1、耦合场分析（耦合场分析（ANSYSANSYS）第一章第一章 引言引言:有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS第二章第二章 耦合场分析简介耦合场分析简介第三章第三章 顺序耦合场分析顺序耦合场分析第四章第四章 顺序耦合场分析顺序耦合场分析第五章第五章 热热-应力分析应力分析第六章第六章 APDL APDL 基础基础第七章第七章ANSYSANSYS常识常识耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒目录第第 一一 章章引言：有限元分析与引言：有限元分析与ANSYSANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.什么是有限元分析？B.关于ANSYSC.关于ANSYS公司一、引言：有
2、限元分析与ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒有限元分析有限元分析是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载条件下的设计响应的方法。它是用被称之为“单元”的离散的块体来模拟设计。每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。模型中所有单元响应的“和”给出了设计的总体响应。单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元”。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 195
3、0s and 1960s.The underlying theory is over 100 years old,and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.A.什么是有限元分析?耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似具有无限未知量的实际系统的响应。所以问题是：怎样才能达到最好的怎样才能达到最好的“近似近似”？实际系统实际系统有限元模型有限元模型然而，对该问题还没有一个容易的
4、解决方案。这完全依赖于你所模拟的对象和模拟所采用的方式。但是，我们将尽力通过这次培训为你提供指南。A.什么是有限元分析?耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒为什么需要有限元分析？减少模型试验的数量计算机模拟容许对大量的假设情况进行快速有效的试验。模拟不适合在原型上试验的设计。例如：器官移植，比如人造膝盖。概要:节省费用节省时间 缩短产品开发时间!创造出更可靠、高品质的设计A.什么是有限元分析?耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYSANSYS是一个完整的是一个完整的FEAFEA软件包，它适合世界范围各个工程领域的工软件包，它适合世界范围各个工程领域的工程师们使用程师们
5、使用:结构分析热分析流体分析，包括CFD（计算流体动力学）电/静电场分析电磁场分析ANSYSANSYS在部分工业领域中的应用如下：在部分工业领域中的应用如下：航空航天汽车工业生物医学桥梁、建筑电子产品重型机械微机电系统运动器械B.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYS/Multiphysics 是ANSYS产品的“旗舰”，它包括所有工程学科的所有性能ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品ANSYS/Mechanical-ANSYS/机械-结构及热ANSYS/Emag-ANSYS电磁学ANSYS/FLOTRAN-ANSYS计算流体动力学其它产品:
6、ANSYS/LS-DYNA-高度非线性结构问题DesignSpace CAD环境下，适合快速分析容易使用的设计和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的ANSYS 分析接口。B.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒超弹密封超弹密封结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。静力分析静力分析用于静态荷载用于静态荷载.可以考虑结构的线可以考虑结构的线性及非线性行为，例性及非线性行为，例如：大变形、大应变、如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等性、超弹及蠕变等.B
7、.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒动力分析包括质量和阻尼效应。模态分析，用于计算固有频率和振型。谐响应分析，用于确定结构对正弦变化的已知幅值和频率载荷的响应。瞬态动力学分析，用于确定结构对随时间任意变化载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。其它结构功能谱分析随机振动特征值屈曲子区模型耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYSJanuary 30,2001Inventory#0014412-13用ANSYS/LS-DYNA进行显示动力分析模拟以惯性力为主的大变形分析。用于模拟冲击、碰撞、快速成形等。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义
