耦合场分析ANSYS

耦合耦合场分析分析ANSYS 第一章第一章 引言引言:有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS第二章第二章 耦合场分析简介耦合场分析简介第三章第三章 顺序耦合场分析顺序耦合场分析第四章第四章 顺序耦合场分析顺序耦合场分析第五章第五章 热热-应力分析应力分析第六章第六章 APDL APDL 根底根底第七章第七章ANSYSANSYS常识常识耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒目录第第 一一 章章引言：有限元分析与引言：有限元分析与ANSYSANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.什么是有限元分析？B.关于ANSYSC.关于ANSYS公司一、引言：有限元分析与ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒有限元分析是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载有限元分析是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载条件下的设计响应的方法。条件下的设计响应的方法。它是用被称之为它是用被称之为“单元的离散的块体来模拟设计。单元的离散的块体来模拟设计。每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。模型中所有单元响应的“和给出了设计的总体响应。单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s.The underlying theory is over 100 years old,and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.A.什么是有限元分析?耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似具有无限未知量的实际系统的响应。所以问题是：怎样才能到达最好的“近似？实际系统实际系统有限元模型有限元模型然而，对该问题还没有一个容易的解决方案。这完全依赖于你所模拟的对象和模拟所采用的方式。但是，我们将尽力通过这次培训为你提供指南。A.什么是有限元分析?耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒为什么需要有限元分析？减少模型试验的数量计算机模拟容许对大量的假设情况进行快速有效的试验。模拟不适合在原型上试验的设计。例如：器官移植，比方人造膝盖。概要:节省费用节省时间 缩短产品开发时间!创造出更可靠、高品质的设计A.什么是有限元分析?耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYSANSYS是一个完整的是一个完整的FEAFEA软件包，它适合世界范围各个工程领域的工程师软件包，它适合世界范围各个工程领域的工程师们使用们使用:结构分析结构分析热分析热分析流体分析，包括流体分析，包括CFDCFD计算流体动力学计算流体动力学电电/静电场分析静电场分析电磁场分析电磁场分析ANSYSANSYS在局部工业领域中的应用如下：在局部工业领域中的应用如下：航空航天航空航天汽车工业汽车工业生物医学生物医学桥梁、建筑桥梁、建筑电子产品电子产品重型机械重型机械微机电系统微机电系统运动器械运动器械B.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYS/Multiphysics 是ANSYS产品的“旗舰，它包括所有工程学科的所有性能ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品ANSYS/Mechanical-ANSYS/机械-结构及热ANSYS/Emag-ANSYS电磁学ANSYS/FLOTRAN-ANSYS计算流体动力学其它产品:ANSYS/LS-DYNA-高度非线性结构问题DesignSpace CAD环境下，适合快速分析容易使用的设计和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的ANSYS 分析接口。B.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYS/ANSYS/StructuralStructuralANSYS/ANSYS/ProfessionalProfessionalANSYS/ANSYS/ProFEAProFEADesignSpaceDesignSpaceANSYS/ANSYS/EDEDANSYS/ANSYS/UniversityUniversityANSYS/ANSYS/PrepPostPrepPostANSYS/ANSYS/MultiphysicsMultiphysicsANSYS/ANSYS/FLOTRANFLOTRANANSYS/ANSYS/EmagEmagANSYS/ANSYS/LS-DYNALS-DYNAANSYS/ANSYS/MechanicalMechanicalB.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒超弹密封超弹密封结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。静力分析静力分析用于静态荷载用于静态荷载.可以考虑结构的线可以考虑结构的线性及非线性行为，例性及非线性行为，例如：大变形、大应变、如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等性、超弹及蠕变等.B.关于ANSYS耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒动力分析包括质量和阻尼效应。模态分析，用于计算固有频率和振型。谐响应分析，用于确定结构对正弦变化的幅值和频率载荷的响应。瞬态动力学分析，用于确定结构对随时间任意变化载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。