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1、Chapter 10耦合场分析耦合场分析(以热以热应力为重点应力为重点)1什么是耦合场分析什么是耦合场分析? 耦合场耦合场 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。接和间接耦合分析。当进行当进行直接耦合直接耦合时时, 多个物理场（如热多个物理场（如热电）电）的自由度同时进行计算。这称为的自由度同时进行计算。这称为直接方法直接方法，适用于多个物理场各自的响应互相依赖的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
2、线性的。每取得，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。大，耗费的机时也越多。下表列出了下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分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析的单元类型。不是所有单元都有温度自由度。度。2什么是耦合场分析什么是耦合场分析? (续续)间接耦合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。有时也称之为续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。序贯耦合分析。本
3、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）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。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产品都支持所有产品都支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供
4、热产品只提供热电直接耦合。电直接耦合。详细说明参见详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。3直接方法直接方法 - 例题例题在第七章对流部分中，介绍了在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和和FLUID116热热流单元。该单元具有流单元。该单元具有热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。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实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了
5、几个涉及到热现象的直接耦合场分析。的直接耦合场分析。热热结构结构: 热轧铝板热轧铝板铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应变。变。机械和热载荷使得板产生大应变。新的热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。分析必须计入形状改变。4直接方法直接方法 - 例题例题 (续续)热热-电磁场电磁场: 钢芯的热传递钢芯的热传递传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域 的的交变电流在钢芯内产生焦耳热。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
6、钢芯材料特性随温度的变很大，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。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，只要得出磁向量势象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势A，就能计算就能计算出电流密度向量出电流密度向量J。它用来计算下式中的焦耳热它用来计算下式中的焦耳热:5直接方法直接方法 - 前处理前处理在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面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。要耦合的部
7、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对来说有更多的限制(如如, PLANE13不允许热质量交换而不允许热质量交换而PLANE55单元单元可以可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而不允许塑性和蠕变而SOLID45可以可以)。不同场之间使用统一的单位制。例如，在热不同场之间使用统一的单位制。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使电分析中，如果电瓦单位使用瓦用瓦(焦耳焦耳/秒秒)，热单位就不能使用，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。由于需要
8、迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。6直接方法直接方法 - 加载加载, 求解求解, 后处理后处理 在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面：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如果对带有温度自由度的耦合场单元选择 瞬态瞬态 分析类型的话：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。瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。瞬态电效果瞬态电效果(电容，电感电容，电感)不能包括在热不能包括在热-电分析中电分析中(除非除非只是只是TEMP和和VOLT自由度自由度 被被激活激活)。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带有磁
9、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(如如,SOLID62). 带带有标量势自由度的单元只能模拟静态现象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(节点节点,单元面等单元面等)施加施加多种类型的载荷多种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor 和和 Line Search 功能改善收敛性。功能改善收敛性。考虑使用考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结
10、果同时输出到多个窗口中。功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。7间接方法间接方法间接方法间接方法 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(而不而不是同时是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:热热 结构结构热热 结构结构许多问题需要许多问题需要热到结构热到结构 的耦合的耦合(温度引起的热温度引起的热膨胀膨胀)但反之不可但反之不可 结构到热结构到热 耦合是可以忽略的耦合是可以忽略的(小的应变将不对小的应变将不对初始的热分析结果产生影响初始的热分析结果产生影响)在实用问题中，这