8、讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS热分析热分析热分析用于确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热量的获取和损失、热梯度、热通量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。稳态分析忽略时间效应瞬态分析确定以时间为函数的温度值等。可模拟相变（熔化及凝固）耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS电磁分析电磁分析电磁分析用于计算电磁装置中的磁场静态磁场及低频电磁场分析模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。例如：螺线管制动器、电动机、变压器磁场分析中考虑的物理量是：磁通量密度、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。耦合场分析耦合场分析A
9、NSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYSJanuary 30,2001Inventory#0014412-16高频电磁场分析模拟电磁波的传播装置例如：微波及RF无源组件、波导、同轴连接器。电磁场分析中考虑的物理量是：S-参数、Q-因子、反射波损耗、电介质及传导损耗同轴电缆中的电场同轴电缆中的电场(EFSUM)耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS静电学计算由电压或电荷激发引起的电场。例如：高压装置，微机电系统（MEMS），传输线。典型的物理量是：电场强度和电容。电流传导计算在一定电压下的导体的电流电路耦合电磁装置与电路的耦合耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒
10、刘恒B.关于ANSYS电磁分析类型:静态磁场分析用于计算由直流电(DC)或永磁体产生的磁场。交变磁场分析用于计算由交流电(AC)产生的磁场瞬态磁场分析用于计算随时间变化的磁场。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS计算流体动力学(CFD)用于确定流体中的流动状态和温度。ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。应用：航空航天，电子元件封装，汽车设计。典型的物理量是：速度，压力，温度，对流换热系数。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS声学分析用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。例如：扬声器，汽车内部，声
11、纳典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。容器内流体分析模拟容器内的非流动流体的影响，确定由于晃动引起的静水压力。例如：油罐，其它液体容器热和质量的传输在两点之间质量传输（如在一个管子中）产生的热量计算由一个一维单元完成耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS双金属片受热变形双金属片受热变形耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之间相互影响，所以单独求解一个物理场是不可能的。因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：热-应力分析压电分析（电场和结构）声学分析（流体和结构）热-电分析感应加热（磁场和热）静电-结构分析耦合场分析耦
12、合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYSANSYSANSYS公司公司ANSYS产品家族的开发者总部位于Canonsburg,PA-USA（匹兹堡南部）C.关于ANSYS公司耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒January 30,2001Inventory#0014412-23ANSYSANSYS支持销售商支持销售商(ASDs)(ASDs)ANSYS销售及支持网络全世界超过75家办事处 地区级专家咨询及培训C.关于ANSYS公司耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYS ANSYS 支持管理支持管理(ASC)(ASC)在您公司站点与ANSYS联系ANSYS通
13、信的焦点；软件更新、错误提示、时事通讯和其它邮件形式。如果您需要更多有关ANSYS及其公司的信息，请查看： 在线文档资料其它ANSYS培训手册C.关于ANSYS公司耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒第第 二二 章章耦合场分析简介耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析简介 耦合场分析的定义耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科物理场的交叉作用和相互影两种或者多种工程学科物理场的交叉作用和相互影响耦合。例如，压电分析考虑了结构和电
14、场的相互响耦合。例如，压电分析考虑了结构和电场的相互作用，它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电作用，它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然；其他的耦合场分析还有热压分布问题，反之亦然；其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析、热应力耦合分析、热-电耦合分析、流体电耦合分析、流体-结构耦合分析、结构耦合分析、磁磁-热耦合分析和磁热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。结构耦合分析等等。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析的类型耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是耦合场的分析
