ANSYS多物理场耦合及高性能计算
ansys多物理场耦合技术和方法
ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真软件，它提供了多物理场耦合分析的能力，用于模拟和解决多个物理现象相互作用的问题。
以下是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些常见应用：1. 结构-热耦合（Thermo-Structural Coupling）：这种耦合方法用于分析结构在热载荷下的变形和应力响应。
它可以考虑热传导、热辐射、温度梯度等对结构性能的影响，并通过结构和热传导方程之间的相互作用来解决这些问题。
2. 结构-电磁耦合（Electromagnetic-Structural Coupling）：这种耦合方法用于研究结构在电磁场作用下的响应。
它可以考虑电磁场的电流、磁场、电磁感应等对结构的影响，并通过结构和电磁场方程之间的相互作用来解决这些问题。
3. 流体-结构耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）：这种耦合方法用于模拟流体和结构之间的相互作用。
它可以考虑流体力学中的压力、速度、湍流、流体-固体界面等对结构的影响，以及结构对流体的阻力、振动等反馈作用。
4. 流体-热耦合（Fluid-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟流体和热传导之间的相互作用。
它可以考虑流体在流动过程中的热对流、辐射等对热传导的影响，以及热传导对流体温度分布的影响。
5. 电磁-热耦合（Electromagnetic-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟电磁场和热传导之间的相互作用。
它可以考虑电磁能量的吸收、热产生和热扩散等对系统温度分布的影响，以及温度对电磁特性的影响。
以上只是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些例子，实际中还有其他类型的耦合分析，如声-结构耦合、声-流体耦合等。
通过使用这些耦合技术和方法，工程师可以更准确地模拟和分析不同物理场之间的相互作用，从而更好地优化设计和解决实际问题。
ansys maxwell+workbench 2021 电机多物理场耦合
ansys maxwell+workbench 2021 电机多物理场耦合1. 引言1.1 概述本文旨在介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021在电机多物理场耦合方面的应用。
随着现代电力技术的迅猛发展，电机在各个领域中扮演着重要角色。
然而，电机设计与优化面临着许多复杂的问题，包括电磁场、结构和热场等多种物理场的相互影响。
因此，通过使用ANSYS Maxwell+Workbench工具来实现电机多物理场耦合模拟是一种有效的方法。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行阐述。
首先，在引言部分进行概述，并介绍文章结构。
第二部分将简要介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021工具的基本背景和功能特点。
接下来的第三部分将解析电机多物理场耦合的概念和原理，以便读者更好地了解该主题。
第四部分将重点介绍ANSYS Maxwell+Workbench在电机多物理场耦合中的应用，包括Maxwell在电磁场建模中的应用以及Workbench 在结构和热场建模中的应用，并通过实例讲解详细说明其使用方法。
最后，在第五部分对实验结果进行总结与分析，并展望该领域未来的发展趋势和应用前景。
1.3 目的本文的目的是向读者介绍ANSYS Maxwell+Workbench 2021工具在电机多物理场耦合中的应用。
通过了解该工具的基本背景、功能特点以及原理，读者能够更好地了解电机设计优化过程中多物理场相互耦合的问题，并学习如何使用ANSYS Maxwell+Workbench进行模拟和分析。
希望该文章能为电机设计和优化提供一定的指导，并对相关领域的研究人员和工程师有所帮助。
2. ANSYS Maxwell+Workbench 2021简介：2.1 ANSYS Maxwell简介：ANSYS Maxwell是一款电磁场仿真软件，旨在帮助工程师和设计师将电磁设计与虚拟原型建模相结合。
它提供了广泛的功能和工具，用于建模、分析和优化各种设备和系统中的电磁场问题。
基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究
基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究随着现代工程技术的不断发展，活塞杆在各种机械设备和工程中扮演着重要的角色。
活塞杆是一种常见的机械零部件，广泛应用于发动机、液压缸、压力机和其他各种动力机械和传动机构中。
活塞杆的运动状态和受力状态对机械设备的性能和寿命有着重要的影响，因此对活塞杆的多场耦合计算和研究显得尤为重要。
有限元软件ANSYS是当今世界上最流行的有限元分析软件之一，其强大的多物理场耦合分析功能和精准的计算方法，使得可以对活塞杆进行全面的多场耦合计算与研究。
通过ANSYS软件，可以进行活塞杆的结构强度、热传导、疲劳寿命、动力学分析等多个方面的耦合计算，求解活塞杆在不同工况下的应力、变形、温度分布等，从而为活塞杆的设计和优化提供准确的理论依据。
本文将基于有限元软件ANSYS，对活塞杆的多场耦合计算与研究进行详细介绍和分析，旨在为相关领域的工程师和研究人员提供参考和借鉴。
一、活塞杆的结构特点活塞杆是一种长条形零件，通常是由钢材或铝合金等材料制成。