11、种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单在实用问题中，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。元，不用进行多次迭代计算。8间接方法间接方法 - 例题例题叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显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。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，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。因此温度解不用更新。Disk SectorAirfoilPlatformRoot下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法进行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分
12、析的例子:热热-结构结构: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热应力分析。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。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。9间接方法间接方法 - 例题例题(续续)热热-电电:嵌于玻璃盘的电热器嵌于玻璃盘的电热器嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使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。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。变化被忽略。因此，电流
13、也是不变的。当电压当电压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热:+ V -10间接方法间接方法 - 过程过程在在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场的特性是如何表示的:物理环境方法物理环境方法 - 单独单独 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。表示每个场的特性。手工方法手工方法 - 多个多个 数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个
14、场的数据都存储在数据库中。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。在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。11物理环境物理环境为了自动进行序贯耦合场分析，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允许用户在一个模型中定义多个 物理环境物理环境。 一一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，包括以下内码文件，包括以下内容容:单元类型和选项单元类型和选项节点和单元坐标系节点和单元坐标系耦合和约束方程耦合和约束方程分析和载荷步选项分析和载荷步选项载荷和边界条件载荷和边界条件GU
15、I 界面和标题界面和标题在建立带有物理环境的模型时，要选择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，相容于所有物理场的单元类型。例如， 8节点的热块单元与节点的热块单元与8节点的结构块单元节点的结构块单元相容，而不与相容，而不与10节点结构单元相容节点结构单元相容: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。12物理环境物理环境 (续续)除了相似的单元阶次除了相似的单元阶次 (形函数阶次形函数阶次) 和形状，绝大多数单元需要相似的单元选和形状，绝大多数单元需要相似的单元选项项 (如平面如平面2-D单元的轴对称单元的轴对称)
16、 以满足相容性。但是，许多载荷类型不需要环境以满足相容性。但是，许多载荷类型不需要环境之间完全相容。例如，之间完全相容。例如，8节点热体单元可以用来给节点热体单元可以用来给20节点结构块单元提供温度。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。许多单元需要特殊单选项设置来与不同阶次的单元相容。单元属性号码单元属性号码 (MAT, REAL, TYPE)在环境之间号码必须连续。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)来划分来划分 (如，在电磁场分析
17、中需要对物体周围单空气建模而热和结构分析中不如，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用)。13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：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比较适用。要得到关于间
18、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。南的第二章。物理环境物理环境 (续续)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。14热热-应力分析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；在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热热-应力分析。应力分析。热热-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。响，但结构的响应对热分析结果没有很大的影响。
19、因为热因为热-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)进行顺进行顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法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这里是手工方法的几个优点和缺点点:优点优点: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。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。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，方法是简单而且适应性强的，ANSY
