ANSYS多物理耦合场有限元分析.ppt

ANSYS多物理耦合场有限元分析ANSYSANSYS多物理耦合多物理耦合场有限元分析有限元分析结构构-热耦合分析耦合分析流体流体-固体固体耦合分析耦合分析.ANSYS中的典型物理量(国际单位制)温度温度热流量流量热传导率率密度密度比比热对流流换热系数系数热流流温度梯度温度梯度内部内部热生成生成Degrees C(or K)WattsWatts/(meter.degree C)kilogram/(meter3)(Watt.sec)/(kilogram.degree C)Watt/(meter2.degree C)Watt/(meter2)degree C/meterWatt/(meter3)ANSYSANSYS热分析分析.热传递的类型热传递有三种基本有三种基本类型型:传导-两个良好接触的物体之两个良好接触的物体之间或一个物体内部或一个物体内部不同部分之不同部分之间由于温度梯度引起的能量交由于温度梯度引起的能量交换。对流流-在物体和周在物体和周围流体之流体之间发生的生的热交交换。辐射射-一个物体或两个物体之一个物体或两个物体之间通通过电磁波磁波进行行的能量交的能量交换。在在绝大多数情况下，分析的大多数情况下，分析的热传导问题都都带有有对流和流和/或或辐射射边界条件。界条件。ANSYSANSYS热分析分析.传导引起的引起的热通量流由通量流由传导的傅立叶定律决定：的傅立叶定律决定：负号表示号表示热量沿梯度的反向流量沿梯度的反向流动 (例如例如,热量从量从热的部分流向冷的部分的部分流向冷的部分).传导Tnq*dTdnANSYSANSYS热分析分析.对流对流引起的流引起的热通量由冷却牛通量由冷却牛顿定律得出定律得出:对流一般作流一般作为面面边界条件施加界条件施加TsTBANSYSANSYS热分析分析.热力学第一定律能量守恒能量守恒要求系要求系统的能量改的能量改变与系与系统边界界处传递的的热和功数和功数值相等。相等。能量守恒在一个微小的能量守恒在一个微小的时间增量下可以增量下可以表示表示为方程形式方程形式将其将其应用到一个微元体上，就可以得到用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。的控制微分方程。ANSYSANSYS热分析分析.单元元类型型下表下表显示通常使用的示通常使用的热单元元类型。型。节点自由度是：点自由度是：TEMP。常用的热单元类型材料特性材料特性至少需要至少需要 Kxx Kxx 稳态分析分析热传导系数。系数。如果是瞬如果是瞬态分析，分析，则需要比需要比热(C)C)。优先先设置置为 “thermalthermal”（热分析），在分析），在 GUI GUI 方式中只方式中只显示示热材料特性。材料特性。实常数常数主要用于壳和主要用于壳和线单元。元。热分析有限元模型ANSYSANSYS热分析分析.稳态热传递 如果如果热量流量流动不随不随时间变化的化的话，热传递就称就称为是是稳态的。的。由于由于热量流量流动不随不随时间变化化,系系统的温的温度和度和热载荷也都不随荷也都不随时间变化。化。由由热力学第一定律，力学第一定律，稳态热平衡可以表平衡可以表示示为:输入能量入能量 输出能量出能量=0ANSYSANSYS热分析分析.稳态热传递控制方程 对于于稳态热传递，表示，表示热平衡的微分方程平衡的微分方程为:相相应的的节点点处的有限元平衡方程的有限元平衡方程为:ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和荷和边界条件的界条件的类型型温度温度 自由度自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。束，将确定的温度施加到模型的特定区域。均匀温度均匀温度 可以施加到没有温度可以施加到没有温度约束的所有束的所有节点上。可以在点上。可以在稳态或瞬或瞬态分析的第一分析的第一个子步个子步对所有所有节点施加初始温度而非点施加初始温度而非约束。它也可以在非束。它也可以在非线性分析中用性分析中用于估于估计随温度随温度变化材料特性的初化材料特性的初值。热流率流率 是集中是集中节点点载荷。正的荷。正的热流率表示流率表示热量流入模型。量流入模型。热流率同流率同样可以施加可以施加在关在关键点上。此点上。此载荷通常用于不能施加荷通常用于不能施加对流和流和热通量的情况下。施加通量的情况下。施加该载荷到荷到热传导率相差很大的区域上率相差很大的区域上时应注意。注意。ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和荷和边界条件的界条件的类型型对流流施加在模型外表面上的面施加在模型外表面上的面载荷，模荷，模拟模型表面与周模型表面与周围流体之流体之间的的热量量交交换。