其结构特点主要包括直径大、长度长、受力复杂等。
在工作过程中，活塞杆不仅需要承受来自活塞端的压力载荷，还要承受由连杆传递过来的拉伸载荷，同时还要承受由于高速往复运动产生的惯性力和地心引力，因此活塞杆的受力状态非常复杂。
活塞杆在工作过程中还会因摩擦、磨损、热胀冷缩等原因产生温度场和热应力，这些因素都会对活塞杆的强度和稳定性产生影响。
活塞杆的多场耦合计算需要考虑结构强度、热传导、动力学等多个方面的因素，以确保活塞杆在工作过程中具有良好的性能和可靠的安全性。
二、活塞杆的多场耦合计算模型1. 结构强度分析活塞杆的结构强度分析是活塞杆多场耦合计算的重要内容之一。
在结构强度分析中，需考虑活塞杆在压力载荷和拉伸载荷作用下的应力、应变和变形，以及受力部位的疲劳寿命和安全系数。
在有限元软件ANSYS中，可以建立活塞杆的三维有限元模型，对其进行静力学分析，求解活塞杆的局部和整体应力、变形等参数，进而评估活塞杆的结构强度和稳定性。
多物理场耦合分析与高性能计算
1 多物理场耦合分析软件
• COMSOL Multiphysics • ANSYS Multiphysics • ADINA
1.1 COMSOL Multiphysics
• “第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”
• COMSOL Multiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox 1.0。后来改名为Femla b 1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1。从2003年 3.2a版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。
CFD-Flo
ANSYS Multiphysics
结构和热分析
ANSYS Mechanical
结构、热和低频 电磁场分析FX和Fl
uent求解器。
1.2 ANSYS Multiphysics应用实例
• 流固耦合 -汽车燃料喷射器，控制阀，风扇，水泵
• COMSOL Multiphysics以其独特的软件设计理念，成功地实现了任意多物理场、直接、双向实 时耦合，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
1.1 COMSOL Multiphysics
• COMSOL Desktop COMSOL桌面提供了清晰的模型树，与当今主流CAD软件类似的桌面架构，使用户可以轻松地 完成从建模过渡到分析的整个过程，犹如在CAD中建模一样便捷地掌控仿真分析的每个环节
• 值得注意的是，ADINA中的FSI是真实流固耦合，而非一般CFD软件的单纯moving boundary， 而其网格重建也非一般的ALE方法，而是真正的即时重建。
2 实例——电子产品多物理场耦合仿真
• 电子产品多物理场耦合仿真涉及CAD/CAE/CAO、虚拟样机、软件集 成、协同仿真、中间件、可视化等技术，其相关研究以系统建模 为基础
ANSYS分析指南精华：耦合场分析
第四章耦合场分析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-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。
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。
序贯耦合解法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载荷来实现两种场1的耦合的。
例如序贯热-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力分析中来实现耦合的。
直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次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向量来实现的。
例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。
何时运用直接耦合解法或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。
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。
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敛到所需要的精度。
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果。
直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁2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。
3。
ANSYS Multiphysics
多物理场应用实例
● 流固耦合 - 汽车燃料喷射器，控制阀，风扇，水泵 - 航天飞机机身及推进系统及其部件 - 可变形流动控制设备，生物医学上血流的导管及阀门，人造心脏瓣膜 - 纸处理应用，一次性尿布制造过程 - 喷墨打印机系统
● 压电应用 - 换能器，应变计，传感器 - 麦克风系统 - 喷墨打印机驱动系统
在ANSYS Workbench平台中对短路母排进行热电耦 合分析（短路电流为150kA，材料属性与温度有关）
射频MEMS开关静电－流体－结构耦合分析模型 （左上角为压力分布，右上角为位移分布）
ANSYS多场求解器