20、S和用户都对它进行了多年的检验。和用户都对它进行了多年的检验。缺点缺点: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，需要占用较多方法对比，需要占用较多的存储空间。的存储空间。MM 如果再考虑其它场时会比较麻烦。如果再考虑其它场时会比较麻烦。15基本过程基本过程在热在热-应力分析中，由温度求解得到的应力分析中，由温度求解得到的节点温度节点温度 将在结构分析中用作将在结构分析中用作体载荷。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两种选项。选
21、择选项。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如果热和结构的单元有相同相同 的节点号码的节点号码. . .1热模型自动转换为结构模型，使用热模型自动转换为结构模型，使用ETCHG 命令命令(见相应单元表格见相应单元表格)。温度可以直接从热分析结果文件读出温度可以直接从热分析结果文件读出并使用并使用LDREAD 命令施加到结构模型命令施加到结构模型上。上。16基本过程基本过程 (续续)如果热和结构模型的网格有如果热和结构模型的网格有 不同不同 的节点号码的节点号码 . . .结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好
22、的结构结果。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 命令对热结果插值命令对热结果插值 (不能使用物理环境不能使用物理环境)。下面对比一下使用相同或不同网格的区别。下面对比一下使用相同或不同网格的区别。217热热-应力分析流程图应力分析流程图相同网格相同网格?5A. 将热模型转换为将热模型转换为结构模型结构模型 (ETCHG)5a. 清除热网格并建立清除热网格并建立结构网格结构网格Yes(Option 1)No (Option 2)5B. 读入热载荷读
23、入热载荷 (LDREAD)5b.写节点文件写节点文件(NWRITE) 并存储结并存储结构文件构文件5c.读入热模型并进行读入热模型并进行温度插值温度插值 (BFINT)5d. 读入结构模型并读读入结构模型并读入体载荷文件入体载荷文件 (/INPUT)6. 指定分析类型，分指定分析类型，分析选项和载荷步选项析选项和载荷步选项7. 指定参考温度并施指定参考温度并施加其它结构载荷加其它结构载荷8. 存储并求解存储并求解9. 后处理后处理结束结束 1.建立，加载，求解建立，加载，求解热模型热模型2.后处理确定要传到后处理确定要传到结构的温度结构的温度3. 设置设置 GUI过滤，改过滤，改变工作文件名并
24、删除变工作文件名并删除热载荷，热载荷， CEs, CPs4.定义结构材料特性定义结构材料特性开始开始 18流程细节流程细节1.建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点上的温度。节点上的温度。2.查看热结果并确定大温度梯度的时间点查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载或载荷步荷步/子步子步)。3a. 将将GUI过滤设置为过滤设置为“Structural” 和和 “Thermal”。3b. 改变工作文件名。改变工作文件名。213b下面是热下面是热-应力分析的每步细节。应力分析的每步细节。3a19流程细节流程细节 (续续)3c. 删除所有热载荷删除所有热载
25、荷3d. 删除耦合序列和约束方程删除耦合序列和约束方程3c3d20流程细节流程细节 (续续)4. 定义结构材料特性，包括定义结构材料特性，包括热膨胀系数热膨胀系数 (ALPX)。4非线性材料特性如塑性和蠕变在数据表格下定义21流程细节流程细节 (续续)下面两页下面两页 (步骤步骤 5A 和和 5B)假设热网格在结构中同样使用假设热网格在结构中同样使用 (选项选项 1).5A. 改变单元类型，从热到结构改变单元类型，从热到结构 (ETCHG 命令命令):检查实常数和单元选项是否正确。检查实常数和单元选项是否正确。5AResets optionsRetains options22流程细节流程细节
26、(续续)5B. 从热分析中施加温度体载荷从热分析中施加温度体载荷(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23流程细节流程细节 (续续)下面六页下面六页 (步骤步骤 5a-5d) 假设热网格不在结构模型中使用假设热网格不在结构模型中使用 (选项选项2)。5a. 清除热网格清除热网格 . . . 删除热单元类型并定义结构单删除热单元类型并定义结构单元类型元类型. . .改变网格控制并划分结构模型。改变网格控制并划分结构模型。24流程细节流程细节 (续续)5b. 选择温度体载荷的所有节点并写入节点文件。选择温度体载荷的所
27、有节点并写入节点文件。5b指定节点文件名25流程细节流程细节 (续续)5c. 存储结构模型，将工作文件名改为热工作文存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件名，读入热数据库件名，读入热数据库. . .进入通用后处理器进入通用后处理器 . . . 26流程细节流程细节 (续续)读入需要的结果序列，并读入需要的结果序列，并 . . . 进行体载荷插值进行体载荷插值: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27BFINT, Fname1, Ext1, Dir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS有些情况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，有些情
28、况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超过热模型的结构模型对超过热模型的结构模型节点进行体载荷节点进行体载荷插值插值。缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的0.5 倍。倍。一个在一个在5.4版版没有写入手册的特性允许用户控制该公差数值：没有写入手册的特性允许用户控制该公差数值： 本命令没有本命令没有GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。使用使用 BFINT插值插值, 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
29、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热网格热网格结构网格边界结构网格边界28流程细节流程细节 (续续)5d. 退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件名，读入结构数据库名，读入结构数据库. . .进入求解器进入求解器 . . .读入载荷文件施加温度载荷读入载荷文件施加温度载荷:29流程细节流程细节 (续续)6a. 定义结构分析类型定义结构分析类型(缺省为静态缺省为静态)6b. 指定分析选项指定分析选项 (如求解器选项如求解器选项)6c. 指定载荷步选项指定载荷步选项(如，输出控制如，输出控制)6a6b6c30流程细节流程细节 (续续)7a. 设置求解热膨胀时自由应变参考温度设置求解热膨胀时自由应变参考温度 (TREF):731流程细节流程细节 (续续)7b. 施加其它结施加其它结构载荷。构载荷。8.存储模型并存储模型并求解当前载求解当前载荷步。荷步。7b989. 结果后处理结果后处理:32
