ANSYS耦合场分析指南
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耦合场分析
ANSYS耦合场分析指南第三章2007-11-20 作者：安世亚太来源：e-works发表时间：关键字：ANSYS耦合场分析CAE教程3.141 静态分析对于静态分析，施加在换能器上的电压将产生一个作用在结构上的力。
例如如图 3 —3给机电换能器单元（TRANS126 ）施加电压（V l>V2 ）将产生静电力使扭梁旋转。
转换器单元本身就同时具有稳定和非稳定解，根据开始位置（初始间隙值），该单元可以收敛到任一个解。
静电换能器的静平衡可能是不稳定的。
增加电压电容板间的吸力增加间隙减少。
对间隙距离d,弹簧的恢复力正比于1/d静电力正比于1/d 2。
当电容间隙减少到一定值，静电吸引力大于弹簧恢复力电容板贴在一起。
相反地，当电压减小到一定值，静电吸引力小于弹簧恢复力电容板张开。
如图3 —4换能器单元有迟滞现象。
电压渐变到牵引值然后回复到释放值。
PositionPULL-IN 陽尸RELEASE__PULL-IN 忠赫療图3 —4机电迟滞如图及3 —5换能器单元本身有稳定及非稳定解。
该单元收敛到哪一个解依赖于起始位置（初始间隙大小）Force 8PULL-INVOLTAGEPOEASEFKJLLIM RELEASE图3 —5 TRANS126 单元静态稳定特性系统刚度由结构刚度和静电刚度组成，它可能是负的。
结构刚度是正的因为当弹簧拉长力增加。
但是平行板电容器的静电刚度是负的。
随间隙增加平行板间的吸力减少。
如果系统刚度是负的，在接近不稳定解时可能有收敛问题。
如果遇到收敛问题，用增强的刚度方法（KEYOPT（6）= 1）。
这个方法静电刚度设置为零保证正的系统刚度。
达到收敛之后，静电刚度自动重新建立可以进行后处理及后续的分析。
在静态分析中，必须完整定义横跨换能器的电压。
还可以施加节点位移和力，使用IC命令来施加初始位移可有助于问题收敛。
《ANSYSStructural Analysis Guide 》第二章对静力分析有详细描述。
ANSYSWorkbench13.0耦合场分析基础教程1.4-e-works博客
Step16：分配材料属性。
在“Mechanical”窗口中，单击“Geometry”并展开几何，如图1-29所示。
选择“PRT0001”，在下面的“Detials of ‘PRT0001’”中选择“Assignment”后面的表格的右侧，如图会出现刚才定义的两种数据“huanyang”和“al”，里面的“Structural Steel”是软件默认的材料属性。
环氧材料属性的添加方式与螺线管相似，只是需要在“Geometry”中将所有环氧全部选择，然后赋予“huanyang”属性即可。
12里采用默认即可。
如图图1-30 接触设置Step18：网格剖分。
选择螺线管实体，单击右键选择“Method”命令，在右下角出现的“Detials of ‘Automatic Method’”中的“Method”下拉列表框中选择“Automatic”，同样的操作在环氧板上面。
如图1-30所示。
图1-30 螺线管网格剖分设置螺线管和环氧板网格设置完成后，开始设置网格大小，单击左侧的“Outline”中的“Mesh”，在下面出现的“Detials of ‘Mesh’”中，选择“Relevance Center”下拉列表框中的“Fine”，表示划分的网格比较密。
如图1-31所示。
图1-31 网格大小设置Step19：设置边界条件。
首先，将选择器有体改成面，然后单击“Outline”中的“Static Structural”，在右侧图像窗口中选择一个面（选中后面呈现出绿色）单击右键选择“Insert”，再选择“Fixed Support”，一次将64个外表面全部定义为固定边界条件，如图1-32所示。
12图1-32 设置边界条件Step20：设置激励载荷。
ANSYS Workbench 13.0与以前版本最大的不同，在做电磁结构耦合分析时，可以直接导入Ansoft Maxwell计算得到的体积（或面）力密度值，作为其外载荷施加到实体（或面）上，具体操作如图1-33所示。
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。
ANSYS 高级技术分析：耦合场分析定义
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SOLID5PLANE13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第1页。
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 热 结构耦合分析
第21章热－结构耦合分析热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。
由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。
为此需要先进行相应的热分析，然后在进行结构分析。
热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。
本章主要介绍在ANSYS中进行稳态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。
21.1 热－结构耦合分析简介热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。