15、最终可归结为两种不同的方法耦合作用，但是耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法“序贯耦合方法和直接耦合方法序贯耦合方法和直接耦合方法”：l序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析，它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的析，它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的，例如序贯热载荷来实现两种场的耦合的，例如序贯热-应力耦合分析应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为体力载荷施加在后序的应是将热分析得到的节点温度作为体力载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的；力分析中来实现耦合的；l直接耦合解法利用包含所
16、有必须自由度的直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型耦合单元类型，仅仅仅仅通过通过一次一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷下耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的，例如利用单元向量来实现的，例如利用单元SOLID5SOLID5、PLANE13PLANE13或或SOLID98SOLID98可直接进行压电分析。可直接进行压电分析。耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒直接耦合解法或序贯耦合解法的用途直接耦合解法或序贯耦合解法的用途 l 对于不存在高度非
17、线性相互作用的情形，序贯耦合解法对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如对于序贯热例如对于序贯热-应力耦合分析可以先进行非线性瞬态热分应力耦合分析可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析，而后我们可以用热分析中析，再进行线性静态应力分析，而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析，任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析，这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行、直到结果收
18、敛到所需要的精度；行、直到结果收敛到所需要的精度；l 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子很多，压电分析伴随流体流动的果。直接耦合解法的例子很多，压电分析伴随流体流动的热传导问题以及电路热传导问题以及电路-电磁场耦合分析求解这类耦合场相互电磁场耦合分析求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用作用问题都有专门的单元供直接选用 。耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒单位制单位制 在在A
19、NSYS中应确保你所输入所有数据单位制的统一。中应确保你所输入所有数据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析，参见可以使用任何单位制。对电磁场分析，参见ANSYS Commands Reference中中EMUNIT命令对于自由空间中磁命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。导率和介电常数设定的更多信息。对微电机械系统（对微电机械系统（MEMS），用更合适的单位制建立），用更合适的单位制建立模型会更加方便，因为模型会更加方便，因为MEMS部件通常大小为几微米。为部件通常大小为几微米。为方便，表方便，表1-1到到1-8列出从标准的列出从标准的MKS转换到转换到MKSV 及及MS
20、VfA及的转换系数。及的转换系数。耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒力学参数力学参数MKS MKS 单位单位量纲量纲乘以此数乘以此数获得获得MKSv单单位位量纲量纲长度长度m mM M10106 6mmmm力力N N(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)2 210106 6NN(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)2 2时间时间s sS S1 1s ss s质量质量kgkgkgkg1 1kgkgkgkg压力压力PaPa(kg)/(m)(s)(kg)/(m)(s)2 21010-6-6MPaMPa(kg)/(m)(s)(kg)/(m)(s)2 2速度速度m/
