ANSYS多物理耦合場有限元分析結(jié)構(gòu)-熱耦合分析流體-固體耦合分析第1頁/共162頁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DegreesC(orK)WattsWatts/(meter.degreeC)kilogram/(meter3)(Watt.sec)/(kilogram.degreeC)Watt/(meter2.degreeC)Watt/(meter2)degreeC/meterWatt/(meter3)ANSYS熱分析第2頁/共162頁熱傳遞的類型熱傳遞有三種基本類型:傳導(dǎo)-兩個良好接觸的物體之間或一個物體內(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-一個物體或兩個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熱分析第3頁/共162頁傳導(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(例如,熱量從熱的部分流向冷的部分).傳導(dǎo)Tnq*dTdnANSYS熱分析第4頁/共162頁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熱分析第5頁/共162頁熱力學(xué)第一定律能量守恒要求系統(tǒng)的能量改變與系統(tǒng)邊界處傳遞的熱和功數(shù)值相等。能量守恒在一個微小的時間增量下可以表示為方程形式將其應(yīng)用到一個微元體上，就可以得到熱傳導(dǎo)的控制微分方程。ANSYS熱分析第6頁/共162頁單元類型下表顯示通常使用的熱單元類型。節(jié)點自由度是：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。實常數(shù)主要用于殼和線單元。熱分析有限元模型ANSYS熱分析第7頁/共162頁穩(wěn)態(tài)熱傳遞

如果熱量流動不隨時間變化的話，熱傳遞就稱為是穩(wěn)態(tài)的。由于熱量流動不隨時間變化,系統(tǒng)的溫度和熱載荷也都不隨時間變化。由熱力學(xué)第一定律，穩(wěn)態(tài)熱平衡可以表示為:輸入能量—輸出能量=0ANSYS熱分析第8頁/共162頁穩(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)點處的有限元平衡方程為:ANSYS熱分析第9頁/共162頁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)點上?？梢栽诜€(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析的第一個子步對所有節(jié)點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隨溫度變化材料特性的初值。熱流率是集中節(jié)點載荷。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)域上時應(yīng)注意。ANSYS熱分析第10頁/共162頁熱載荷和邊界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熱分析第11頁/共162頁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熱分析第12頁/共162頁熱載荷和邊界條件注意事項在ANSYS中,沒有施加載荷的邊界作為完全絕熱處理。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才具有。熱載荷和邊界條件的類型ANSYS熱分析第13頁/共162頁何為瞬態(tài)分析?由于受隨時間變化的載荷和邊界條件,如果需要知道系統(tǒng)隨時間的響應(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。時間，在穩(wěn)態(tài)分析中只用于計數(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。時變載荷時變響應(yīng)ANSYS熱分析第14頁/共162頁除了導(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熱分析第15頁/共162頁控制方程回憶線性系統(tǒng)熱分析的控制方程矩陣形式。熱存儲項的計入將靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)系統(tǒng):在瞬態(tài)分析中，載荷隨時間變化......或,對于非線性瞬態(tài)分析,時間

和

溫度:熱存儲項=(比熱矩陣)x(時間對溫度的微分)ANSYS熱分析第16頁/共162頁選擇合理的時間步很重要，它影響求解的精度和收斂性。如果時間步長

太小,對于有中間節(jié)點的單元會形成不切實際的振蕩，造成溫度結(jié)果不真實。時間步大小建議TtDt如果時間步長太大,就不能得到足夠的溫度梯度。一種方法是先指定一個相對較保守的初始時間步長，然后使用自動時間步長按需要增加時間步。下面說明使用自動時間步長大致估計初始時間步長的方法。ANSYS熱分析第17頁/共162頁在瞬態(tài)熱分析中大致估計初始時間步長，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Dx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)是無量綱的時間(Dt/t),對于寬度為Dx

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。時間步大小說明(續(xù))ANSYS熱分析第18頁/共162頁如果Bi<1:可以將Fourier數(shù)設(shè)為常數(shù)并求解

Dt來預(yù)測時間步長:項

a表示熱耗散。比較大的a

數(shù)值表示材料容易導(dǎo)熱而不容易儲存熱能。如果Bi>1:時間步長可以用Fourier和Biot數(shù)的乘積預(yù)測:

求解Dt

得到: (Again,where0.1

b

0.5)時間步長的預(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。時間步大小說明(續(xù))ANSYS熱分析第19頁/共162頁進(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。7.用戶要輸入求解選項，并不是只對熱分析有效(如求解器，N-R選項等)143256ANSYS熱分析第20頁/共162頁初始條件初始條件必須對模型的每個溫度自由度定義，使得時間積分過程得以開始。施加在有溫度約束的節(jié)點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。ANSYS熱分析第21頁/共162頁均勻初始溫度如果整個模型的初始溫度為均勻且非0，使用下列菜單指定:1234ANSYS熱分析第22頁/共162頁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)點上:4.用圖形選取或輸入點號的方法確定要建立初始溫度的節(jié)點。5.單擊OK.