A N S Y S多物理场求解器使用户能够使用自动序列耦合的方式将多个单 物理场模型耦合到统一的仿真分析中，从而求解多物理场的问题。在求解过 程中的每个时间点，每个物理学科顺序求解并得到学科之间的收敛结果，学 科之间的这种反复耦合迭代，ANSYS多物理场求解器使用起来都很简便。 ANSYS多物理场耦合基于用户化定制进程间的数据交换流程，不需要第三 方耦合软件。
ANSYS多物理场方案带来的好处
ANSYS公司处于CAE行业领先地位，其多物理场解决方案能够提供高 保真仿真，足以应付今日苛刻的产品开发要求所带来的挑战。ANSYS多物 理场解决方案提供了软件产品组合，能够为分析人员提供强大的仿真工具来 解决业界最棘手的多物理场问题。多物理场带来更多好处： ● 针对所有物理场的高品质求解器：结构力学、热传递、流体流动和电磁场 ● 统一的多物理场仿真环境 ● 全参数化分析，支持针对多物理场的实验设计、鲁棒设计和优化设计 ● 快速高效、符合现实
ANSYS Multiphysics 0101
ANSYS Multiphysics
多物理场仿真——ANSYS独特技术
Ansys耦合热分析教程解读
物理环境 (续)
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：
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。
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。
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(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
结构
热
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 是单场单元，不用进行多次迭代计算。
1.建立，加载，求解 热模型
5b.写节点文件 (NWRITE) 并存储结 构文件
5c.读入热模型并进行 温度插值 (BFINT)
结束 5d. 读入结构模型并读 入体载荷文件 (/INPUT)
9. 后处理
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
流程细节 (续)
5B. 从热分析中施加温度体载荷(LDREAD 命令):
5B 确定结果的 时间和子步 确定温度结 果文件 9. 求解当前载荷步
8. 存储并求解
流程细节
下面是热-应力分析的每步细节。
1. 2.
建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点 上的温度。 查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载荷步 /子步)。
Ansys耦合热分析教程
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。
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。
5B 9. 求解当前载荷步
确定结果的 时间和子步
热
结构
起的热膨胀)
但反之不可
结构到热 耦合是可以忽略的(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 是单场单元，不用进行多次迭代计算。
间接方法 - 例题
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:
Airfoil
热-结构: 透平机叶片部件分析
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。这与单独模型的PEM方法对比，
需要占用较多的存储空间。
5b.写节点文件 (NWRITE) 并存储结 构文件
5B. 读入热载荷 (LDREAD)
5c.读入热模型并进行 温度插值 (BFINT)
5d. 读入结构模型并读 入体载荷文件
(/INPUT)
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
结束 9. 后处理 8. 存储并求解
第10章
耦合场分析 (以热—应力为重点)
Ansys耦合热分析教程
什么是耦合场分析? (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 - 例题
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:
Airfoil
热-结构: 透平机叶片部件分析
Platform
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。
Root
Disk Sector
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。
热网格
Using the default tolerance, these two nodes would not be assigned a load
结构网格边界
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：
热-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:
ANSYS电机多场耦合分析
ANSYS电机多场耦合分析
newmaker
ANSYS是一个多物理场耦合分析技术，是目前为止世界上唯一能够真正实现电机多物理场耦合分析的软件。
电机主要由定子和转子组成，定子包括机座和铁芯两个主要部分，铁芯内圆开有槽，槽内安装定子绕组；转子由本体、磁极、转子绕组等组成。
