耦合场分析
ANSYS耦合场分析_热应力
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。
10-15
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。
10-3
直接方法 - 例题
在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和FLUID116热—流单元。该单元具有 热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由度。绝大多数 的实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
• 不同场之间使用统一的单位制。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使 用瓦(焦耳/秒)，热单位就不能使用Btu/s。
• 由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。
10-6
直接方法 - 加载, 求解, 后处理
在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面： • 如果对带有温度自由度的耦合场单元选择 瞬态 分析类型的话： – 瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。 – 瞬态电效果(电容，电感)不能包括在热-电分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度 被 激活)。 – 带有磁向量势自由度的耦合场单元可以用来对瞬态磁场问题建模(如,SOLID62). 带 有标量势自由度的单元只能模拟静态现象(SOLID5)。 • 学习每种单元的自由度和允许的载荷。耦合场单元允许的相同位置(节点,单元面等)施加多 种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。 • 耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor 和 Line Search 功能改善收敛性。 • 考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。
某电机多物理场耦合分析
某电机多物理场耦合分析1、概述为了验证ANSYS耦合场分析功能在电机设计中的应用，采用ANSYS的多物理场耦合分析功能，对某机车牵引电机（包括定子、转子）的耦合场分析作了如下工作：1建立起电机用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；2首先进行电机磁场分析，计算获取了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；3利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机的温度分布；4使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及温度分布，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。
同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析。
所有分析相互间的载荷和边界条件的传递均由程序自动完成。
2、引言众所周知，在电机设计与研究中，要涉及到电磁、绝缘、发热、通风冷却和力学等多种多样的问题，是一个典型的综合性研究学科，各学科之间是相互关联、相互影响的，是典型的多场耦合问题学科。
由于多场耦合问题的研究十分复杂和困难，传统的电机分析研究方法，是把这些相互关联的问题分离，按各学科分类进行独立的研究。
ANSYS是世界上唯一真正能够在同一个界面下，使用统一的数据库进行完善的电磁场、流场、温度场、结构（应力场）耦合分析的商业软件。
应用ANSYS的这种多场耦合能力可以很方便地研究电机的多场耦合问题。
为了实际考核ANSYS的电磁、热、流体（通风冷却）、结构这些多物理场及其耦合分析在电机设计和研究中的应用能力，ANSYS公司成都办事处对某牵引电机进行了多物理场耦合研究分析。
研究分析的内容为：运用ANSYS软件建立起电机（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。
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
ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础
ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础耦合场分析概述前⾔耦合场分析，也称为多物理场分析，分析不同的物理场的相互作⽤以解决⼀个全局性的⼯程问题。
例如，当⼀个场分析的输⼊依赖于从另⼀个分析的结果，那么分析就会被耦合。
耦合⽅式有：单向耦合：前⼀个分析的结果作为载荷施加给下⼀个分析，⽽下⼀个分析的结果不会影响前⼀个场的分析结果。
例如，在热应⼒问题中，温度场会在结构场中引⼊热应变，但是结构应变通常不会影响温度分布。
因此，⽆需在两个现场解决⽅案之间进⾏迭代。
双向耦合：两个物理场的结果会相互影响。
例如，⾮线性材料的感应加热中，谐波电磁分析计算出焦⽿热，该热在瞬态热分析中⽤于随时间变化的温度解，⽽温度的变化会反过来影响电磁场材料属性的变化，从⽽改变电磁分析结果。
