耦合场分析 ppt课件
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《耦合理论》课件
有限差分法
总结词
有限差分法是一种将偏微分方程离散化 为差分方程的方法。
VS
详细描述
有限差分法通过将连续的时间和空间变量 离散化为有限个离散点，并使用差分近似 代替微分，将偏微分方程转化为离散的差 分方程组。然后，使用迭代或其他数值方 法求解该差分方程组，以获得近似解。
谱方法
总结词
谱方法是一种基于傅里叶级数或其它正交多 项式展开的数值方法。
详细描述
在电路中，耦合现象通常表现为信号的传递 和干扰。例如，变压器、电感和电容等元件 之间存在电磁耦合，这些耦合会导致信号的 传输和能量的损失。为了减小耦合效应，工 程师需要合理地设计电路布局和元件参数，
以优化电路性能。
建筑结构的耦合分析
总结词
建筑结构的耦合分析是指将结构视为一个整体，分析其各组成部分之间的相互作用和影 响。
02
根据影响和作用的范围，耦合可以分为局部耦合和全局耦合。局部耦合是指影 响和作用仅限于系统或组件的局部范围，而全局耦合则是指影响和作用遍及整 个系统或组件。
03
根据影响和作用的稳定性，耦合可以分为稳定耦合和不稳定耦合。稳定耦合是 指影响和作用在长时间内保持稳定，而不稳定耦合则是指影响和作用随时间变 化而变化。
时空耦合模型是指系统中各部分之间 的相互作用关系不仅与它们的状态变 量有关，还与时间和空间有关。
时空耦合模型在气候变化、地震预测 和城市规划等领域有广泛应用，例如 气候模式和城市交通网络等。
在时空耦合模型中，各部分之间的相 互作用力不仅与它们的状态变量成正 比，还与时间和空间有关，因此系统 状态的演化是时空相关的。
耦合的应用场景
01
在通信系统中，耦合可 以被用于描述信号传输 过程中的能量损失和干 扰现象。
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。
耦合场分析指南第一章
1-5
1.4 GUI路径及命令语言
ANSYS耦合场分析指南
贯穿于本手册，你将会看到对ANSYS命令及其相应GUI路径的引用。这种引用只是针对命令的 名称，因为不必总是需要指定命令所有变量，指定命令变量的组合执行不同的功能。对完整的ANSYS 命令的语法，查询《ANSYS Commands Reference》。
1.3 单位制
在ANSYS中应确保你所输入所有数据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析，参 见《ANSYS Commands Reference》中EMUNIT命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信 息。
对微电机械系统（MEMS），用更合适的单位制建立模型会更加方便，因为MEMS部件通常大 小为几微米。为方便，表1-1到1-8列出从标准的MKS转换到µMKSV 及µMSVfA及的转换系数。
F/m
[1]
能量
J
电容
F
电场
电通量密 度
V/m C/(m)2
量纲
A (kg)(m)2/(A)(s)3
(A)(s) (A)2(s)3/(kg)(m)3 (Kg)(m3/(A)2(s)3 (A)2(s)4/(kg)(m)3
(kg)(m)2/(s)2 (A)2(s)4/(kg)(m)2 (kg)(m)/(s)3(A)
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。它使用耦合变量一次求解得到 结果。直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。这些分析中使用 了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
参见本手册中第五章关于声学的更多信息。 参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中关于加载的更多信息。
109
(整理)耦合分析
耦合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。
流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用效应。
包括: 流-固耦合法、水弹性流体单元法、虚质量法。
（1）流-固耦合法流-固耦合法广泛用于声学和噪音控制领域中,如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱内的声场分布控制和研究等。
分析过程中,利用直接法和模态法进行动力响应分析。
流体假设是无旋的和可压缩的, 分析的基本控制方程是三维波方程, 二种特殊的单元可被用来描述流-固耦合边界。
(噪)声学载荷由节点的压力来描述, 其可以是常量, 也可以是与频率或时间相关的函数, 还可以是声流容积、通量、流率或功率谱密度函数。
由不同的结构件产品的噪声影响结果可被分别输出。
（2）水弹性流体单元法该方法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题。