对于热－结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构的温度场，然后再进行结构分析。
且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。
为此，首先需要了解热分析的基本知识，然后再学习耦合分析方法。
21.1.1 热分析基本知识ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。
ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。
此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。
热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。
热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。
如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。
在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。
在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。
ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。
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
ANSYS Workbench 17·0有限元分析：第19章-多物理场耦合分析
第19章多物理场耦合分析本章首先对多物理场的概念进行简要介绍，并通过典型案例详细讲解了电磁热耦合的操作步骤。
★ 了解多物理场的基本概念及19.1多物理场耦合分析概述在自然界中存在4种场：位移场、电磁场、温度场、流场。
这4种场之间是互相联系的，现实世界不存在纯粹的单场问题，遇到的所有物理场问题都是多物理场耦合的，只是受到硬件或者软件的限制，人为地将它们分成单场现象，各自进行分析。
有时这种分离是可以接受的，但对于许多问题，这样计算将得到错误结果。
因此，在条件允许时，应该进行多物理场耦合分析。
多物理场耦合分析是考虑两个或两个以上工程学科（物理场）间相互作用的分析，例如流体与结构的耦合分析（流固耦合）、电磁与结构耦合分析、电磁与热耦合分析、热与结构耦合分析、电磁与流体耦合分析、流体与声学耦合分析、结构与声学耦合分析（振动声学）等。
以流固耦合为例，流体流动的压力作用到结构上，结构产生变形，而结构的变形又影响了流体的流道，因此流固耦合是流体与结构相互作用的结果。
耦合分析总体来说分为两种：单向耦合与双向耦合。
单向耦合：以流固耦合分析为例，如果结构在流道中受到流体压力产生的变形很小，忽略掉亦可满足工程计算的需要，则不需要将变形反馈给流体，这样的耦合称为单向耦合。
双向耦合：以流固耦合分析为例，如果结构在流道中受到的流体压力很大，或者即使压力很小也不能被忽略掉，则需要将结构变形反馈给流体，这样的耦合称为双向耦合。
ANSYS Workbench还可与ANSOFT Simplorer软件集成在一起实现场路耦合计算。
场路耦合计算适用于电机、电力电子装置及系统、交直流传动、电源、电力系统、汽车部件、汽车电子与系统、航空航天、船舶装置与控制系统、军事装备仿真等领域的分析。
第19章多物理场耦合分析在ANSYS Workbench中，多物理场耦合分析可以分析基本场之间的相互耦合，其应用场合包括以下几个方面。
1. 流固耦合汽车燃料喷射器、控制阀、风扇、水泵等。
ANSYS耦合场分析指南
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。
2. Turn on time integration effects and run transient.
注: 如果没有指定 初始温度，初始 DOF数值为0。
ANSYS热分析
均匀初始温度
如果整个模型的初始温度为均匀且非0，使用下列菜单指定:
2 3
4
1
ANSYS热分析
非均匀的初始温度
如果模型的初始温度分布已知但不均匀，使用这些菜单 将初始条件施加在特定节点上:
Bi h Dx K
其中 D x是名义单元宽度, h是平均对流换热系数，K 是平均导热系数。 Fourier 数 是无量纲的时间(Dt/t ) , 对于宽度为D x 的单元它量化了热传导 与热存储的相对比率:
Fo
K Dt r c( Dx )2
其中 r 和 c 是平均的密度和比热。
ANSYS热分析
时间步大小说明 (续)
• 实常数
– 主要用于壳和线单元。
ANSYS热分析
稳态热传递
• 如果热量流动不随时间变化的话，热传 递就称为是稳态的。
• 由于热量流动不随时间变化, 系统的温度 和热载荷也都不随时间变化。
• 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表 示为: 输入能量— 输出能量 = 0
ANSYS热分析
Ansys耦合热分析教程
下面对比一下使用相同或不同网格的区别。
热-应力分析流程图
开始
1.建立，加载，求解 热模型
2.后处理确定要传到 结构的温度
3. 设置 GUI过滤，改 变工作文件名并删除 热载荷， CEs, CPs
No (Option 2) 相同网格?