⼀、耦合场分析类型1.直接耦合场分析直接⽅法通常只包含⼀个分析，它使⽤⼀个包含所有必需⾃由度的耦合单元类型，通过计算包含所需物理量的单元矩阵或单元载荷向量的⽅式进⾏耦合。
具有直接耦合功能的单元有：SOLID5 ---------3-D 耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)PLANE13---------⼆维耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID29 ---------⼆维声学流体 单元(声学矩阵的推导)FLUID30 ---------3-D 8 节点声学流体单元 (声学矩阵的推导)LINK68------------热电耦合杆单元SOLID98----------四⾯体耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID116---------热流体耦合管单元CIRCU124--------电路单元TRANS126-------机电转换器单元(电容计算，耦合机电⽅法)SHELL157--------热电耦合壳单元FLUID220---------3-D 20 节点声学流体单元FLUID221---------3-D 10 节点声学流体单元PLANE222--------⼆维 4 节点耦合场实体单元PLANE223--------⼆维 8 节点耦合场实体单元SOLID226---------3-D 20 节点耦合场实体单元SOLID227---------3-D 10 节点耦合场实体单元PLANE233--------⼆维 8 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID236--------3-D 20 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID237--------3-D 10 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)优点：1.允许解决通常的有限元⽆法解决的问题。
激光重熔热力耦合场有限元分析流程
这 些 零 件 的 表面 重熔 时 必 须 建 立 真 实 形 状 参 数， 而 工 艺 参 数 则 是 熔 池 温 度 及 形 状 变 随 温 度 变 化 ， （ ３ ） 忽略熔池 流动； （ ４ ） 忽 略 材 如 果 模 型结 构 较 为 对 称 ， 可 化 的原 因 ， 具体 工艺 参 数包 括 ： 激 光功 率Ｐ 、 料 的汽 化 作用 。 对应 力场 的假 设 为 】 ： （ １ ） 材 的 有 限元 模 型 ， 以 考 虑 采用 １ ／ ２ 或ｌ ／ ４ 建 模方 式 。 对 于 复 杂 扫 描 速 度Ｖ、 光 斑 直径 Ｄ等 。 有限元模拟 即 料 连 续 和 各 向同性 ； （ ２ ） 忽 略 熔 池 流体 的 流 结构 零件， 国 内 外 学 者 大 多 采用 在 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ 将 激 光 功率 Ｐ 、 扫 描速 度 Ｖ 、 光 斑 直 径 Ｄ和材 动 ， 将流 体 假 设成 流 动应 力很 低 的固体 ； （ ３ ） 或 ＵＧ 等 软件 中建 立 三 维 模 型 再 通 过 Ｉ Ｇ Ｅ Ｓ 料 热 物 理 性 能 等 参 数 以 数 学 模 型 的 形式 加 涂 层和 基 体 均采 用 弹 塑性 材 料 模 型 ； （ ４ ） 忽 等 图形 交换 格 式 导入 有 限 元 分 析 软 件 中的 载 在所建立 的模型上， 从 而 模 拟 出 熔 池 温 略 材 料 塑 性 变 形 的 生 热 ， 即 采 用 热 力 弱 耦 方法， 并在 数 据 库 里 形 成 节点 、 单 元 等 模 型 度场 ， 由于 温 差 的 存 在 所 引起 的 膨 胀 或 收 合 ； （ ５ ） 不 考虑 初始 应 力 。 数 据 ， 如 图３ 所示 。 缩， 当所 引起 的膨 胀 与收 缩 受 到无 外力 约束 激 光重熔过 程中， 激 光 束 的 能 量 以 热 网 格 划 分 质 量 直 接 影 响 有 限 元 分 析 时， 在物 体 内部 产 生 由于温 度 变 化所 引起 的 流 密 度 的 形 式 输 入 到 金 属 表 面 上 ， 从 而 产 结 果 的 准确 性 和 精 度 ， 因 此 划 分 网 格 时 要 热 变 形 受 到 约 束 而 产 生 的应 力称 之 为 热 应 生 随 时 间变 化 的 温 度 场 。 根 据 傅里 叶 定 律 充 分 考 虑计 算 时 间和 计 算 精度 的 统 一 性 。
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经典界面耦合场分析单元转换
维度：3D
耦合场：热-应力；热-电-磁；热-应力-电-磁
节点数：8
自由度：温度；结构位移；电势；磁矢势
单元几何形状
PLANE13
维：2D
耦合场：热-应力；热-电
节点数：4
自由度：温度；结构位移；磁矢势
单元几何形状
PLANE67
维度：2D
耦合场：热-电
节点数：4
自由度：温度；电势
单元几何形状
单元几何形状
PLANE223
维度：2D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电；热-压电
节点数：8
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
SOLID226