《NMRJ自旋耦合》课件
际操作
实验设备与材料
01
核磁共振成像仪
用于检测样品中的原子核自旋磁矩 。
射频脉冲发生器
用于产生射频脉冲，以操纵原子核 自旋。
03
02
样品
需要被检测的物质，通常为液体或 固体。
接收器
用于检测射频信号，并将信号转换 为可观察的图像。
04
实验步骤与操作
安装样品
将样品放入核磁共振成像仪的 样品管中。
NMRI自旋耦合技术也被用于研究超导材料的电子结构和磁性质。通过测量自旋耦合参数的变化，可以深入了解 超导材料的物理性质和机制。
在化学领域的应用
有机化合物结构鉴定
自旋耦合技术广泛应用于有机化合物的结构鉴定。通过测量不同自旋核之间的耦合常数，可以推断出 分子中化学键的类型和连接方式，从而确定化合物的结构。
特性
具有高灵敏度、高分辨率和高信噪比 等优点，广泛应用于生物医学、化学 和物理学等领域。
NMRI自旋耦合的重要性
生物医学应用
用于研究生物分子结构和功能， 如蛋白质、核酸和细胞等，有助 于深入了解生命过程和疾病机制 。
化学研究
用于研究分子结构和化学反应机 理，有助于设计新药物和催化剂 ，优化化学合成路线。
要点二
结果分析
根据实验结果，分析样品的性质和结构，并得出结论。
THANKS
感谢观看
《nmrj自旋耦合》ppt课件
contents
目录
• NMRI自旋耦合基本概念 • NMRI自旋耦合的应用 • NMRI自旋耦合的研究进展 • NMRI自旋耦合的实际操作
01
NMRI自旋耦合基本概念
定义与特性
定义
NMRI自旋耦合是指不同自旋体系之 间的相互作用，通过磁场和射频场实 现信息传递和检测。
实验设备与材料
01
核磁共振成像仪
用于检测样品中的原子核自旋磁矩 。
射频脉冲发生器
用于产生射频脉冲，以操纵原子核 自旋。
03
02
样品
需要被检测的物质，通常为液体或 固体。
接收器
用于检测射频信号，并将信号转换 为可观察的图像。
04
实验步骤与操作
安装样品
将样品放入核磁共振成像仪的 样品管中。
NMRI自旋耦合技术也被用于研究超导材料的电子结构和磁性质。通过测量自旋耦合参数的变化，可以深入了解 超导材料的物理性质和机制。
在化学领域的应用
有机化合物结构鉴定
自旋耦合技术广泛应用于有机化合物的结构鉴定。通过测量不同自旋核之间的耦合常数，可以推断出 分子中化学键的类型和连接方式，从而确定化合物的结构。
特性
具有高灵敏度、高分辨率和高信噪比 等优点，广泛应用于生物医学、化学 和物理学等领域。
NMRI自旋耦合的重要性
生物医学应用
用于研究生物分子结构和功能， 如蛋白质、核酸和细胞等，有助 于深入了解生命过程和疾病机制 。
化学研究
用于研究分子结构和化学反应机 理，有助于设计新药物和催化剂 ，优化化学合成路线。
要点二
结果分析
根据实验结果，分析样品的性质和结构，并得出结论。
THANKS
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目录
• NMRI自旋耦合基本概念 • NMRI自旋耦合的应用 • NMRI自旋耦合的研究进展 • NMRI自旋耦合的实际操作
01
NMRI自旋耦合基本概念
定义与特性
定义
NMRI自旋耦合是指不同自旋体系之 间的相互作用，通过磁场和射频场实 现信息传递和检测。
有限元-其它分析-正式课件
4. 选择OK
1.选择将
3.不打开Allow defeaturing（
要输入 的SAT 文件.
推荐） 如果想进行标准的建模操作 和布尔操作，则关掉 Allow Refeaturing，否则 ，打开Allow Refeaturing 使模型简化工具可用（仅 提供有限的建模操作和布 尔操作）
2. 选择几何体类型: – 对体选择Solids – 对面选择Surfaces – 对线选择Wireframes
IGES输入选项和工具（续）
Marge间隙，建立实体模型，删除小面
ANSYS 输 入 IGES 文 件 选 项，自动 Merge 间 隙， 删除小面，建立实体
IGES输入过程
Objective
1-3. .
输入IGES模型
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
输入IGES模型的菜单路径: Utility Menu: File > Import > IGES...
谢谢！
Pro/E输入过程
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
输入Pro/E模型: Utility Menu: File > Import > Pro/E...
4. 单击 OK.
3. 不打开Allow Defeatuning
1. 选择将
要输入 的Pro/E 文件.
（建议） 如果想进行标准的建模操作 和布尔操作，则关掉 allow refeaturing， 否 则 ， 打 开 allow refeaturing 这将使模型简化工具可用 。（注意：仅提供有限的 建模操作和布尔操作）
IGES输入选项和工具
拓扑修复工具 可用的修复工具:
1.选择将
3.不打开Allow defeaturing（
要输入 的SAT 文件.
