热应力分析
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第10章
耦合场分析 (以热—应力为重点)
什么是耦合场分析?
耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分
析包括直接和间接耦合分析。
当进行直接耦合时, 多个物理场（如 热—电）的自由度同时进行计算。这 称为直接方法，适用于多个物理场各 自的响应互相依赖的情况。由于平衡 状态要满足多个准则才能取得，直接 耦合分析往往是非线性的。每个结点 上的自由度越多，矩阵方程就越大， 耗费的机时也越多。
间接方法 - 例题(续)
热 -电 : 嵌于玻璃盘的电热器
嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这 使得电线中有焦耳热产生。
由于热效应，电线和盘中温度增加。 由于系统的温度变化不大，热引起 的电阻变化被忽略。因此，电流也 是不变的。
+V当电压{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳 热:
Q j Power
– – – 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。
• 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。
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：
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。
V2 R
间接方法 - 过程
在ANSYS中由两个基本方法进行序贯耦合场分析。它们主要区别 在于每个场的特性是如何表示的:
物理环境方法 - 单独 的数据库文件在所有场中使用。用多个物理环境文件来
表示每个场的特性。
手工方法 - 多个 数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存 储在数据库中。
在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
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)
Leabharlann Baidu
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。
物理环境
为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义 多个 物理环境。 一个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。 物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内容:
• 单元类型和选项 • 节点和单元坐标系 • 分析和载荷步选项
• 载荷和边界条件
• GUI 界面和标题
在使用降阶单元形状时 要注意。具有相同基本 形状的单元不一定支持 该种单元的降阶模式。
下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合 分析的单元类型。不是所有单元都有温度 自由度。
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—结构: 热轧铝板
铝板的温度将影响材料弹塑性 特性和热应变。
机械和热载荷使得板产生大应 变。新的热分析必须计入形状 改变。
直接方法 - 例题 (续)
热-电磁场: 钢芯的热传递
传导线圈在钢芯周围产生电磁场。 该区域 的交变电流在钢芯内产生 焦耳热。
钢芯在热作用下产生高温，由于温 度变化梯度很大，因此必须考虑钢 芯材料特性随温度的变化。而且， 磁场变化的强度和方向都会改变。
• 耦合和约束方程
在建立带有物理环境的模型时， 要选择相容于所有物理场的单 元类型。例如， 8节点的热 块单元与8节点的结构块单元 相容，而不与10节点结构单 元相容:
象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势{A}，就能计 算出电流密度向量{J}。它用来计算下式中的焦耳热:
2 I max R Q j RMS Power 2
直接方法 - 前处理
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)。
耦合场分析 (以热—应力为重点)
什么是耦合场分析?
耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分
析包括直接和间接耦合分析。
当进行直接耦合时, 多个物理场（如 热—电）的自由度同时进行计算。这 称为直接方法，适用于多个物理场各 自的响应互相依赖的情况。由于平衡 状态要满足多个准则才能取得，直接 耦合分析往往是非线性的。每个结点 上的自由度越多，矩阵方程就越大， 耗费的机时也越多。
间接方法 - 例题(续)
热 -电 : 嵌于玻璃盘的电热器
嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这 使得电线中有焦耳热产生。
由于热效应，电线和盘中温度增加。 由于系统的温度变化不大，热引起 的电阻变化被忽略。因此，电流也 是不变的。
+V当电压{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳 热:
Q j Power
– – – 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。
• 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。
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：
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。
V2 R
间接方法 - 过程
在ANSYS中由两个基本方法进行序贯耦合场分析。它们主要区别 在于每个场的特性是如何表示的:
物理环境方法 - 单独 的数据库文件在所有场中使用。用多个物理环境文件来
表示每个场的特性。
手工方法 - 多个 数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存 储在数据库中。
在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
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)
Leabharlann Baidu
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。
物理环境
为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义 多个 物理环境。 一个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。 物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内容:
• 单元类型和选项 • 节点和单元坐标系 • 分析和载荷步选项
• 载荷和边界条件
• GUI 界面和标题
在使用降阶单元形状时 要注意。具有相同基本 形状的单元不一定支持 该种单元的降阶模式。
下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合 分析的单元类型。不是所有单元都有温度 自由度。
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—结构: 热轧铝板
铝板的温度将影响材料弹塑性 特性和热应变。
机械和热载荷使得板产生大应 变。新的热分析必须计入形状 改变。
直接方法 - 例题 (续)
热-电磁场: 钢芯的热传递
传导线圈在钢芯周围产生电磁场。 该区域 的交变电流在钢芯内产生 焦耳热。
钢芯在热作用下产生高温，由于温 度变化梯度很大，因此必须考虑钢 芯材料特性随温度的变化。而且， 磁场变化的强度和方向都会改变。
• 耦合和约束方程
在建立带有物理环境的模型时， 要选择相容于所有物理场的单 元类型。例如， 8节点的热 块单元与8节点的结构块单元 相容，而不与10节点结构单 元相容:
象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势{A}，就能计 算出电流密度向量{J}。它用来计算下式中的焦耳热:
2 I max R Q j RMS Power 2
直接方法 - 前处理
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)。