其它结构功能谱分析随机振动特征值屈曲子区模型耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYSJanuary 30,2001Inventory#0014412-13用ANSYS/LS-DYNA进行显示动力分析模拟以惯性力为主的大变形分析。用于模拟冲击、碰撞、快速成形等。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS热分析热分析热分析用于确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热量的获取和损失、热梯度、热通量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。稳态分析忽略时间效应瞬态分析确定以时间为函数的温度值等。可模拟相变熔化及凝固耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS电磁分析电磁分析电磁分析用于计算电磁装置中的磁场静态磁场及低频电磁场分析模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。例如：螺线管制动器、电动机、变压器磁场分析中考虑的物理量是：磁通量密度、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYSJanuary 30,2001Inventory#0014412-16高频电磁场分析模拟电磁波的传播装置例如：微涉及RF无源组件、波导、同轴连接器。电磁场分析中考虑的物理量是：S-参数、Q-因子、反射波损耗、电介质及传导损耗同轴电缆中的电场同轴电缆中的电场(EFSUM)耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS静电学计算由电压或电荷激发引起的电场。例如：高压装置，微机电系统MEMS，传输线。典型的物理量是：电场强度和电容。电流传导计算在一定电压下的导体的电流电路耦合电磁装置与电路的耦合耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS电磁分析类型:静态磁场分析用于计算由直流电(DC)或永磁体产生的磁场。交变磁场分析用于计算由交流电(AC)产生的磁场瞬态磁场分析用于计算随时间变化的磁场。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS计算流体动力学(CFD)用于确定流体中的流动状态和温度。ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。应用：航空航天，电子元件封装，汽车设计。典型的物理量是：速度，压力，温度，对流换热系数。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS声学分析用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。例如：扬声器，汽车内部，声纳典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。容器内流体分析模拟容器内的非流动流体的影响，确定由于晃动引起的静水压力。例如：油罐，其它液体容器热和质量的传输在两点之间质量传输如在一个管子中产生的热量计算由一个一维单元完成耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYS双金属片受热变形双金属片受热变形耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之间相互影响，所以单独求解一个物理场是不可能的。因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：热-应力分析压电分析电场和结构声学分析流体和结构热-电分析感应加热磁场和热静电-结构分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.关于ANSYSANSYS公司公司ANSYS产产品家族的开品家族的开发发者者总总部位于部位于Canonsburg,PA-USA 匹匹兹兹堡南部堡南部 C.关于ANSYS公司耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒January 30,2001Inventory#0014412-23ANSYSANSYS支持销售商支持销售商(ASDs)(ASDs)ANSYS销售及支持网络全世界超过75家办事处 地区级专家咨询及培训C.关于ANSYS公司耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒ANSYS ANSYS 支持管理支持管理(ASC)(ASC)在您公司站点与在您公司站点与ANSYSANSYS联联系系ANSYSANSYS通信的焦点；通信的焦点；软软件更新、件更新、错误错误提示、提示、时时事通事通讯讯和其它和其它邮邮件形式。件形式。如果您需要更多有关如果您需要更多有关ANSYSANSYS及其公司的信息，及其公司的信息，请查请查看：看：在在线线文档文档资资料料其它其它ANSYSANSYS培培训训手册手册C.关于ANSYS公司耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒第第 二二 章章耦合场分析简介耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析简介 耦合场分析的定义耦合场分析的定义 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的电压分布问题，反之亦然；其他的耦合场分析还有热有热-应力耦合分析、热应力耦合分析、热-电耦合分析、流体电耦合分析、流体-结构耦结构耦合分析、磁合分析、磁-热耦合分析和磁热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。结构耦合分析等等。