1、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
2、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
3、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。参见本手册中第五章关于声学的更多信息。参见ANSYS Basic Analysis Guide中关于加载的更多信息。1.
4、3 单位制在 ANSYS 中应确保你所输入所有数据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析，参见ANSYS Commands Reference中 EMUNIT 命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。对微电机械系统（MEMS），用更合适的单位制建立模型会更加方便，因为 MEMS 部件通常大小为几微米。为方便，表 1-1 到 1-8 列出从标准的 MKS 转换到 MKSV 及 MSVfA 及的转换系数。表 1-1 力学从 MKS 到 uMKSV 的转换系数力学参数 MKS 单位 量纲乘以此数获得 MKSv 单位 量纲长度 m m 106 m m力 N (kg)(m)/(s)2
5、106 N (kg)(m)/(s)2时间 s s 1 s s质量 kg kg 1 kg kg压力 Pa (kg)/(m)(s)2 10-6 MPa (kg)/(m)(s)2速度 m/s m/s 106 m/s m/s加速度 m/(s)2 m/(s)2 106 m/(s)2 m/(s)2密度 kg/(m)3 kg/(m)3 10-18 kg/(m)3 kg/(m)3应力 Pa kg/(m)(s)2 10-6 MPa kg/(m)(s)2杨氏模量 Pa kg/(m)(s)2 10-6 MPa kg/(m)(s)2功率 W (kg)(m)2/(s)3 1012 pW (kg)(m)2/(s)3表 1
6、-2 热学从 MKS 到 uMKSV 的转换系数热参数MKS 单位 量纲乘以此数获得 MKSv 单位 量纲导热系数W/mK (kg)(m)/(K)(s)3 106 pW/(m)( K)(kg)(m)/( K)(s)3热通量W/(m)2 kg/(s)3 1 pW/(m)2 kg/(s)3比热 J/(kg)( K) (m)2/(K)(s)2 1012 pJ/(kg)( K) (m)2/(K)(s)2热流 W (kg)(m)2/(s)3 1012 pW (kg)(m)2/(s)3单位体积的热生成W/m3 (kg)/(m)(s)3 10-6 pW/(m)3 kg/(m)(s)3对流系数W/(m)2K
7、kg/(s)2 1 pW/(m)2K kg/(s)2动力粘kg/(m)(s) Kg/(m)(s) 10-6 kg/(m)(s) kg/(m)(s)度运动粘度(m)2/s (m)2/s 1012 (m)2/s (m)2/s表 1-3 电学从 MKS 到 uMKSV 的转换系数电学参数MKS 单位 量纲乘以此数获得 MKSv 单位 量纲电流 A A 1012 pA pA电压 V (kg)(m)2/(A)(s)3 1 V (kg)(m)2/(pA)(s)3电荷 C (A)(s) 1012 pC (pA)(s)电导率 S/m (A)2(s)3/(kg)(m)3 106 pS/m (pA)2(s)3/(
8、kg)(m)3电阻率 m (Kg)(m3/(A)2(s)3 10-6 Tm (kg)(m)3/(pA)2(s)3介电常数1 F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3 106 pF/m (pA)2(s)2/(kg)(m)3能量 J (kg)(m)2/(s)2 1012 pJ (kg)(m)2/(s)2电容 F (A)2(s)4/(kg)(m)2 1012 pF (pA)2(s)4/(kg)(m)2电场 V/m (kg)(m)/(s)3(A) 10-6 V/m (kg)(m)/(s)3(pA)电通量密度 C/(m)2 (A)(s)/(m)2 1 pC/(m)2 (pA)(s)/(m)21.自由空间