注:當(dāng)手動或借助于輸入文件輸入IC命令時，可以使用節(jié)點組元名來區(qū)分節(jié)點。12354ANSYS熱分析第23頁/共162頁非均勻初始溫度(續(xù))注:沒有定義DOF初始溫度的節(jié)點其初始溫度缺省為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)點上。678ANSYS熱分析第24頁/共162頁由穩(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，指定一個很小的結(jié)束時間(如1E-3秒)。避免使用非常小的時間數(shù)值(~1E-10)因為可能形成數(shù)值錯誤。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熱分析第25頁/共162頁施加瞬態(tài)分析控制和設(shè)置。求解之前,打開時間積分:求解當(dāng)前瞬態(tài)載荷步。求解后續(xù)載荷步。時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)分析得到的初始溫度(續(xù))2.后續(xù)載荷步為瞬態(tài):在第二個載荷步中，根據(jù)第一個載荷步施加載荷和邊界條件。記住刪除第一個載荷步中多余的載荷。1234ANSYS熱分析第26頁/共162頁打開/關(guān)閉時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間積分。ANTYPE,TRANS+TIMINT,OFF

ANTYPE,STATICANTYPE,STATIC+TIMINT,ON

ANTYPE,TRANSANSYS熱分析第27頁/共162頁另外的時間積分例子在本例中，不是在分析的開始關(guān)閉時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)時隨時間衰減。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)閉時間積分效果。注意改變到穩(wěn)態(tài)邊界時的突變。最后一個載荷步的終止時間可以是任意的,但必須比前面的瞬態(tài)載荷步時間數(shù)值要大。ANSYS熱分析第28頁/共162頁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)時讓自動時間步“打開”(增加)時間步長。在缺省情況下，如果連續(xù)3個子步間的最大溫度變化都小于0.1個溫度單位，那么時間步長將迅速增加以提高效率。這個控制只能在求解控制中實現(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熱分析第29頁/共162頁階躍還是漸變?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，在正確的時間和正確的速率施加?；貞浺幌螺d荷在載荷步中相對時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熱分析第30頁/共162頁階躍還是漸變?(續(xù))要模擬階躍載荷，將載荷在很短的時間內(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.茶壺在一個剛?cè)贾臓t子上2.茶壺載一個已經(jīng)很熱的爐子上ANSYS熱分析第31頁/共162頁什么是耦合場分析?

耦合場分析考慮兩個或兩個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,多個物理場（如熱—電）的自由度同時進(jìn)行計算。這稱為直接方法，適用于多個物理場各自的響應(yīng)互相依賴的情況。由于平衡狀態(tài)要滿足多個準(zhǔn)則才能取得，直接耦合分析往往是非線性的。每個結(jié)點上的自由度越多，矩陣方程就越龐大，耗費的機(jī)時也越多。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。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第32頁/共162頁什么是耦合場分析?(續(xù))間接耦合分析是以特定的順序求解單個物理場的模型。前一個分析的結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件施加。有時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，一個場的響應(yīng)（如熱）將顯著影響到另一個物理場（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。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。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第33頁/共162頁直接方法-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)的實際問題只涉及到少數(shù)幾個物理場的耦合。這里提供了幾個涉及到熱現(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。新的熱分析必須計入形狀改變。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第34頁/共162頁直接方法-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)度和方向都會改變。象這種電磁場諧波分析，只要得出磁向量勢{A}，就能計算出電流密度向量{J}。它用來計算下式中的焦耳熱:結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第35頁/共162頁直接方法-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，材料特性合實常數(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)，熱單位就不能使用Btu/s。由于需要迭代計算，熱耦合場單元不能使用子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第36頁/共162頁直接方法-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,單元面等)施加多種類型的載荷(D,F,SF,BF)。耦合場分析可以使高度非線性的。考慮使用Predictor和LineSearch功能改善收斂性。考慮使用Multi-Plots功能將不同場的結(jié)果同時輸出到多個窗口中。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第37頁/共162頁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)行兩個單場的分析(而不是同時)，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)在實用問題中，這種方法比直接耦合要方便一些，因為分析使用的是單場單元，不用進(jìn)行多次迭代計算。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第38頁/共162頁間接方法-例題葉片和盤中的溫度會產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)變。這會顯著影響應(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。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。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第39頁/共162頁間接方法-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-結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第40頁/共162頁間接方法-過程在ANSYS中由兩個基本方法進(jìn)行序貫耦合場分析。它們主要區(qū)別在于每個場的特性是如何表示的:物理環(huán)境方法-單獨的數(shù)據(jù)庫文件在所有場中使用。用多個物理環(huán)境文件來表示每個場的特性。手工方法-多個數(shù)據(jù)庫被建立和存儲，每次研究一種場。每個場的數(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)點加以討論。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第41頁/共162頁物理環(huán)境為了自動進(jìn)行序貫耦合場分析，ANSYS允許用戶在一個模型中定義多個物理環(huán)境。一個物理環(huán)境代表模型在一個場中的行為特性。物理環(huán)境文件是ASCII碼文件，包括以下內(nèi)容:單元類型和選項節(jié)點和單元坐標(biāo)系耦合和約束方程分析和載荷步選項載荷和邊界條件GUI界面和標(biāo)題在建立帶有物理環(huán)境的模型時，要選擇相容于所有物理場的單元類型。例如，8節(jié)點的熱塊單元與8節(jié)點的結(jié)構(gòu)塊單元相容，而不與10節(jié)點結(jié)構(gòu)單元相容:yesno在使用降階單元形狀時要注意。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)-熱耦合分析第42頁/共162頁物理環(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(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)點熱體單元可以用來給20節(jié)點結(jié)構(gòu)塊單元提供溫度。許多單元需要特殊單選項設(shè)置來與不同階次的單元相容。單元屬性號碼(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)-熱耦合分析第43頁/共162頁同時，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)考慮多于兩個場的相互作用時或不能在每個環(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)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)-熱耦合分析第44頁/共162頁熱-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，因為熱分析得到的溫度對結(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)對熱分析結(jié)果沒有很大的影響。因為熱-應(yīng)力分析只涉及到兩個場之間的連續(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優(yōu)點和缺點:優(yōu)點:在建立熱和結(jié)構(gòu)模型時有較少的限制。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)行了多年的檢驗。缺點: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會比較麻煩。結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第45頁/共162頁基本過程在熱-應(yīng)力分析中，由溫度求解得到的節(jié)點溫度