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析的类型耦合场分析的类型 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：序贯耦合方法和直接耦合方法：序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更屡次的相关场分析，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序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更屡次的相关场分析，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；耦合的；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或或SOLID98可直接可直接进行压电分析。进行压电分析。耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒直接耦合解法或序贯耦合解法的用途直接耦合解法或序贯耦合解法的用途 l 对对于于不不存存在在高高度度非非线线性性相相互互作作用用的的情情形形，序序贯贯耦耦合合解解法法更更为为有有效效和和方方便便，因因为为我我们们可可以以独独立立的的进进行行两两种种场场的的分分析析。例例如如对对于于序序贯贯热热-应应力力耦耦合合分分析析可可以以先先进进行行非非线线性性瞬瞬态态热热分分析析，再再进进行行线线性性静静态态应应力力分分析析，而而后后我我们们可可以以用用热热分分析析中中任任意意载载荷荷步步或或时时间间点点的的节节点点温温度度作作为为载载荷荷进进行行应应力力分分析析，这这里里耦耦合合是是一一个个循循环环过过程程，其其中中迭迭代代在在两两个个物物理理场场之之间间进进行、直到结果收敛到所需要的精度；行、直到结果收敛到所需要的精度；l 直直接接耦耦合合解解法法在在解解决决耦耦合合场场相相互互作作用用具具有有高高度度非非线线性性时时更更具具优优势势，并并且且可可利利用用耦耦合合公公式式一一次次性性得得到到最最好好的的计计算算结结果果。直直接接耦耦合合解解法法的的例例子子很很多多，压压电电分分析析伴伴随随流流体体流流动动的的热热传传导导问问题题以以及及电电路路-电电磁磁场场耦耦合合分分析析求求解解这这类类耦耦合合场场相相互互作用问题都有专门的单元供直接选用作用问题都有专门的单元供直接选用 。耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒单位制单位制 在在ANSYSANSYS中应确保你所输入所有数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。对据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析，参见电磁场分析，参见?ANSYS Commands?ANSYS Commands Reference?Reference?中中EMUNITEMUNIT命令对于自由空间中磁命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。导率和介电常数设定的更多信息。对微电机械系统对微电机械系统MEMSMEMS，用更适，用更适宜的单位制建立模型会更加方便，因为宜的单位制建立模型会更加方便，因为MEMSMEMS部件通常大小为几微米。为方便，表部件通常大小为几微米。为方便，表1-11-1到到1-81-8列出从标准的列出从标准的MKSMKS转换到转换到MKSV MKSV 及及MSVfAMSVfA及的转换系数。及的转换系数。耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒力学参数力学参数MKS MKS 单位单位量纲量纲乘以此数乘以此数获得获得MKSv单单位位量纲量纲长度长度m mM M10106 6mmmm力力N N(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)2 210106 6NN(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)2 2时间时间s sS S1 1s ss s质量质量kgkgkgkg1 1kgkgkgkg压力压力PaPa(kg)/(m)(s)(kg)/(m)(s)2 21010-6-6MPaMPa(kg)/(m)(s)(kg)/(m)(s)2 2速度速度m/sm/sm/sm/s10106 6m/sm/sm/sm/s加速度加速度m/(s)m/(s)2 2m/(s)m/(s)2 210106 6m/(s)m/(s)2 2m/(s)m/(s)2 2密度密度kg/(m)kg/(m)3 3kg/(m)kg/(m)3 31010-18-18kg/(m)kg/(m)3 3kg/(m)kg/(m)3 3应力应力PaPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 21010-6-6MPaMPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 2杨氏模量杨氏模量PaPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 21010-6-6MPaMPakg/(m)(s)kg/(m)(s)2 2功率功率W W(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 310101212pWpW(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 3力学从力学从MKS到到uMKSV的转换系数的转换系数耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热学从热学从MKS到到uMKSV的转换系数的转换系数热参数热参数MKS MKS 单位单位量纲量纲乘以此数乘以此数获得获得MKSv 单位单位量纲量纲导热系数导热系数W/mW/mK(kg)(m)/(kg)(m)/(K)(s)310106 6pW/(m)(pW/(m)(K)(kg)(m)/(kg)(m)/(K)(s)3热通量热通量W/(m)W/(m)2 2kg/(s)kg/(s)3 31 1pW/(m)pW/(m)2 2kg/(s)kg/(s)3 