新編5ANSYS多物理耦合場有限元分析課件

1、ANSYS多物理耦合場有限元分析王曉軍航空科學(xué)與工程學(xué)院固體力學(xué)研究所ANSYS多物理耦合場有限元分析結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流體-固體耦合分析ANSYS中的典型物理量( 國際單位制 )溫度熱流量熱傳導(dǎo)率密度比熱對流換熱系數(shù)熱流溫度梯度內(nèi)部熱生成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 )ANSY

2、S熱分析熱傳遞的類型熱傳遞有三種基本類型:傳導(dǎo) - 兩個(gè)良好接觸的物體之間或一個(gè)物體內(nèi)部不同部分之間由于溫度梯度引起的能量交換。對流 - 在物體和周圍流體之間發(fā)生的熱交換。輻射 - 一個(gè)物體或兩個(gè)物體之間通過電磁波進(jìn)行的能量交換。在絕大多數(shù)情況下，分析的熱傳導(dǎo)問題都帶有對流和/或輻射邊界條件。ANSYS熱分析傳導(dǎo)引起的熱通量流由傳導(dǎo)的傅立葉定律決定：負(fù)號表示熱量沿梯度的反向流動(dòng) (例如, 熱量從熱的部分流向冷的部分).傳導(dǎo)Tnq*dTdnANSYS熱分析對流對流引起的熱通量由冷卻牛頓定律得出:對流一般作為面邊界條件施加TsTBANSYS熱分析熱力學(xué)第一定律能量守恒要求系統(tǒng)的能量改變與系統(tǒng)邊界處

3、傳遞的熱和功數(shù)值相等。能量守恒在一個(gè)微小的時(shí)間增量下可以表示為方程形式將其應(yīng)用到一個(gè)微元體上，就可以得到熱傳導(dǎo)的控制微分方程。ANSYS熱分析單元類型下表顯示通常使用的熱單元類型。節(jié)點(diǎn)自由度是：TEMP。常用的熱單元類型材料特性至少需要 Kxx 穩(wěn)態(tài)分析熱傳導(dǎo)系數(shù)。如果是瞬態(tài)分析，則需要比熱 (C) 。優(yōu)先設(shè)置為 “thermal” （熱分析），在 GUI 方式中只顯示熱材料特性。實(shí)常數(shù)主要用于殼和線單元。熱分析有限元模型ANSYS熱分析穩(wěn)態(tài)熱傳遞 如果熱量流動(dòng)不隨時(shí)間變化的話，熱傳遞就稱為是穩(wěn)態(tài)的。由于熱量流動(dòng)不隨時(shí)間變化, 系統(tǒng)的溫度和熱載荷也都不隨時(shí)間變化。由熱力學(xué)第一定律，穩(wěn)態(tài)熱平衡可

4、以表示為:輸入能量 輸出能量 = 0ANSYS熱分析穩(wěn)態(tài)熱傳遞控制方程 對于穩(wěn)態(tài)熱傳遞，表示熱平衡的微分方程為:相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處的有限元平衡方程為:ANSYS熱分析熱載荷和邊界條件的類型溫度 自由度約束，將確定的溫度施加到模型的特定區(qū)域。均勻溫度 可以施加到?jīng)]有溫度約束的所有節(jié)點(diǎn)上?？梢栽诜€(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析的第一個(gè)子步對所有節(jié)點(diǎn)施加初始溫度而非約束。它也可以在非線性分析中用于估計(jì)隨溫度變化材料特性的初值。熱流率 是集中節(jié)點(diǎn)載荷。正的熱流率表示熱量流入模型。熱流率同樣可以施加在關(guān)鍵點(diǎn)上。此載荷通常用于不能施加對流和熱通量的情況下。施加該載荷到熱傳導(dǎo)率相差很大的區(qū)域上時(shí)應(yīng)注意。ANSYS熱分析熱載荷和邊界

5、條件的類型對流施加在模型外表面上的面載荷，模擬模型表面與周圍流體之間的熱量交換。熱通量(熱流密度) 同樣是面載荷。當(dāng)通過面的熱流率已知的情況下使用。正的熱流密度值表示熱量流入模型。熱生成率 作為體載荷施加，代表體內(nèi)生成的熱，單位是單位體積內(nèi)的熱流率。ANSYS熱分析熱載荷和邊界條件的類型ANSYS 熱載荷分為四大類:1. DOF 約束 - 指定的 DOF (溫度) 數(shù)值2. 集中載荷 - 施加在點(diǎn)上的集中載荷(熱流)3. 面載荷 - 在面上的分布載荷(對流、熱流密度)4. 體載荷 - 體積或場載荷（熱生成）ANSYS熱分析熱載荷和邊界條件注意事項(xiàng)在 ANSYS中, 沒有施加載荷的邊界作為完全絕

