Chapter10耦合場(chǎng)分析(以熱—應(yīng)力為重點(diǎn))1什么是耦合場(chǎng)分析?

耦合場(chǎng)分析考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上的物理場(chǎng)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(chǎng)（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(chǎng)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。不是所有單元都有溫度自由度。2什么是耦合場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)之間單向的耦合關(guān)系。例如，一個(gè)場(chǎng)的響應(yīng)（如熱）將顯著影響到另一個(gè)物理場(chǎng)（如結(jié)構(gòu)）的響應(yīng)，反之不成立。本方法一般來(lái)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(qǐng)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-FieldAnalysisGuide。3直接方法-例題(續(xù))熱-電磁場(chǎng):鋼芯的熱傳遞傳導(dǎo)線圈在鋼芯周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)。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，因此必須考慮鋼芯材料特性隨溫度的變化。而且，磁場(chǎng)變化的強(qiáng)度和方向都會(huì)改變。象這種電磁場(chǎng)諧波分析，只要得出磁向量勢(shì){A}，就能計(jì)算出電流密度向量{J}。它用來(lái)計(jì)算下式中的焦耳熱:5直接方法-前處理在直接耦合場(chǎng)分析的前處理中要記住以下方面:使用耦合場(chǎng)單元的自由度序列應(yīng)該符合需要的耦合場(chǎng)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(chǎng)單元相對(duì)來(lái)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(chǎng)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)，熱單位就不能使用Btu/s。由于需要迭代計(jì)算，熱耦合場(chǎng)單元不能使用子結(jié)構(gòu)。6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(duì)帶有溫度自由度的耦合場(chǎng)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(chǎng)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(shì)自由度的耦合場(chǎng)單元可以用來(lái)對(duì)瞬態(tài)磁場(chǎng)問題建模(如,SOLID62).帶有標(biāo)量勢(shì)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(chǎng)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(D,F,SF,BF)。耦合場(chǎng)分析可以使高度非線性的?？紤]使用Predictor和LineSearch功能改善收斂性?？紤]使用Multi-Plots功能將不同場(chǎng)的結(jié)果同時(shí)輸出到多個(gè)窗口中。7間接方法-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(duì)平面的，因此溫度解不用更新。DiskSectorAirfoilPlatformRoot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。9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，可以用于下式中求解焦耳熱:+V-10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(chǎng)分析。它們主要區(qū)別在于每個(gè)場(chǎng)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(kù)文件在所有場(chǎng)中使用。用多個(gè)物理環(huán)境文件來(lái)表示每個(gè)場(chǎng)的特性。手工方法-多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)被建立和存儲(chǔ)，每次研究一種場(chǎng)。每個(gè)場(chǎng)的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在下面我們將對(duì)每種方法和其優(yōu)點(diǎn)加以討論。11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(duì)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(lái)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(lái)與不同階次的單元相容。單元屬性號(hào)碼(MAT,REAL,TYPE)在環(huán)境之間號(hào)碼必須連續(xù)。對(duì)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(lái)劃分

(如，在電磁場(chǎng)分析中需要對(duì)物體周圍單空氣建模而熱和結(jié)構(gòu)分析中不用)。13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(chǎng)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(kù)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(chǎng)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)格密度在結(jié)構(gòu)分析中才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。14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?duì)結(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(duì)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(chǎng)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(duì)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(hào)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(jiǎn)單而且適應(yīng)性強(qiáng)的，ANSYS和用戶都對(duì)它進(jìn)行了多年的檢驗(yàn)。缺點(diǎn):用戶必須建立熱和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件。這與單獨(dú)模型的PEM方法對(duì)比，需要占用較多的存儲(chǔ)空間。MM如果再考慮其它場(chǎng)時(shí)會(huì)比較麻煩。15基本過程(續(xù)) 如果熱和結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格有不同

的節(jié)點(diǎn)號(hào)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(lái)。這需要一個(gè)較復(fù)雜的過程，使用BFINT

命令對(duì)熱結(jié)果插值(不能使用物理環(huán)境)。

下面對(duì)比一下使用相同或不同網(wǎng)格的區(qū)別。217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

(Option1)No

(Option2)5B.讀入熱載荷(LDREAD)5b.寫節(jié)點(diǎn)文件(NWRITE)并存儲(chǔ)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.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(chǔ)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

18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)。3a19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?cè)跀?shù)據(jù)表格下定義21流程細(xì)節(jié)(續(xù))下面兩頁(yè)(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。5AResetsoptionsRetainsoptions22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.Solvecurrentloadstep5B確定溫度結(jié)果文件確定結(jié)果的時(shí)間和子步23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25流程細(xì)節(jié)(續(xù))5c. 存儲(chǔ)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(kù)...

進(jìn)入通用后處理器...

26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27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(kù)...

進(jìn)入求解器...

讀入載荷文件施