耦合场分析概述前言一、耦合场分析类型1.直接耦合场分析2.载荷传递耦合物理场分析1载荷传递耦合分析——物理文件2载荷传递耦合分析——单向载荷传递3载荷传递耦合分析———ANSYS多场求解器总结前言耦合场分析也称为多物理场分析分析不同的物理场的相互作用以解决一个全局性的工程问题。例如当一个场分析的输入依赖于从另一个分析的结果那么分析就会被耦合。耦合方式有单向耦合前一个分析的结果作为载荷施加给下一个分析而下一个分析的结果不会影响前一个场的分析结果。例如在热应力问题中温度场会在结构场中引入热应变但是结构应变通常不会影响温度分布。因此无需在两个现场解决方案之间进行迭代。双向耦合两个物理场的结果会相互影响。例如非线性材料的感应加热中谐波电磁分析计算出焦耳热该热在瞬态热分析中用于随时间变化的温度解而温度的变化会反过来影响电磁场材料属性的变化从而改变电磁分析结果。一、耦合场分析类型1.直接耦合场分析直接方法通常只包含一个分析它使用一个包含所有必需自由度的耦合单元类型通过计算包含所需物理量的单元矩阵或单元载荷向量的方式进行耦合。具有直接耦合功能的单元有SOLID5---------3-D 耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导耦合效应)PLANE13---------二维耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导耦合效应)FLUID29---------二维声学流体 单元(声学矩阵的推导)FLUID30---------3-D 8 节点声学流体单元 (声学矩阵的推导)LINK68------------热电耦合杆单元SOLID98----------四面体耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导耦合效应)FLUID116---------热流体耦合管单元CIRCU124--------电路单元TRANS126-------机电转换器单元(电容计算耦合机电方法)SHELL157--------热电耦合壳单元FLUID220---------3-D 20 节点声学流体单元FLUID221---------3-D 10 节点声学流体单元PLANE222--------二维 4 节点耦合场实体单元PLANE223--------二维 8 节点耦合场实体单元SOLID226---------3-D 20 节点耦合场实体单元SOLID227---------3-D 10 节点耦合场实体单元PLANE233--------二维 8 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导电磁场评估)SOLID236--------3-D 20 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导电磁场评估)SOLID237--------3-D 10 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导电磁场评估)优点1.允许解决通常的有限元无法解决的问题。2.通过允许在单个分析通道中使用一种元素类型来简化耦合场问题的建模。缺点1.增加问题规模除非使用分离求解器2.低效的矩阵重构如果与一个现象相关的矩阵的一部分被重构整个矩阵将被重构。3.更大的存储需求。2.载荷传递耦合物理场分析载荷传递方法包含了两个或多个分析每一个分析都属于一个不同的场通过将一个分析的结果作为载荷施加到另一个分析中的方式耦合两个场。载荷分析有不同的类型。1载荷传递耦合分析——物理文件物理文件的载荷传递必须使用物理环境明确地传递载荷。这类分析的一个例子是顺序热─应力分析其中热分析中的节点温度作为“体力”施加到随后的应力分析中。物理分析基于一个物理场中的有限元网格之上。要创建用于定义物理环境的物理文件这些文件形成数据库并为一个给定的物理模拟提供单一网格。一般过程为读入第一个物理文件并求解然后读入下一个物理场确定将要传递的载荷并求解第二个物理场。使用LDREAD命令连接不同的物理环境并将第一个物理环境中得到的结果数据作为载荷通过节点─节点相似网格界面传递到下一个物理环境中求解。也可以使用LDREAD 从一个分析中读取结果并作为载荷施加到随后的分析中而不必使用物理文件。2载荷传递耦合分析——单向载荷传递可以通过单向载荷传递的方法耦合流—固相互作用的分析,这种方法要求确定流体分析结果并没有严重影响固体载荷,反之亦然。ANSYS 多物理分析中的载荷可以单向地传递到CFX流体分析中或者CFX流体分析中的载荷可以传递到ANSYS多物理分析中。载荷传递发生在分析的外部。3载荷传递耦合分析———ANSYS多场求解器ANSYS多场求解器可用于多类耦合分析问题它是一个求解载荷传递耦合场问题的自动化工具取代了基于物理文件的过程并为求解载荷传递耦合物理问题提供了一个强大、精确、易于使用的工具。每一个物理场都可视为一个包含独立实体模型和网格的场。耦合载荷传递要确定面或体。多场求解器命令集使问题成形并定义了求解先后顺序。通过使用求解器耦合载荷会自动地在不同的网格中传递。求解器适用于稳态、谐波以及瞬态分析这要取决于物理需求。以顺序或混合顺序同步方式可以求解许多场。ANSYS 多场求解器的两种版本是为了不同应用场合而设计的它们拥有不同的优点及程序。(1)MFS—单代码:基本的ANSYS 多场求解器如果模拟包含带有所有物理场的小模型时就可以使用它。这些物理场包含在一个软件包内如 ANSYS 多场)。MFS—单代码求解器使用迭代耦合其中每一个物理场要顺序求解并且每一个矩阵方程要分别求解。求解器在每个物理场之间迭代直到通过物理界面传递的载荷收敛为止。(2)MFX一多代码:高级ANSYS 多场求解器用于模拟分布在多个软件包之间的物理场(如在ANSYS 多场和 ANSYS CFX之间)。MFX求解器比MFS版本提供了更多的模型。MFX一多代码求解器使用迭代耦合其中每一个物理场可以同时求解也可以顺序求解而每一个矩阵方程要分别求解。求解器在每一个物理场之间迭代直到通过物理界面传递的载荷收敛为止。总结1.当耦合场之间的相互作用包括强烈耦合的物理场或者是高度非线性的直接耦合较具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辄传热分析电路—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的相互作用。2.对于多场的相互作用非线性程度不是很高的情况载荷传递方法更有效也更灵活。因为每种分析是相对独立的。耦合可以是双向的不同物理场之间进行相互耦合分析直到收敛到达一定精度。例如在一个载荷传递热─应力分析中可以先进行非线性瞬态分析接着再进行线性静力分析。可以将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。