6、熱處理。通過施加絕熱邊界條件（缺省條件）得到對稱邊界條件。如果模型某一區(qū)域的溫度已知，就可以固定為該數(shù)值。反作用熱流率只在固定了溫度自由度時(shí)才具有。熱載荷和邊界條件的類型ANSYS熱分析何為瞬態(tài)分析?由于受隨時(shí)間變化的載荷和邊界條件,如果需要知道系統(tǒng)隨時(shí)間的響應(yīng)，就需要進(jìn)行瞬態(tài)分析 。熱能存儲效應(yīng)在穩(wěn)態(tài)分析中忽略，在此要考慮進(jìn)去。時(shí)間，在穩(wěn)態(tài)分析中只用于計(jì)數(shù)，現(xiàn)在有了確定的物理含義。涉及到相變的分析總是瞬態(tài)分析。時(shí)變載荷時(shí)變響應(yīng)ANSYS熱分析除了導(dǎo)熱系數(shù) (k), 還要定義密度 (r) 和 比熱 (c ) 。 穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析對明顯的區(qū)別在于加載和求解 過程。* MASS71熱質(zhì)量單元比較

7、特殊，它能夠存貯熱能單不能傳導(dǎo)熱能。因此，本單元不需要熱傳導(dǎo)系數(shù)。瞬態(tài)分析前處理考慮因素ANSYS熱分析控制方程回憶線性系統(tǒng)熱分析的控制方程矩陣形式。熱存儲項(xiàng)的計(jì)入將靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)系統(tǒng):在瞬態(tài)分析中，載荷隨時(shí)間變化. . . . . 或,對于非線性瞬態(tài)分析, 時(shí)間 和 溫度:熱存儲項(xiàng) = (比熱矩陣) x (時(shí)間對溫度的微分)ANSYS熱分析選擇合理的時(shí)間步很重要，它影響求解的精度和收斂性。如果時(shí)間步長 太小, 對于有中間節(jié)點(diǎn)的單元會(huì)形成不切實(shí)際的振蕩，造成溫度結(jié)果不真實(shí)。時(shí)間步大小建議TtD t如果時(shí)間步長 太大, 就不能得到足夠的溫度梯度。一種方法是先指定一個(gè)相對較保守的初始時(shí)間步長，

8、然后使用自動(dòng)時(shí)間步長按需要增加時(shí)間步。下面說明使用自動(dòng)時(shí)間步長大致估計(jì)初始時(shí)間步長的方法。ANSYS熱分析在瞬態(tài)熱分析中大致估計(jì)初始時(shí)間步長，可以使用Biot和Fourier數(shù)。 Biot 數(shù) 是無量綱的對流和傳導(dǎo)熱阻的比率:其中 D x是名義單元寬度, h是平均對流換熱系數(shù)，K 是平均導(dǎo)熱系數(shù)。Fourier 數(shù) 是無量綱的時(shí)間(Dt/t ) , 對于寬度為D x 的單元它量化了熱傳導(dǎo)與熱存儲的相對比率:其中 r 和 c 是平均的密度和比熱。時(shí)間步大小說明 (續(xù))ANSYS熱分析如果Bi 1: 時(shí)間步長可以用Fourier 和 Biot數(shù)的乘積預(yù)測:求解 D t 得到: (Again, wh

9、ere 0.1 b 0.5)時(shí)間步長的預(yù)測精度隨單元寬度的取值，材料特性的平均方法和比例因子b 而變化。時(shí)間步大小說明 (續(xù))ANSYS熱分析進(jìn)行瞬態(tài)分析ANSYS缺省情況下是穩(wěn)態(tài)分析。使用下列求解菜單指定要進(jìn)行瞬態(tài)分析:“FULL” 是瞬態(tài)熱分析唯一可以使用的選項(xiàng)。7. 用戶要輸入求解選項(xiàng)，并不是只對熱分析有效 (如求解器，N-R 選項(xiàng)等)143256ANSYS熱分析初始條件初始條件 必須對模型的每個(gè)溫度自由度定義，使得時(shí)間積分過程得以開始。施加在有溫度約束的節(jié)點(diǎn)上的初始條件被忽略。根據(jù)初始溫度域的性質(zhì)，初始條件可以用以下方法之一指定:注: 如果沒有指定初始溫度，初始DOF數(shù)值為0。ANSY

10、S熱分析均勻初始溫度如果整個(gè)模型的初始溫度為均勻且非0，使用下列菜單指定:1234ANSYS熱分析非均勻的初始溫度如果模型的初始溫度分布已知但不均勻，使用這些菜單將初始條件施加在特定節(jié)點(diǎn)上:4. 用圖形選取或輸入點(diǎn)號的方法確定要建立初始溫度的節(jié)點(diǎn)。5. 單擊 OK.注: 當(dāng)手動(dòng)或借助于輸入文件輸入IC命令時(shí)，可以使用節(jié)點(diǎn)組元名來區(qū)分節(jié)點(diǎn)。12354ANSYS熱分析非均勻初始溫度 (續(xù))注: 沒有定義DOF初始溫度的節(jié)點(diǎn)其初始溫度缺省為TUNIF命令指定的均勻數(shù)值。6.選擇 DOF 標(biāo)記 “TEMP”。7. 指定初始溫度數(shù)值。8. 完成后單擊OK。單擊APPLY重復(fù)操作，將初始溫度指定到其它節(jié)點(diǎn)