9、的介电常数为 8.854 x 10-6 pF/m.表 1-4 磁场从 MKS 到 uMKSV1的单位制转换磁场参数MKS 单位 量纲乘以此数获得 MKSv单位 量纲磁通量 Weber (kg)(m)2/(A)(s)2 1 Weber (kg)(m)2/(pA)(s)2磁通量密度 Tesla kg/(A)(s)2 10-12 Tesla kg/(pA)(s)2场强 A/m A/m 106 pA/m pA/m电流 A A 1012 pA pA电流密度 A/(m)2 A/(m)2 1 pA/(m)2 pA/(m)2磁导率2 H/m (kg)(m)/(A)2(s)2 10-18 TH/m (kg)(m
10、)/(pA)2(s)2电感 H (kg)(m)2/(A)2(s)2 10-12 TH (kg)(m)2/(pA)2(s)21.只有不变的磁导率才能用这些单位2.自由空间的磁导率为 4x10 -25 TH/m表 1-5 力学从 MKS 到 uMSVfA 的转换系数力学参 MKS 单位 量纲 乘以此 获得 Msvfa 单 量纲数 数 位长度 m m 106 m m力 N (kg)(m)/(s)2 109 nN (g)(m)/(s)2时间 s s 1 s S质量 kg kg 103 g G压力 Pa (kg)/(m)(s)2 10-3 kPa g/(m)(s)2速度 m/s m/s 106 m/s
11、m/s加速度 m/(s)2 m/(s)2 106 m/(s)2 m/(s)2密度 Kg/(m)3 kg/(m)3 10-15 g/(m)3 g/(m)3应力 Pa kg/(m)(s)2 10-3 kPa g/(m)(s)2杨氏模量 Pa kg/(m)(s)2 10-3 kPa g/(m)(s)2功率 W (kg)(m)2/(s)3 1015 fW (g)(m)2/(s)3表 1-6 热学从 MKS 到 uMSVfA 的转换系数热参数MKS 单位 量纲乘以此数获得 Msvfa 单位 量纲导热系数W/mK (kg)(m)/( K)(s)3 109 fW/(m)( K) (g)(m)/( K)(s)
12、3热通量W/(m)2 kg/(s)3 103 fW/(m)2 g/(s)3比热J/(kg)( K) (m)2/(K)(s)2 1012 fJ/(g)( K) (m)2/(K)(s)2热流 W (kg)(m)2/(s)3 1015 fW (g)(m)2/(s)3单位体积的热生成W/m3 (kg)/(m)(s)3 10-3 fW/(m)3 g/(m)(s)3对流系W/(m)2K kg/(s)2 103 fW/(m)2K g/(s)2动 Kg/(m)(s) kg/(m)(s) 10- g/(m)(s) g/(m)(s)力粘度3运动粘度(m)2/s (m)2/s 1012 (m)2/s (m)2/s表
13、 1-7 电学从 MKS 到 uMSVfA 单位制的转换系数电学参数MKS 单位 量纲乘以此数获得 Msvfa 单位 量纲电流 A A 1015 fA fA电压 V (kg)(m)2/(A)(s)3 1 V (g)(m)2/(fA)(s)3电荷 C (A)(s) 1015 fC (fA)(s)电导率 S/m (A)2(s)3/(kg)(m)3 109 nS/m (fA)2(s)3/(g)(m)3电阻率 m (kg)(m3/(A)2(s)3 10-9 - (g)(m)3/(fA)2(s)3介电常数1 F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3 109 fF/m (fA)2(s)2/(g)(m)3能
14、量 J (kg)(m)2/(s)2 1015 fJ (g)(m)2/(s)2电容 F (A)2(s)4/(kg)(m)2 1015 fF (fA)2(s)4/(g)(m)2电场 V/m (kg)(m)/(s)3(A) 10-6 V/m (g)(m)/(s)3(fA)电通量密度 C/(m)2 (A)(s)/(m)2 103 fC/(m)2 (fA)(s)/(m)21自由空间的介电常数为 8.854 x 10-6 pF/m.表 1-8 磁场中从 MKS 到 uMKSVfA1的转换系数磁场参数MKS 单位 量纲乘以此数获得MKSv单位制量纲磁通量 Weber (kg)(m)2/(A)(s)2 1 W
15、eber (g)(m)2/(fA)(s)2磁通量密度 Tesla kg/(A)(s)2 10-12 - g/(fA)(s)2场强 A/m A/m 109 fA/m fA/m电流 A A 1015 fA fA电流密度 A/(m)2 A/(m)2 103 fA/(m)2 fA/(m)2磁导率2 H/m (kg)(m)/(A)2(s)2 10-21 - (g)(m)/(fA)2(s)2电感 H (kg)(m)2/(A)2(s)2 10-15 - (g)(m)2/(fA)2(s)21.只对不变的磁导率才可以使用此单位制。2.自由空间的磁导率为 4 x 10 -28 (g)(m)/(fA)2(s)2.1