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將熱節(jié)點溫度施加到結(jié)構(gòu)單元上有兩種選項。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)點號碼...1熱模型自動轉(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)-熱耦合分析第46頁/共162頁基本過程(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)-熱耦合分析第47頁/共162頁熱-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.指定分析類型，分析選項和載荷步選項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)-熱耦合分析第48頁/共162頁流程細(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)點上的溫度。2. 查看熱結(jié)果并確定大溫度梯度的時間點(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)-熱耦合分析第49頁/共162頁流程細(xì)節(jié)(續(xù))3c.刪除所有熱載荷3d.刪除耦合序列和約束方程3d3c結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第50頁/共162頁流程細(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)-熱耦合分析第51頁/共162頁流程細(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1).

5A.改變單元類型，從熱到結(jié)構(gòu)(ETCHG命令):檢查實常數(shù)和單元選項是否正確。5AResetsoptionsRetainsoptions結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第52頁/共162頁流程細(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)果的時間和子步結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第53頁/共162頁流程細(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)-熱耦合分析第54頁/共162頁流程細(xì)節(jié)(續(xù))5b. 選擇溫度體載荷的所有節(jié)點并寫入節(jié)點文件。5b指定節(jié)點文件名結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第55頁/共162頁流程細(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)-熱耦合分析第56頁/共162頁流程細(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)點文件名寫出的載荷文件名用于寫多個載荷文件使用體-體結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第57頁/共162頁 有些情況下熱網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并不完全一致。這時，ANSYS對超過熱模型的結(jié)構(gòu)模型節(jié)點進(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)點到熱單元邊界的距離是否小于單元邊長的0.5倍。一個在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，許多節(jié)點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。Usingthedefaulttolerance,thesetwonodeswouldnotbeassignedaload熱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邊界結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第58頁/共162頁流程細(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)-熱耦合分析第59頁/共162頁流程細(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(如求解器選項)6c. 指定載荷步選項