热通量通量(热流密度流密度)同同样是面是面载荷。当通荷。当通过面的面的热流率已知的情况下使用。正的流率已知的情况下使用。正的热流密度流密度值表示表示热量流入模型。量流入模型。热生成率生成率 作作为体体载荷施加，代表体内生成的荷施加，代表体内生成的热，单位是位是单位体位体积内的内的热流率。流率。ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和边界条件的类型ANSYS 热载荷分荷分为四大四大类:1.DOF 约束束-指定的指定的 DOF(温度温度)数数值2.集中集中载荷荷-施加在点上的集中施加在点上的集中载荷荷(热流流)3.面面载荷荷-在面上的分布在面上的分布载荷荷(对流、流、热流密度流密度)4.体体载荷荷-体体积或或场载荷（荷（热生成）生成）ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和荷和边界条件注意事界条件注意事项在在 ANSYS中中,没有施加没有施加载荷的荷的边界作界作为完全完全绝热处理。理。通通过施加施加绝热边界条件（缺省条件）得到界条件（缺省条件）得到对称称边界条件。界条件。如果模型某一区域的温度已知，就可以固定如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数数值。反作用反作用热流率只在固定了温度自由度流率只在固定了温度自由度时才具有。才具有。热载荷和边界条件的类型ANSYSANSYS热分析分析.何为瞬态分析?由于受随由于受随时间变化的化的载荷和荷和边界条件界条件,如果需要知道系如果需要知道系统随随时间的响的响应，就，就需要需要进行行瞬瞬态分析分析。热能存能存储效效应在在稳态分析中忽略，在此要考分析中忽略，在此要考虑进去。去。时间，在，在稳态分析中分析中只用于只用于计数，数，现在有了确定的物理含在有了确定的物理含义。涉及到相涉及到相变的分析的分析总是瞬是瞬态分析。分析。时变载荷荷时变响响应ANSYSANSYS热分析分析.除了除了导热系数系数(k),还要定要定义密度密度(r r)和和 比比热(c)。稳态分析和瞬分析和瞬态分析分析对明明显的区的区别在于在于加加载和求解和求解 过程。程。*MASS71热质量量单元比元比较特特殊，它能殊，它能够存存贮热能能单不能不能传导热能。因此，本能。因此，本单元不需要元不需要热传导系数。系数。瞬态分析前处理考虑因素ANSYSANSYS热分析分析.控制方程回回忆线性系性系统热分析的控制方程矩分析的控制方程矩阵形式。形式。热存存储项的的计入将静入将静态系系统转变为瞬瞬态系系统:在瞬在瞬态分析中，分析中，载荷随荷随时间变化化.或或,对于非于非线性瞬性瞬态分析分析,时间 和和 温度温度:热存存储项=(比比热矩矩阵)x(时间对温度的微分温度的微分)ANSYSANSYS热分析分析.选择合理的合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收步很重要，它影响求解的精度和收敛性。性。如果如果时间步步长 太小太小,对于有中于有中间节点的点的单元元会形成不切会形成不切实际的振的振荡，造成温度，造成温度结果不真果不真实。时间步大小建议TtD D t如果如果时间步步长 太大太大,就不能就不能得到足得到足够的温度梯度。的温度梯度。一种方法是先指定一个相一种方法是先指定一个相对较保守的初始保守的初始时间步步长，然后使用自，然后使用自动时间步步长按需要增加按需要增加时间步。下面步。下面说明使用自明使用自动时间步步长大致估大致估计初始初始时间步步长的方的方法。法。ANSYSANSYS热分析分析.在瞬在瞬态热分析中大致估分析中大致估计初始初始时间步步长，可以使用，可以使用Biot和和Fourier数。数。Biot 数数 是无量是无量纲的的对流和流和传导热阻的比率阻的比率:其中其中 D x是名是名义单元元宽度度,h是平均是平均对流流换热系数，系数，K 是平均是平均导热系数。系数。Fourier 数数 是无量是无量纲的的时间(Dt/t),对于于宽度度为D x 的的单元它量化了元它量化了热传导与与热存存储的相的相对比率比率:其中其中 r 和和 c 是平均的密度和比是平均的密度和比热。时间步大小说明(续)ANSYSANSYS热分析分析.如果如果Bi 1:时间步步长可以用可以用Fourier 和和 Biot数的乘数的乘积预测:求解求解 D t 得到得到:(Again,where 0.1 b 0.5)时间步步长的的预测精度随精度随单元元宽度的取度的取值，材料特性的材料特性的平均方法和比例因子平均方法和比例因子b 而而变化。