16、.4GUI 路径及命令语言贯穿于本手册，你将会看到对 ANSYS 命令及其相应 GUI 路径的引用。这种引用只是针对命令的名称，因为不必总是需要指定命令所有变量，指定命令变量的组合执行不同的功能。对完整的 ANSYS 命令的语法，查询ANSYS Commands Reference。GUI 路径则尽可能显示完整。因为很多情况下，选择 GUI 路径将执行你想要进行的操作。另外的情况，选择本手册指示的 GUI 路径会出现菜单会对话框；从该处，必须选择额外的选项才能适合于具体执行的任务。对本指南中所有的分析类型，指定要模拟的材料使用直观的材料模型定义界面。这个界面使用分等级的树型材料分类，意在助你选
17、择正确的分析模型。参见ANSYS Basic Analysis Guide 中的 1.2.4.4 材料模型界面一节。第二章 顺序耦合场分析2.1 什么是顺序多场耦合顺序多场耦合是指将不同工程领域多个相互作用的综合分析，求解一个完整的工程问题。为了方便，本章把与一个工程学科求解分析相联系的过程叫做一个物理分析。当一个物理分析的输入依赖于另一个分析的结果，那么这些分析是耦合的。有些情况只使用“单向”耦合。例如计算流过水泥墙的流场提供了对墙壁进行结构分析的压力载荷。压力引起墙的变形，反过来又会影响墙周围流场的几何形状。实际上流场的几何形状变化很小，可以忽略不计。因此就没必要再返回来计算变形后的流场。
18、当然在此分析中，流体单元用于求解流场，结构单元用于计算应力和变形。一个较复杂的情况是感应加热问题，交流电磁场分析计算出焦耳热生成的数据，瞬态热分析用于预测时间相关的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明显变化的，造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种物理分析的反复进行。顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分析是完全耦合的，那么第二个物理分析的结果又会影响第一个物理分析的输入。全部载何可分为以下两类： 基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫名义边界条件； 耦合载荷，是其它物理分析的结果。典型 ANSYS 顺序耦合分
19、析应用包括： 热应力； 感应加热 感应搅拌 稳态流体结构耦合 磁结构耦合 静电结构耦合 电流传导静磁ANSYS 程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合分析，使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理意义在不同的物理分析中是不同的，这就用到物理环境的概念。2.2 什么是物理环境？ANSYS 程序使用物理环境的概念进行顺序耦合场分析。可以将所有的操作参数及某一物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个 ASCII 文件，用以下方法创建：Command: PHYSICS, WRITE, TITLE, FILENAME, EXT, DIRGUI: Main Manu: Preprocessor
20、Physics EnvironMain Manu: SolutionPhysics Environ针对一个具体的工作名可以定义多达 9 个物理环境。在 physics 命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。ANSYS 为每一个物理环境指定唯一的编号并作为物理环境文件扩展名的一部分。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在/Title 命令中（Utility MenuFileCreate Title）设定的标题区分开。Physics, Write 命令创建物理环境文件（例如 Jobname, PH1）,并将 ANSYS 数据库中的如下信息写入这个文件： 单元类型及 KEYOPT 设
