《耦合場(chǎng)分析》PPT課件(I)

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1、Chapter10耦合場(chǎng)分析(以熱—應(yīng)力為重點(diǎn))什么是耦合場(chǎng)分析?耦合場(chǎng)分析考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上的物理場(chǎng)之間的相互作用。這種分析包括直接和間接耦合分析。當(dāng)進(jìn)行直接耦合時(shí),多個(gè)物理場(chǎng)（如熱—電）的自由度同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。這稱為直接方法，適用于多個(gè)物理場(chǎng)各自的響應(yīng)互相依賴的情況。由于平衡狀態(tài)要滿足多個(gè)準(zhǔn)則才能取得，直接耦合分析往往是非線性的。每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的自由度越多，矩陣方程就越龐大，耗費(fèi)的機(jī)時(shí)也越多。下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分析的單元類(lèi)型。不是所有單元都有溫度自由度。2什么是耦合場(chǎng)分析?(續(xù))間接耦合分析是以特定的順序求解單個(gè)物理場(chǎng)的模型。前一個(gè)分析的結(jié)果作為后續(xù)分析的邊

2、界條件施加。有時(shí)也稱之為序貫耦合分析。本分析方法主要用于物理場(chǎng)之間單向的耦合關(guān)系。例如，一個(gè)場(chǎng)的響應(yīng)（如熱）將顯著影響到另一個(gè)物理場(chǎng)（如結(jié)構(gòu)）的響應(yīng)，反之不成立。本方法一般來(lái)說(shuō)比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的單元類(lèi)型。本章中我們只討論涉及熱的耦合現(xiàn)象。請(qǐng)注意并非所有ANSYS產(chǎn)品都支持所有耦合單元類(lèi)型和分析選項(xiàng)。例如，ANSYS/Thermal產(chǎn)品只提供熱—電直接耦合。詳細(xì)說(shuō)明參見(jiàn)Coupled-FieldAnalysisGuide。3直接方法-例題在第七章對(duì)流部分中，介紹了FLUID66和FLUID116熱—流單元。該單元具有熱和壓力自由度，因此是直接耦合場(chǎng)單元。AN

3、SYS有一些其他的耦合單元，具有結(jié)構(gòu)，熱，電，磁等自由度。絕大多數(shù)的實(shí)際問(wèn)題只涉及到少數(shù)幾個(gè)物理場(chǎng)的耦合。這里提供了幾個(gè)涉及到熱現(xiàn)象的直接耦合場(chǎng)分析。熱—結(jié)構(gòu):熱軋鋁板鋁板的溫度將影響材料彈塑性特性和熱應(yīng)變。機(jī)械和熱載荷使得板產(chǎn)生大應(yīng)變。新的熱分析必須計(jì)入形狀改變。4直接方法-例題(續(xù))熱-電磁場(chǎng):鋼芯的熱傳遞傳導(dǎo)線圈在鋼芯周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)。該區(qū)域的交變電流在鋼芯內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱。鋼芯在熱作用下產(chǎn)生高溫，由于溫度變化梯度很大，因此必須考慮鋼芯材料特性隨溫度的變化。而且，磁場(chǎng)變化的強(qiáng)度和方向都會(huì)改變。象這種電磁場(chǎng)諧波分析，只要得出磁向量勢(shì){A}，就能計(jì)算出電流密度向量{J}。它用來(lái)計(jì)

4、算下式中的焦耳熱:5直接方法-前處理在直接耦合場(chǎng)分析的前處理中要記住以下方面:使用耦合場(chǎng)單元的自由度序列應(yīng)該符合需要的耦合場(chǎng)要求。模型中不需要耦合的部分應(yīng)使用普通單元。仔細(xì)研究每種單元類(lèi)型的單元選項(xiàng)，材料特性合實(shí)常數(shù)。耦合場(chǎng)單元相對(duì)來(lái)說(shuō)有更多的限制(如,PLANE13不允許熱質(zhì)量交換而PLANE55單元可以,SOLID5不允許塑性和蠕變而SOLID45可以)。不同場(chǎng)之間使用統(tǒng)一的單位制。例如，在熱-電分析中，如果電瓦單位使用瓦(焦耳/秒)，熱單位就不能使用Btu/s。由于需要迭代計(jì)算，熱耦合場(chǎng)單元不能使用子結(jié)構(gòu)。6直接方法-加載,求解,后處理在直接方法的加載，求解，后處理中注

5、意以下方面：如果對(duì)帶有溫度自由度的耦合場(chǎng)單元選擇瞬態(tài)分析類(lèi)型的話：瞬態(tài)溫度效果可以在所有耦合場(chǎng)單元中使用。瞬態(tài)電效果(電容，電感)不能包括在熱-電分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度被激活)。帶有磁向量勢(shì)自由度的耦合場(chǎng)單元可以用來(lái)對(duì)瞬態(tài)磁場(chǎng)問(wèn)題建模(如,SOLID62).帶有標(biāo)量勢(shì)自由度的單元只能模擬靜態(tài)現(xiàn)象(SOLID5)。學(xué)習(xí)每種單元的自由度和允許的載荷。耦合場(chǎng)單元允許的相同位置(節(jié)點(diǎn),單元面等)施加多種類(lèi)型的載荷(D,F,SF,BF)。耦合場(chǎng)分析可以使高度非線性的?？紤]使用Predictor和LineSearch功能改善收斂性。考慮使用Multi-Plots功能將不

6、同場(chǎng)的結(jié)果同時(shí)輸出到多個(gè)窗口中。7間接方法間接方法用于求解間接耦合場(chǎng)問(wèn)題。它需要連續(xù)進(jìn)行兩個(gè)單場(chǎng)的分析(而不是同時(shí))，第一種分析的結(jié)果作為第二種分析的載荷。如:熱結(jié)構(gòu)熱結(jié)構(gòu)許多問(wèn)題需要熱到結(jié)構(gòu)的耦合(溫度引起的熱膨脹)但反之不可結(jié)構(gòu)到熱耦合是可以忽略的(小的應(yīng)變將不對(duì)初始的熱分析結(jié)果產(chǎn)生影響)在實(shí)用問(wèn)題中，這種方法比直接耦合要方便一些，因?yàn)榉治鍪褂玫氖菃螆?chǎng)單元，不用進(jìn)行多次迭代計(jì)算。8間接方法-例題葉片和盤(pán)中的溫度會(huì)產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)變。這會(huì)顯著影響應(yīng)力狀態(tài)。由于應(yīng)變較小，而且接觸區(qū)域是平面對(duì)平面的，因此溫度解不用更新。DiskSectorAirfoilPlatformRoot下面

7、是有關(guān)熱現(xiàn)象的一些可以使用間接耦合方法進(jìn)行分析的例子:熱-結(jié)構(gòu):透平機(jī)葉片部件分析這種分析又叫做熱應(yīng)力分析。這合非常典型的分析類(lèi)型將在后面有更加詳細(xì)的描述。9間接方法-例題(續(xù))熱-電:嵌于玻璃盤(pán)的電熱器嵌于玻璃盤(pán)的電熱器中有電流。這使得電線中有焦耳熱產(chǎn)生。由于熱效應(yīng)，電線和盤(pán)中溫度增加。由于系統(tǒng)的溫度變化不大，熱引起的電阻變化被忽略。因此，電流也是不變的。當(dāng)電壓{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳熱:+V-10間接方法-過(guò)程在ANSYS中由兩個(gè)基本方法進(jìn)行序貫耦合場(chǎng)分析。它們主要區(qū)別在于每個(gè)場(chǎng)的特性是