11、上。678ANSYS熱分析由穩(wěn)態(tài)分析得到的初始溫度 (續(xù))當(dāng)模型中的初始溫度分布是不均勻且未知的，單載荷步的穩(wěn)態(tài)熱分析可以用來確定瞬態(tài)分析前的初始溫度。要這樣做，按照下列步驟:1. 穩(wěn)態(tài)第一載荷步:進(jìn)入求解器，使用穩(wěn)態(tài)分析類型。施加穩(wěn)態(tài)初始載荷和邊界條件。為了方便，指定一個(gè)很小的結(jié)束時(shí)間 (如1E-3 秒)。避免使用非常小的時(shí)間數(shù)值 ( 1E-10) 因?yàn)榭赡苄纬蓴?shù)值錯(cuò)誤。指定其它所需的控制或設(shè)置 (如非線性控制)。求解當(dāng)前載荷步。ANSYS熱分析施加瞬態(tài)分析控制和設(shè)置。求解之前, 打開時(shí)間積分:求解當(dāng)前瞬態(tài)載荷步。求解后續(xù)載荷步。時(shí)間積分效果保持打開直到在后面的載荷步中關(guān)閉為止。由穩(wěn)態(tài)分析得

12、到的初始溫度 (續(xù))2. 后續(xù)載荷步為瞬態(tài):在第二個(gè)載荷步中，根據(jù)第一個(gè)載荷步施加載荷和邊界條件。記住刪除第一個(gè)載荷步中多余的載荷。1234ANSYS熱分析打開/關(guān)閉時(shí)間積分效果象剛剛說明的那樣, 穩(wěn)態(tài)分析可以迅速的變?yōu)樗矐B(tài)分析，只要簡單的在后續(xù)載荷步中將時(shí)間積分效果打開。同樣，瞬態(tài)分析可以變成穩(wěn)態(tài)分析，只要簡單的在后續(xù)載荷步中將時(shí)間積分效果關(guān)閉。結(jié)論: 從求解方法來說，瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析的差別就在于時(shí)間積分。ANTYPE,TRANS + TIMINT,OFF ANTYPE,STATICANTYPE,STATIC + TIMINT,ON ANTYPE,TRANSANSYS熱分析另外的時(shí)間積分例

13、子在本例中，不是在分析的開始關(guān)閉時(shí)間積分效果來建立初始條件，而是在分析的結(jié)束關(guān)閉時(shí)間積分來“加速”瞬態(tài)。通常，分析的目標(biāo)將將瞬態(tài)熱現(xiàn)象中最嚴(yán)重的溫度梯度定量。這些梯度通常在瞬態(tài)的初始階段發(fā)生,并在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)隨時(shí)間衰減。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定后，后面的結(jié)果就沒有意義了，分析可以簡單的結(jié)束或如果穩(wěn)態(tài)溫度場也需要得到，就在最后載荷步關(guān)閉時(shí)間積分效果。注意改變到穩(wěn)態(tài)邊界時(shí)的突變。最后一個(gè)載荷步的終止時(shí)間可以是任意的,但必須比前面的瞬態(tài)載荷步時(shí)間數(shù)值要大。ANSYS熱分析打開控制打開控制 用于在當(dāng)瞬態(tài)熱分析接近穩(wěn)態(tài)時(shí)讓自動(dòng)時(shí)間步 “打開”(增加)時(shí)間步長。在缺省情況下，如果連續(xù)3個(gè)子步間的最大溫度變化都小于

14、 0.1個(gè)溫度單位，那么時(shí)間步長將迅速增加以提高效率。這個(gè)控制只能在求解控制中實(shí)現(xiàn)。用這些菜單改變設(shè)置:3. 指定溫度。4. 指定門檻值。5. 指定子步數(shù)。6. 單擊OK。123456ANSYS熱分析階躍還是漸變?要準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，載荷必須以正確的幅值，在正確的時(shí)間和正確的速率施加?；貞浺幌螺d荷在載荷步中相對時(shí)間可以是階躍的或漸變的:ANSYS 缺省是漸變加載的。漸變加載可以提高瞬態(tài)求解的適應(yīng)性，如果有非線性時(shí)可以提高收斂性。參考第4章學(xué)習(xí)ANSYS如何處理漸變載荷。ANSYS熱分析階躍還是漸變? (續(xù))要模擬階躍載荷，將載荷在很短的時(shí)間內(nèi)漸變施加到全值，然后在后續(xù)載荷步中保持不變。問

15、題: 對茶壺進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。在底上施加熱流模擬爐子的加熱。熱流載荷應(yīng)該是階躍的還是漸變的如果 . . .1. 茶壺在一個(gè)剛?cè)贾臓t子上2. 茶壺載一個(gè)已經(jīng)很熱的爐子上ANSYS熱分析什么是耦合場分析? 耦合場 分析考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上的物理場之間的相互作用。這種分析包括直接和間接耦合分析。當(dāng)進(jìn)行直接耦合時(shí), 多個(gè)物理場（如熱電）的自由度同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。這稱為直接方法，適用于多個(gè)物理場各自的響應(yīng)互相依賴的情況。由于平衡狀態(tài)要滿足多個(gè)準(zhǔn)則才能取得，直接耦合分析往往是非線性的。每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的自由度越多，矩陣方程就越龐大，耗費(fèi)的機(jī)時(shí)也越多。下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分析的單元類型。不是所有單元都