化。时间步大小说明(续)ANSYSANSYS热分析分析.进行瞬态分析ANSYS缺省情况下是缺省情况下是稳态分析。使用下列求解菜分析。使用下列求解菜单指定要指定要进行瞬行瞬态分析分析:“FULL”是瞬态热分析唯一可以使用的选项。7.用用户要要输入求解入求解选项，并不是只，并不是只对热分析有效分析有效(如求解器，如求解器，N-R 选项等等)143256ANSYSANSYS热分析分析.初始条件初始条件初始条件 必必须对模型的每个温度自由度定模型的每个温度自由度定义，使得，使得时间积分分过程得以程得以开始。开始。施加在有温度施加在有温度约束的束的节点上的初始条件被忽略。点上的初始条件被忽略。根据初始温度域的性根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定，初始条件可以用以下方法之一指定:注注:如果没有指定如果没有指定初始温度，初始初始温度，初始DOF数数值为0。ANSYSANSYS热分析分析.均匀初始温度如果整个模型的初始温度如果整个模型的初始温度为均匀且非均匀且非0，使用下列菜，使用下列菜单指定指定:1234ANSYSANSYS热分析分析.非均匀的初始温度如果模型的初始温度分布如果模型的初始温度分布已知已知但但不均匀不均匀，使用使用这些菜些菜单将初始条件施加在特定将初始条件施加在特定节点上点上:4.用用图形形选取或取或输入点号的方法入点号的方法确定要建立初始温度的确定要建立初始温度的节点。点。5.单击 OK.注注:当手当手动或借助于或借助于输入文件入文件输入入IC命令命令时，可以使用，可以使用节点点组元名元名来区分来区分节点。点。12354ANSYSANSYS热分析分析.非均匀初始温度(续)注注:没有定没有定义DOF初始温度的初始温度的节点点其初始温度缺省其初始温度缺省为TUNIF命令指定命令指定的均匀数的均匀数值。6.选择 DOF 标记“TEMP”。7.指定初始温度数指定初始温度数值。8.完成后完成后单击OK。单击APPLY重复操作，将初始温度指定重复操作，将初始温度指定到其它到其它节点上。点上。678ANSYSANSYS热分析分析.由稳态分析得到的初始温度(续)当模型中的初始温度分布是当模型中的初始温度分布是不均匀不均匀且且未知未知的，的，单载荷步的荷步的稳态热分析可以用分析可以用来确定瞬来确定瞬态分析前的初始温度。要分析前的初始温度。要这样做，按照下列步做，按照下列步骤:1.稳态第一第一载荷步荷步:进入求解器，使用入求解器，使用稳态分析分析类型。型。施加施加稳态初始初始载荷和荷和边界条件界条件。为了方便，指定一个很小的了方便，指定一个很小的结束束时间(如如1E-3 秒秒)。避免使用非常小的。避免使用非常小的时间数数值(1E-10)因因为可能形成数可能形成数值错误。指定其它所需的控制或指定其它所需的控制或设置置(如非如非线性控制性控制)。求解当前求解当前载荷步。荷步。ANSYSANSYS热分析分析.施加瞬施加瞬态分析控制和分析控制和设置。置。求解之前求解之前,打开打开时间积分分:求解当前瞬求解当前瞬态载荷步。荷步。求解后求解后续载荷步。荷步。时间积分效果保持打开直到在后面的分效果保持打开直到在后面的载荷步中关荷步中关闭为止。止。由稳态分析得到的初始温度(续)2.后后续载荷步荷步为瞬瞬态:在第二个在第二个载荷步中，根据第一个荷步中，根据第一个载荷步施加荷步施加载荷和荷和边界条件。界条件。记住住删除第除第一个一个载荷步中多余的荷步中多余的载荷。荷。1234ANSYSANSYS热分析分析.打开/关闭时间积分效果象象刚刚说明的那明的那样,稳态分析可以迅速的分析可以迅速的变为瞬瞬态分析，只要分析，只要简单的在后的在后续载荷步中将荷步中将时间积分效果分效果打开打开。同同样，瞬瞬态分析可以分析可以变成成稳态分析，只要分析，只要简单的在后的在后续载荷步中将荷步中将时间积分效果分效果关关闭。结论:从求解方法来从求解方法来说，瞬，瞬态分析和分析和稳态分析的差分析的差别就在于就在于时间积分。分。ANTYPE,TRANS+TIMINT,OFF ANTYPE,STATICANTYPE,STATIC+TIMINT,ON ANTYPE,TRANSANSYSANSYS热分析分析.另外的时间积分例子在本例中，不是在分析的在本例中，不是在分析的开始开始关关闭时间积分效果来分效果来建立初始条件，而是在分析的建立初始条件，而是在分析的结束束关关闭时间积分来分来“加速加速”瞬瞬态。通常，分析的目通常，分析的目标将将瞬将将瞬态热现象中最象中最严重的温度梯度重的温度梯度定量。定量。这些梯度通常在瞬些梯度通常在瞬态的初始的初始阶段段发生生,并在系并在系统进入入稳态时随随时间衰减。