21、定； 实常数； 材料属性； 单元坐标系 求解分析选项； 载荷步选项； 约束方程； 耦合节点集； 施加的边界条件和载荷；GUI 过滤设置； 分析标题（/TITLE）；使用 PHYSICS，READ 命令(Main MenuPrepreccssorPhysicsEnvironread)读取一个物理环境文件。使用写入此物理环境文件时使用的文件名或标题（标题在物理环境文件的开头）。在读入物理环境以前，ANSYS 程序将清除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，分析选项，约束方程。2.3 一般分析步骤进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图 2
22、1 为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含合适的实体模型，单元，载荷等。可以把一个结果文件读入到另一个数据库中。但单元和节点编号在数据库和结果文件中必须是一致的。图 22 为物理环境方法的数据流程图，对于这种方法，整个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有物理分析所需的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元，必须定义一套属性编号，包括单元类型号，材料编号，实常数编号及单元坐标系编号。所有这些编号在所有物理分析中是不变的。但在每个物理环境中，每个编号对应的实际的属性是不同的，例如实常数和单元类型。模型中的某一区域在某一个物理环境中，可以是无效的，本章后面将详细解释。图 21
23、间接法顺序耦合分析数据流程图图 22 使用物理环境顺序耦合场分析数据流程在创建 ANSYS 数据库时应该考虑所有物理环境的要求。在创建任何物理环境以前，要对每个面或体的区域赋予正确的单元类型编号、材料编号、实常数编号、单元坐标系编号（参阅 AATT 及 VATT 命令描述）。对于模型中某一面或体区域在不同物理环境中都是分析区域的一部分时要格外小心。例如，流体可能有磁特性。在流体分析中，流体的材料编号必须为 1。如果不能这样作，必须修改必要的单元属性，再进行不同求解。要修改单元，使用如下命令：Command: EmodifGUI: Main MenuPreprecessorModify Attr
24、ib间接法，比较适用于单向顺序耦合，例如典型的热应力分析。而物理环境方法允许在物理环境之间快速转换，对于在多个物理分析间需要全耦合多次求解的情况非常适用。大变形的稳态流体结构耦合问题及感应加热是需要用物理环境方法的典型应用。注意：数据库文件的大小在多次求解的过程中会不断增长，除非采取下列措施： 在创建物理环境之后执行 SAVE 命令，并在每一次物理场求解后 RESUME 恢复数据库。 不要将结果写入数据库中（只写到结果文件中）。当进行后处理时需要利用 SET 命令将数据从结果文件读到数据库中。要激活这个选项，执行/CONFIG，NOELAB，1 命令或将“NO_ELDBW=1”插入到 conf
25、ig60.ans 文件中。2.4 在物理分析之间传递载荷LDREAD 命令在耦合场分析中联系不同的物理环境，使得在第一个物理环境中的分析结果作为载荷，传递到下一个物理环境中求解。LDREAD 命令从结果文件中读取数据并作为载荷施加，下表简要地解释了当 LDREAD 命令读取结果数据加载到另一分析中发生的数据转换。表 21 结果通过 LDREAD 命令如何传递？哪些分析的结果 变为此类分析的载荷热或 FLOTRAN 分析结果中的温度TEMP结构分析中的体积载荷或热分析中的节点（温度）载荷稳态、谐波或瞬态磁场分析结果的力FORC 结构或 FLOTRAN 中作为力载荷静电场分析结果中的力FORC 结
26、构分析中作为力载荷磁场分析结果中的焦耳热HGEN 热或 FLOTRAN 中作为体积载荷（热 源）电流传导分析结果中的源电流密度JS在磁场分析中作为体载荷（电流密度）FLOTRAN 分析结果中的压力PRES 在结构分析中（实体或壳单元）作 为表面载荷（压力）任何分析结果中的反作用力REAC 任何分析中的力载荷FLOTRAN 分析结果中的热通量HFLU热分析中单元的表面载荷（热通量）高频电磁分析中热通量EHFLU 热分析中单元的表面载荷（热通量）FLOTRAN 分析结果中的对流系数及流体平均温度HFLM在热分析中作为表面（对流系数及流体平均温度）2.4.1 兼容的单元类型在不同物理环境中单元兼容的