16、有溫度自由度。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析什么是耦合場分析? (續(xù))間接耦合分析是以特定的順序求解單個(gè)物理場的模型。前一個(gè)分析的結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件施加。有時(shí)也稱之為序貫耦合分析。本分析方法主要用于物理場之間單向的耦合關(guān)系。例如，一個(gè)場的響應(yīng)（如熱）將顯著影響到另一個(gè)物理場（如結(jié)構(gòu)）的響應(yīng)，反之不成立。本方法一般來說比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的單元類型。本章中我們只討論涉及熱的耦合現(xiàn)象。請注意并非所有ANSYS產(chǎn)品都支持所有耦合單元類型和分析選項(xiàng)。例如，ANSYS/Thermal產(chǎn)品只提供熱電直接耦合。詳細(xì)說明參見Coupled-Field Analysis Guide。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析直

17、接方法 - 例題在第七章對流部分中，介紹了FLUID66和FLUID116熱流單元。該單元具有熱和壓力自由度，因此是直接耦合場單元。ANSYS有一些其他的耦合單元，具有結(jié)構(gòu)，熱，電，磁等自由度。絕大多數(shù)的實(shí)際問題只涉及到少數(shù)幾個(gè)物理場的耦合。這里提供了幾個(gè)涉及到熱現(xiàn)象的直接耦合場分析。熱結(jié)構(gòu): 熱軋鋁板鋁板的溫度將影響材料彈塑性特性和熱應(yīng)變。機(jī)械和熱載荷使得板產(chǎn)生大應(yīng)變。新的熱分析必須計(jì)入形狀改變。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析直接方法 - 例題 (續(xù))熱-電磁場: 鋼芯的熱傳遞傳導(dǎo)線圈在鋼芯周圍產(chǎn)生電磁場。該區(qū)域 的交變電流在鋼芯內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱。鋼芯在熱作用下產(chǎn)生高溫，由于溫度變化梯度很大，因此必須考慮鋼芯

18、材料特性隨溫度的變化。而且，磁場變化的強(qiáng)度和方向都會(huì)改變。象這種電磁場諧波分析，只要得出磁向量勢A，就能計(jì)算出電流密度向量J。它用來計(jì)算下式中的焦耳熱:結(jié)構(gòu)-熱耦合分析直接方法 - 前處理在直接耦合場分析的前處理中要記住以下方面:使用耦合場單元的自由度序列應(yīng)該符合需要的耦合場要求。模型中不需要耦合的部分應(yīng)使用普通單元。仔細(xì)研究每種單元類型的單元選項(xiàng)，材料特性合實(shí)常數(shù)。耦合場單元相對來說有更多的限制(如, PLANE13不允許熱質(zhì)量交換而PLANE55單元可以, SOLID5不允許塑性和蠕變而SOLID45可以)。不同場之間使用統(tǒng)一的單位制。例如，在熱-電分析中，如果電瓦單位使用瓦(焦耳/秒)，

19、熱單位就不能使用Btu/s。由于需要迭代計(jì)算，熱耦合場單元不能使用子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析直接方法 - 加載, 求解, 后處理 在直接方法的加載，求解，后處理中注意以下方面：如果對帶有溫度自由度的耦合場單元選擇 瞬態(tài) 分析類型的話：瞬態(tài)溫度效果可以在所有耦合場單元中使用。瞬態(tài)電效果(電容，電感)不能包括在熱-電分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度 被激活)。帶有磁向量勢自由度的耦合場單元可以用來對瞬態(tài)磁場問題建模(如,SOLID62). 帶有標(biāo)量勢自由度的單元只能模擬靜態(tài)現(xiàn)象(SOLID5)。學(xué)習(xí)每種單元的自由度和允許的載荷。耦合場單元允許的相同位置(節(jié)點(diǎn),單元面等)施加多種類型的載荷 (

20、D, F, SF, BF) 。耦合場分析可以使高度非線性的?？紤]使用Predictor 和 Line Search 功能改善收斂性?？紤]使用Multi-Plots功能將不同場的結(jié)果同時(shí)輸出到多個(gè)窗口中。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析間接方法間接方法 用于求解間接耦合場問題。它需要連續(xù)進(jìn)行兩個(gè)單場的分析(而不是同時(shí))，第一種分析的結(jié)果作為第二種分析的載荷。如:熱 結(jié)構(gòu)熱 結(jié)構(gòu)許多問題需要熱到結(jié)構(gòu) 的耦合(溫度引起的熱膨脹)但反之不可 結(jié)構(gòu)到熱 耦合是可以忽略的(小的應(yīng)變將不對初始的熱分析結(jié)果產(chǎn)生影響)在實(shí)用問題中，這種方法比直接耦合要方便一些，因?yàn)榉治鍪褂玫氖菃螆鰡卧?，不用進(jìn)行多次迭代計(jì)算。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析間