衰减。当系当系统响响应稳定后，后面的定后，后面的结果就没有意果就没有意义了，分析可了，分析可以以简单的的结束或如果束或如果稳态温度温度场也需要得到，就在最后也需要得到，就在最后载荷步关荷步关闭时间积分效果分效果。注意改注意改变到到稳态边界界时的突的突变。最后一个。最后一个载荷步的荷步的终止止时间可以是任意的可以是任意的,但必但必须比前面的瞬比前面的瞬态载荷步荷步时间数数值要大。要大。ANSYSANSYS热分析分析.打开控制打开控制打开控制 用于在当瞬用于在当瞬态热分析接近分析接近稳态时让自自动时间步步“打开打开”(增加增加)时间步步长。在缺省情况下，如果。在缺省情况下，如果连续3个子步个子步间的最大温度的最大温度变化都小于化都小于 0.1个温度个温度单位，位，那么那么时间步步长将迅速增加以提高效率。将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中个控制只能在求解控制中实现。用。用这些些菜菜单改改变设置置:3.指定温度。指定温度。4.指定指定门槛值。5.指定子步数。指定子步数。6.单击OK。123456ANSYSANSYS热分析分析.阶跃还是渐变?要准确模要准确模拟系系统的瞬的瞬态响响应，载荷必荷必须以正确的幅以正确的幅值，在正确的，在正确的时间和正确和正确的速率施加。的速率施加。回回忆一下一下载荷在荷在载荷步中相荷步中相对时间可以是可以是阶跃的或的或渐变的的:ANSYS 缺省是缺省是渐变加加载的。的。渐变加加载可以提高瞬可以提高瞬态求解的适求解的适应性，如果有性，如果有非非线性性时可以提高收可以提高收敛性。参考第性。参考第4章学章学习ANSYS如何如何处理理渐变载荷。荷。ANSYSANSYS热分析分析.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:对茶茶壶进行瞬行瞬态热分析。在底上施加分析。在底上施加热流模流模拟炉子的加炉子的加热。热流流载荷荷应该是是阶跃的的还是是渐变的如果的如果.1.茶茶壶在一个在一个刚燃着的炉子上燃着的炉子上2.茶茶壶载一个已一个已经很很热的炉子上的炉子上ANSYSANSYS热分析分析.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。当当进行行直接耦合直接耦合时,多个物理多个物理场（如（如热电）的自由度同的自由度同时进行行计算。算。这称称为直接方法直接方法，适用于多个物理适用于多个物理场各自的响各自的响应互相依互相依赖的的情况。由于平衡状情况。由于平衡状态要要满足多个准足多个准则才能才能取得，直接耦合分析往往是非取得，直接耦合分析往往是非线性的。每性的。每个个结点上的自由度越多，矩点上的自由度越多，矩阵方程就越方程就越庞大，耗大，耗费的机的机时也越多。也越多。下表列出了下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合中可以用作直接耦合分析的分析的单元元类型。不是所有型。不是所有单元都有温度元都有温度自由度。自由度。结构构-热耦合分析耦合分析.什么是耦合场分析?(续)间接耦合接耦合分析是以特定的分析是以特定的顺序求解序求解单个物理个物理场的模型。前一个的模型。前一个分析的分析的结果作果作为后后续分析的分析的边界条件施加。有界条件施加。有时也称之也称之为序序贯耦合分析。耦合分析。本分析方法主要用于物理本分析方法主要用于物理场之之间单向的耦合关系。例如，一个向的耦合关系。例如，一个场的响的响应（如（如热）将）将显著影响到另一个物理著影响到另一个物理场（如（如结构）的响构）的响应，反之不成立。本方法一般来，反之不成立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高，而比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的且不需要特殊的单元元类型。型。本章中我本章中我们只只讨论涉及涉及热的耦合的耦合现象。象。请注意并非所有注意并非所有ANSYS产品都支持所有耦合品都支持所有耦合单元元类型和分析型和分析选项。例如，。例如，ANSYS/Thermal产品只提供品只提供热电直接耦合。直接耦合。详细说明参明参见Coupled-Field Analysis Guide。结构构-热耦合分析耦合分析.直接方法-例题在第七章在第七章对流部分中，介流部分中，介绍了了FLUID66和和FLUID116热流流单元。元。该单元具有元具有热和和压力自由度，因此是直接耦合力自由度，因此是直接耦合场单元。元。ANSYS有一些其他的耦合有一些其他的耦合单元，具有元，具有结构，构，热，电，磁等自由度。