1、第第10章章耦合场分析耦合场分析(以热以热应力为重点应力为重点)什么是耦合场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。自由度。什么是耦合场分析什
2、么是耦合场分析? (续续)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。间接方法间接方法间接方法 用于求解间接耦合场问题
3、。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:热热 结构结构热热 结构结构许多问题需要热到结构 的耦合(温度引起的热膨胀)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)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。是单场单元，不用进行多次迭代计算。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 SectorA
4、irfoilPlatformRoot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。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。述。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。物理环境物理环境 (续续)这种划分方法在热分析中可以得
5、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。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；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。既然热-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
6、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。基本过程基本过程在热-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。基本过程基本过程 (续
7、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
8、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
9、特性开始开始 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，得到节点建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点上的温度。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 (或载荷步或载荷步/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流程细节流程细节 (续续)3c. 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3c3d流程细节流程细节 (续续)4. 定义
10、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。5A流程细节流程细节 (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. 求解当前载荷步求解当前载荷步5B确定温度结果文件确定结果的时间和子步流程细节流程细节 (续续)下面六页下面六页
11、(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元删除热单元类型并定义结构单元类型类型. . .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。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有节点并写入节点文件。5b指定节点文件名流程细节流程细节 (续续)5c.存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件名，读入热数据库名，读入热数据库. . .进入通用后处理器进入通用后处理器 . . .
12、 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-体有些情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节点进行体载荷插值。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0.5 倍。一个在5.4版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GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。BFINT, Fname1, Ext1, Dir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS使用使用
13、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名，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
14、载荷: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)6a6b6c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):7流程细节流程细节 (续续)7b. 施加其它结构载施加其它结构载荷。荷。8.存储模型并求解存储模型并求解当前载荷步。当前载荷步。7b989. 结果后处理结果后处理:两物体相对转动过程中的摩擦生热两物体相对转动过程中的摩擦生热一铜滑块在固定的钢环上滑动,它们的材
15、料拿数见表。钢块和铜滑块的尺寸及所受载荷如图所示。钢块和铜滑块间的摩擦因数为0.2,滑块的角速度为0,0.00333rad/s,计算时间为10s,计算钢块和铜滑块由于摩擦产生的温度场,以及钢块和铜滑块的应力分布，初始温度为20。分析时,温度的单位采用,其他物理量亦采用国际单位制的单位。Step 2:定义单元类型定义单元类型Step 2:定义材料属性定义材料属性钢铜弹性模量2e111e11泊松比0.30.3密度78008900比热460390热传导率66.6383热膨胀率1.06e-51.75e-5Step4：建立几何模型：建立几何模型Step4：建立几何模型：建立几何模型Step4：建立几何模
16、型：建立几何模型Step4：建立几何模型：建立几何模型Step4：建立几何模型：建立几何模型Step 5： 划分网格划分网格指定单元类型及材料属性指定单元类型及材料属性网格控制网格控制网格控制网格控制网格划分结果网格划分结果定义接触对定义接触对定义接触对定义接触对定义接触对定义接触对Step 6：定义载荷：定义载荷定义表定义表定义表定义表施加压力表载荷施加压力表载荷施加表载荷施加表载荷Main Menu-Solution-Apply-Structural-Pressure施加表载荷施加表载荷定义温度载荷定义温度载荷定义约束定义约束施加约束的结果施加约束的结果施加位移载荷施加位移载荷选择铜块的节点选择铜块的节点旋转节点坐标系旋转节点坐标系旋转节点坐标系旋转节点坐标系施加位移载荷施加位移载荷施加位移载荷施加位移载荷设置求解选项设置求解选项设置求解选项设置求解选项设置求解选项设置求解选项设置求解选项设置求解选项求解求解