21、接方法 - 例題葉片和盤中的溫度會(huì)產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)變。這會(huì)顯著影響應(yīng)力狀態(tài)。由于應(yīng)變較小，而且接觸區(qū)域是平面對平面的，因此溫度解不用更新。Disk SectorAirfoilPlatformRoot下面是有關(guān)熱現(xiàn)象的一些可以使用間接耦合方法進(jìn)行分析的例子:熱-結(jié)構(gòu):透平機(jī)葉片部件分析這種分析又叫做熱應(yīng)力分析。這合非常典型的分析類型將在后面有更加詳細(xì)的描述。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析間接方法 - 例題(續(xù))熱-電:嵌于玻璃盤的電熱器嵌于玻璃盤的電熱器中有電流。這使得電線中有焦耳熱產(chǎn)生。 由于熱效應(yīng)，電線和盤中溫度增加。由于系統(tǒng)的溫度變化不大，熱引起的電阻變化被忽略。因此，電流也是不變的。當(dāng)電壓V求解后，可以用

22、于下式中求解焦耳熱:+ V -結(jié)構(gòu)-熱耦合分析間接方法 - 過程在ANSYS中由兩個(gè)基本方法進(jìn)行序貫耦合場分析。它們主要區(qū)別在于每個(gè)場的特性是如何表示的:物理環(huán)境方法 - 單獨(dú) 的數(shù)據(jù)庫文件在所有場中使用。用多個(gè)物理環(huán)境文件來表示每個(gè)場的特性。手工方法 - 多個(gè) 數(shù)據(jù)庫被建立和存儲，每次研究一種場。每個(gè)場的數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫中。在下面我們將對每種方法和其優(yōu)點(diǎn)加以討論。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析物理環(huán)境為了自動(dòng)進(jìn)行序貫耦合場分析，ANSYS允許用戶在一個(gè)模型中定義多個(gè) 物理環(huán)境。 一個(gè)物理環(huán)境代表模型在一個(gè)場中的行為特性。物理環(huán)境文件是ASCII碼文件，包括以下內(nèi)容:單元類型和選項(xiàng)節(jié)點(diǎn)和單元坐標(biāo)系耦合和約

23、束方程分析和載荷步選項(xiàng)載荷和邊界條件GUI 界面和標(biāo)題在建立帶有物理環(huán)境的模型時(shí)，要選擇相容于所有物理場的單元類型。例如， 8節(jié)點(diǎn)的熱塊單元與8節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)塊單元相容，而不與10節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元相容:yesno在使用降階單元形狀時(shí)要注意。具有相同基本形狀的單元不一定支持該種單元的降階模式。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析物理環(huán)境 (續(xù))除了相似的單元階次 (形函數(shù)階次) 和形狀，絕大多數(shù)單元需要相似的單元選項(xiàng) (如平面2-D單元的軸對稱) 以滿足相容性。但是，許多載荷類型不需要環(huán)境之間完全相容。例如，8節(jié)點(diǎn)熱體單元可以用來給20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)塊單元提供溫度。許多單元需要特殊單選項(xiàng)設(shè)置來與不同階次的單元相容。單元屬性號碼

24、(MAT, REAL, TYPE)在環(huán)境之間號碼必須連續(xù)。對于在某種特殊物理環(huán)境中不參與分析的區(qū)域使用空單元類型 (type # zero)來劃分 (如，在電磁場分析中需要對物體周圍單空氣建模而熱和結(jié)構(gòu)分析中不用)。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析同時(shí)，確認(rèn)網(wǎng)格劃分的密度在所有物理環(huán)境中都能得到可以接收的結(jié)果。如：物理環(huán)境方法允許載一個(gè)模型中定義最多9種物理環(huán)境。這種方法當(dāng)考慮多于兩個(gè)場的相互作用時(shí)或不能在每個(gè)環(huán)境中使用不同的數(shù)據(jù)庫文件的情況下比較適用。要得到關(guān)于間接問題的物理環(huán)境方法，可以參考耦合場分析指南的第二章。物理環(huán)境 (續(xù))這種劃分方法在熱分析中可以得到滿意的溫度分布，但. . . . . 這樣的網(wǎng)

25、格密度在結(jié)構(gòu)分析中才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析熱-應(yīng)力分析在本章的后面部分，我們考慮一種最常見的間接耦合分析；熱-應(yīng)力分析。熱-應(yīng)力分析是間接問題，因?yàn)闊岱治龅玫降臏囟葘Y(jié)構(gòu)分析的應(yīng)變和應(yīng)力有顯著的影響，但結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對熱分析結(jié)果沒有很大的影響。因?yàn)闊?應(yīng)力分析只涉及到兩個(gè)場之間的連續(xù)作用，我們可以使用手工方法 (MM)進(jìn)行順序耦合而不必使用相對復(fù)雜的物理環(huán)境方法 (PEM) 。這里是手工方法的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):在建立熱和結(jié)構(gòu)模型時(shí)有較少的限制。例如，屬性號碼和網(wǎng)格劃分在熱和結(jié)構(gòu)中可以不同。PEM需要所有的模型都是一致的。MM 方法是簡單而且適應(yīng)性強(qiáng)的，ANSYS和用戶都對它進(jìn)行了多