，磁等自由度。绝大多大多数的数的实际问题只涉及到少数几个物理只涉及到少数几个物理场的耦合。的耦合。这里提供了几个涉及到里提供了几个涉及到热现象的直接耦合象的直接耦合场分析。分析。热结构构:热轧铝板板铝板的温度将影响材料板的温度将影响材料弹塑性特性和塑性特性和热应变。机械和机械和热载荷使得板荷使得板产生大生大应变。新的。新的热分析必分析必须计入形状改入形状改变。结构构-热耦合分析耦合分析.直接方法-例题(续)热-电磁场:钢芯的热传递传导线圈在圈在钢芯周芯周围产生生电磁磁场。该区域区域 的交的交变电流在流在钢芯内芯内产生焦耳生焦耳热。钢芯在芯在热作用下作用下产生高温，由于温度生高温，由于温度变化化梯度很大，因此必梯度很大，因此必须考考虑钢芯材料特性随芯材料特性随温度的温度的变化。而且，磁化。而且，磁场变化的化的强度和方度和方向都会改向都会改变。象象这种种电磁磁场谐波分析，只要得出磁向量波分析，只要得出磁向量势A，就能就能计算出算出电流密度向量流密度向量J。它用来它用来计算下式中的焦耳算下式中的焦耳热:结构构-热耦合分析耦合分析.直接方法-前处理在直接耦合在直接耦合场分析的前分析的前处理中要理中要记住以下方面住以下方面:使用耦合使用耦合场单元的自由度序列元的自由度序列应该符合需要的耦合符合需要的耦合场要求。要求。模型中不模型中不需要耦合的部分需要耦合的部分应使用普通使用普通单元元。仔仔细研究每种研究每种单元元类型的型的单元元选项，材料特性合，材料特性合实常数。常数。耦合耦合场单元元相相对来来说有更多的限制有更多的限制(如如,PLANE13不允不允许热质量交量交换而而PLANE55单元可以元可以,SOLID5不允不允许塑性和蠕塑性和蠕变而而SOLID45可以可以)。不同不同场之之间使用使用统一的一的单位制位制。例如，在。例如，在热-电分析中，如果分析中，如果电瓦瓦单位位使用瓦使用瓦(焦耳焦耳/秒秒)，热单位就不能使用位就不能使用Btu/s。由于需要迭代由于需要迭代计算，算，热耦合耦合场单元不能使用子元不能使用子结构。构。结构构-热耦合分析耦合分析.直接方法-加载,求解,后处理 在直接方法的加在直接方法的加载，求解，后，求解，后处理中注意以下方面：理中注意以下方面：如果如果对带有温度自由度的耦合有温度自由度的耦合场单元元选择 瞬瞬态 分析分析类型的型的话：瞬瞬态温度效果可以在所有耦合温度效果可以在所有耦合场单元中使用。元中使用。瞬瞬态电效果效果(电容，容，电感感)不能包括在不能包括在热-电分析中分析中(除非除非只是只是TEMP和和VOLT自由自由度度 被激活被激活)。带有磁向量有磁向量势自由度的耦合自由度的耦合场单元可以用来元可以用来对瞬瞬态磁磁场问题建模建模(如如,SOLID62).带有有标量量势自由度的自由度的单元只能模元只能模拟静静态现象象(SOLID5)。学学习每种每种单元的自由度和允元的自由度和允许的的载荷。耦合荷。耦合场单元允元允许的相同位置的相同位置(节点点,单元面等元面等)施加多种施加多种类型的型的载荷荷(D,F,SF,BF)。耦合耦合场分析可以使高度非分析可以使高度非线性的。性的。考考虑使用使用Predictor 和和 Line Search 功能改善收功能改善收敛性性。考考虑使用使用Multi-Plots功能将不同功能将不同场的的结果同果同时输出到多个窗口中。出到多个窗口中。结构构-热耦合分析耦合分析.间接方法间接方法接方法 用于求解用于求解间接耦合接耦合场问题。它需要。它需要连续进行两个行两个单场的分析的分析(而而不是同不是同时)，第一种分析的，第一种分析的结果作果作为第二种分析的第二种分析的载荷。如荷。如:热 结构构热 结构构许多多问题需要需要热到到结构构 的耦合的耦合(温度引起的温度引起的热膨膨胀)但反之不可但反之不可 结构到构到热 耦合是可以忽略的耦合是可以忽略的(小的小的应变将不将不对初始的初始的热分析分析结果果产生影响生影响)在在实用用问题中，中，这种方法比直接耦合要方便一些，因种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是分析使用的是单场单元，不用元，不用进行多次迭代行多次迭代计算。算。结构构-热耦合分析耦合分析.间接方法-例题叶片和叶片和盘中的温度会中的温度会产生生热膨膨胀应变。这会会显著影响著影响应力状力状态。由于由于应变较小，而且接触区域是平面小，而且接触区域是平面对平面平面的，因此温度解不用更新。的，因此温度解不用更新。Disk SectorAirfoilPlatformRoot下面是有关下面是有关热现象的一些可以使用象的一些可以使用间接耦合方法接耦合方法进行分析的例子行分析的例子:热-结构构:透平机叶片部件分析透平机叶片部件分析这种分析又叫做种分析又叫做热应力分析。