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。典型应用为加热线圈、保险丝和电子部件。

进行热电分析需要用到下列单元类型：

LINK68耦合热－电线单元

PLANE67耦合热－电四边形单元

SOLID69耦合热－电六面体单元

SOLID5耦合场六面体单元

SOLID98耦合场四面体单元

SHELL157耦合热－电壳单元

3.1.1.1 注意要点

耦合场分析既可以是稳态的，也可是瞬态的，其步骤与稳态或瞬态热分析基本一样(参见《ANSYS Thermal Analysis Guide》)。应注意以下要点：

Ÿ瞬态分析仅考虑到瞬态热效应，而忽略电容和电感等瞬态电效应。

Ÿ必须定义电阻率(RSVX)和热传导率(KXX)，它们可以是常数，也可与温度相关。

ŸPLANE67单元假定为单位厚度，无法输入厚度参数。如果实际的厚度(t)不均匀，那么需如下调整材料特性：将热传导率和密度乘以t，而将电阻率除以t。

Ÿ应确保所有的输入数据单位一致。例如，如果电流和电压和单位分别为安培和伏特，那么热传导率的单位应为瓦／长度－度，这样输出的焦耳热的单位才为瓦。

Ÿ如果问题收敛困难，激活线性搜索功能（LNSRCH）。

3.1.2压电分析

压电效应分析是一种结构－电场耦合分析。当给石英和陶瓷等压电材料加电压时，它们会产生位移，反之若使之振动，则会产生电压。压力传感器就是压电效应的一种典型的应用。压电分析

（ANSYS/Multiphysics或ANSYS /Mechanical软件包提供这种分析）类型可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析。

压电分析只能用下列单元类型之一：

PLANE13, KEYOPT(1)=7，耦合场四边形实体单元

SOLID5, KEYOPT(1)=0或3，耦合场六面体单元

SOLID98, KEYOPT(1)=0或3，耦合场四面体单元

KEYOPT选项激活压电自由度：位移和电压。对于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3仅激活压电选项。

注意：如果模型中激活了至少一个带有压电自由度（位移和VOLT）的单元，则需要用到VOLT自由度的所有单元必须是上面三种压电单元其中之一。而且，所有的这些单元均需激活压电自由度。如果不希望在这些单元中存在压电效应，则需给材料定义非常小的压电特性。

压电KEYOPT用NLGEOM，SSTIF，PSTRES命令可用大挠度和应力刚化作用（参见《ANSYS Commands Reference》对这些命令的更多信息，参见《ANSYS Structural Analysis Guide》及《ANSYS，Inc. Theory Reference》的第三章关于大挠度及应力刚化功能的更多信息）。对PLANE13，通过设置KEYOPT（1）＝7可用大挠度及应力刚化功能。对SOLID5及SOLID98通过设置KEYOPT（1）＝3可用大挠度及应力刚化功能。而且小挠度及应力刚化选项可以通过KEYOPT（1）＝0使用。

注意－对压电分析不能使用自动求解控制。SOLCONTROL缺省设置只能对纯结构或纯热分析使用。对大挠度压电分析，必须用非线性求解命令定义有关设置。关于这些命令的更多内容参见《ANSYS Structural Analysis Guide》的§8.4节。

3.1.2.1注意要点

分析可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析，应注意下列要点：

Ÿ对模态分析，建议使用分块Lanczos求解器（缺省）求解

Ÿ对静力分析、全谐波分析和全瞬态分析，可选用稀疏矩阵(SPARSE) 求解器，或雅可比共轭梯度（JCG）求解器。

Ÿ对瞬态分析，TINTP命令(Main Menu>Preprocessor>-Loads-> Time/Frequenc>Time Integration)指定ALPHA = 0.25，DELTA = 0.5，THETA＝0.5

Ÿ预应力谐波分析只能用小挠度分析。

3.1.2.2介电系数、压电矩阵和弹性系数矩阵

压电模型需要的材料特性有介电常数（或叫电容率）、压电矩阵和弹性系数矩阵。下面还要对此说明。

3.1.2.3 介电系数矩阵（介电常数）

用MP命令(Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Electromagnetics> Relative Permittivity>Orthotropic)说明PERX、PERY和PERZ。（参见EMUNIT命令关于自由空间介电常数的说明）。这些常数分别表示的是介电系数矩阵[ε]s（上标“s”表示常数值是用常值应变值计算得到的）的对角分量ε11,ε22,ε33。

3.1.2.4 压电矩阵

可以定义[e]型（压电应力矩阵）或[d]型（压电应变矩阵）的压电矩阵。[e]型矩阵典型地与刚度矩阵[c]的各向异性弹性输入有关，而[d]矩阵与柔度矩阵[s]的输入相关。

注意－ANSYS将会在首先定义温度的弹性矩阵将压电应变矩阵[d]转变为压电应力矩阵[e]。用TB，ANEL命令（不是MP命令）定义转换的弹性矩阵。

介电常数必须按常应变输入。无论定义[e]型（压电应力矩阵）或[d]型（压电应变矩阵）的压电矩阵都要求常应变值。如果介电常数是在常应力处，必须将其转变为常应变的值。用TBLIST，PIEZ命令显示转变的数据。注意常应力和常应变对应介电常数的不同。要获得常应变值，从常应力值减去差值。

这个6×3（二维模型为4×2）的矩阵联系电场与应力（[e]矩阵）或应变（[d]矩阵）。[e]矩阵和[d]矩阵使用下列数据表输入：

用TB,PIEZ和TBDATA命令定义[e]矩阵，要了解用于定义压电矩阵；这些常数的输入顺序请参见《ANSYS Commands Reference》。

通过GUI定义压电矩阵：

Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Piezoelectrics>Piezoelectric matrix