在电机工作时，定子和转子绕组通有电流，电流流动产生磁场、电磁力和电磁力矩；由于绕组具有电阻，以及磁场在冲片和线圈上要产生涡流，引起涡流损耗，因此，在线圈和冲片上要产生热量；电机通过其通风系统来带走一部分热量，当然不可能完全带走，剩下的热量要引起电机温度的升高，在稳定工作状态下达到温度平衡；温升要产生热变形和热应力，对结构的机械性能产生影响。
在电机的多物理场耦合分析中，运用ANSYS软件（或其它CAD软件）建立电机（包括定子和转子）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型。
首先进行电机磁场分析，计算获取电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；在同一个分析模型上，利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热直接耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机在一定的通风量情况下的温度分布规律（同时还包括流体速度、压力等参数）；最后使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及流体－热直接耦合分析中获得的温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况，并同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安全性能。
ANSYS电机多场耦合分析的流程如下：
(end)。
基于ANSYS18.2对三根母排模型的电磁、热、结构多物理场耦合分析
基于ANSYS18.2对三根母排模型的电磁、热、结构多物理场耦合分析1 前言电气设备通常会存在多场共同作用的情况，如电机的绕组端部，变压器绕组，单抗器。
这种情况下单场的耦合很难满足设计和仿真的需求，采用ANSYS多物理场耦合分析的方法，能够计算多场共同作用下设备的性能，满足设计选型的要求。
本例以三根母排为例，用ANSYS 18.2软件，对母排的电磁场，热场及结构场进行分析。
如图所示，为本例计算的三根母排模型。
当母排通电时，根据欧姆定律，母排本身会发热；同时，根据法拉第电磁感应定律，母排与母排之间会有电磁力相互作用。
这种由电磁、热、结构多场耦合分析，需要借助强大的ANSYS有限元分析软件对其进行精确仿真计算。
为了研究本例中的各个物理场，本例分别采用ANSYS旗下的Maxwell3D、Steady-State Thermal、Static Structural三个模型进行分析。
2 操作步骤1 新建Workbench工程打开ANSYS仿真软件，启动Workbench仿真平台，并点击保存图标或者【File】>【Save As…】保存文件，注意文件名和保存路径不能出现中文。
2 创建仿真流程在Workbench上的Toolbox菜单中，依次拖拽Maxwell3D、Steady-State Thermal、Static Structural 三个模型到工作台上，并连线建立数据联系。
3 3.1.3 添加材料双击Engineering Data，进入到Workbench的材料设置界面，点击，进入材料库，选择，在其中找到Copper Alloy，点击其后面的添加按钮，将铜材料添加到工程文件中。
关闭EngineeringData页签，返回Workbench 操作环境中。
2.1 电磁仿真分析2.1.1 模型的导入及设置（1）双击Maxwell3D，进入到Maxwell操作环境。
（2）点击【Modeler】>【Import】，在弹出的界面找到模型文件的位置，选择并打开。
ANSYSWorkbench基础教程与工程分析详解第十一章Workbench多物理场
ANSYS Workbench 可以将工程中的结构场、流场、温度场、电磁场集合在同一界面中进行分析，为从事不同的仿真和从事多物理场的耦合提供了很多便利。
随着ANSYS 版本的不断升级，在Workbench 界面下进行多物理场耦合分析的功能和操作的易用性都在不断增强。
本章通过几个实例结合前面介绍的基本内容一起来体会在Workbench 界面下综合功能的应用。
本章所要学习的内容包括： ¾ 了解场的基本概念 ¾ 了解耦合场分析¾ 掌握ANSYS Workbench 耦合场分析的操作步骤11.1 多物理场耦合分析基础11.1.1 场的基本概念从数学角度而言，场是给定区域内各点数值的集合，这些数值规定了该区域内一个特定量的特性，即场是定义在空间区域上的函数，比如T 是温度场中的物理场（T 是温度场）。
从物理上而言，场是遍及一个被界定的或无限扩展的空间内的，能够产生某种物理效应的特殊物质，通常具有能量。
通俗地讲就是确定空间区域上的每一个点都有确定的物理场与之对应，则称在该区域上定义了一个场。
通常按场与时间的关系或按物理量的性质进行场的分类，如按场与时间的关系分为以下两种。
（1）静态场：场量不随时间发生变化的场。
（2）动态场：场量随时间变化而变化的场，有时候也称为时变场。
按物理量的性质分为以下两种。
（1）标量场：描述场的物理量是标量，如温度场、电位场、高度场等。
通常以函数μ（x ，y ，z ）表示。
（2）矢量场：描述场的物理量是矢量，如流场、重力场、电场、磁场等。
通常以函数F J G（x ，y ，z ）表示。
Workbench界面下进行多物理场耦合分析的功能和操作的易用性都在不断增强。
在ANSYS中多物理场的耦合方法主要有以下两种。
（1）直接耦合法：在一个分析中主要采用耦合单元方式进行仿真。
其特点是：同时求解所有自由度，数学上通常采用矩阵耦合法，在ANSYS软件中采用耦合单元实现。
ANSYS多物理耦合场有限元分析详细步骤操作
T
T thermalgradient in direction n n
q*
dT dn
n
• 负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分).
