1、ANSYS多物理耦合场有限元分析王晓军王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所航空科学与工程学院固体力学研究所ANSYSANSYS多物理耦合场有限元分析多物理耦合场有限元分析 结构结构-热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 )温度温度热流量热流量热传导率热传导率密度密度比热比热对流换热系数对流换热系数热流热流温度梯度温度梯度内部热生成内部热生成Degrees C ( or K )WattsWatts/ ( meter.degree C )kilogram/ ( meter3 )( Watt.sec ) / ( kilogram .degr
2、ee C)Watt/ ( meter2.degree C )Watt/ ( meter2 )degree C / meterWatt/ ( meter3 )ANSYSANSYS热分析热分析热传递的类型 热传递有三种基本类型热传递有三种基本类型: 传导传导 - 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。 对流对流 - 在物体和周围流体之间发生的热交换。在物体和周围流体之间发生的热交换。 辐射辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。能
3、量交换。 在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有对流和对流和/或辐射边界条件。或辐射边界条件。ANSYSANSYS热分析热分析 传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定： 负号表示热量沿梯度的反向流动负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如例如, 热量从热的部分流向冷的部分热量从热的部分流向冷的部分).传导Tnq*dTdnndirection in gradient thermalre temperatundirection in ty conductivi thermalWhere,ndirection in a
4、reaunit per rate flowheat *nTTKnTKqnnnnANSYSANSYS热分析热分析对流 对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出: 对流一般作为面边界条件施加对流一般作为面边界条件施加TsTBre temperatufluidbulk re temperatusurfacetcoefficien film convective Where,fluid and surfacebetween areaunit per rate flowheat )(*BSfBSfTThTThqANSYSANSYS热分析热分析热力学第一定律 能量守恒能量守恒要
5、求系统的能量改变与系统边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。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能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式表示为方程形式 将其应用到一个微元体上，就可以得到将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。热传导的控制微分方程。0generatedboundary heout thru tboundary ein thru thstoredEEEEANSYSANSYS热分析热分析单元类型单元类型 下表显示通常使用的热单元类型。下表显示通常使用的热单元类型。 节点自由度是：节点自由度是：TEMP。常用的热单元类
6、型材料特性材料特性 至少需要至少需要 Kxx Kxx 稳态分析热传导系数。稳态分析热传导系数。 如果是瞬态分析，则需要比热如果是瞬态分析，则需要比热 (C) (C) 。 优先设置为优先设置为 “thermalthermal” （热分析），在（热分析），在 GUI GUI 方式中只显示热材料特性。方式中只显示热材料特性。实常数实常数 主要用于壳和线单元。主要用于壳和线单元。热分析有限元模型ANSYSANSYS热分析热分析稳态热传递稳态热传递 如果热量流动不随时间变化的话，热传如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。递就称为是稳态的。 由于热量流动不随时间变化由于热量流动不随时间变化,
7、 系统的温度系统的温度和热载荷也都不随时间变化。和热载荷也都不随时间变化。 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为示为:输入能量输入能量 输出能量输出能量 = 0ANSYSANSYS热分析热分析稳态热传递控制方程 对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:相应的节点处的有限元平衡方程为相应的节点处的有限元平衡方程为:0.qzTkzyTkyxTkxzzyyxxQKT ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件的类型热载荷和边界条件的类型 温度温度 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。自由度约束，将确定的温度施加
8、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约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。于估计随温度变化材料特性的初值。 热流率热流率 是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的
9、情况下。施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件的类型热载荷和边界条件的类型 对流对流 施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。交换。 热通量热通量(热流密度热流密度) 同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度值表示热量流入模型。值表示热量流入模型。 热生成率热生成率 作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。作为体载荷