5a. 清除热网格并建立 结构网格
Yes (Option 1)
5A. 将热模型转换为 结构模型 (ETCHG)
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。
Using the default tolerance, these two nodes would not be assigned a load
结构网格边界
. . . 这样的网格密度在结构分析中 才能得到准确的结果。
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:
Step 2:定义单元类型
Step 2:定义材料属性
钢
铜
弹性模量 2e11
1e11
泊松比 0.3
0.3
密度
7800 8900
比热
460
390
热传导率 66.6
383
热膨胀率 1.06e-5 1.75e-5
Step4：建立几何模型
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
23
Examples of Condensation
学习交流PPT
24
Cavitation Examples and Effects
学习交流PPT
25
学习交流PPT
26
学习交流PPT
27
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
16
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耦合场分析指南第三章
ANSYS耦合场分析指南第三章发表时间：2007-11-20 作者: 安世亚太来源: e-works关键字: ANSYS 耦合场分析 CAE教程第三章直接耦合场分析3.1进行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。
表3-1中列出了具有耦合场分析能力的单元。
1. 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（参见《ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide》中的第§13.3节）。
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）来实现场的耦合。
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。
表3-2给出了ANSYS/Multiphysics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，ANSYS/Emag软件包只支持电磁场和电磁－电路直接耦合。
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，ANSYS程序忽略所有的载荷矢量和反馈耦合效应。
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。
《ANSYS Structural Analysis Guide》中的§8介绍了这些选项。
对于上述的分析类型，本章将重点介绍如何进行热－电分析、压电分析、磁－结构分析和电磁－结构分析。
3.1.1热－电分析在ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Professional软件包中提供热－电分析功能，即计算导体中由于直流电(DC)带来的焦耳热所造成的温度分布。
ANSYS磁场耦合场分析
单元类型自由度的选择
5-3
三维汇流排变形
• 在三维模拟实例中采用三维 汇流排，确定排的变形
• 汇流排模型，由于电流同方 向，位移为Z方向，朝着对称 平面
两个汇流排“角形”组件
电流方向
5-4
• 需要先前的磁场分析结果 • 如果没有汇流排的磁场分析结果，必须重新分析得到 • 输入命令angle3d,1,1，这将进行求解汇流排单元Lorentz 力的磁场分
析
5-5
• 利用磁场分析中生成的力进行结构分析，则单元类型必须转换 到结构单元类型: solid45 Preproc>element type>add/edit/delete
选择6，这是汇流排 的单元类型
• 选择 ADD
5-6
• 把单元类型6定义为三维结构单元
输入6与汇流 排相对应 • 选择 OK • 定义了结构单元类型后，结构自由度被激活。静力学分析所要求的材料性质 为弹性模量EX (N/m2) 。
因为只有一种结果， 此处为“空”就可以 读入正确结果
• 选择 OK
对于没有电路单元的磁场分析， 缺省的结果文件为file.rmg
5-9
• 力的分量如图所示，箭头长度相应于力的大小
利用PlotCtrls中 的符号和边界条件 控制项来控制力的 符号显示
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• 其边界条件用来约束汇流排“角形”组件 Preproc>loads>apply>-structural-displacements>on lines
• 在“角形”组件的三个地方加结构约束条件
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• 利用PlotCtrls中的缩放控制来辅助选择感兴趣区域的线段
ansys的直接耦合场分析(热结构耦合)
在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面:
•使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。
模型中不需要耦合的部分应使用普通单元。
•仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。
耦合场单元相对来说有更多的限制(如, PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。
•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。
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。
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
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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