21、sm/sm/sm/s10106 6 m/sm/s m/sm/s加速度加速度m/(s)m/(s)2 2m/(s)m/(s)2 210106 6m/(s)m/(s)2 2m/(s)m/(s)2 2密度密度kg/(m)kg/(m)3 3kg/(m)kg/(m)3 31010-18-18kg/(m)kg/(m)3 3kg/(m)kg/(m)3 3应力应力PaPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 21010-6-6MPaMPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 2杨氏模量杨氏模量PaPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 21010-6-6MPaMPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2
22、 2功率功率W W(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 310101212pWpW(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 3力学从力学从MKS到到uMKSV的转换系数的转换系数耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热学从热学从MKS到到uMKSV的转换系数的转换系数热参数热参数MKS MKS 单位单位量纲量纲乘以此数乘以此数获得获得MKSv 单位单位量纲量纲导热系数导热系数W/mW/mK(kg)(mkg)(m)/)/(K)(s)310106 6pW/(mpW/(m)()(K)(kg)(mkg)(m)/)/(K)(s)3热通量热通量W/(m)W
23、/(m)2 2kg/(s)kg/(s)3 31 1pW/(m)pW/(m)2 2kg/(s)kg/(s)3 3比热比热J/(kg)(J/(kg)(K)(m)(m)2 2/(K/(K)(s)210101212pJpJ/(kg)(/(kg)(K)(m)(m)2 2/(/(K)(s)2热流热流W W(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 310101212pWpW(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 3单位体积的热生单位体积的热生成成W/mW/m3 3(kg)/(m)(s)(kg)/(m)(s)3 31010-6-6pW/(m)pW/(m)3 3kg/(m)(s)kg/
24、(m)(s)3 3对流系数对流系数W/(m)W/(m)2 2Kkg/(s)kg/(s)2 21 1pW/(m)pW/(m)2 2Kkg/(s)kg/(s)2 2动力粘度动力粘度kg/(kg/(m)(sm)(s)Kg/(Kg/(m)(sm)(s)1010-6-6kg/(kg/(m)(sm)(s)kg/(kg/(m)(sm)(s)运动粘度运动粘度(m)(m)2 2/s/s(m)(m)2 2/s/s10101212(m)(m)2 2/s/s(m)(m)2 2/s/s耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒电学参数电学参数MKS MKS 单位单位量纲量纲乘以此数乘以此数获得获得MK
25、Sv 单位单位量纲量纲电流电流A AA A10101212pApApApA电压电压V V(kg)(m)(kg)(m)2 2/(A)(s)/(A)(s)3 31 1V V(kg)(m)(kg)(m)2 2/(pA)(s)/(pA)(s)3 3电荷电荷C C(A)(s)(A)(s)10101212pCpC(pA)(s)(pA)(s)电导率电导率S/mS/m(A)(A)2 2(s)(s)3 3/(kg)(m)/(kg)(m)3 310106 6pS/mpS/m(pA)(pA)2 2(s)(s)3 3/(kg)(m)/(kg)(m)3 3电阻率电阻率m(Kg)(m(Kg)(m3 3/(A)/(A)2
26、2(s)(s)3 31010-6-6T Tm(kg)(m)(kg)(m)3 3/(pA)/(pA)2 2(s)(s)3 3介电常数介电常数1F/mF/m(A)(A)2 2(s)(s)4 4/(kg)(m)/(kg)(m)3 310106 6pF/mpF/m(pA)(pA)2 2(s)(s)2 2/(kg)(m)/(kg)(m)3 3能量能量J J(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)2 210101212pJpJ(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)2 2电容电容F F(A)(A)2 2(s)(s)4 4/(kg)(m)/(kg)(m)2 210101212pFpF(p
27、A)(pA)2 2(s)(s)4 4/(kg)(m)/(kg)(m)2 2电场电场V/mV/m(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)3 3(A)(A)1010-6-6V/mV/m(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)3 3(pA)(pA)电通量密度电通量密度C/(m)C/(m)2 2(A)(s)/(m)(A)(s)/(m)2 21 1pC/(m)pC/(m)2 2(pApA)(s)/(m)(s)/(m)2 2电学从电学从MKS到到uMKSV的转换系数的转换系数耦合场分析简介第第 三章三章顺序耦合场分析顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析耦合场分析A