力分析。这合非常典型的分析合非常典型的分析类型将在后面有更加型将在后面有更加详细的描的描述。述。结构构-热耦合分析耦合分析.间接方法-例题(续)热-电:嵌于玻璃嵌于玻璃盘的的电热器器嵌于玻璃嵌于玻璃盘的的电热器中有器中有电流。流。这使得使得电线中有焦耳中有焦耳热产生。生。由于由于热效效应，电线和和盘中温度增加。由中温度增加。由于系于系统的温度的温度变化不大，化不大，热引起的引起的电阻阻变化被忽略。因此，化被忽略。因此，电流也是不流也是不变的。的。当当电压V求解后，可以用于下式中求解焦耳求解后，可以用于下式中求解焦耳热:+V-结构构-热耦合分析耦合分析.间接方法-过程在在ANSYS中由两个基本方法中由两个基本方法进行序行序贯耦合耦合场分析。它分析。它们主要区主要区别在于每个在于每个场的特性是如何表示的的特性是如何表示的:物理物理环境方法境方法-单独独 的数据的数据库文件在所有文件在所有场中使用。用多个物理中使用。用多个物理环境文件境文件来表示每个来表示每个场的特性。的特性。手工方法手工方法-多个多个 数据数据库被建立和存被建立和存储，每次研究一种，每次研究一种场。每个。每个场的数据都的数据都存存储在数据在数据库中。中。在下面我在下面我们将将对每种方法和其每种方法和其优点加以点加以讨论。结构构-热耦合分析耦合分析.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:单元元类型和型和选项节点和点和单元坐元坐标系系耦合和耦合和约束方程束方程分析和分析和载荷步荷步选项载荷和荷和边界条件界条件GUI 界面和界面和标题在建立在建立带有物理有物理环境的模型境的模型时，要，要选择相容于所有物理相容于所有物理场的的单元元类型。例型。例如，如，8节点的点的热块单元与元与8节点的点的结构构块单元相容，而不与元相容，而不与10节点点结构构单元相容元相容:yesno在使用降阶单元形状时要注意。具有相同基本形状的单元不一定支持该种单元的降阶模式。结构构-热耦合分析耦合分析.物理环境(续)除了相似的单元阶次(形函数阶次)和形状，绝大多数单元需要相似的单元选项(如平面2-D单元的轴对称)以满足相容性。但是，许多载荷类型不需要环境之间完全相容。例如，8节点热体单元可以用来给20节点结构块单元提供温度。许多单元需要特殊单选项设置来与不同阶次的单元相容。单元属性号码(MAT,REAL,TYPE)在环境之间号码必须连续。对于在某种特殊物理环境中不参与分析的区域使用空单元类型(type#zero)来划分(如，在电磁场分析中需要对物体周围单空气建模而热和结构分析中不用)。结构构-热耦合分析耦合分析.同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的结果。如：物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法当考虑多于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数据库文件的情况下比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法，可以参考耦合场分析指南的第二章。物理环境(续)这种划分方法在热分析中可以得到满意的温度分布，但.这样的网格密度在结构分析中才能得到准确的结果。结构构-热耦合分析耦合分析.热-应力分析在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热-应力分析。热-应力分析是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的影响。因为热-应力分析只涉及到两个场之间的连续作用，我们可以使用手工方法(MM)进行顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法(PEM)。这里是手工方法的几个优点和缺点:优点:在建立热和结构模型时有较少的限制。例如，属性号码和网格划分在热和结构中可以不同。PEM需要所有的模型都是一致的。MM 方法是简单而且适应性强的，ANSYS和用户都对它进行了多年的检验。缺点:用户必须建立热和结构数据库和结果文件。这与单独模型的PEM方法对比，需要占用较多的存储空间。MM 如果再考虑其它场时会比较麻烦。结构构-热耦合分析耦合分析.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热模型自模型自动转换为结构模型，使用构模型，使用ETCHG 命令命令(见相相应单元表格元表格)。