27、准则，有许多细则要确定。在深入了解这些细则以前，需要弄清以下几个术语：单元基本形状：单元的基本形状具有缺省的配置，在 ANSYS 单元手册中有详细描述。对于实体单元，单元基本形状包括：四边形、三角形、六面体（砖块）、四面体。单元退化形状：许多单元可以从基本形状退化。例如四边形单元可以退化成三角形，六面体单元可以退化成楔形单元、四面体单元或金字塔形单元单元阶次：ANSYS 单元（P 单元除外），可分为低阶（一阶）或高阶（二阶）形式。高阶单元具有中节点。低阶单元没有中间节点。有许多情况，可以生成没有中节点的高阶单元在所有的多物理环境中，单元类型必须保持相同的单元基本形状。如果一种单元允许有退化形状
28、，在其它物理环境中对应的单元类型必须可以退化成同样的形状。例如：Solid 92（10 节点四面体结构单元）与 Solid 87（10 节点四面体热单元）可以兼容。但 Solid92与 Solid90（20 节点热单元）的退化的四面体单元不能兼容。在不同物理环境中不同阶数的单元可能兼容也可能不兼容。使用 LDREAD 命令读取载荷可以确定单元的兼容性。此外，有些单元类型有特定的 KEYOPT 选项，支持低阶或高阶耦合载荷传递。下列载荷可以从一阶或二阶单元中读取，并加载到另一个物理环境中的一阶或二阶单元上： 体积载荷温度（TEMP）； 体积载荷单元热生成（HGEN）； 源电流密度(TS)； 表面
29、压力（PRES）； 表面热通量（HFLU）； 表面对流系数及环境温度（HFLM）；需要单元阶次兼容的载荷： 力载荷（FORC） 反作用载荷（REAC）以下的电磁场单元支持结构单元的一阶或二阶设定：PLANE53，PLANE121，SOLID122，SOLID123。如果物理环境的建立需要转换单元阶次，必须初始用高阶单元划分网格。表 22 列出部分兼容的单元类型。表 2-2 物理环境中兼容的单元类型12结构 热 电磁 静电 流体 电流传导SOLID45SOLID70 SOLID97, SOLID1173 SOLID1224SOLID142 SOLID5, SOLID69SOLID92SOLID8
30、7 SOLID98, HF1193 SOLID1234 SOLID98SOLID95SOLID90 SOLID117, HF120 SOLID122 SOLID5, SOLID69PLANE42PLANE55 PLANE13, PLANE534 PLANE1214FLUID141 PLANE67PLANE2 PLANE35 PLANE82PLANE77 PLANE53 PLANE121 PLANE67SHELL63SHELL57 SHELL157LINK1 LINK32 LINK68LINK8 LINK33 1如果网格包含退化的单元形状，相应的单元类型必须允许相同的退化形状。例如，网格包括 F
31、LUID142 金字塔单元，就与 SOLID70 单元不兼容。SOLID70 单元不能退化为金字塔形状。2要兼容带有 VOLT 自由度的单元必须有相同的反力（见 ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide 中的单元兼容一节）。3需要力只支持一阶单元。4需要力时支持一阶单元需要单元 KEYOPT 的设定。2.4.2 可以使用的结果文件类型在一个间接耦合场分析或物理环境耦合场分析中，要用到包含不同类型的几个结果文件类型。所有结果文件将有相同的文件名（用/Filename 命令设定或 Utility Menu:FileChange Jobnane）。区分这些
32、结果文件，查看它们的扩展名：Jobname.RFL FLOTRAN 结果文件；Jobname.RMG 电磁场分析结果文件Jobname.RTH 热分析结果文件Jobname.RST 所有其他类型的结果文件（结构及多物理场）2.4.3 瞬态流体-结构分析对瞬态流体-结构分析，相应于流体边界条件逐渐改变的间隔点需要进行结构分析。例如假定要执行从 2.0 秒执行结构分析，进口速度从 0 秒时的 1.0in/sec 渐变到 4 秒时的5.0in/sec。首先在 2.0 秒以通常的方式执行结构分析。当执行 PHYSICS，READ，FLUID 时（Main MenuSolutionPhysics EnvironRead）恢复流体分析，可以重新施加瞬态渐变载荷。在第 2.0 秒施加进口速度为 3.0in/sec 然后通过执行下列命令表明这是老边界条件：