3比热比热J/(kg)(J/(kg)(K)(m)(m)2 2/(K/(K)(s)210101212pJ/(kg)(pJ/(kg)(K)(m)(m)2 2/(/(K)(s)2热流热流W W(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 310101212pWpW(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)3 3单位体积的热生单位体积的热生成成W/mW/m3 3(kg)/(m)(s)(kg)/(m)(s)3 31010-6-6pW/(m)pW/(m)3 3kg/(m)(s)kg/(m)(s)3 3对流系数对流系数W/(m)W/(m)2 2Kkg/(s)kg/(s)2 21 1pW/(m)pW/(m)2 2Kkg/(s)kg/(s)2 2动力粘度动力粘度kg/(m)(s)kg/(m)(s)Kg/(m)(s)Kg/(m)(s)1010-6-6kg/(m)(s)kg/(m)(s)kg/(m)(s)kg/(m)(s)运动粘度运动粘度(m)(m)2 2/s/s(m)(m)2 2/s/s10101212(m)(m)2 2/s/s(m)(m)2 2/s/s耦合场分析简介耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒电学参数电学参数MKS MKS 单位单位量纲量纲乘以此数乘以此数获得获得MKSv 单位单位量纲量纲电流电流A AA A10101212pApApApA电压电压V V(kg)(m)(kg)(m)2 2/(A)(s)/(A)(s)3 31 1V V(kg)(m)(kg)(m)2 2/(pA)(s)/(pA)(s)3 3电荷电荷C C(A)(s)(A)(s)10101212pCpC(pA)(s)(pA)(s)电导率电导率S/mS/m(A)(A)2 2(s)(s)3 3/(kg)(m)/(kg)(m)3 310106 6pS/mpS/m(pA)(pA)2 2(s)(s)3 3/(kg)(m)/(kg)(m)3 3电阻率电阻率m(Kg)(m(Kg)(m3 3/(A)/(A)2 2(s)(s)3 31010-6-6T Tm(kg)(m)(kg)(m)3 3/(pA)/(pA)2 2(s)(s)3 3介电常数介电常数1F/mF/m(A)(A)2 2(s)(s)4 4/(kg)(m)/(kg)(m)3 310106 6pF/mpF/m(pA)(pA)2 2(s)(s)2 2/(kg)(m)/(kg)(m)3 3能量能量J J(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)2 210101212pJpJ(kg)(m)(kg)(m)2 2/(s)/(s)2 2电容电容F F(A)(A)2 2(s)(s)4 4/(kg)(m)/(kg)(m)2 210101212pFpF(pA)(pA)2 2(s)(s)4 4/(kg)(m)/(kg)(m)2 2电场电场V/mV/m(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)3 3(A)(A)1010-6-6V/mV/m(kg)(m)/(s)(kg)(m)/(s)3 3(pA)(pA)电通量密度电通量密度C/(m)C/(m)2 2(A)(s)/(m)(A)(s)/(m)2 21 1pC/(m)pC/(m)2 2(pA)(s)/(m)(pA)(s)/(m)2 2电学从电学从MKS到到uMKSV的转换系数的转换系数耦合场分析简介第第 三章三章顺序耦合场分析顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合 顺序多场耦合是指将不同工程领域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。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。结果，那么这些分析是耦合的。有些情况只使用有些情况只使用“单向耦合。例单向耦合。例如计算流过水泥墙的流场提供了对墙壁进行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，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计。因此就没必要再返回来计算变形后的流场。当然在此分析中，流体单元用于求解流场。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。场，结构单元用于计算应力和变形。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合 一一个个较较复复杂杂的的情情况况是是感感应应加加热热问问题题，交交流流电电磁磁场场分分析析计计算算出出焦焦耳耳热热生生成成的的数数据据，瞬瞬态态热热分分析析用用于于预预测测时时间间相相关关的的温温度度解解。但但在在两两个个物物理理分分析析中中材材料料的的性性能能都都是是随随温温度度明明显显变变化化的的，造造成成感感应应热热问问题题求求解解的的复复杂杂性性。这这就就需需要要两种物理分析的反复进行。两种物理分析的反复进行。顺顺序序耦耦合合是是指指多多个个物物理理分分析析一一个个一一个个按按顺顺序序分分析析。第第一一个个物物理理分分析析的的结结果果作作为为第第二二个个物物理理分分析析的的载载荷荷。如如果果分分析析是是完完全全耦耦合合的的，那那么么第第二二个个物物理理分分析析的的结结果果又又会会影影响响第一个物理分析的输入。第一个物理分析的输入。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合 全部载何可分为以下两类：全部载何可分为以下两类：根本物理载荷，不是其它物理分析的函数，根本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫名义边界条件；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。耦合载荷，是其它物理分析的结果。