维度：3D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电；热-压电
节点数：20
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
SOLID227
维度：3D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电；热-压电
④4节点四边形
⑤8节点四边形
⑥圆锥体
⑦圆柱体
⑧球体
CONTA171
维度：2D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电
节点数：2
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
CONTA172
维度：2D
耦合场：热-应力；热-电；热-应力-电
节点数：3
自由度：结构位移；温度；电势
单元几何形状
CONTA173
维度：3D
LINK68
维度：3D
耦合场：热-电
节点数：2
自由度：温度；电势
单元几何形状
SOLID69
维度：3D
耦合场：热-电
节点数：8
柴油机气缸套耦合场的有限元分析
ｕ ｐ ｒｐ ｒ ｆｉ ｎ ｒ ｓ ｒａ ｅ ｉ ｈ ｙ ｉ ｄ ｒｌｎ ｒ ａ ｅ ｈ ｇ ｏ ５ ２ Ｋ，ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｅｄ ｄ ｓｉ— ｐ ｅ ａ ｔｏ ｎ ｅ ｕ ｆ ｃ ｎ ｔ ｅ ｃ ｌｎ ｅ ｉ ｅ ，ｃ ｎ ｂ ｉ ｈ ｕｐ ｔ ８ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｉｔ ｉ ｌ
界条件 ， 缸套 与机 架 问 的边 界条 件 以及 缸 套冷 却 水
对 气缸套 冷却水 侧 的第三类 热边界 （ 图 ３中 如 Ｂ Ｃ段 ） 采 用 Ｃ Ｄ—Ｆ Ａ 流 固耦 合 的 方 式 进 行 施 ， Ｆ Ｅ
加， 首先对 发动机 冷却 系统进 行流动 和传热 分析 ， 然 后将气 缸套 侧水 腔表 面的温 度值 和换 热 系数值 映射
机体与螺栓之间的接触。 气 缸套 的 材 料 为 铸 铁 ， 能 参 数 如 下 ： 度 性 密
７ ５ ｋ／ 比 热 容 ４ ０／ ｋ ・Ｋ） 导 热 系 数 ３０ ｇｍ ， ８Ｊ（ ｇ ，
４ Ｗ／ ｍ ・ ， ５ （ Ｋ） 弹性模 量 １０ Ｐ ， ３ Ｇ ａ 线膨 胀 系 数 １ ２ ．Ｅ
的变形 破坏 了活塞 环 的 密 封性 能 ， 发 动机 的正 常 对
对其 影 响因素 进行 分析 ， 为缸 套设计 提供 科学 依据 。
ｌ 有 限元 模 型
本 次计 算 以某 柴 油 机 气缸 套 为研 究 对 象 ， 算 计
模 型 包括 ： 缸套 、 气 机体 、 气缸 盖 、 缸盖 螺栓 和气 缸 气 垫等 ， 图 １ 示 。为 了保 证计 算结 果真 实可 靠 ， 如 所 对
式 （ ） （ ） 以求得 轴 向距 气缸 顶部Leabharlann ｈ ０＜ｈ＜Ｓ １和 ２ 可 （ ）
图 ２ 气 缸 套 模 型
多物理场耦合分析的仿真计算技术研究
多物理场耦合分析的仿真计算技术研究近年来，随着技术的进步和科学的发展，多物理场耦合分析的仿真计算技术得到了广泛的应用，这也意味着这种技术的研究和深化将对未来的科技发展产生重要的推动作用。
多物理场耦合分析的仿真计算技术是指将多个物理场同时纳入到一个仿真计算中进行计算的技术。
这些物理场可以是涉及电磁、声学、热学、流体力学等多种领域的，因此这种技术对于各个领域的研究有着广泛的应用。
比如，在电子产品开发中，我们需要考虑电子元件的热量分布、电磁干扰等问题，这时就需要进行多物理场耦合分析的仿真计算。
在车辆工程领域中，我们需要研究汽车的空气动力学、声学等问题，这时也需要采用这种技术进行计算。
多物理场耦合分析的仿真计算技术的研究可以帮助我们更好地理解不同物理场之间的相互作用，不仅可以节省大量的研发成本和时间，同时也可以提高产品的质量和可靠性。
因此，该技术的研究对于促进技术进步和产业发展有着重要的意义。
在多物理场耦合分析的仿真计算技术研究中，人们通常采用计算流体力学、计算机辅助工程等技术进行建模、求解的过程。
其中，计算流体力学是一种数值计算方法，用于分析流体力学问题，并且可以考虑到流体力学和其他物理场之间的耦合关系。
通过计算机辅助工程技术，可以将这些物理场耦合模型转化为计算机程序并进行仿真计算。
然而，多物理场耦合分析的仿真计算技术也存在一些问题。
一方面，物理场之间的耦合关系错综复杂，这使得建立多物理场耦合模型和求解过程变得非常困难。
另一方面，计算量庞大，需要大量的算力、存储空间和时间，这对计算机的性能和硬件要求提出了更高的要求。
针对以上问题，研究者们进行了多种探索和尝试。
近几年，探索性质敏感的深度神经网络、启发式优化算法等人工智能技术在多物理场耦合分析中的应用也取得了非常有前景的研究结果，这有望极大地改善求解的精度和速度。
总之，随着科技的不断发展，多物理场耦合分析的仿真计算技术在各个领域得到广泛的应用，这也提出了更高的研究和发展要求。
ANSYS耦合场分析指南
第一章耦合场分析1.1耦合场分析的定义耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。
例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。
其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。
需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。