温度可以直接从温度可以直接从热分析分析结果文件果文件读出并使用出并使用LDREAD 命令施加到命令施加到结构构模型上。模型上。结构构-热耦合分析耦合分析.基本过程(续)如果热和结构模型的网格有 不同 的节点号码.结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好的结构结果。结构体载荷是从热分析中映射过来。这需要一个较复杂的过程，使用BFINT 命令对热结果插值(不能使用物理环境)。下面对比一下使用相同或不同网格的区别。2结构构-热耦合分析耦合分析.热-应力分析流程图相同网格相同网格?5A.将将热模型模型转换为结构模型构模型(ETCHG)5a.清除清除热网格并建立网格并建立结构网格构网格Yes(Option 1)No(Option 2)5B.读入入热载荷荷(LDREAD)5b.写写节点文件点文件(NWRITE)并存并存储结构文件构文件5c.读入入热模型并模型并进行行温度插温度插值(BFINT)5d.读入入结构模型并构模型并读入体入体载荷文件荷文件(/INPUT)6.指定分析指定分析类型，分型，分析析选项和和载荷步荷步选项7.指定参考温度并施指定参考温度并施加其它加其它结构构载荷荷8.存存储并求解并求解9.后后处理理结束束 1.建立，加建立，加载，求解，求解热模型模型2.后后处理确定要理确定要传到到结构的温度构的温度3.设置置 GUI过滤，改，改变工作文件名并工作文件名并删除除热载荷，荷，CEs,CPs4.定定义结构材料特性构材料特性开始开始 结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节1.建立建立热模型并模型并进行瞬行瞬态或或稳态热分析，得到分析，得到节点上的温度。点上的温度。2.查看看热结果并确定大温度梯度的果并确定大温度梯度的时间点点(或或载荷步荷步/子步子步)。3a.将将GUI过滤设置置为“Structural”和和“Thermal”。3b.改改变工作文件名。工作文件名。213b下面是下面是热-应力分析的每步力分析的每步细节。3a结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)3c.删除所有除所有热载荷荷3d.删除耦合序列和除耦合序列和约束方程束方程3d3c结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)4.定定义结构材料特性，包括构材料特性，包括热膨膨胀系数系数(ALPX)。4非线性材料特性如塑性和蠕变在数据表格下定义结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)下面两下面两页(步步骤 5A 和和 5B)假假设热网格在网格在结构中同构中同样使用使用(选项 1).5A.改改变单元元类型，从型，从热到到结构构(ETCHG 命令命令):检查实常数和常数和单元元选项是否正确。是否正确。5AResets optionsRetains options结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)5B.从从热分析中施加温度体分析中施加温度体载荷荷(LDREAD 命令命令):9.Solve current load step5B确定温度结果文件确定结果的时间和子步结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)下面六下面六页(步步骤 5a-5d)假假设热网格不在网格不在结构模型中使用构模型中使用(选项2)。5a.清除清除热网格网格.删除除热单元元类型并定型并定义结构构单元元类型型.改改变网格控制并划分网格控制并划分结构模构模型。型。结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)5b.选择温度体温度体载荷的所有荷的所有节点并写入点并写入节点文件。点文件。5b指定节点文件名结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)5c.存存储结构模型，将工作文件名改构模型，将工作文件名改为热工作工作文件名，文件名，读入入热数据数据库.进入通用后入通用后处理器理器.结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)读入需要的入需要的结果序列，并果序列，并.进行体行体载荷插荷插值:节点文件名写出的载荷文件名用于写多个载荷文件使用体-体结构构-热耦合分析耦合分析.有些情况下有些情况下热网格和网格和结构网格并不完全一致。