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是顺序多场耦合什么是顺序多场耦合典型典型ANSYS顺序耦合分析应用包括：顺序耦合分析应用包括：热应力热应力感应加热感应加热感应搅拌感应搅拌稳态流体结构耦合稳态流体结构耦合磁结构耦合磁结构耦合静电结构耦合静电结构耦合电流传导静磁电流传导静磁 ANSYS程程序序能能够够使使用用一一个个数数据据库库文文件件进进行行多多物物理理耦耦合合分分析析，使使用用同同一一个个有有限限元元模模型型。而而这这些些单单元元所所代代表表的的物物理理意意义义在在不不同同的的物物理理分分析析中中是是不不同同的的，这这就就用用到到物物理理环环境境的的概念。概念。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？ANSYS ANSYS程序使用物理环境的概念进行顺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。它物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个是一个ASCIIASCII文件，用以下方法创立：文件，用以下方法创立：Command:PHYSICS,WRITE,TITLE,FILENAME,Command:PHYSICS,WRITE,TITLE,FILENAME,EXT,DIREXT,DIRGUI:Main Manu:PreprocessorPhysics GUI:Main Manu:PreprocessorPhysics EnvironEnvironMain Manu:SolutionPhysics EnvironMain Manu:SolutionPhysics Environ 针对一个具体的工作名可以定义多达针对一个具体的工作名可以定义多达9 9个物理环境。在个物理环境。在physicsphysics命令中可为每一个物理命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。环境定义一个唯一的标题。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？ANSYS ANSYS为每一个物理环境指定唯一的编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局部。建议号并作为物理环境文件扩展名的一局部。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在与在/Title/Title命令中命令中Utility Utility MenuFileCreate TitleMenuFileCreate Title设定的标题区分开。设定的标题区分开。Physics,Write Physics,Write命令创立物理环境文命令创立物理环境文件例如件例如Jobname,PH1Jobname,PH1,并将并将ANSYSANSYS数据库中数据库中的如下信息写入这个文件：的如下信息写入这个文件：顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？单元类型及单元类型及KEYOPTKEYOPT设定；设定；实常数；实常数；材料属性；材料属性；单元坐标系单元坐标系求解分析选项；求解分析选项；载荷步选项；载荷步选项；约束方程；约束方程；耦合节点集；耦合节点集；施加的边界条件和载荷；施加的边界条件和载荷；GUIGUI过滤设置；过滤设置；分析标题分析标题/TITLE/TITLE；顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是物理环境？什么是物理环境？使用使用PHYSICSPHYSICS，READREAD命令命令(Main(Main MenuPrepreccssorPhysicsEnvironread)MenuPrepreccssorPhysicsEnvironread)读读取一个物理环境文件。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。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，在读入物理环境以前，ANSYSANSYS程序将去除数据库程序将去除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，分析选项，约束方程。性，分析选项，约束方程。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒一般分析步骤一般分析步骤 进行顺序耦合场分析可使用间接法或进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。物理环境法。对于间接方法，使用不同的数据库和对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图结果文件，图3 31 1为用间接方法的典型顺序耦为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含适宜的实合分析数据流程图。每个数据库包含适宜的实体模型，单元，载荷等。可以把一个结果文件体模型，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。数据库和结果文件中必须是一致的。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒顺序耦合场分析图图31间接法顺序耦合分析数据流程图间接法顺序耦合分析数据流程图耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒一般分析步骤一般分析步骤 图图32为物理环境方法的数据流程图，对于这种方法，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，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。可以是无效的，本章后面将详细解释。