26、年的檢驗(yàn)。缺點(diǎn):用戶必須建立熱和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件。這與單獨(dú)模型的PEM方法對比，需要占用較多的存儲空間。MM 如果再考慮其它場時(shí)會(huì)比較麻煩。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析基本過程在熱-應(yīng)力分析中，由溫度求解得到的節(jié)點(diǎn)溫度 將在結(jié)構(gòu)分析中用作體載荷。當(dāng)在順序求解使用手工方法時(shí)將熱節(jié)點(diǎn)溫度施加到結(jié)構(gòu)單元上有兩種選項(xiàng)。選擇的原則在于結(jié)構(gòu)模型和熱模型是否有相似的網(wǎng)格劃分:如果熱和結(jié)構(gòu)的單元有相同 的節(jié)點(diǎn)號碼. . .1熱模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)模型，使用ETCHG 命令(見相應(yīng)單元表格)。溫度可以直接從熱分析結(jié)果文件讀出并使用LDREAD 命令施加到結(jié)構(gòu)模型上。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析基本過程 (續(xù))如果熱和結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格有

27、 不同 的節(jié)點(diǎn)號碼 . . .結(jié)構(gòu)單元與熱模型網(wǎng)格劃分不同，為了得到更好的結(jié)構(gòu)結(jié)果。結(jié)構(gòu)體載荷是從熱分析中映射過來。這需要一個(gè)較復(fù)雜的過程，使用BFINT 命令對熱結(jié)果插值 (不能使用物理環(huán)境)。下面對比一下使用相同或不同網(wǎng)格的區(qū)別。2結(jié)構(gòu)-熱耦合分析熱-應(yīng)力分析流程圖相同網(wǎng)格?5A. 將熱模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)模型 (ETCHG)5a. 清除熱網(wǎng)格并建立結(jié)構(gòu)網(wǎng)格Yes(Option 1)No (Option 2)5B. 讀入熱載荷 (LDREAD)5b.寫節(jié)點(diǎn)文件(NWRITE) 并存儲結(jié)構(gòu)文件5c.讀入熱模型并進(jìn)行溫度插值 (BFINT)5d. 讀入結(jié)構(gòu)模型并讀入體載荷文件 (/INPUT)6.

28、指定分析類型，分析選項(xiàng)和載荷步選項(xiàng)7. 指定參考溫度并施加其它結(jié)構(gòu)載荷8. 存儲并求解9. 后處理結(jié)束 1.建立，加載，求解熱模型2.后處理確定要傳到結(jié)構(gòu)的溫度3. 設(shè)置 GUI過濾，改變工作文件名并刪除熱載荷， CEs, CPs4.定義結(jié)構(gòu)材料特性開始 結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié)1.建立熱模型并進(jìn)行瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)熱分析，得到節(jié)點(diǎn)上的溫度。2.查看熱結(jié)果并確定大溫度梯度的時(shí)間點(diǎn) (或載荷步/子步)。3a. 將GUI過濾設(shè)置為“Structural” 和 “Thermal”。3b.改變工作文件名。213b下面是熱-應(yīng)力分析的每步細(xì)節(jié)。3a結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))3c. 刪除所有熱載荷3d. 刪

29、除耦合序列和約束方程3d3c結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))4. 定義結(jié)構(gòu)材料特性，包括熱膨脹系數(shù) (ALPX)。4非線性材料特性如塑性和蠕變在數(shù)據(jù)表格下定義結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))下面兩頁 (步驟 5A 和 5B)假設(shè)熱網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)中同樣使用 (選項(xiàng) 1).5A. 改變單元類型，從熱到結(jié)構(gòu) (ETCHG 命令):檢查實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)是否正確。5AResets optionsRetains options結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))5B. 從熱分析中施加溫度體載荷(LDREAD 命令):9. Solve current load step5B確定溫度結(jié)果文件確定結(jié)果的時(shí)間和子步結(jié)構(gòu)-

30、熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))下面六頁 (步驟 5a-5d) 假設(shè)熱網(wǎng)格不在結(jié)構(gòu)模型中使用 (選項(xiàng)2)。5a.清除熱網(wǎng)格 . . . 刪除熱單元類型并定義結(jié)構(gòu)單元類型. . .改變網(wǎng)格控制并劃分結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))5b.選擇溫度體載荷的所有節(jié)點(diǎn)并寫入節(jié)點(diǎn)文件。5b指定節(jié)點(diǎn)文件名結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))5c.存儲結(jié)構(gòu)模型，將工作文件名改為熱工作文件名，讀入熱數(shù)據(jù)庫. . .進(jìn)入通用后處理器 . . . 結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))讀入需要的結(jié)果序列，并 . . . 進(jìn)行體載荷插值:節(jié)點(diǎn)文件名寫出的載荷文件名用于寫多個(gè)載荷文件使用體-體結(jié)構(gòu)-熱耦合分析有些情況下熱網(wǎng)格