(如，輸出控制)6a6b6c結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第60頁/共162頁流程細(xì)節(jié)(續(xù))7a. 設(shè)置求解熱膨脹時自由應(yīng)變參考溫度(TREF):7結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第61頁/共162頁流程細(xì)節(jié)(續(xù))7b. 施加其它結(jié)構(gòu)載荷。8. 存儲模型并求解當(dāng)前載荷步。7b989.結(jié)果后處理:結(jié)構(gòu)-熱耦合分析第62頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第63頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第64頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第65頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第66頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第67頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第68頁/共162頁ANSYS流-固耦合分析第69頁/共162頁問題概述在這個教程中，運用一個簡單的擺動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ANSYSCFX求解器中運行，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過程中需要兩個求解器的耦合運行，ANSYS－MultiField求解器提供了耦合求解的平臺。ANSYS流-固耦合分析示例第70頁/共162頁模擬中固體問題的描述開始模擬運行ANSYSWorkbench點擊EmptyProject將出現(xiàn)Project界面，在此界面中有一個一個未存儲的Project選擇File>Save把目錄設(shè)在你的工作目錄，文件名設(shè)為OscillatingPlate點擊Save在Project界面左邊工作面板的LinktoGeometryFile下，點擊Browse，打開所提供的OscillatingPlate.agdb文件確認(rèn)OscillatingPlate.agdb被選（高亮顯示），點擊NewsimulationANSYS流-固耦合分析示例第71頁/共162頁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Solid，在底下Details窗口中，選擇Material緊連材料名StructuralSteel，用鼠標(biāo)選擇NewMaterial當(dāng)EngineeringData窗口出現(xiàn)，鼠標(biāo)右擊NewMaterial，并重命名為Plate設(shè)置Young’sModulus（楊氏模量）為2.5e06[Pa]，Poisson’sRatio（泊松比）為0.35，Density（密度）為2550[kgm^-3]點擊位于Workbench界面上方的Simulation以回到模擬界面ANSYS流-固耦合分析示例第72頁/共162頁模擬中固體問題的描述基本分析設(shè)置從工具欄選擇NewAnalysis>TransientStress選擇AnalysisSettings，在Details窗口，設(shè)置AutoTimeStepping為off設(shè)置TimeStep為0.1[s]在整個窗口底邊靠右的TabularData面板，設(shè)置EndTime為5.0ANSYS流-固耦合分析示例第73頁/共162頁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TransientStress，在快捷菜單中選擇Insert>FixedSupport用旋轉(zhuǎn)鍵旋轉(zhuǎn)幾何模型，以便可以看見模型底面（low-y），然后選擇并點擊底面（low-y）在Details窗口，選擇Geometry，然后點擊NoSelection使Apply按鈕出現(xiàn)（如果需要）。點擊Apply以設(shè)置固支。ANSYS流-固耦合分析示例第74頁/共162頁流固界面右擊目錄樹中TransientStress，在快捷菜單中選擇Insert>FluidSolidInterface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面（low-x,high-yandhigh-xfaces），注意這樣會自動生成1個流固界面。ANSYS流-固耦合分析示例第75頁/共162頁壓力加載右擊目錄樹中TransientStress，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)的箭頭選擇Tabular（Time）在整個視窗的右底邊TabularData面板，在表中相對應(yīng)于時間為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-固耦合分析示例第76頁/共162頁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ANSYSMultiField并不運行，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>WriteANSYSInputFile，把結(jié)果寫進(jìn)文件OscillatingPlate.inp網(wǎng)格是自動生成的，如果想檢查，可以在目錄樹中選擇Mesh保存Simulation數(shù)據(jù)，返回OscillatingPlate[Project]面板，存儲ProjectANSYS流-固耦合分析示例第77頁/共162頁創(chuàng)建一個新的模擬：開始ANSYSCFX-Pre.選擇File>NewSimulation.選擇General并點擊OK.選擇File>SaveSimulationAs.在Filename欄,敲入OscillatingPlate.點擊Save.設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiFieldANSYS流-固耦合分析示例第78頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField輸入網(wǎng)格右擊Mesh并旋轉(zhuǎn)ImportMesh.選擇提供的網(wǎng)格文件OscillatingPlate.gtm.點擊Open.ANSYS流-固耦合分析示例第79頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField設(shè)置仿真類型：選擇Insert>SimulationType.應(yīng)用以下設(shè)置：點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第80頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField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.點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第81頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField

創(chuàng)建域：為了使ANSYSSolver能夠把網(wǎng)格變形信息傳遞給CFXSolver，在CFX中必須激活網(wǎng)格移動。重命名DefaultDomain為OscillatingPlate，并打開進(jìn)行編輯應(yīng)用以下設(shè)置點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第82頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField創(chuàng)建邊界條件流體外部邊界創(chuàng)建一個新邊界條件，命名為Interface.應(yīng)用以下設(shè)置點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第83頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField對稱邊界條件創(chuàng)建一個新邊界條件，命名為Sym1.應(yīng)用以下設(shè)置點擊OK創(chuàng)建一個新邊界條件，命名為Sym2應(yīng)用以下設(shè)置點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第84頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField設(shè)置初始值點擊GlobalInitialization應(yīng)用以下設(shè)置點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第85頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField設(shè)置求解器控制點擊SolverControl應(yīng)用以下設(shè)置點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第86頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField設(shè)置輸出控制點擊OutputControl點擊TrnResults鍵創(chuàng)建一個瞬態(tài)結(jié)果，用默認(rèn)的文件名對TransientResults1應(yīng)用以下設(shè)置點擊Monitor鍵選擇MonitorOptionsANSYS流-固耦合分析示例第87頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField在MonitorPointsandExpressions下點擊Addnewitem，采用默認(rèn)的名字設(shè)置Option為CartesianCoordinates設(shè)置OutputVariablesList為TotalMeshDisplacementX設(shè)置CartesianCoordinates為[0,1,0]點擊OKANSYS流-固耦合分析示例第88頁/共162頁設(shè)置流體問題、在ANSYSCFX-Pre中設(shè)置ANSYSMultiField輸出求解器文件(.def)點擊WriteSolverFile如果PhysicsValidationSummary對話框出現(xiàn)，點擊Yes以繼續(xù)應(yīng)用以下設(shè)置確選擇是StartSolverManager，點擊Save如果發(fā)現(xiàn)文件已經(jīng)存在，點擊Overwrite退出ANSYSCFX-Pre，自己決定是否存儲模擬文件(.cfx)ANSYS流-固耦合分析示例第89頁/共162頁通過ANSYSCFX-SolverManager獲得結(jié)果ANSYSMultifieldsimulation的運行需要CFX和ANSYS聯(lián)合求解確認(rèn)DefineRun