顺序耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒顺序耦合场分析图图32使用物理环境顺序耦合场分析数据流程使用物理环境顺序耦合场分析数据流程第第 四章四章直接耦合场分析直接耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒什么是直接耦合场分析什么是直接耦合场分析 在直接耦合场分析中，只需用耦合场单元进行一次在直接耦合场分析中，只需用耦合场单元进行一次分析。分析。表表4 4-1具有耦合场分析能力的单元具有耦合场分析能力的单元直接耦合场分析单元名称单元名称描述描述SOLID5SOLID5耦合场六面体耦合场六面体PLANE13PLANE13耦合场四边形耦合场四边形FLUID29FLUID29声学四边形声学四边形FLUID30FLUID30声学六面体声学六面体CONTAC48CONTAC482-D 2-D 点对面接触点对面接触CONTAC49CONTAC493-D 3-D 点对面接触点对面接触CONTA171CONTA1712-D2-D面对面接触面对面接触CONTA172CONTA1722-D2-D面对面接触面对面接触CONTA173CONTA1733-D3-D面对面接触面对面接触CONTA174CONTA1743-D3-D面对面接触面对面接触SOLID62SOLID623-D 3-D 磁结构单元磁结构单元FLUID116 FLUID116 热流体管道单元热流体管道单元PLANE67PLANE67热电四边形单元热电四边形单元LINK68LINK68热电线单元热电线单元SOLID69SOLID69热电六面体单元热电六面体单元SOLID98SOLID98耦合场四面体单元耦合场四面体单元CIRCU124CIRCU124通用电路单元通用电路单元SHELL157SHELL157热电壳单元热电壳单元TRANS126TRANS126机机-电换能器电换能器有限元模型可以混合一些带有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耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒 什么是直接耦合场分析什么是直接耦合场分析 耦合场单元包含所有必要的自由度，通过计算适当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，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。线性问题，矩阵方法和载荷矢量耦合方法均需迭代。表表4-24-2给出了给出了ANSYS/MultiphysicsANSYS/Multiphysics产品用于直接方法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 Theory Reference?。ANSYS/ProfessionalANSYS/Professional软件包只支持热电直接耦合软件包只支持热电直接耦合ANSYS/EmagANSYS/Emag软件包只支持电磁场和电磁电路直接耦合。软件包只支持电磁场和电磁电路直接耦合。直接耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒直接耦合场分析分析类型分析类型耦合方法耦合方法热结构热结构载荷矢量载荷矢量(如使用了接触单元则为矩如使用了接触单元则为矩阵阵)磁结构磁结构载荷矢量载荷矢量电磁电磁矩阵矩阵电磁热结构电磁热结构载荷矢量载荷矢量电磁热电磁热载荷矢量载荷矢量压电压电矩阵矩阵热压力热压力矩阵和载荷矢量矩阵和载荷矢量速度温度压力速度温度压力矩阵矩阵压力结构压力结构(声学声学)矩阵矩阵热电热电载荷矢量载荷矢量磁热磁热载荷矢量载荷矢量静电结构静电结构载荷矢量载荷矢量电磁电路电磁电路矩阵矩阵电结构电路电结构电路矩阵矩阵表表4 4-2 2直接耦合场分析中用到的耦合方法直接耦合场分析中用到的耦合方法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，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响耦合程序忽略所有的载荷矢量和反响耦合效应。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。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?中的中的8介绍了这介绍了这些选项。些选项。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热电分析热电分析 在在ANSYS/MultiphysicsANSYS/Multiphysics和和ANSYS/ProfessionalANSYS/Professional软件包中提供热电分软件包中提供热电分析功能，即计算导体中由于直流电析功能，即计算导体中由于直流电(DC)(DC)带来带来的焦耳热所造成的温度分布。典型应用为加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。热线圈、保险丝和电子部件。进行热电分析需要用到以下单元类进行热电分析需要用到以下单元类型：型：LINK68LINK68耦合热电线单元耦合热电线单元PLANE67PLANE67耦合热电四边形单元耦合热电四边形单元SOLID69SOLID69耦合热电六面体单元耦合热电六面体单元SOLID5SOLID5耦合场六面体单元耦合场六面体单元SOLID98SOLID98耦合场四面体单元耦合场四面体单元SHELL157SHELL157耦合热电壳单元耦合热电壳单元直接耦合场分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热电分析热电分析 注意要点：耦合场分析既可以是稳注意要点：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态的，也可是瞬态的，其步骤与稳态或瞬态热分析根本一样热分析根本一样(参见参见?ANSYS Thermal?ANSYS Thermal Analysis Guide?)Analysis Guide?)。应注意以下要点：应注意以下要点：瞬态分析仅考虑到瞬态热效应，而忽略电容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。和电感等瞬态电效应。必须定义电阻率必须定义电阻率(RSVX)(RSVX)和热传导率和热传导率(KXX)(KXX)，它，它们可以是常数，也可与温度相关。