ANSYS律得出:
q* hf (TS TB ) heat flow rate per unit area betweensurfaceand fluid Where, hf convectivefilm coefficient TS surfacetemperature TB bulk fluid temperature
3
4. 用图形选取或输入点号的方法
1
4
确定要建立初始温度的节点。
5. 单击 OK.
2
注: 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
区分节点。
5
ANSYS热分析
非均匀初始温度 (续)
6 7
8
6.选择 DOF 标记 “TEMP”。 7. 指定初始温度数值。 8. 完成后单击OK。单击APPLY
ANSYS热分析
热传递的类型
• 热传递有三种基本类型:
– 传导 - 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。
– 对流 - 在物体和周围流体之间发生的热交换。 – 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的
能量交换。
• 在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有 对流和/或辐射边界条件。
• 对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
ANSYS热分析
热力学第一定律
• 能量守恒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。
多物理场耦合分析与高性能计算
1.1 COMSOL Multiphysics
用户可直接在软件中进 行二维和三维建模。全 面的第三方CAD导入功能， 支持当前主流CAD软件格 式文件的导入。
完全开放的 架构
用户可在图形界面中轻松自 由定义所需的专业偏微分方 程。任意独立函数控制的求 解参数，材料属性、边界条 件、载荷均支持参数控制.
1.3 ANSYS Multiphysics VS COMSOL Multiphysics
• 根本区别在于COMSOL可以进行任意两个或者多个物理场的同时耦合，只要你定义它们的耦 合关系就行了，ANSYS的多场耦合是每次计算一个物理场，因为每次计算你都要选择单元， 除了很少的几个预定义耦合单元，其余的只能进行间接耦合。
• 压电应用
• 热-电耦合
• MEMS应用 MEMS是最需要多场耦合分析的领域之一，ANSYS是唯一可真正模拟MEMS产品的软件
- MEMS梳状驱动器（电-结构耦合） - MEMS扭转谐振器（电-结构耦合） - MEMS加速计（电-结构耦合） - MEMS微泵（压电-流体耦合 - MEMS热-机械执行器(热-电-结构耦合) - 其它大量的MEMS装置
• COMSOL Multiphysics以其独特的软件设计理念，成功地实现了任意多物理场、直接、双向实 时耦合，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
1.1 COMSOL Multiphysics
• COMSOL Desktop COMSOL桌面提供了清晰的模型树，与当今主流CAD软件类似的桌面架构，使用户可以轻松地 完成从建模过渡到分析的整个过程，犹如在CAD中建模一样便捷地掌控仿真分析的每个环节
• ADINA的发展历经三十多年的历史，公司致力于开发全球领先技术的多物理场工程仿真分析 系统，ADINA的很多求解技术持有专利，其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能一直 处在全球领导地位。
ANSYS多物理耦合场有限元分析汇总
• 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。
ANSYS热分析
热分析有限元模型
•
单元类型
• 下表显示通常使用的热单元类型。 • 节点自由度是：TEMP。
常用的热单元类型
2-D Solid Linear Quadratic PLANE55 PLANE77 PLANE35 3-D Solid SOLID70 SOLID90 SOLID87 3-D Shell SHELL57 SHELL131 SHELL132 Line Elements LINK31,32,33,34
• 为了方便，指定一个很小的结束时间 (如1E-3 秒)。避免使用非常小的时 间数值 (~ 1E-10) 因为可能形成数值错误。
• 指定其它所需的控制或设置 (如非线性控制)。 • 求解当前载荷步。
ANSYS热分析
由稳态分析得到的初始温度 (续)
2. 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 一个载荷步中多余的载荷。 • 施加瞬态分析控制和设置。 • 求解之前, 打开时间积分:
ANSYS热分析
传导
• 传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：
q * K nn Where, K nn thermal conductivity in direction n T temperature T thermal gradient in direction n n
• 材料特性
– 至少需要 Kxx — 稳态分析热传导系数。 – 如果是瞬态分析，则需要比热 (C) 。 – 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特性。
• 实常数
– 主要用于壳和线单元。
ANSYS CFD Multiphase 多物理场耦合分析课件