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)ANSYSInstallRoot

設(shè)置是正確的點擊StartRunANSYS流-固耦合分析示例第90頁/共162頁通過ANSYSCFX-SolverManager獲得結(jié)果ANSYS輸出文件點擊UserPoints鍵，觀察薄板上部隨著求解怎樣變形當(dāng)求解完成，ANSYSCFX-SolverManager會彈出一個對話框通知你，點擊Yes以繼續(xù)如果在standalone模式下運行ANSYSCFX-Solver，關(guān)閉ANSYSCFX-SolverManagerANSYS流-固耦合分析示例第91頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果在固體薄板上觀察結(jié)果顯示BoundaryANSYS(在ANSYS>DomainANSYS中)對BoundaryANSYS進(jìn)行如下設(shè)置點擊Apply選擇Tools>TimestepSelector，打開TimestepSelector對話框選擇value值為1[s]，點擊ApplyANSYS流-固耦合分析示例第92頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果相應(yīng)的瞬態(tài)結(jié)果被加載，可看到網(wǎng)格在CFX和ANSYS區(qū)中移動去除BoundaryANSYS復(fù)選框的選擇創(chuàng)建等值線，設(shè)置Locations為BoundaryANSYS和Sym2，設(shè)置Variable為TotalMeshDisplacement，點擊Apply打開TimestepSelector對話框，選擇value值為1.1[s]這樣可以驗證TotalMeshDisplacement在CFX和ANSYS區(qū)域中是連續(xù)變化的ANSYS流-固耦合分析示例第93頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果接下來打開TimestepSelector對話框，選擇value值為1.1[s]置鼠標(biāo)于瀏覽器中背景顏色顯示的地方，右擊，選擇Deformation>Auto為真實的反映變形，右擊，選擇Deformation>TrueScaleANSYS流-固耦合分析示例第94頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果創(chuàng)建動畫去除Contour1復(fù)選框選擇顯示Sym2對Sym2應(yīng)用以下設(shè)置點擊Apply創(chuàng)建一個矢量圖，設(shè)置Locations為Sym1，設(shè)置Variable為Velocity，設(shè)置Colour為Constant并為黑色，點擊ApplyANSYS流-固耦合分析示例第95頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果顯示BoundaryANSYS，設(shè)置Color為constantblue.右擊瀏覽器的空白區(qū)域，選擇PredefinedCamera>ViewTowards-Z，放大薄板以清晰的觀察點擊Animation，動畫對話框?qū)⒊霈F(xiàn)在動畫對話框點擊，創(chuàng)建KeyframeNo1在KeyframeCreationandEditing列表突出KeyframeNo1，然后#ofFrames設(shè)為48在時間步數(shù)選擇器加載最后一步，value為50點擊，創(chuàng)建KeyframeNo2點擊MoreAnimationOptions，展開Animation對話框ANSYS流-固耦合分析示例第96頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果點擊Options鈕在Options上，設(shè)置MPEGSize為720X480(NTSC)點擊Advanced鍵，然后設(shè)置Quality為Custom去除VariableBitRate，設(shè)置BitRate為3000000點擊OK選擇SaveMPEG點擊Browse，設(shè)置MPEG文件存儲路徑點擊SaveANSYS流-固耦合分析示例第97頁/共162頁通過ANSYSCFX-Post觀察結(jié)果點擊Beginning

以加載，等待加載點擊Playtheanimation完成后，退出ANSYSCFX-PostANSYS流-固耦合分析示例第98頁/共162頁使用間接方法進(jìn)行熱—應(yīng)力分析的實例本節(jié)描述了一個利用間接方法進(jìn)行熱-應(yīng)力分析的簡單例子一個長厚壁雙層圓管，內(nèi)壁溫度為Ti，外壁溫度為To，其他參數(shù)如下圖所示。求解溫度沿徑向的分布，軸向應(yīng)力及環(huán)向應(yīng)力。第99頁/共162頁間接方法進(jìn)行本問題分析基本步驟如下：1．定義并求解熱分析問題；2．回到前處理(/PREP7)。轉(zhuǎn)換單元類型，添加材料屬性，設(shè)定結(jié)構(gòu)邊界條件；3．從熱分析結(jié)果文件中讀入溫度；4．求解結(jié)構(gòu)問題。第100頁/共162頁/batch,list/show/title,thermal

stressinconcentriccylinders-indirectmethod/prep7et,1,plane77,,,1!PLANE77axisymmetricoptionmp,kxx,1,2.2!Steelconductivitymp,kxx,2,10.8!Aluminumconductivityrectng,.1875,.4,0,.05!Modelrectng,.4,.6,0,.05aglue,allnumcmp,areaasel,s,area,,1!Assignattributestosolidmodelaatt,1,1,1asel,s,area,,2第101頁/共162頁aatt,2,1,1asel,allesize,.05amesh,all!Meshmodelnsel,s,loc,x,.1875d,all,temp,200!Applythermalloadsnsel,s,loc,x,.6d,all,temp,70nsel.allfinish/solusolvefinish第102頁/共162頁/post1path,radial,2!Define

pathnameandnumberofpathpointsppath,1,,.1875!Definepathbylocationppath,2,,.6pdef,temp,temp!Interprettemperaturetopathpaget,path,points,radial!Archivepathpointsinarray"path"plpath,temp!Plottemperaturesolutionfinish第103頁/共162頁/prep7et,1,82,,,1!Switchtostructuralelement,SOLID82mp,ex,1,30e6!Definestructuralsteelpropertiesmp,alpx,1,.65e-5mp,nuxy,1,.3mp,ex,2,10.6e6!Definealuminumstructuralpropertiesmp,aplx,2,1.35e-5mp,nuxy,2,.33nsel,s,loc,y,.05!Applystructuralboundaryconditionscp,1,uy,allnsel,s,loc,x,.1875cp,2,ux,allnsel,s,loc,y,0d,all,uy,0nsel,allfinish第104頁/共162頁/solutref,70ldread,temp,,,,,rth!Readintemperaturesfromthermalrunsolvefinish/post1paput,path,points!Restorepathpmap,,mat!