31、和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并不完全一致。這時(shí)，ANSYS對超過熱模型的結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行體載荷插值。缺省的判斷準(zhǔn)則是看插值的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)到熱單元邊界的距離是否小于單元邊長的0.5 倍。一個(gè)在5.4版沒有寫入手冊的特性允許用戶控制該公差數(shù)值： 本命令沒有GUI路徑。因此，命令只能在輸入窗口中手工輸入。BFINT, Fname1, Ext1, Dir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS使用 BFINT插值, EXTOL例如: 如果結(jié)構(gòu)網(wǎng)格包括在熱模型中不存在的圓角時(shí)，許多節(jié)點(diǎn)將落在熱模型的外面。如果圓角足夠大而且熱模型足夠細(xì)致，圓角區(qū)域的載荷將不能寫出。Using the de

32、fault tolerance, these two nodes would not be assigned a load熱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邊界結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))5d. 退出通用后處理器，將工作文件名改為結(jié)構(gòu)工作文件名，讀入結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫. . .進(jìn)入求解器 . . .讀入載荷文件施加溫度載荷:結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))6a.定義結(jié)構(gòu)分析類型(缺省為靜態(tài))6b.指定分析選項(xiàng) (如求解器選項(xiàng))6c.指定載荷步選項(xiàng)(如，輸出控制)6a6b6c結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))7a.設(shè)置求解熱膨脹時(shí)自由應(yīng)變參考溫度 (TREF):7結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流程細(xì)節(jié) (續(xù))7b.施加其它結(jié)構(gòu)載荷。8

33、.存儲模型并求解當(dāng)前載荷步。7b989. 結(jié)果后處理:結(jié)構(gòu)-熱耦合分析ANSYS流-固耦合分析ANSYS流-固耦合分析ANSYS流-固耦合分析ANSYS流-固耦合分析ANSYS流-固耦合分析ANSYS流-固耦合分析ANSYS流-固耦合分析問題概述在這個(gè)教程中，運(yùn)用一個(gè)簡單的擺動(dòng)板例題來解釋怎樣建立以及模擬流體結(jié)構(gòu)相互作用的問題。其中流體模擬在ANSYS CFX求解器中運(yùn)行，而用ANSYS軟件包中的FEA來模擬固體問題。模擬流固相互作用的整個(gè)過程中需要兩個(gè)求解器的耦合運(yùn)行，ANSYSMultiField求解器提供了耦合求解的平臺。ANSYS流-固耦合分析示例模擬中固體問題的描述開始模擬運(yùn)行ANS

34、YS Workbench點(diǎn)擊Empty Project將出現(xiàn)Project界面，在此界面中有一個(gè)一個(gè)未存儲的Project選擇FileSave把目錄設(shè)在你的工作目錄，文件名設(shè)為OscillatingPlate點(diǎn)擊Save在Project界面左邊工作面板的Link to Geometry File下，點(diǎn)擊Browse，打開所提供的OscillatingPlate.agdb文件確認(rèn)OscillatingPlate.agdb被選（高亮顯示），點(diǎn)擊New simulationANSYS流-固耦合分析示例模擬中固體問題的描述建立固體材料當(dāng)模擬界面展開，在模擬界面左邊的目錄樹中展開Geometry選擇So

35、lid，在底下Details窗口中，選擇Material緊連材料名Structural Steel，用鼠標(biāo)選擇New Material當(dāng)Engineering Data窗口出現(xiàn)，鼠標(biāo)右擊New Material，并重命名為Plate設(shè)置Youngs Modulus（楊氏模量）為2.5e06 Pa，Poissons Ratio（泊松比）為0.35，Density（密度）為2550kg m-3點(diǎn)擊位于Workbench界面上方的Simulation以回到模擬界面ANSYS流-固耦合分析示例模擬中固體問題的描述基本分析設(shè)置從工具欄選擇New AnalysisTransient Stress選擇Ana

36、lysis Settings，在Details窗口，設(shè)置Auto Time Stepping為off設(shè)置Time Step為0.1 s在整個(gè)窗口底邊靠右的Tabular Data面板，設(shè)置End Time為5.0ANSYS流-固耦合分析示例模擬中固體問題的描述加入載荷 固定支撐：為確保薄板的底部固定于平板，需要設(shè)置固定支撐條件。右擊目錄樹中Transient Stress，在快捷菜單中選擇Insert Fixed Support用旋轉(zhuǎn)鍵 旋轉(zhuǎn)幾何模型，以便可以看見模型底面（low-y），然后選擇 并點(diǎn)擊底面（low-y）在Details窗口，選擇Geometry，然后點(diǎn)擊No Selectio

37、n使Apply按鈕出現(xiàn)（如果需要）。點(diǎn)擊Apply以設(shè)置固支。ANSYS流-固耦合分析示例流固界面右擊目錄樹中Transient Stress，在快捷菜單中選擇Insert Fluid Solid Interface用旋轉(zhuǎn)鍵 旋轉(zhuǎn)幾何模型，以便可以方便的通過 鈕在流固界面上選擇三個(gè)面（low-x, high-y and high-x faces），注意這樣會(huì)自動(dòng)生成1個(gè)流固界面。ANSYS流-固耦合分析示例壓力加載右擊目錄樹中Transient Stress，在快捷菜單中選擇Insert Pressure在Geometry中選擇low-x面在Details窗口，選擇Magnitude，用出現(xiàn)的