10、施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件的类型 ANSYS 热载荷分为四大类热载荷分为四大类:1. DOF 约束约束 - 指定的指定的 DOF (温度温度) 数值数值2. 集中载荷集中载荷 - 施加在点上的集中载荷施加在点上的集中载荷(热流热流)3. 面载荷面载荷 - 在面上的分布载荷在面上的分布载荷(对流、热流密度对流、热流密度)4. 体载荷体载荷 - 体积或场载荷（热生成）体积或场载荷（热生成）ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件注意事项热载荷和边界条件注意事项 在在 ANSYS中中, 没有施加载荷的边界作为完全没有施加
11、载荷的边界作为完全绝热绝热处理。处理。 通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称对称边界条件边界条件。 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。热载荷和边界条件的类型ANSYSANSYS热分析热分析何为瞬态分析?由于受随时间变化的载荷和边界条件由于受随时间变化的载荷和边界条件,如果需要知道系统随时间的响应，就如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行需要进行瞬态分析瞬态分析 。热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去
12、。时间，在稳态分析中热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中只用于计数，现在有了确定的物理含义。只用于计数，现在有了确定的物理含义。涉及到相变的分析总是瞬态分析。涉及到相变的分析总是瞬态分析。时变载荷时变载荷时变响应时变响应ANSYSANSYS热分析热分析除了导热系数除了导热系数 (k), 还要定义还要定义密度密度 (r r) 和和 比热比热 (c ) 。 稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解加载和求解 过程。过程。* MASS71热质量单元比较特热质量单元比较特殊，它能够存贮热能单不能传殊，它能够存贮热能单不能传导热能。因此，
13、本单元不需要导热能。因此，本单元不需要热传导系数。热传导系数。瞬态分析前处理考虑因素ANSYSANSYS热分析热分析控制方程回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统态系统:在瞬态分析中，载荷随在瞬态分析中，载荷随时间时间变化变化. . . . . 或或,对于非线性瞬态分析对于非线性瞬态分析, 时间时间 和和 温度温度: QTKTC tQTKTC tTQTTKTTC,热存储项热存储项 = (比热矩阵比热矩阵) x (时间对温度的微分时间对温度的微分)ANSYSANSYS热分析热分析选择合理的
14、时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。如果时间步长如果时间步长 太小太小, 对于有中间节点的单元会对于有中间节点的单元会形成不切实际的振荡，造成温度结果不真实。形成不切实际的振荡，造成温度结果不真实。时间步大小建议TtD D t如果时间步长如果时间步长 太大太大, 就不能就不能得到足够的温度梯度。得到足够的温度梯度。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按需要增加时间步。下面说明使用自
15、动时间步长大致估计初始时间步长的方法。法。ANSYSANSYS热分析热分析在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和和Fourier数。数。 Biot 数数 是无量纲的对流和传导热阻的比率是无量纲的对流和传导热阻的比率:其中其中 D x是名义单元宽度是名义单元宽度, h是平均对流换热系数，是平均对流换热系数，K 是平均导热系数。是平均导热系数。Fourier 数数 是无量纲的时间是无量纲的时间(Dt/t ) , 对于宽度为对于宽度为D x 的单元它量化了热传导的单元它量化了热传导与热存储的相对比率与热存储的相对比率:其中其中 r 和和 c
16、 是平均的密度和比热。是平均的密度和比热。时间步大小说明 (续)KxhBiD2)( xctKFoDDrANSYSANSYS热分析热分析如果如果Bi 1: 时间步长可以用时间步长可以用Fourier 和和 Biot数的乘积预测数的乘积预测:求解求解 D t 得到得到: (Again, where 0.1 b 0.5)时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的平均方法和比例因子时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的平均方法和比例因子b 而变化。而变化。时间步大小说明 (续)brrDDDDDxcthKxhxctKBiFo2)(cKandwherexKxctrababrbDDD5 . 01
17、 . 0,)()(22hxctDDrbANSYSANSYS热分析热分析进行瞬态分析ANSYS缺省情况下是稳态分析。使用下列求解菜单指定要进行瞬态分析缺省情况下是稳态分析。使用下列求解菜单指定要进行瞬态分析:“FULL” 是瞬态热分析唯一可以使用的选项。7. 用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效 (如求解器，如求解器，N-R 选项等选项等)143256ANSYSANSYS热分析热分析初始条件初始条件初始条件 必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以开始。开始。施加在有温度约束的节点上的初始
18、条件被忽略。施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。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: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数值为数值为0。ANSYSANSYS热分析热分析均匀初始温度如果整个模型的初始温度为均匀且非如果整个模型的初始温度为均匀且非0，使用下列菜单指定，使用下列菜单指定:1234ANSYSANSYS热分析热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，使用这些菜单，使用这些菜单将初始条件施加在特定节点上将初始条件施加在特定节点上:4.