Setpathmappingtohandlematerialdiscontinuitypdef,sx,s,x!Interpretradialstresspdef,sz,s,z!Interprethoopstressplpath,sx,sz!Plotstressesplpagm,sx,,node!Plotradialstressonpathgeometryfinish第105頁/共162頁使用物理環(huán)境方法進(jìn)行熱—應(yīng)力分析的實例本節(jié)使用物理環(huán)境方法求解前一節(jié)中描述的熱—應(yīng)力問題。對于這樣非常簡單的問題，物理環(huán)境方法無法體現(xiàn)其優(yōu)越性，因為它是一個簡單的單向耦合問題。但全部求解結(jié)束后，可以使用PHYSICS命令在不同物理環(huán)境之間迅速切換，以得到不同物理環(huán)境下的結(jié)果。該問題用物理環(huán)境法處理基本步驟如下：1．定義熱分析問題；2．寫入熱分析物理環(huán)境文件；3．清除熱分析邊界條件及選項4．定義結(jié)構(gòu)問題；5．寫入結(jié)構(gòu)分析物理環(huán)境文件；6．讀入熱分析物理環(huán)境文件；7．熱分析求解并進(jìn)行后處理；第106頁/共162頁8．讀入結(jié)構(gòu)分析物理環(huán)境文件；9．從熱分析結(jié)果文件中讀入溫度；10．求解并后處理物理文件。/prep7et,1,plane77,,,1!PLANE77axisymmetricoptionsmp,kxx,1,2.2!Steelconductivitymp,kxx,2,10.8!Aluminumconductivityrectng,.1875,.4,0,.05!Modelrectng,.4,.6,0,.05aglue,allnumcmp,areaasel,s,area,,1!Assignattributestosolidmodel第107頁/共162頁aatt,1,1,1asel,s,area,,2aatt,2,1,1asel,allesize,.05amesh,all!Meshmodelnsel,s,loc,x,.1875d,all,temp,200!Applythermalloadsnsel,s,loc,x,.6d,all,temp,70nsel,all,physics,write,thermal!Writethethermalphysicsfilephysics,clear!Clearallbc"sandoptions第108頁/共162頁et,1,82,,,1!Switchtostructuralelement,SOLID82mp,ex,1,30e6!Definestructuralsteelpropertiesmp,aplx,1,.65e-5mp,nuxy,1,.3mp,ex,2,10.6e6!Definealuminumstructuralpropertiesmp,alpx,2,1.35e-5mp,nuxy,2,.33nsel,s,loc,y,.05!Applystructuralboundaryconditionscp,1,uy,allnsel,s,loc,x,.1875cp,2,ux,allnsel,s,loc,y,0d,all,uy,0nsel,alltref,70第109頁/共162頁physics,write,struct!Writestructuralphysicsfilesave!Savedatabasefinish/soluphysics,read,thermal!Readthermalphysicsfilesolve!Solvethermalproblemfinish/post1path,radial,2!Define

pathnameandnumberofpathpointsppath,1,,.1875!Definepathbylocationppath,2,,.6pdef,temp,temp!Interprettemperaturetopathpaget,path,points!Archivepathpointsinarray"path"plpath.temp!Plottemperaturesolutionfinish第110頁/共162頁/soluphysics,read,struct!Readstructuralphysicsfileldread,temp,,,,,,rth!Readintemperaturesfromthermalrunsolve!Solvestructuralproblemfinish/post1paput,path,points,radial!Restorepathpmap,,mat!