们可以是常数，也可与温度相关。直接耦合场分析第第 五五 章章热热-应力分析应力分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒本章简要描述如何作热-应力分析.目的有两个:向用户展示在应力分析中如何施加热载荷向用户介绍耦合分析.主要包括以下主题:A.A.概述概述B.B.顺序耦合序耦合C.C.直接耦合直接耦合D.D.专题讨论耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒热-应力分析热应力的产生热应力的产生结构受热或变冷时，由于热胀结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形冷缩产生变形.假设变形受到某些限制假设变形受到某些限制如位如位移受到约束或施加相反的力移受到约束或施加相反的力那么在结构中那么在结构中 产生热应力产生热应力.产生热应力的另一个原因是由产生热应力的另一个原因是由于材料不同而形成的不均匀变于材料不同而形成的不均匀变形形(如如,不同的热膨胀系数不同的热膨胀系数).约束产生约束产生 热热 应力应力材料不同产材料不同产生热应力生热应力耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.概述在ANSYS中解决热-应力问题的方法有两种。两种方法各有长处。顺序耦合传统方法使用两种单元类型，将热分析的结果做为结构温度载荷当运行很多热瞬态时间点但结构时间点很少时效率较高可以很容易地用输入文件实现自动处理直接新方法使用一种单元类型就能求解两种物理问题热问题和结构现象之间可实现真正的耦合在某些分析中可能消耗过多的时间耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.概述顺序耦合涉及两种分析:1.首先做一个稳态(或瞬态)热分析建立热单元模型施加热载荷求解并查看结果2.然后做静力结构分析把单元类型转换成结构单元.定义包括热膨胀系数在内的结构材料属性.施加包括从热分析得到的温度在内的结构载荷求解并查看结果热分析热分析结构分析结构分析jobname.rthjobname.rst温度温度耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.概述1.热分析该过程在前面已有描述.2.结构分析a)返回到 PREP7，把热单元类型转换成结构类型.Preprocessor Element Type Switch Elem Type或用 ETCHG 命令注意:转换单元类型时，将把所有的单元选项重新设置回它们原来的缺省设置.例如,假设用户在热分析中使用的是2-D轴对称单元，那么需要在转换后重新指定轴对称选项.因此,一定要确保设置正确的单元选项:Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options 或使用 ETLIST 和 KEYOPT 命令耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.顺序耦合b)定义结构的材料属性(EX,等.),包括热膨胀系数(ALPX).(假设使用的是ANSYS提供的材料库，材料 的热属性和结构属性均已定义，该步可以省略.)注意:如果没有定义 ALPX或将该项设置为0，那么不能计算热应变.用户可以使用该项技巧“关闭 温度的影响!c)指定静力分析类型.该步仅在热分析类型为瞬态时使用Solution -Analysis Type-New Analysis或使用 ANTYPE 命令 耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.顺序耦合d)施加结构载荷并把温度作为载荷的一局部.Solution -Loads-Apply -Structural-Temperature From Therm Analy或使用 LDREAD 命令e)求解.f)查看应力结果.耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.顺序耦合直接耦合 通常只涉及用 耦合单元 的分析，该单元包括必要的自由度.1.首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格PLANE13(板实体单元)SOLID5(六面体单元)SOLID98(四面体单元tetrahedron).2.在模型上施加结构载荷、热载荷及约束.3.求解并查看热分析结果和结构分析结果.合并的合并的热分析热分析结构分析结构分析jobname.rst耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒C.直接耦合顺序耦合对不是高度非线性的耦合情况,顺序方法更有效，更灵活，因为可以相互独立地执行两种分析.在顺序热-应力分析中，例如，在非线性瞬态热分析之后可以紧接着进行线性静力分析.然后可以 把热分析中任意荷载步或时间点的节点温度作为应力分析的载荷.直接耦合对耦合场的相互作用是高度非线性的情况，直接方法优先，并且该方法在用耦合公式单一求解时是最好的 直接耦合的例子包括压电分析,有流体流动的共轭传热问题及电路电磁分析耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒D.顺序耦合和直接耦合比较第第 六六 章章APDL 根底根底耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒UIDL、APDL、UPF三类二次开发方法重点介绍APDL。APDL 是 ANSYS 参数化设计语言的 的缩写,它是一种允许使用参数并能完成一系列任务的强大的程序语言。使用 APDL,您可以:用参数而不是用数值输入模型尺寸，材料类型等。从 ANSYS 数据库中获取信息,比方节点位置或最大应力。在参数中进行数学运算，包括矢量和矩阵运算。把常用的命令或宏定义成缩写形式。建立一个宏使用if-then-else分支和do循环等来执行一系列任务。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒概述这一章的目的是向您介绍APDL的根本功能使您能够:定义并使用标量参数从 ANSYS 数据库中获取信息您可以从在线帮助的APDL手册中获得更多的信息。