推荐） 如果想进行标准的建模操作 和布尔操作，则关掉 Allow Refeaturing，否则 ，打开Allow Refeaturing 使模型简化工具可用（仅 提供有限的建模操作和布 尔操作）
2. 选择几何体类型: – 对体选择Solids – 对面选择Surfaces – 对线选择Wireframes
IGES输入选项和工具（续）
Marge间隙，建立实体模型，删除小面
ANSYS 输 入 IGES 文 件 选 项，自动 Merge 间 隙， 删除小面，建立实体
IGES输入过程
Objective
1-3. .
输入IGES模型
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
输入IGES模型的菜单路径: Utility Menu: File > Import > IGES...
谢谢！
Pro/E输入过程
1. ..... 2. ..... 3. ..... Procedure
输入Pro/E模型: Utility Menu: File > Import > Pro/E...
4. 单击 OK.
3. 不打开Allow Defeatuning
1. 选择将
要输入 的Pro/E 文件.
（建议） 如果想进行标准的建模操作 和布尔操作，则关掉 allow refeaturing， 否 则 ， 打 开 allow refeaturing 这将使模型简化工具可用 。（注意：仅提供有限的 建模操作和布尔操作）
IGES输入选项和工具
拓扑修复工具 可用的修复工具:
某电机多物理场耦合分析
某电机多物理场耦合分析电机多物理场耦合分析是指在电机工作过程中，考虑多个物理场之间的相互作用，综合分析电磁场、热场、结构场等多个物理场之间的耦合关系。
电机作为一种能够将电能转换为机械能的设备，在其运行过程中会受到电磁力、热能损失、结构强度等多种因素的影响，要准确地分析和理解电机的工作原理和性能特征，就需要对电机的多物理场耦合进行详细的分析和研究。
首先，电磁场与热场的耦合分析是电机多物理场耦合分析的核心内容之一、电机通过电磁场的作用来实现能量转换，而电磁场的产生和分布与电机内部的热量产生和分布有密切关系。
在电机工作过程中，电流通过线圈产生磁场，线圈本身的电阻会产生热量，而电机的热量又会影响电流的分布和线圈的磁场特性。
因此，对电机电磁场和热场之间的耦合关系进行分析和研究，对于提高电机的效率和性能具有重要意义。
其次，电机的结构场和热场之间的耦合分析也是电机多物理场耦合分析的一个关键问题。
电机的结构特性和材料的热导率等因素会影响电机内部热量的传导和分布，从而对电机的热场特性产生影响。
另一方面，电机在工作过程中会受到机械应力的作用，机械应力会导致电机的结构变形和应力集中，从而影响电机的热场分布和热传导特性。
因此，通过对电机的结构场和热场之间的耦合关系进行分析和研究，可以更好地理解电机的机械性能和热特性。
最后，电磁场与结构场的耦合分析也是电机多物理场耦合分析的重要内容之一、电机在工作过程中会受到电磁力的作用，而这些力会导致电机的结构变形和结构应力的分布。
另一方面，电机的结构特性和结构材料的性质也会影响电机的电磁场特性和电磁场分布。
因此，通过对电机的电磁场与结构场之间的耦合关系进行分析和研究，可以更准确地预测电机的机械特性和电磁特性。
综上所述，电机多物理场耦合分析是一项复杂而又关键的研究内容，可以从电磁场与热场的耦合分析、电机的结构场与热场之间的耦合分析以及电磁场与结构场的耦合分析等多个角度来进行研究和分析。
ANSYS多物理耦合场有限元分析
ANSYS热分析
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:
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:
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热-电磁场: 钢芯的热传递
传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域 的 交变电流在钢芯内产生焦耳热。 钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯 度很大，因此必须考虑钢芯材料特性随温度 的变化。而且，磁场变化的强度和方向都会 改变。
象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势{A}，就能计算 出电流密度向量{J}。它用来计算下式中的焦耳热:
是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
许多问题需要热到结构 的耦合(温度引起的热
热
结构
膨胀)
但反之不可
结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变将不对
初始的热分析结果产生影响)
热
结构
在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单 元，不用进行多次迭代计算。
ppt课件
10-8
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
热—结构: 热轧铝板
铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应 变。
机械和热载荷使得板产生大应变。新的热 分析必须计入形状改变。
ppt课件
10-4
直接方法 - 例题 (续)
ppt课件
10-10
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。
10-9
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。
由于热效应，电线和盘中温度增加。由 于系统的温度变化不大，热引起的电阻 变化被忽略。因此，电流也是不变的。
+V-
当电压{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳 热:
Qj
P
oweV r 2 R
• 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。
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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：
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。
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10-7
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
Airfoil Platform
Root
间接方法 - 例题
下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法进 行分析的例子:
热-结构: 透平机叶片部件分析
叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显 著影响应力状态。
由于应变较小，而且接触区域是平面对平面的 ，因此温度解不用更新。
Disk Sector
这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。 ppt课件
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。
ppt课件
10-2
什么是耦合场分析? (续)
间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为 后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。
本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响应（如热 ）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成立。本方法一般来 说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都支持所有
在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
ppt课件
10-11
物理环境
为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义多个 物理环境。 一
个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内 容:
• 单元类型和选项
• 节点和单元坐标系
• 耦合和约束方程
在建立带有物理环境的模型时，要选择 相容于所有物理场的单元类型。例如， 8节点的热块单元与8节点的结构块单元 相容，而不与10节点结构单元相容:
– 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
Qj RM PSow Im e22ra Rx
ppt课件
10-5
直接方法 - 前处理
