间隙减少。
对间隙距离d,弹簧的恢复力正比于1/d静电力正比于1/d 2。
当电容间隙减少到一定值，静电吸引力大于弹簧恢复力电容板贴在一起。
相反地，当电压减小到一定值，静电吸引力小于弹簧恢复力电容板张开。
如图3 —4换能器单元有迟滞现象。
电压渐变到牵引值然后回复到释放值。
PositionPULL-IN 陽尸RELEASE__PULL-IN 忠赫療图3 —4机电迟滞如图及3 —5换能器单元本身有稳定及非稳定解。
该单元收敛到哪一个解依赖于起始位置（初始间隙大小）Force 8PULL-INVOLTAGEPOEASEFKJLLIM RELEASE图3 —5 TRANS126 单元静态稳定特性系统刚度由结构刚度和静电刚度组成，它可能是负的。
结构刚度是正的因为当弹簧拉长力增加。
但是平行板电容器的静电刚度是负的。
随间隙增加平行板间的吸力减少。
如果系统刚度是负的，在接近不稳定解时可能有收敛问题。
如果遇到收敛问题，用增强的刚度方法（KEYOPT（6）= 1）。
这个方法静电刚度设置为零保证正的系统刚度。
达到收敛之后，静电刚度自动重新建立可以进行后处理及后续的分析。
在静态分析中，必须完整定义横跨换能器的电压。
还可以施加节点位移和力，使用IC命令来施加初始位移可有助于问题收敛。
《ANSYSStructural Analysis Guide 》第二章对静力分析有详细描述。
ANSYS工程应用教程_热与电磁学篇
ANSYS 工程应用教程_热与电磁学篇随着ANSYS 版本的不断更新，ANSYS 的应用领域也日益广泛。
作为融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电、等一般工业及科学研究领域。
热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，电磁场分析包括二维静态、谐性、瞬态磁场分析，三维静态、谐性、瞬态磁场分析，高频电磁场分析和电场分析等。
ANSYS 热分析简介：图形用户界面方式（GUI ）或命令流方式进行计算。
ANSYS 如何进行热分析：实际上，其基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。
耦合场分析：这类涉及两个和多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。
主要方法有直接耦合和间接耦合。
直接耦合解法的耦合单元包含所有的自由度，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。
这种方法实际上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。
间接耦合法又称为序贯耦合法，通过把第一磁场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现良种场的耦合。
三种基本传热方式：传导：当物理内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。
傅立叶定律，又称导热基本定律hot cold A(T T )t dQ κ-=，Q 为时间t 内的传热量，κ为热传导率，T 为温度，A 为面积，d 为两平面之间的距离。
对流：温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。
流体被加热时：w f q h(t t )=-流体被冷却时：f w q h(t t )=-，w t 和f t 分别为壁面温度和流体温度，h 为对流热系数。
耦合场分析介绍
第13章 –耦合场分析
…概述
热应力产生 • • 结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形。 若变形受到某些限制 — 如位移约束或相反的压 力 — 则在结构中产生热应力。 产生热应力的另一个原因，是由于材料不同而形 成的不均匀变形（如，不同的热膨胀系数）。
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
- 传统方法是使用两种单元类型，将热分析的结果作为结构的温度荷载。
+ 当热瞬态分析时间点很多，但结构时间点很少时效率较高。 + 很容易用输入文件实现自动处理。
–
直接耦合
+ 比较新的方法，用一种单元类型就能求解两种物理场问题。 + 热和结构之间可实现真正的耦合。 - 在某些分析中可能耗费过多开销。
November 3, 2003 Inventory #001968 13-4
• 或用 ETLIST 和 KEYOPT 命令
November 3, 2003 Inventory #001968 13-6
第13章 –耦合场分析
…顺序耦合方法
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
b) 定义结构的材料性质 (EX等)，包括热膨胀系数 (ALPX) (若使用的是 ANSYS 提供的材料库，材料的热特性和结构特性均已定义，该项可以省略). 注意：如果没有定义 ALPX ，或将该项设置为零，则不计算热应变。可以用 该项技巧“关闭”温度的影响。 c) 指定静力分析类型，这一步只在热分析是瞬态分析时用。 Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis • 或用 ANTYPE 命令
ANSYS多物理耦合场有限元分析详细步骤操作
ANSYS热分析
传导
• 传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：
q*
Knn
T n
heat flow rate per unit area in