– Equilibrium or single-phase multicomponent approach:
• 假定质量传输过程快速 • 代数法确定体分数(能量方程) • 将‘Wet steam’ 看成单相流体
– Nonequilibrium approach
• 求解体分数输运方程
• 模化相间有限质量输运率(finite interphase mass transfer rates)
• Oil and Gas
Industry
– Oil wells
• Gas cleaning • Fluidized bed reactors • Bubble columns • Polymer production • Mixers • Dryers
• Power Generation
– Pipelines • Environment
学习交流PPT
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Examples of Condensation
学习交流PPT
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Cavitation Examples and Effects
学习交流PPT
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学习交流PPT
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学习交流PPT
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Mass Transfer Models
• 模化相间的质量变化有两种方法. 如果传递非常快速而且不关心过程细节, 可以假定两相始终处于热动力平衡状态(thermodynamic equilibrium). 对有 限速率的质量传递, 可做真实的多相流分析,两相并非始终处于热动力平衡 状态.
学习交流PPT
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Interphase Drag
• 类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升:
• 气泡通过液体的上升. 上升速度不同, 相间拽力或动
ANSYS的多场耦合技术new
Time loop Stagger loop
SP3
Solve
Loads transfers
Solve
SP4
Convergence
End Stagger loop
End Stagger loop
End Time loop
Time convergence End Time loop
SP5
End
SOCKET
在Workbench中的默认方法是通过 CFD-Post来进行各种数据 传递 支持热和结构的载荷传递，但只支持面载荷
• 温度 • 对流传热系数 • 压力
Beta功能可以实现体载荷的传递 传统的FLUENT mapping 方法可以通过命令行在Mechanical
中实现 FLUENT会在后台执行 journal 文件 支持面载荷和体载荷的热和结构的载荷
双向的流固耦合 数据在流体系统和结构系统自动传递 在Workbench中CFX可以实现
• 不需要外部的软件和脚本语言
在Workbench中FLUENT需要通过脚本语言（Jscript）
• 需要脚本语言（Jscript） 和UDF方法
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载荷传递的方法和类型
Connections are automatically created between both systems when drop is complete
Drag
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Drop
Connecting Analysis Systems for FSI (2)
Right-click on Solution cell in FLUENT Fluid Flow system Select Transfer Data To New from pop-up menu Then select the target system to transfer data to from
基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究
基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究活塞杆是内燃机和液压机械等工业设备中的关键零部件，其稳定性和性能直接关系到整个设备的工作效果和安全性。
为了更好地理解活塞杆的工作机理和性能，有限元软件ANSYS的应用成为了研究活塞杆多场耦合计算的重要手段。
本文将对基于有限元软件ANSYS 的活塞杆多场耦合计算与研究进行探讨和分析。
活塞杆在工作过程中承受着多种力和载荷，如压力、温度、润滑等多种载荷的联合作用。
对活塞杆进行多场耦合计算，对于研究其工作状态和性能具有非常重要的意义。
有限元软件ANSYS是目前广泛应用的一种计算机辅助工程分析软件，其强大的有限元分析功能和多物理场耦合分析能力，使得其成为了研究活塞杆多场耦合计算的重要工具。
本文将介绍活塞杆多场耦合的基本理论和原理。
在活塞杆的工作过程中，其需要承受多种载荷的作用，如压力、温度、润滑等多个物理场的相互耦合作用。
活塞杆的多场耦合问题实际上是一个多物理场的相互作用问题，需要综合考虑多种载荷对活塞杆的综合影响，因此需要进行多场耦合计算分析。
本文将介绍有限元软件ANSYS的基本原理和功能。