我们将就以下问题展开讨论:A.定义参数B.利用参数C.获取数据库信息D.数组参数E.宏根底F.APDL综合实例耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒概述January 30,2001Inventory#00144112-65用以下格式定义参数Name=Value可以在输入窗口或标量参数对话框中输入(Utility Menu Parameters Scalar Parameters.)参数名不能超过8个字符。值可以是一个数值，一个以前定义过的参数，一个函数，一个参数表达式，或者一个字符串用单引号括住。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.定义参数例子:inrad=2.5outrad=8.2numholes=4thick=outrad-inrade=2.7e6density=0.283bb=cos(30)pi=acos(-1)g=386massdens=density/gcircumf=2*pi*radarea=pi*r*2dist=sqrt(y2-y1)*2+(x2-x1)*2)slope=(y2-y1)/(x2-x1)theta=atan(slope)jobname=proj1用用*SET 看有用参数列表看有用参数列表耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.定义参数以上例子是关于标量参数的,它只有一个值 数字或者字符。ANSYS 也提供数组参数,它有假设干个值。数字数组和字符数组都是有效的。字符数组在本教程中不讨论。28.7-9.2-2.151.00.0 xvalues=job1job2job3job4job5 filnam=耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.定义参数一些命名规那么:参数名不超过8个字符，并以字母开头。参数名中只能出现字母，数字和下划线。防止以下划线开头，这在 ANSYS 中另有它用。参数名不分大小写，如“RAD 和“Rad 是一样的。所有的参数都以大写形式存储。防止使用 ANSYS 标识，如 STAT,DEFA,和 ALL。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒A.定义参数使用参数时，只需在对话框中或通过命令输入参数名就行了。例如,利用参数定义一个 w=10，h=5的矩形,您可以使用以下菜单:Preprocessor Create Rectangle By 2 Corners+或命令:/prep7blc4,w,h耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.使用参数注意:当使用参数时,ANSYS 将立刻把参数名换为它的值。上一个例子中的矩形将被存为 10 x5,而不是 wxh。也就是说，如果你在生成矩形后再改变 w 或 h 的值，矩形将不被修改。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.使用参数其它一些关于参数用法的例子:jobname=proj1/filnam,jobname!作业名/prep7youngs=30e6mp,ex,1,youngs!杨氏模量force=500fk,2,fy,-force!2号关键点的力fk,6,fx,force/2!6号关键点的力耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒B.使用参数从数据库中获取信息并给参数赋值,使用*GET 命令或 Utility Menu Parameters Get Scalar Data.对获取大量信息是很有用的，包括模型和结果数据，请参看*GET命令的详细资料。耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒C.从数据库中获取信息例子:*get,x1,node,1,loc,x!x1=节点1的x坐标 CSYS*/post1*get,sx25,node,25,s,x!sx25=节点25的x方向应力 RSYS*get,uz44,node,44,u,z!uz44=节点44的UZ方向的位移RSYS*nsort,s,eqv!对节点的 von Mises 应力排序*get,smax,sort,max!smax=排序的最大值etable,vol,volu!用vol 存储单元体积ssum!对单元表的列求和*get,totvol,ssum,vol!totvol=对 vol 的列求和*CSYS=*CSYS=激活坐激活坐标系系(CSYS)CSYS)RSYS=RSYS=激活的激活的结果坐果坐标系系(RSYS)RSYS)耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒C.从数据库中获取信息一些数据可以通过函数获取。例如:x1=nx(1)!x1=节点1的x坐标 CSYS*nn=node(2.5,3,0)!nn=在(2.5,3,0)处的节点 CSYS*/post1ux25=ux(25)!ux25=25号节点的 UX 值RSYS*temp93=temp(93)!temp93=节点93的温度值width=distnd(23,88)!width=23号节点和88号节点间的距离*CSYS=*CSYS=激活坐激活坐标系系(CSYS)CSYS)RSYS=RSYS=激或的激或的结果坐果坐标系系(RSYS)RSYS)耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒C.从数据库中获取信息在一些地方您可以直接取函数值，就象用一个参数一样。例如：k,10,kx(1),ky(3)!10号关键点x坐标取1号关键点的x坐标，y坐标取 ！3号关键点的y坐标k,11,kx(1)*2,ky(3)!CSYS*f,node(2,2,0),fx,100!在节点(2,2,0)施加力 FX CSYS*CSYS=*CSYS=激活坐激活坐标系系(CSYS)CSYS)耦合场分析耦合场分析ANSYS讲义讲义刘恒刘恒C.从数据库中获取信息概要:利用格式 Name=Value 定义参数.参数值可以是一个数值，一个以