direction n
Where,
Knn thermalconductivity in direction n
T temperature
• 对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
ANSYS热分析
热力学第一定律
• 能量守恒要求系统的能量改变与系统边 界处传递的热和功数值相等。
• 能量守恒在一个微小的时间增量下可以 表示为方程形式
Estored Ein thru the boundary Eout thru the boundary Egenerated 0
SHELL57 SHELL131
LINK31,32,33,34
Quadratic
PLANE77 PLANE35
SOLID90 SOLID87
SHELL132
• 材料特性
– 至少需要 Kxx — 稳态分析热传导系数。 – 如果是瞬态分析，则需要比热 (C) 。 – 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特性。
T
Dt
如果时间步长 太大, 就不能 得到足够的温度梯度。
t
一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长 按需要增加时间步。下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方 法。
ANSYS热分析
时间步大小说明 (续)
在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和Fourier数。 Biot 数 是无量纲的对流和传导热阻的比率:
ANSYS低频电磁场的场路耦合分析功能
!
!定义定子槽尺寸参数
!(如果采用与前面一样的方式,这些数据也可以由菜单界面输入)
!
ss_h=72/1000 !槽高,转化为国际单位制(下同)
ss_w=17/1000 !槽宽
ss_ci=2/1000 !绕组层间绝缘厚度
ss_turn=48/2 !定子每个绕组导线根数
mp,rsvx,2,0.0434e-6 !导体电阻率
mp,murx,3,1 !导体导磁率,用于转子导条
mp,rsvx,3,0.0434e-6 !导体电阻率
!
!mp,murx,4,2000 !调试程序时,用线性材料,省时间些
tb,bh,4,,18 !铁芯,输入BH曲线
tbpt,,31.85,0.1
!!! !!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
finish
/clear
*cset,16,18,d4, 'Diameter of Rotor Axis(mm)', 280 !转子轴直径
multipro,'end'
r1=d1/2/1000 ! 定子外半径,转化为国际单位制
r2=d2/2/1000 ! 定子内半径,转化为国际单位制
gap=gap/1000 ! 定转子间气隙高度,转化为国际单位制
感应电机场路耦合分析应用实例
4、 两极三相感应电机场路耦合分析应用实例
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。
ANSYS多物理耦合场有限元分析
第28页/共99页
打开控制
打开控制
ANSYS热分析
第29页/共99页
阶跃还是渐变?
阶跃渐变
ANSYS热分析
第30页/共99页
阶跃还是渐变? (续)
要模拟阶跃载荷，将载荷在很短的时间内渐变施加到全值，然后在后续载荷步中保持不变。
问题: 对茶壶进行瞬态热分析。在底上施加热流模拟炉子的加热。热流载荷应该是阶跃的还是渐变的如果 . . .1. 茶壶在一个刚燃着的炉子上2. 茶壶载一个已经很热的炉子上
热-结构: 透平机叶片部件分析
结构-热耦合分析
第39页/共99页
间接方法 - 例题(续)
热-电: 嵌于玻璃盘的电热器
嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使得电线中有焦耳热产生。
结构-热耦合分析
第40页/共99页
间接方法 - 过程
在ANSYS中由两个基本方法进行序贯耦合场分析。它们主要区别在于每个场的特性是如何表示的:物理环境方法 - 单独 的数据库文件在所有场中使用。用多个物理环境文件来表示每个场的特性。手工方法 - 多个 数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存储在数据库中。在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
ANSYS热分析
第31页/共99页
什么是耦合场分析?
耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分析包括直接和间接耦合分析。
直接耦合直接方法
下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分析的单元类型。不是所有单元都有温度自由度。
结构-热耦合分析
第32页/共99页
什么是耦合场分析? (续)结构-热耦合分析源自第37页/共99页间接方法
间接方法 用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的分析(而不是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
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。
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