28、NSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合 顺序多场耦合是指将不同工程领域多个相互作用的综顺序多场耦合是指将不同工程领域多个相互作用的综合分析，求解一个完整的工程问题。为了方便，本章把与合分析，求解一个完整的工程问题。为了方便，本章把与一个工程学科求解分析相联系的过程叫做一个物理分析。一个工程学科求解分析相联系的过程叫做一个物理分析。当一个物理分析的输入依赖于另一个分析的结果，那么这当一个物理分析的输入依赖于另一个分析的结果，那么这些分析是耦合的。些分析是耦合的。有些情况只使用有些情况只使用“单向单向”耦合。例如计算流过水泥墙的耦合。例如计算流过水泥墙的流场提供了对墙壁进行结
29、构分析的压力载荷。压力引起墙流场提供了对墙壁进行结构分析的压力载荷。压力引起墙的变形，反过来又会影响墙周围流场的几何形状。实际上的变形，反过来又会影响墙周围流场的几何形状。实际上流场的几何形状变化很小，可以忽略不计。因此就没必要流场的几何形状变化很小，可以忽略不计。因此就没必要再返回来计算变形后的流场。当然在此分析中，流体单元再返回来计算变形后的流场。当然在此分析中，流体单元用于求解流场，结构单元用于计算应力和变形。用于求解流场，结构单元用于计算应力和变形。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合 一个较复杂的情况是感应加热问题，交流电磁
30、场分析一个较复杂的情况是感应加热问题，交流电磁场分析计算出焦耳热生成的数据，瞬态热分析用于预测时间相关计算出焦耳热生成的数据，瞬态热分析用于预测时间相关的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明显变化的，造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种显变化的，造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种物理分析的反复进行。物理分析的反复进行。顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分析是完全耦合的，
31、那么第二个物理分析的结果又会影响第析是完全耦合的，那么第二个物理分析的结果又会影响第一个物理分析的输入。一个物理分析的输入。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合 全部载何可分为以下两类：全部载何可分为以下两类：基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫名义边界条件；名义边界条件；耦合载荷，是其它物理分析的结果。耦合载荷，是其它物理分析的结果。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合典型典型ANSYS顺序耦合分析应用包括：顺
32、序耦合分析应用包括：热应力热应力感应加热感应加热感应搅拌感应搅拌稳态流体结构耦合稳态流体结构耦合磁结构耦合磁结构耦合静电结构耦合静电结构耦合电流传导静磁电流传导静磁 ANSYS程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合分析，使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理分析，使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理意义在不同的物理分析中是不同的，这就用到物理环境的意义在不同的物理分析中是不同的，这就用到物理环境的概念。概念。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？ANSYS程序使用物理环境的概念进行顺序
33、耦合场分析。程序使用物理环境的概念进行顺序耦合场分析。可以将所有的操作参数及某一物理分析选项全部写入一个物理可以将所有的操作参数及某一物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个环境文件。它是一个ASCII文件，用以下方法创建：文件，用以下方法创建：Command:PHYSICS,WRITE,TITLE,FILENAME,EXT,DIRGUI:Main Manu:PreprocessorPhysics EnvironMain Manu:SolutionPhysics Environ 针对一个具体的工作名可以定义多达针对一个具体的工作名可以定义多达9个物理环境。在个物理环境。在physics命
34、令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？ANSYS为每一个物理环境指定唯一的编号并作为物理环为每一个物理环境指定唯一的编号并作为物理环境文件扩展名的一部分。建议使用标题描述分析的物理环境。境文件扩展名的一部分。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在这个标题应该与在/Title命令中（命令中（Utility MenuFileCreate Title）设定的标题区分开。）设定的标题区分开。Physics,Write命令创建物理环境文件（例如命令创建物理
35、环境文件（例如Jobname,PH1）,并将并将ANSYS数据库中的如下信息写入这个文件：数据库中的如下信息写入这个文件：顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？单元类型及单元类型及KEYOPT设定；设定；实常数；实常数；材料属性；材料属性；单元坐标系单元坐标系求解分析选项；求解分析选项；载荷步选项；载荷步选项；约束方程；约束方程；耦合节点集；耦合节点集；施加的边界条件和载荷；施加的边界条件和载荷；GUI过滤设置；过滤设置；分析标题（分析标题（/TITLE）；）；顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么