有限元软件ANSYS是一种计算机辅助工程分析软件，其基于有限元理论，可以对工程结构和零部件进行复杂的有限元分析。
ANSYS还具有多物理场耦合分析的能力，可以对多个物理场的相互作用进行综合分析和计算。
然后，本文将详细介绍活塞杆多场耦合计算的具体步骤和方法。
基于有限元软件ANSYS，我们可以将活塞杆的多种载荷作用分别建立对应的有限元模型，并进行相应的边界条件和载荷激励设置。
然后，利用ANSYS的多物理场耦合分析功能，对各种载荷的相互作用进行综合分析和计算，得到活塞杆在多种载荷作用下的工作状态和性能。
基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
通过对活塞杆的多场耦合计算分析，可以更好地理解活塞杆的工作机理和性能特点，为活塞杆的设计优化和工程应用提供重要参考依据。
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2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
Maxwell +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 电机磁场焦耳热--温度计算 电机结构分析 电机磁场电磁力
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
Maxwell +ANSYS Fluent 变压器磁场焦耳热--温度场、流场计算
Maxwell网格 Fluent 导入后 焦耳热
• 将软件与硬件充分融合，发挥最大的效益
典型的高性能系统的软硬件构成
• 硬件系统
• • • • CPU 互联 内存 存储
• 系统软件
• 操作系统, 硬件驱动 • 并行计算中间件(PVM, MPI) • 任务调度负载均衡软件
• 应用软件
• FEA • CFD • CEM
高性能计算系统硬件选择
• 处理器 ( 核数+ 主频 ) :（决定求解速度） • CPU主频越高，单核的求解速度越快 • 多核求解进程可以缩短求解时间 • * 注意: 两核以上的求解需要更多的HPC license • 两种互联模式（不同算法，有所差异）
835 633 301
显式结构有限元算法HPC特性
12
10
11.21
Woodcrest 5160(3.0G) / Infiniband
Wall time (s)
• 内存建议最大4GB/核 • 需大容量磁盘
8
6.51
6 4Байду номын сангаас
2
3.17 1.65 0.95
• 需高性能互联
LS-DYNA 3-car collision
ANSYS CFX +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 汽车排气歧管流动分析--换热系数--温度场计算 汽车排气歧管流动分析--压力 ANSYS Workbench: Integrated Simulation Process
排气歧管结构分析 多种方法实现流固双向耦合
欧姆损耗
传递界面
流场网格 Fluent 温度场 结果
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
HFSS +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 天线高频磁场阻抗损耗 --温度计算 --
HFSS整合到 耦合场计算 天线结构分析
目录
• ANSYS多物理场概述 • ANSYS多物理场技术和方法 • ANSYS高性能计算 • 以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德
热－电耦合
压电－电路耦合 热－电耦合 静电－结构耦合（转换器单元） 结构－流体（CFD）耦合
SOLID98
CIRCU124 TRANS126 FLUID141 ROM144
结构－热－电－磁耦合，压电
电路－电磁场耦合 静电－结构耦合（转换器单元） 结构－流体（CFD）耦合 静电－结构耦合（降阶模型）
FLUID220, 结构－热、压阻、压电、电弹性、热电效应、 221 结构－热电效应、热－压电等多种耦合类型
高性能计算
• 高性能计算，HPC(High Performance Computing)
• 求解更大规模的模型，让数值计算的模型更接近真实的模型，计算出更
高的精度。
• 同一规模的算例求解的时间更短，或在单位时间内求解的次数更多 • CAE HPC目的就是要以更低的成本(最短的时间、最少的人力、最少的 资金)，更真实地模拟物理世界
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 2 4 8 16
1389 2483
AMD Opteron Shanghai, 2.7Ghz, RHEL 5, 16GB, SAS, 16 cores ANSYS 11.0 SP1 BMD-6, 1 M DOF, Modal, DLANPCG
单元类型 SOLID5 FLUID29 耦合场分析功能 结构－热－电－磁耦合，压电 结构－流体耦合，声学 单元类型 PLANE13 FLUID30 耦合场分析功能 结构－热－电－磁耦合，压电 结构－流体耦合，声学
CONTAC48
CONTAC171 CONTAC173 SOLID62 PLANE67
结构－热耦合接触
AXDT File
[Faces] 31,30,37,36 …
ANSYS External Data Text • Simple text file • Based upon CFD-Post import/export format
AXDT
File