构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超超过热模型的模型的结构构模型模型节点点进行体行体载荷荷插插值。缺省的判断准缺省的判断准则是看插是看插值的的结构构节点到点到热单元元边界的距离是否小于界的距离是否小于单元元边长的的0.5 倍。一个在倍。一个在5.4版版没有写入手册的特性允没有写入手册的特性允许用用户控制控制该公差数公差数值：本命令没有本命令没有GUI路径。因此，命令只能在路径。因此，命令只能在输入窗口中手工入窗口中手工输入。入。BFINT,Fname1,Ext1,Dir1,Fname2,Ext2,Dir2,KPOS,Clab,KSHS使用 BFINT插值,EXTOL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。Using the default tolerance,these two nodes would not be assigned a load热网格网格结构网格构网格边界界结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)5d.退出通用后退出通用后处理器，将工作文件名改理器，将工作文件名改为结构工作文构工作文件名，件名，读入入结构数据构数据库.进入求解器入求解器.读入入载荷文件施加温度荷文件施加温度载荷荷:结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)6a.定定义结构分析构分析类型型(缺省缺省为静静态)6b.指定分析指定分析选项(如求解器如求解器选项)6c.指定指定载荷步荷步选项(如，如，输出控制出控制)6a6b6c结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)7a.设置求解置求解热膨膨胀时自由自由应变参考温度参考温度(TREF):7结构构-热耦合分析耦合分析.流程细节(续)7b.施加其它施加其它结构构载荷。荷。8.存存储模型并模型并求解当前求解当前载荷步。荷步。7b989.结果后果后处理理:结构构-热耦合分析耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.ANSYSANSYS流流-固耦合分析固耦合分析.问题概述在这个教程中，运用一个简单的摆动板例题来解释怎样建立以及模拟流体结构相互作用的问题。其中流体模拟在ANSYS CFX求解器中运行，而用ANSYS软件包中的FEA来模拟固体问题。模拟流固相互作用的整个过程中需要两个求解器的耦合运行，ANSYSMultiField求解器提供了耦合求解的平台。ANSYSANSYS流流-固耦合分析示例固耦合分析示例.模拟中固体问题的描述开始模拟1.运行ANSYS Workbench2.点击Empty Project将出现Project界面，在此界面中有一个一个未存储的Project3.选择FileSave4.把目录设在你的工作目录，文件名设为OscillatingPlate5.点击Save6.在Project界面左边工作面板的Link to Geometry File下，点击Browse，打开所提供的OscillatingPlate.agdb文件7.确认OscillatingPlate.agdb被选（高亮显示），点击New simulationANSYSANSYS流流-固耦合分析示例固耦合分析示例.模拟中固体问题的描述建立固体材料1.当模拟界面展开，在模拟界面左边的目录树中展开Geometry2.选择Solid，在底下Details窗口中，选择Material3.紧连材料名Structural Steel，用鼠标选择New Material4.当Engineering Data窗口出现，鼠标右击New Material，并重命名为Plate5.设置Youngs Modulus（杨氏模量）为2.5e06 Pa，Poissons Ratio（泊松比）为0.35，Density（密度）为2550kg m-36.点击位于Workbench界面上方的Simulation以回到模拟界面ANSYSANSYS流流-固耦合分析示例固耦合分析示例.模拟中固体问题的描述基本分析设置1.从工具栏选择New AnalysisTransient Stress2.选择Analysis Settings，在Details窗口，设置Auto Time Stepping为off3.设置Time Step为0.1 s4.在整个窗口底边靠右的Tabular Data面板，设置End Time为5.0ANSYSANSYS流流