36、是物理环境？使用使用PHYSICS，READ命令命令(Main MenuPrepreccssorPhysicsEnvironread)读取一个物理读取一个物理环境文件。环境文件。使用写入此物理环境文件时使用的文件名或标题（标题在使用写入此物理环境文件时使用的文件名或标题（标题在物理环境文件的开头）。在读入物理环境以前，物理环境文件的开头）。在读入物理环境以前，ANSYS程序将程序将清除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，清除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，分析选项，约束方程。分析选项，约束方程。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒一般分析
37、步骤一般分析步骤 进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图31为为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含合适的实体模型，单元，载荷等。可以把一个结果文件读入到合适的实体模型，单元，载荷等。可以把一个结果文件读入到另一个数据库中。但单元和节点编号在数据库和结果文件中必另一个数据库中。但单元和节点编号在数据库和结果文件中必须是一致的。须是一致的。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲
38、义刘恒刘恒顺序耦合场分析图图31间接法顺序耦合分析数据流程图间接法顺序耦合分析数据流程图耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒一般分析步骤一般分析步骤 图图32为物理环境方法的数据流程图，对于这种方法，整为物理环境方法的数据流程图，对于这种方法，整个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有物理分析所需个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有物理分析所需的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元，必须定义一套的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元，必须定义一套属性编号，包括单元类型号，材料编号，实常数编号及单元坐属性编号，包括单元类型号，材料编号，实常数编号及单元坐标系编号。所有这些编
39、号在所有物理分析中是不变的。但在每标系编号。所有这些编号在所有物理分析中是不变的。但在每个物理环境中，每个编号对应的实际的属性是不同的，例如实个物理环境中，每个编号对应的实际的属性是不同的，例如实常数和单元类型。模型中的某一区域在某一个物理环境中，可常数和单元类型。模型中的某一区域在某一个物理环境中，可以是无效的，本章后面将详细解释。以是无效的，本章后面将详细解释。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒顺序耦合场分析图图32使用物理环境顺序耦合场分析数据流程使用物理环境顺序耦合场分析数据流程第第 四章四章直接耦合场分析直接耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘
40、恒刘恒耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是直接耦合场分析什么是直接耦合场分析 在直接耦合场分析中，只需用耦合场单元进行一次分析。在直接耦合场分析中，只需用耦合场单元进行一次分析。表表4 4-1具有耦合场分析能力的单元具有耦合场分析能力的单元直接耦合场分析单元名称单元名称描述描述SOLID5SOLID5耦合场六面体耦合场六面体PLANE13PLANE13耦合场四边形耦合场四边形FLUID29FLUID29声学四边形声学四边形FLUID30FLUID30声学六面体声学六面体CONTAC48CONTAC482-D 2-D 点对面接触点对面接触CONTAC49CONTAC493-D 3
41、-D 点对面接触点对面接触CONTA171CONTA1712-D2-D面对面接触面对面接触CONTA172CONTA1722-D2-D面对面接触面对面接触CONTA173CONTA1733-D3-D面对面接触面对面接触CONTA174CONTA1743-D3-D面对面接触面对面接触SOLID62SOLID623-D 3-D 磁结构单元磁结构单元FLUID116 FLUID116 热流体管道单元热流体管道单元PLANE67PLANE67热电四边形单元热电四边形单元LINK68LINK68热电线单元热电线单元SOLID69SOLID69热电六面体单元热电六面体单元SOLID98SOLID98耦合场
42、四面体单元耦合场四面体单元CIRCU124CIRCU124通用电路单元通用电路单元SHELL157SHELL157热电壳单元热电壳单元TRANS126TRANS126机机-电换能器电换能器有限元模型可以混合一些带有有限元模型可以混合一些带有VOLT自由度的耦合场单元，要保证相容性，单元必须有相同的支反力自由度的耦合场单元，要保证相容性，单元必须有相同的支反力耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒 什么是直接耦合场分析什么是直接耦合场分析 耦合场单元包含所有必要的自由度，通过计算适当的单耦合场单元包含所有必要的自由度，通过计算适当的单元矩阵（矩阵耦合）或是单元载荷矢量（载荷矢量耦合）来元