38、箭頭選擇Tabular（Time）在整個(gè)視窗的右底邊Tabular Data面板，在表中相對應(yīng)于時(shí)間為0 s設(shè)置壓力為100 pa表中需要繼續(xù)輸入兩排參數(shù)，100 pa對應(yīng)于0.499 s， 0 pa對應(yīng)于0.5 s模擬中固體問題的描述加入載荷ANSYS流-固耦合分析示例模擬中固體問題的描述記錄ANSYS輸入文件 現(xiàn)在，模擬設(shè)置已經(jīng)完成。在Simulation中ANSYS MultiField并不運(yùn)行，因此用求解器按鈕并不能得到結(jié)果然而，在目錄樹中的高亮Solution中，選擇Tools Write ANSYS Input File，把結(jié)果寫進(jìn)文件OscillatingPlate.inp網(wǎng)格是

39、自動(dòng)生成的，如果想檢查，可以在目錄樹中選擇Mesh保存Simulation數(shù)據(jù)，返回Oscillating Plate Project面板，存儲ProjectANSYS流-固耦合分析示例創(chuàng)建一個(gè)新的模擬：開始ANSYS CFX-Pre.選擇File New Simulation.選擇 General 并點(diǎn)擊 OK.選擇 File Save Simulation As.在File name欄, 敲入 OscillatingPlate.點(diǎn)擊 Save.設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiFieldANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pr

40、e中設(shè)置ANSYS MultiField輸入網(wǎng)格右擊Mesh 并旋轉(zhuǎn) Import Mesh.選擇提供的網(wǎng)格文件OscillatingPlate.gtm.點(diǎn)擊Open.ANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField設(shè)置仿真類型：選擇 Insert Simulation Type.應(yīng)用以下設(shè)置： 點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField建立流體物質(zhì)1. 選擇 Insert Material.2. 把新物質(zhì)名定義為 Fluid.3. 應(yīng)用以下設(shè)置4. 點(diǎn)擊OKA

41、NSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField 創(chuàng)建域：為了使ANSYS Solver能夠把網(wǎng)格變形信息傳遞給CFX Solver，在CFX中必須激活網(wǎng)格移動(dòng)。重命名Default Domain為OscillatingPlate，并打開進(jìn)行編輯應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField創(chuàng)建邊界條件流體外部邊界創(chuàng)建一個(gè)新邊界條件，命名為Interface.應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置A

42、NSYS MultiField對稱邊界條件創(chuàng)建一個(gè)新邊界條件，命名為Sym1.應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊OK創(chuàng)建一個(gè)新邊界條件，命名為Sym2應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField設(shè)置初始值點(diǎn)擊 Global Initialization應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField設(shè)置求解器控制點(diǎn)擊Solver Control應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS

43、MultiField設(shè)置輸出控制點(diǎn)擊Output Control點(diǎn)擊 Trn Results 鍵創(chuàng)建一個(gè)瞬態(tài)結(jié)果，用默認(rèn)的文件名對 Transient Results 1應(yīng)用以下設(shè)置點(diǎn)擊 Monitor 鍵選擇Monitor OptionsANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField在Monitor Points and Expressions下點(diǎn)擊Add new item ，采用默認(rèn)的名字設(shè)置 Option 為 Cartesian Coordinates設(shè)置 Output Variables List 為Total Mesh D

44、isplacement X設(shè)置Cartesian Coordinates為0, 1, 0點(diǎn)擊OKANSYS流-固耦合分析示例設(shè)置流體問題、在ANSYS CFX-Pre中設(shè)置ANSYS MultiField輸出求解器文件(.def)點(diǎn)擊Write Solver File如果 Physics Validation Summary 對話框出現(xiàn)，點(diǎn)擊 Yes 以繼續(xù)應(yīng)用以下設(shè)置確選擇是 Start Solver Manager ，點(diǎn)擊 Save如果發(fā)現(xiàn)文件已經(jīng)存在，點(diǎn)擊Overwrite退出ANSYS CFX-Pre，自己決定是否存儲模擬文件 (.cfx)ANSYS流-固耦合分析示例通過 ANSYS CFX-Solver Manager 獲得結(jié)果ANSYS Multifield simulation的運(yùn)行需要CFX和ANSYS聯(lián)合求解確認(rèn)Define Run 對話框出現(xiàn)在 MultiField 鍵, 確認(rèn) ANSYS 輸入文件地址是正確的確認(rèn)ANSYS Install Root 設(shè)置是正確的點(diǎn)擊Start RunANSYS流-固耦合分析示例通過 ANSYS CFX-Solver Manager 獲得結(jié)果ANSYS輸出文件點(diǎn)擊User Points 鍵，觀察薄板上部隨著求解怎樣變形當(dāng)求解完成， ANSYS CFX-Solver Manager 會(huì)