在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面:
• 使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。模型中不需 要耦合的部分应使用普通单元。
• 仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。耦合场单元相 对来说有更多的限制(如, PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元 可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。
Chapter 10
耦合场分析
(以热—应力为重点)
ppt课件
10-1
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。
当进行直接耦合时, 多个物理场（如热—电 ）的自由度同时进行计算。这称为直接方 法，适用于多个物理场各自的响应互相依
赖的情况。由于平衡状态要满足多个准则 才能取得，直接耦合分析往往是非线性的 。每个结点上的自由度越多，矩阵方程就 越庞大，耗费的机时也越多。
耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供热—电直接耦合 。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。
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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。
传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域 的 交变电流在钢芯内产生焦耳热。 钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯 度很大，因此必须考虑钢芯材料特性随温度 的变化。而且，磁场变化的强度和方向都会 改变。
象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势{A}，就能计算 出电流密度向量{J}。它用来计算下式中的焦耳热:
是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
许多问题需要热到结构 的耦合(温度引起的热
热
结构
膨胀)
但反之不可
结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变将不对
初始的热分析结果产生影响)
热
结构
在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单 元，不用进行多次迭代计算。
ppt课件
10-8
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
热—结构: 热轧铝板
铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应 变。
机械和热载荷使得板产生大应变。新的热 分析必须计入形状改变。
ppt课件
10-4
直接方法 - 例题 (续)
ppt课件
10-10
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。
10-9
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。
由于热效应，电线和盘中温度增加。由 于系统的温度变化不大，热引起的电阻 变化被忽略。因此，电流也是不变的。
+V-
当电压{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳 热:
Qj
P
oweV r 2 R
• 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。
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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：
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。
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10-7
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
Airfoil Platform
Root
间接方法 - 例题
下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法进 行分析的例子:
热-结构: 透平机叶片部件分析
叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显 著影响应力状态。
由于应变较小，而且接触区域是平面对平面的 ，因此温度解不用更新。
Disk Sector
这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。 ppt课件
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。
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10-2
什么是耦合场分析? (续)
间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为 后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。
本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响应（如热 ）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成立。本方法一般来 说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都支持所有
在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
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10-11
物理环境
为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义多个 物理环境。 一
个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内 容:
• 单元类型和选项
• 节点和单元坐标系
• 耦合和约束方程
在建立带有物理环境的模型时，要选择 相容于所有物理场的单元类型。例如， 8节点的热块单元与8节点的结构块单元 相容，而不与10节点结构单元相容:
– 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
Qj RM PSow Im e22ra Rx
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10-5
直接方法 - 前处理
在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面:
• 使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。模型中不需 要耦合的部分应使用普通单元。
• 仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。耦合场单元相 对来说有更多的限制(如, PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元 可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。
Chapter 10
耦合场分析
(以热—应力为重点)
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10-1
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。
当进行直接耦合时, 多个物理场（如热—电 ）的自由度同时进行计算。这称为直接方 法，适用于多个物理场各自的响应互相依
赖的情况。由于平衡状态要满足多个准则 才能取得，直接耦合分析往往是非线性的 。每个结点上的自由度越多，矩阵方程就 越庞大，耗费的机时也越多。
耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供热—电直接耦合 。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。
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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。