Setpathmappingtohandlematerialdiscontinuitypdef,sx,s,x!Interpretradialstresspdef,sz,s,z!Interprethoopstressplpath,sx,sz!Plotstressesplpagm,sx,node!Plotradialstressonpathgeometryfinish第111頁/共162頁使用物理環(huán)境方法進(jìn)行流—固耦合分析的實例本節(jié)中示例一個穩(wěn)態(tài)流體—結(jié)構(gòu)相互作用的問題。此問題將演示如何使非線性大變形結(jié)構(gòu)分析與流體動力學(xué)分析進(jìn)行相互耦合分析，以及如何在物理環(huán)境設(shè)定中使用NULL單元。1問題描述流道中有一橡膠墊阻礙水的流動，入口流速為0.35m/s（如圖），其他參數(shù)將在命令流中詳細(xì)給出。求解水通過此流道的壓力降，以及穩(wěn)態(tài)條件下橡膠墊的變形。2分析步驟建立所要分析的流體及固體區(qū)域的模型。對于此問題應(yīng)當(dāng)創(chuàng)建三個區(qū)域：（a）橡膠墊；(b)環(huán)繞橡膠墊的流體區(qū)域，要求網(wǎng)格隨移；(c)純流體區(qū)域。圖2描述此模型。第112頁/共162頁第113頁/共162頁橡膠墊將在流體壓力作用下發(fā)生變形。變形的大小將顯著影響流場的形狀。在本例中定義的一個環(huán)繞橡膠墊的流體區(qū)，用于流體物理環(huán)境。通過結(jié)構(gòu)區(qū)域的結(jié)構(gòu)分析，獲得橡膠墊的位移用于隨移環(huán)繞橡膠墊的小區(qū)域。隨后的流體分析使用隨移后的網(wǎng)格。流體分析對橡膠墊使用零單元結(jié)構(gòu)分析對流體使用零單元。第114頁/共162頁區(qū)域單元類型材料實常數(shù)橡膠墊322流體1112.1建模創(chuàng)建整個幾何模型，包括流體、橡膠墊區(qū)域。用AATT命令賦予這些面的單元類型編號、材料編號以及實常數(shù)編號。表2-3列出編號分配。所有可能是流體區(qū)域的材料編號都設(shè)定為1。雖然實常數(shù)在本例中給出但并不使用。表物理環(huán)境屬性第115頁/共162頁區(qū)域類型材料實常數(shù)橡膠墊Nulltype(0)nonenone流體FLUID141Viscosity,densitynone2.2創(chuàng)建流體物理環(huán)境給流體區(qū)域分配單元類型及材料屬性，如表所示。通過FLDA命令定義材料屬性，還要確定迭代次數(shù)，激活湍流模型，詳見命令流。表2-4流體物理環(huán)境?施加適當(dāng)?shù)牧黧w邊界條件及載荷，如圖所示：第116頁/共162頁在本例中，邊界條件施加在實體模型邊界上。后面的命令流中定義了一個包含橡膠墊底部節(jié)點的組元?？梢栽谇蠼獾拿恳淮务詈系Y(jié)束時列出這些節(jié)點位置的變化。在本例中編號為1的線代表橡膠墊的底部。選擇此線上的節(jié)點定義組元gasket。Command:CM,GASKET,NODESGUI:UtilityMenu>Select>Comp/Ass’y>CreateComponent第117頁/共162頁將流體物理環(huán)境寫入物理環(huán)境文件：Command:PHYSICS,WRITE,FLUID,FLUIDGUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Write2.3創(chuàng)建結(jié)構(gòu)物理環(huán)境清除在流體物理環(huán)境中設(shè)定的所有信息，準(zhǔn)備定義結(jié)構(gòu)物理環(huán)境。Command:PHYSICS,CLEARGUI：

MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Clear轉(zhuǎn)換流體單元類型到結(jié)構(gòu)類型單元并設(shè)定單元選項，如上表所示。流體區(qū)的單元由FLUID141轉(zhuǎn)換為PLANE42。將流體區(qū)域的單元設(shè)定為NULL，因為在結(jié)構(gòu)分析中，這個區(qū)域不作為分析對象。第118頁/共162頁區(qū)域類型材料實常數(shù)橡膠墊HYPER56Mooney-Rivlinnone流體Nulltype(0)nonenone定義結(jié)構(gòu)分析需要的每個物理區(qū)域的結(jié)構(gòu)屬性。見表。施加結(jié)構(gòu)邊界條件。（見圖）定義合適的載荷步和求解選項寫入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件（PHYSICS,WRITE,STRUC,STRUC）。第119頁/共162頁2.4流體/結(jié)構(gòu)求解循環(huán)可以交互或批處理方式進(jìn)行流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)。在本例中，橡膠墊的最大位移（MGD）成為總的收斂監(jiān)測量。當(dāng)連續(xù)兩次結(jié)構(gòu)求解的MGD改變量小于容差值，求解結(jié)束。初始的FLOTRAN分析設(shè)置的迭代次數(shù)應(yīng)當(dāng)多一些，以較好地收斂。隨后的流體分析由于是在前一次流體分析基礎(chǔ)上重啟動，因此迭代次數(shù)可以少一些。結(jié)構(gòu)分析同樣也需要重啟動。在每一次結(jié)構(gòu)分析之后，對環(huán)繞橡膠墊的小流體區(qū)域按結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行網(wǎng)格隨移。這些新的節(jié)點位置對后面的流體分析作為輸入。對正確的結(jié)構(gòu)求解及更進(jìn)一步的網(wǎng)格隨移，所有的節(jié)點在從流體分析施加更新的壓力前必須返回到原來位置。第120頁/共162頁循環(huán)求解的步驟如下：1.讀入流體物理環(huán)境。Command:PHYSICS,READ,fluidGUI:MainMenu>Solution>PhysicsEnviron>Read2.設(shè)定FLOTRAN求解參數(shù)（例如總體迭代次數(shù)）。Command:FLDATA,ITER,EXEC,100GUI:MainMenu>Solution>FLOTRANSetup>ExecutionControl3.FLOTRAN求解。Command:SolveGUI:MainMenu>Solution>RunFLOTRAN第121頁/共162頁4.讀入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境Command:PHYSICS,READ,strucGUI:MainMenu>Solution>PhysicsEnviron>Read5.執(zhí)行/ASSIFN命令，確保結(jié)構(gòu)分析的重啟動。Command:/ASSIGN,ESAVE,STRUC,ESAV/ASSIGN,EMAT,STRUC,EMATGUI:UtilityMenu>File>ANSYSFileOptions6.將節(jié)點返回到它們原來的位置以便隨后進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析及將來的網(wǎng)格隨移。對第一次流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)不要執(zhí)行這一步。命令:PARSAV,ALLGUI:UtilityMenu>Parameters>SaveParameters命令:RESUMEGUI:UtilityMenu>File>ResumeJobname.db命令:PARRESGUI:UtilityMenu>Parameters>RestoreParameters第122頁/共162頁7.重啟動分析對第一次流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)不要執(zhí)行這個步驟。命令:ANTYPE,STATIC,RESTGUI:MainMenu>Solution>RestartAnalysis8．選擇從FLOTRAN分析讀入壓力要施加的節(jié)點和單元。9.執(zhí)行LDREAD命令。Command:LDREAD,PRES,last,,,,,rflGUI:MainMenu>Solution>-Loads->Apply>Pressure>FromFluidAnaly10.設(shè)置選項不要使用多重重啟動文件。命令:RESCONTROL,,NONEGUI:MainMenu>Solution>Nonlinear>RestartControl11．求解結(jié)構(gòu)分析并在第一個載荷步保存數(shù)據(jù)庫以備將來使用。命令:SOLVEGUI:MainMenu>Solution>Solve命令:SAVE第123頁/共162頁GUI:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db12．對環(huán)繞橡膠墊附近的小流體區(qū)域執(zhí)行網(wǎng)格隨移（組件名稱為AREA2）命令:DAMORPH,AREA2,,2GUI:MainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-PhysMorphing-Areas13.與上一次結(jié)果相比評價網(wǎng)格的移動。選擇名稱為GASKET的組件并列表節(jié)點坐標(biāo)。14．比較相鄰的最大橡膠墊位移值（MGD）來查看收斂情況。15．從gasket.grph文件查看單元圖示。第124頁/共162頁使用物理環(huán)境方法進(jìn)行熱—傳導(dǎo)分析的實例本例示例了一個瞬態(tài)感應(yīng)加熱問題。該問題演示了順序求解諧波電磁分析及有重啟動的瞬態(tài)傳熱分析。2.10.1問題描述長鋼坯通過感應(yīng)線圈經(jīng)歷表面加熱導(dǎo)致快速升溫的過程。線圈緊貼鋼坯表面放置并通過高頻交變大電流。AC交流電感應(yīng)加熱鋼坯，最顯著的是表面，其溫度快速升高。簡化的模型只考慮長鋼坯的有限長度，如圖簡化為一維問題進(jìn)行研究。圖軸對稱一維感應(yīng)加熱區(qū)域片第125頁/共162頁步驟鋼坯將加熱到700°C。對熱問題及電磁場問題必須考慮溫度相關(guān)的材料屬性。必須順序求解該問題。首先做一個交流諧波電磁場分析然后做一個瞬態(tài)熱分析。而且，必須在不同時間間隔重復(fù)電磁分析來校正影響求解的溫度相關(guān)屬性及對鋼坯的熱載荷。如圖2-17所示。第126頁/共162頁第127頁/共162頁區(qū)域類型材料實常數(shù)鋼坯121線圈231空氣211鋼坯表面323步驟1：建立屬性關(guān)系對模型區(qū)域定義如表2-6的屬性關(guān)系表2-6物理環(huán)境屬性步驟2：建立模型建立整個區(qū)域的模型。對不同區(qū)域分配屬性。（鋼坯表面用于定義熱輻射用的表面效應(yīng)單元。與實體區(qū)域的處理不同）第128頁/共162頁步驟3：創(chuàng)建電磁物理環(huán)境通過定義如表示單元類型及材料屬性定義電磁物理環(huán)境。表電磁物理環(huán)境區(qū)域類型材料實常數(shù)鋼坯PLANE13MURX(T),RSVX(T)None線圈PLANE13MURXNone空氣PLANE13MURXNone鋼坯表面NULLType(0)NoneNone第129頁/共162頁圖2-18電磁物理環(huán)境名義邊界條件定義合適的載荷步及求解選項寫電磁物理環(huán)境到一個文件命令:PHYSICS,WRITEGUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron如圖2-18分配合適的邊界條件及載荷第130頁/共162頁步驟4：創(chuàng)建熱物理環(huán)境創(chuàng)建如下熱物理環(huán)境：?刪除名義邊界條件及重新設(shè)置選項。命令:PHYSICS,CLEARGUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron將單元類型由電磁改變?yōu)闊犷愋?，設(shè)置KEYOPT選項。在空氣及線圈區(qū)域定義零單元類型（假定只考慮鋼坯的熱交換分析），見表區(qū)域類型材料實常數(shù)鋼坯PLANE55KXX(T),ENTH(T)None線圈NULLType(0)NoneNone空氣NULLType(0)NoneNone鋼坯表面SURF151EMISStef-BoltzmanConstant第131頁/共162頁定義熱屬性及實常數(shù)分配合適的名義邊界條件及載荷如圖2-19所示。分配合適載荷步選項及求解選項。命令:PHYSICS,WRITE