19、 用图形选取或输入点号的方法用图形选取或输入点号的方法确定要建立初始温度的节点。确定要建立初始温度的节点。5. 单击单击 OK.注注: 当手动或借助于输入文件输入当手动或借助于输入文件输入IC命令时，可以使用节点组元名来命令时，可以使用节点组元名来区分节点。区分节点。12354ANSYSANSYS热分析热分析非均匀初始温度 (续)注注: 没有定义没有定义DOF初始温度的节点初始温度的节点其初始温度缺省为其初始温度缺省为TUNIF命令指定命令指定的均匀数值。的均匀数值。6.选择选择 DOF 标记标记 “TEMP”。7. 指定初始温度数值。指定初始温度数值。8. 完成后单击完成后单击OK。单击。单
20、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节点上。到其它节点上。678ANSYSANSYS热分析热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，单载荷步的稳态热分析可以用的，单载荷步的稳态热分析可以用来确定瞬态分析前的初始温度。要这样做，按照下列步骤来确定瞬态分析前的初始温度。要这样做，按照下列步骤:1. 稳态第一载荷步稳态第一载荷步: 进入求解器，使用稳态分析类型。进入求解器，使用稳态分析类型。 施加稳态初始载荷和边界条件。施加稳态初始载荷和边界条件。 为了方便，指定一个很小的结束时间为了方便，指定一个
21、很小的结束时间 (如如1E-3 秒秒)。避免使用非常小的时。避免使用非常小的时间数值间数值 ( 1E-10) 因为可能形成数值错误。因为可能形成数值错误。 指定其它所需的控制或设置指定其它所需的控制或设置 (如非线性控制如非线性控制)。 求解当前载荷步。求解当前载荷步。ANSYSANSYS热分析热分析 施加瞬态分析控制和设置。施加瞬态分析控制和设置。 求解之前求解之前, 打开时间积分打开时间积分: 求解当前瞬态载荷步。求解当前瞬态载荷步。 求解后续载荷步。时间积分效果保持打开直到在后面的求解后续载荷步。时间积分效果保持打开直到在后面的载荷步中关闭为止。载荷步中关闭为止。由稳态分析得到的初始温度
22、 (续)2. 后续载荷步为瞬态后续载荷步为瞬态: 在第二个载荷步中，根据第一个载荷步施加载荷和边界条件。记住删除第在第二个载荷步中，根据第一个载荷步施加载荷和边界条件。记住删除第一个载荷步中多余的载荷。一个载荷步中多余的载荷。1234ANSYSANSYS热分析热分析打开/关闭时间积分效果象刚刚说明的那样象刚刚说明的那样, 稳态稳态分析可以迅速的变为分析可以迅速的变为瞬态瞬态分析，只要简单的在后分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果续载荷步中将时间积分效果打开打开。同样，同样，瞬态瞬态分析可以变成分析可以变成稳态稳态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分析，只要简单的在后续载荷步中将时间
23、积分效果分效果关闭关闭。结论结论: 从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分。从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分。ANTYPE,TRANS + TIMINT,OFF ANTYPE,STATICANTYPE,STATIC + TIMINT,ON ANTYPE,TRANSANSYSANSYS热分析热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闭时间积分效果来关闭时间积分效果来建立初始条件，而是在分析的建立初始条件，而是在分析的结束结束关闭时间积分来关闭时间积分来“加速加速”瞬态。瞬态。通常，分析的目标将将瞬态热现象中最严重的温度梯度
24、通常，分析的目标将将瞬态热现象中最严重的温度梯度定量。这些梯度通常在瞬态的初始阶段发生定量。这些梯度通常在瞬态的初始阶段发生,并在系统进并在系统进入稳态时随时间衰减。入稳态时随时间衰减。当系统响应稳定后，后面的结果就没有意义了，分析可当系统响应稳定后，后面的结果就没有意义了，分析可以简单的结束或如果稳态温度场也需要得到，就在最后以简单的结束或如果稳态温度场也需要得到，就在最后载荷步关闭时间积分效果。载荷步关闭时间积分效果。注意改变到稳态边界时的突注意改变到稳态边界时的突变。最后一个载荷步的终止变。最后一个载荷步的终止时间可以是任意的时间可以是任意的,但必须但必须比前面的瞬态载荷步时间数比前面的
25、瞬态载荷步时间数值要大。值要大。ANSYSANSYS热分析热分析打开控制打开控制打开控制 用于在当瞬态热分析接近稳态时让自动时间步用于在当瞬态热分析接近稳态时让自动时间步 “打开打开”(增加增加)时间步长。时间步长。在缺省情况下，如果连续在缺省情况下，如果连续3个子步间的最大温度变化都小于个子步间的最大温度变化都小于 0.1个温度单位，那么个温度单位，那么时间步长将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中实现。用这些菜单时间步长将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中实现。用这些菜单改变设置改变设置:3. 指定温度。指定温度。4. 指定门槛值。指定门槛值。5. 指定子步数。指定子步数
26、。6. 单击单击OK。123456ANSYSANSYS热分析热分析阶跃还是渐变?要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正确的速率施加。确的速率施加。回忆一下载荷在载荷步中相对时间可以是回忆一下载荷在载荷步中相对时间可以是阶跃阶跃的或的或渐变渐变的的:ANSYS 缺省是渐变加载的。渐变加载可以提高瞬态求解的适应性，如果有缺省是渐变加载的。渐变加载可以提高瞬态求解的适应性，如果有非线性时可以提高收敛性。参考第非线性时可以提高收敛性。参考第4章学习章学习ANSYS如何处理渐变载荷。如何处理渐变载荷。ANSYSAN
27、SYS热分析热分析阶跃还是渐变? (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。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茶壶载一个已经很热的炉子上ANSYSANSYS热分析热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。当进行当进行直接耦合直接耦合时时,
28、 多个物理场（如热多个物理场（如热电）的自由度同时进行计算。这称为电）的自由度同时进行计算。这称为直接直接方法方法，适用于多个物理场各自的响应互相，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。就越庞大，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分析的单元类型。不是所有单元都有温度自由度。自由
29、度。结构结构- -热耦合分析热耦合分析什么是耦合场分析? (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。有时也称之为序贯序贯耦合分析。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，而应，反之不成立。本方法一般来说
30、比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元类型。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产品都支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，产品都支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供热产品只提供热电直接耦合。详细说明参见电直接耦合。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。结构结构- -热耦合分析热耦合分析直接方法 - 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。该单元具流单元。该单元具有热
31、和压力自由度，因此是直接耦合场单元。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。象的直接耦合场分析。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铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应变。应变。机械和热载荷使得板产生大应变。新的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。热分析必须计入形状改变
32、。结构结构- -热耦合分析热耦合分析直接方法 - 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 的交变电流在钢芯内产生焦耳热。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温度的变化。而且，磁场变化的强度和方向都会改变。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，就能计算出电流密度向量算出电流密度向量J。它用来计