43、矩阵（矩阵耦合）或是单元载荷矢量（载荷矢量耦合）来实现场的耦合。实现场的耦合。在用矩阵耦合方法计算的线性问题中，通过在用矩阵耦合方法计算的线性问题中，通过一次迭代即可完成耦合场相互作用的计算，而载荷矢量耦合一次迭代即可完成耦合场相互作用的计算，而载荷矢量耦合方法在完成一次耦合响应中至少需要二次迭代。对于非线性方法在完成一次耦合响应中至少需要二次迭代。对于非线性问题，矩阵方法和载荷矢量耦合方法均需迭代。问题，矩阵方法和载荷矢量耦合方法均需迭代。表表4 4-2 2给出了给出了ANSYS/Multiphysics产品用于直接方法时产品用于直接方法时所支持的不同类型的耦合场分析，以及每种类型所需要的耦
44、所支持的不同类型的耦合场分析，以及每种类型所需要的耦合类型。想进一步了解有关矩阵和载荷矢量耦合请参阅合类型。想进一步了解有关矩阵和载荷矢量耦合请参阅ANSYS Theory Reference。ANSYS/Professional软件包只支持热电直接耦合软件包只支持热电直接耦合ANSYS/Emag软件包只支持电磁场和电磁电路直接耦合。软件包只支持电磁场和电磁电路直接耦合。直接耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒直接耦合场分析分析类型分析类型耦合方法耦合方法热结构热结构载荷矢量载荷矢量(如使用了接触单元则为矩如使用了接触单元则为矩阵阵)磁结构磁结构载荷矢量载荷矢量电磁电磁矩阵
45、矩阵电磁热结构电磁热结构载荷矢量载荷矢量电磁热电磁热载荷矢量载荷矢量压电压电矩阵矩阵热压力热压力矩阵和载荷矢量矩阵和载荷矢量速度温度压力速度温度压力矩阵矩阵压力结构压力结构(声学声学)矩阵矩阵热电热电载荷矢量载荷矢量磁热磁热载荷矢量载荷矢量静电结构静电结构载荷矢量载荷矢量电磁电路电磁电路矩阵矩阵电结构电路电结构电路矩阵矩阵表表4 4-2 2直接耦合场分析中用到的耦合方法直接耦合场分析中用到的耦合方法注意在子结构分析中使用载荷矢量耦合方法的耦合场单元无效。在生成子结构的过程中，迭代解无效，所以，注意在子结构分析中使用载荷矢量耦合方法的耦合场单元无效。在生成子结构的过程中，迭代解无效，所以，ANS
46、YS程序忽略所有的载荷矢量和反馈耦程序忽略所有的载荷矢量和反馈耦合效应。合效应。因为有时载荷矢量耦合场单元的非线性行为可能很严重，故需要用到预测器和线性搜索选项以加强收敛。因为有时载荷矢量耦合场单元的非线性行为可能很严重，故需要用到预测器和线性搜索选项以加强收敛。ANSYS Structural Analysis Guide中的中的8介绍了这些选项。介绍了这些选项。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热电分析热电分析 在在ANSYS/Multiphysics和和ANSYS/Professional软件软件包中提供热电分析功能，即计算导体中由于直流电包中提供热电分析功能，即计算导体中由
47、于直流电(DC)带带来的焦耳热所造成的温度分布。典型应用为加热线圈、保险来的焦耳热所造成的温度分布。典型应用为加热线圈、保险丝和电子部件。丝和电子部件。进行热电分析需要用到下列单元类型：进行热电分析需要用到下列单元类型：LINK68耦合热电线单元耦合热电线单元PLANE67耦合热电四边形单元耦合热电四边形单元SOLID69耦合热电六面体单元耦合热电六面体单元SOLID5耦合场六面体单元耦合场六面体单元SOLID98耦合场四面体单元耦合场四面体单元SHELL157耦合热电壳单元耦合热电壳单元直接耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热电分析热电分析 注意要点：耦合场分析既可以是
48、稳态的，也可是瞬态的，注意要点：耦合场分析既可以是稳态的，也可是瞬态的，其步骤与稳态或瞬态热分析基本一样其步骤与稳态或瞬态热分析基本一样(参见参见ANSYS Thermal Analysis Guide)。应注意以下要点：应注意以下要点：瞬态分析仅考虑到瞬态热效应，而忽略电容和电感等瞬瞬态分析仅考虑到瞬态热效应，而忽略电容和电感等瞬态电效应。态电效应。必须定义电阻率必须定义电阻率(RSVX)和热传导率和热传导率(KXX)，它们可以，它们可以是常数，也可与温度相关。是常数，也可与温度相关。直接耦合场分析第第 五五 章章热热-应力分析应力分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒本章简要描
49、述如何作热-应力分析.目的有两个:向用户展示在应力分析中如何施加热载荷向用户介绍耦合分析.主要包括以下主题:A.A.概述概述B.B.顺序耦合顺序耦合C.C.直接耦合直接耦合D.D.专题讨论专题讨论耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热-应力分析热应力的产生热应力的产生结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形.若变形受到某些限制如位移受到约束或施加相反的力则在结构中 产生热应力热应力.产生热应力的另一个原因是由于材料不同而形成的不均匀变不均匀变形形(如,不同的热膨胀系数).约束产生约束产生 热热 应力应力材料不同产材料不同产生热应力生热应力耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A
50、.概述在ANSYS中解决热-应力问题的方法有两种。两种方法各有长处。顺序耦合-传统方法使用两种单元类型，将热分析的结果做为结构温度载荷+当运行很多热瞬态时间点但结构时间点很少时效率较高+可以很容易地用输入文件实现自动处理直接+新方法使用一种单元类型就能求解两种物理问题+热问题和结构现象之间可实现真正的耦合-在某些分析中可能耗费过多的时间耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.概述顺序耦合涉及两种分析:1.首先做一个稳态(或瞬态)热分析建立热单元模型施加热载荷求解并查看结果2.然后做静力结构分析把单元类型转换成结构单元.定义包括热膨胀系数在内的结构材料属性.施加包括从热分析得到的温度在