• External Data system can be connected to System Coupling as a provider of static thermal data
主流CAE软件的分类
• 隐式结构有限元算法
• ANSYS mechanical
ANSYS仿真产品
• 显式结构有限元算法
• LS-DYNA • AUTODYN 流体仿真
电子散热 通用流体
结构仿真
隐式
显式
多物理场仿真
ANSYS Multiphysics
• CFD求解器
• FLUENT • CFX
ANSYS Icepak
结构－热－电磁耦合接触 结构－热－电磁耦合接触 结构－磁场耦合 热－电耦合
CONTAC49
CONTAC172 CONTAC174 FLUID116 LINK68
结构－热耦合接触
结构－热－电磁耦合接触 结构－热－电磁耦合接触 热－流体耦合（管道单元） 热－电耦合（线单元）
SOLID69
CIRCU94 SHELL157 TRANS109 FLUID142 PLANE223 SOLID226 SOLID227
系统
细节
Multi-Level Simulation
焊缝
Solid 186
1 物理场及物理量
场（Field） 测量物理量 力来源 通量（Flux） 场强×材料属性 连续性 势(Potential) 场积分 自由度
多物理场求解： 多场多物理量 （时间、空间分 布和变化规律）
1 多物理场耦合
物理场间传递的物理量或物理现象，构成了耦合的多物理场。 传热学 结构力学
ANSYS CFD
ANSYS Mechanical
ANSYS Explicit STR ANSYS LS-DYNA
隐式结构有限元算法 HPC特性
• 大内存：主/从计算进程所需内存不均衡 • 高性能磁盘I/O：需要持续的高性能磁盘I/O(尤其是主进程) • 高性能互联：计算进程间低延迟、高带宽的消息传递(MPI)
高性能计算系统硬件选择
• 内存 :（决定求解规模）
• 一般来说，每百万自由度或节点的模型需要1-1.5G的内存(根据算法会有不同）
• 建议以incore 方式求解（隐式结构求解器）
• 建议内存在24 Gb 到48 Gb以上
• 存储（容量+速度） :（影响求解速度）
• 硬盘容量需要足够大，用来保证求解过程中的临时文件和永久文件的存储 • 建议至少两块硬盘，采用RAID模式
• Shared memory (SMP) single box,
workstation/server • Distributed memory (DMP) multiple boxes, cluster NCSA TeraGrid IA-64 Linux Cluster HP Z800 Workstation
• Mapping algorithms, etc.
AXDT File
AXDT File
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
External Data to System Coupling
[Name] fsin_1 [Data] X (X Coordinate) [ m ], Y (Y Coordinate) [ m ], Z (Z Coordinate) [ m ], Temperature (Temperature) [ C ], Heat Rate (Heat Rate) [ W ] -0.7599342E+00, 0.6500000E+00, 0.1580677E+01, 0.1242852E+03, 0.2753702E+04 …
结构－流体耦合，声学
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
• WB中直接耦合应用
热电(thermal-electric)耦合
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
不同物理场，不同位置网格的尺寸需求可能不尽相同。 直接耦合场在使用同一套网格情况下，可能无法准确地捕捉物理量突变。
电磁场分析 流场分析
结构场分析
ANSYS多物理场耦合及高性能计算
演讲人：黄志新 博士
目录
• ANSYS多物理场概述 • ANSYS多物理场技术和方法 • ANSYS高性能计算 • 以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德
1 CAE发展趋势--多物理场耦合
CAE当前发展充满辩证思想 单场 多场
Multi-Disciplinary Simulation
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
顺序耦合方法
手动方法
物理场设置法
• MFS （仅限于ANSYS内部求解器） • MFX（ CFX或其他外部求解器） Multi-Field 求解器 WB架构法
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
WB平台下的多物理场分析
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 ANSYS Workbench… Multi-physics platform
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
• 直接耦合分析类型
热－结构 电磁－热 电磁－流体 流体－结构 磁场－结构 静电－结构 电流传导－磁场 电磁－热－流体－结构 电磁－热－结构 热－流体 电磁场－电路（场路耦合） 电－结构－电路 压电分析 压阻分析 热电效应分析 结构－压电耦合 热－压电耦合 声学分析（流固耦合振动） 声－结构耦合分析 （静）流体－结构 （静）流体－热（热流管道） ……