33、算下式中的焦耳热。它用来计算下式中的焦耳热:22maxRIPowerRMSQj结构结构- -热耦合分析热耦合分析直接方法 - 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。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。模型中不模型中不需要耦合的部分应使用普通单元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。仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。耦合场单元耦合场单元相对来说有更多的限制相对来说有更多的限制(如如, PLANE13不允许热质量交换而不
34、允许热质量交换而PLANE55单元可以单元可以, 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不同场之间使用统一的单位制。例如，在热。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位电分析中，如果电瓦单位使用瓦使用瓦(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。由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。结构结构- -热耦合分析热耦合分析直接方法 - 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：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
35、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(除非只是除非只是TEMP和和VOLT自由自由度度 被激活被激活)。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(如如,SOLID62). 带有标量势自由度的单元只能模拟静态现象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
36、。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)施施加多种类型的载荷加多种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。 耦合场分析可以使高度非线性的。耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用考虑使用Predictor 和和 Line Search 功能改善收敛功能改善收敛性性。 考虑使用考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。结构结构- -热耦合分析热耦合分析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
37、需要连续进行两个单场的分析(而而不是同时不是同时)，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(温度引起的温度引起的热膨胀热膨胀)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(小的应变将不小的应变将不对初始的热分析结果产生影响对初始的热分析结果产生影响)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。结构结构-
38、 -热耦合分析热耦合分析间接方法 - 例题叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会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。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。的，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行分析的例子: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。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描这种分析又叫做热应力分析。
39、这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。述。结构结构- -热耦合分析热耦合分析间接方法 - 例题(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。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:RVPowerQj2+ V -结构结构- -热耦
40、合分析热耦合分析间接方法 - 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个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。来表示每个场的特性。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
41、和其优点加以讨论。结构结构- -热耦合分析热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 GUI 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。例择相容于所有物理场的单元类型。例如，如， 8节点的热块单元与节点的热块单元与8节点的结节点的结构块
42、单元相容，而不与构块单元相容，而不与10节点结构单节点结构单元相容元相容: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。结构结构- -热耦合分析热耦合分析物理环境 (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
43、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)。结构结构- -热耦合分析热耦合分析同时，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。结构结构- -热耦合分析热耦合分析热-应力分析
44、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
45、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。结构结构- -热耦合分析热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温度可以直接从热分析结果文件读出并使用出并使用LDREAD 命令施加到结构命令施加到结构模型上。
46、模型上。结构结构- -热耦合分析热耦合分析基本过程 (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结构结构- -热耦合分析热耦合分析热-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. 读入热载荷读入热载荷 (
47、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，改变工作文件名并删除变工作文
48、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 结构结构- -热耦合分析热耦合分析流程细节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 (或或载荷步载荷步/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。3a结构结构- -热耦合分析热耦合分析流程细节 (续)3c
49、. 删除所有热载荷删除所有热载荷3d. 删除耦合序列和约束方程删除耦合序列和约束方程3d3c结构结构- -热耦合分析热耦合分析流程细节 (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结构结构- -热耦合分析热耦合分析流程细节 (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。5AReset
50、s optionsRetains options结构结构- -热耦合分析热耦合分析流程细节 (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结构结构- -热耦合分析热耦合分析流程细节 (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删除热单元类型并定义结构单元类型单元类型. . .改变网格控制并划分结构模改变网格控制并划分