1.2耦合场分析的类型耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。
1.2.1 顺序耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。
通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。
典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。
1.2.2 直接耦合方法直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。
通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。
例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。
另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。
1.2.3 直接法与顺序法的应用场合对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。
因为两个分析之间是相对独立的。
例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。
可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。
顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。
它使用耦合变量一次求解得到结果。
直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。
这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
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)。
《耦合场分析》课件
耦合场的分类
根据耦合方式的不同，耦合场可以分为线性耦合场和非线性 耦合场。线性耦合场是指各个物理场之间的相互作用关系可 以用线性方程来描述；非线性耦合场则是指相互作用关系是 非线性的。
根据物理场的类型，耦合场可以分为多物理场耦合和多介质 耦合。多物理场耦合是指多个不同类型的物理场之间的耦合 ；多介质耦合则是指不同介质之间的相互作用和影响。
。
边界条件和初始条件
描述不同媒质交界面的电磁场行为。
初始条件用于确定初始时刻的电磁场状态。
边界条件和初始条件是耦合场分析中必须考虑的 重要因素。
数值计算方法
通过数值计算方法，可以求解耦合场分析中的方程。 常用的数值计算方法包括有限差分法、有限元法、边界元法等。
这些方法能够处理复杂的几何形状和媒质属性，为耦合场分析提供了有效的工具。
磁场与力场的耦合分析有助于理解磁场对 力的影响以及力对磁场的影响。在电机设 计、磁悬浮系统以及磁场传感器等领域， 通过耦合场分析可以优化磁场分布，提高 系统性能和稳定性。
声场与流场的耦合分析
总结词
声场与流场之间的耦合关系在航空航天、流 体机械和环境工程等领域具有重要意义。
详细描述
声波在流体中传播时，会受到流体的影响， 同时流体运动也会受到声波的作用。通过声 场与流场的耦合分析，可以研究声波对流体 流动的影响以及流体流动对声波传播的影响 。在航空航天、流体机械和环境工程等领域 ，这种耦合关系对设备的性能和安全性具有 重要影响。
05
CATALOGUE
耦合场分析的未来发展
多物理场耦合的深入研究
1
深入研究多物理场之间的相互作用机制，提高耦 合场分析的精度和可靠性。
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多物理耦合场有限元分析
SHELL57 SHELL131
LINK31,32,33,34
Quadratic
PLANE77 PLANE35
SOLID90 SOLID87
SHELL132
• 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。
1
2
4
3
“FULL” 是瞬态热 分析唯一可以使用 的选项。
5
6
7. 用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效 (如求解器，N-R 选项等)
ANSYS热分析
初始条件
初始条件 必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以 开始。
施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。
根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定:
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。
• 进入求解器，使用稳态分析类型。 • 施加稳态初始载荷和边界条件。 • 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)
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ANSYS非线形分析指南基本过程
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。
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