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ANSYS 耦合场分析类型 (翻译稿) (1)  

2010-12-25 08:22:35|  分类: ANSYS 耦合场分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第一章  耦合场分析

耦合场分析是将不同工程学科 (物理场) 的分析进行组合,以考虑它们的相互作用,求解一个全面的工程问题。因此,我们经常把耦合场分析作为多物理场分析。当一个物理场的输入取决于另一个分析的结果时,就说这些分析是耦合的。

有些分析可能是单向耦合的。例如:在热应力问题中,温度场在结构场中造成热应变,但是结构应变一般不影响温度分布。因此,不需要在这两个物理场的求解过程之间进行迭代。更复杂的情况是双向耦合。例如,压电分析除了结构和电场之间的相互作用,它求解结构位移引起的电压分布,反之亦然。在流体-结构相互作用问题中,流体压力导致结构变形,它反过来又引起流体解的改变。这类问题需要在两个物理场之间进行迭代直到收敛。

物理场之间的耦合可以采用直接法或载荷转移耦合来实现。由于在模拟过程中不同物理场的求解可能涉及不同的分析类型,物理场的耦合可能很复杂。例如,在感应加热问题中,一个谐波电磁分析需要计算 Joule 加热,它用在瞬态热分析中以预测一个与时间有关的温度解。由于在电磁和瞬态热分析中材料属性都与温度高度相关,更增加了感应加热的复杂性。

需要耦合场分析的一些问题有:压力容器 (-应力分析)、流体流动收缩  (流体-结构分析)、感应加热 (-热分析)、超声换能器 (压电分析)、磁力成型  (-结构分析),以及微机电系统 (MEMS)

可以使用如下耦合场分析主题:

·               Types of Coupled-Field Analysis (耦合场分析类型)

·               System of Units (单位系统)

·               About GUI Paths and Command Syntax (GUI 路径和命令语法)

 

1.1. 耦合场分析类型

耦合场分析的过程取决于对哪些场进行耦合,但是可以使用两种完全不同的方法:load transfer (载荷转移法) direct (直接法)。下面简要说明这些方法,下一章将详细说明:

    关于直接法:

    关于载荷转移法 (又称间接法)

ANSYS 还提供另外的耦合场分析方法,有:


  • 1.1.1 直接法

    直接法只涉及一个分析,它使用包含所有 (物理场) 必须的自由度的耦合类单元。通过计算耦合单元所有必须的矩阵和载荷矢量来实现不同物理场的耦合。直接法耦合场分析的一个例子是使用 PLANE223, SOLID226, or SOLID227 单元的压电分析。另一个例子是使用 TRANS126 单元进行 MEMS (微机电系统) 分析。

    使用 FLOTRAN 单元进行 FLOTRAN 分析是另一种直接法,有关 FLOTRAN 分析的详细内容参见 Fluids Analysis Guide


        1.1.2. 载荷转移方法

    load transfer methods (载荷转移方法) 涉及两种或多种分析,各自属于不同的学科领域。通过将一种分析的结果作为另一种分析的载荷将两个物理场耦合到一起。有不同类型的载荷转移分析,后面将详细解释。

        1.1.2.1. Load Transfer 耦合分析 - ANSYS 多物理场求解器

    ANSYS 多物理场求解器对于求解载荷转移耦合场问题是一种自动工具,可以用于众多类型的耦合场分析。它取代了基于物理文件的过程,为载荷转移耦合场问题提供了一种强大、精确和易于使用的工具。对每个物理科目创建一个具有独立的实体模型和网格的场。通过表面或实体进行耦合载荷转移。使用多物理场求解器 (multi-field solver) 命令集来设定问题和定义求解顺序。求解器自动在不同的网格之间传递耦合载荷。该求解器可以用于静力、谐波和瞬态分析,取决于物理需求。可以在一个求解顺序中 (或顺序 - 并行混合方式) 求解任意数量的物理场。

    对于不同的应用,有两个版本的 ANSYS 多物理场求解器,下面分别说明它们的优点和过程:

    • MFS - Single code: 基本的 ANSYS 多物理场求解器,用于模型较小,但在一次执行中包含所有物理场的情况 (例如 ANSYS Multiphysics)MFS - Single code 使用迭代耦合,各物理场顺序求解,分别求解每个矩阵方程。求解器在各物理场之间迭代,直到通过各物理界面转移的载荷收敛。
    • MFX - Multiple code: 增强的 ANSYS 多物理场求解器,用于模拟分布在多个执行过程中的物理场 (例如,在 ANSYS 多物理场和 ANSYS CFX 之间)MFX 求解器可以用于比 MFS 版本更大的模型。MFX - Multiple code 求解器使用迭代耦合,各物理场可以台式求解,也可以顺序求解,但各个矩阵方程是分开求解的。该求解器在各物理场之间迭代,直到通过各物理界面转移的载荷收敛。

    详细过程见 "Multi-field Analysis Using Code Coupling"

     

        1.1.2.2. 载荷转移耦合分析 - Physics File (物理文件)

    采用基于物理文件的载荷转移时,必须明确转移载荷使用的物理环境。这一类分析的一个例子是顺序的热 应力分析,后续的应力分析中,施加热分析得到的节点温度作为体载荷。物理分析是基于单一的有限元网格。用户创建定义物理环境的物理文件,这些文件对数据库进行配置并为给定的物理仿真准备单一的网格。一般过程是:读入第一个物理文件并求解;然后在下一个物理场中读入指定的载荷 (这里是节点温度),并求解第二个物理场。使用 LDREAD 命令将不同的物理环境联系到一起,并穿越节点 节点相似的网格,将第一个物理环境的指定结果数据作为下一个物理环境求解时施加的载荷。也可以使用 LDREAD 命令读取一个分析的结果,作为后续分析的载荷,而不必使用物理文件。详细过程见 "Load Transfer Coupled Physics Analysis"

        1.1.2.3. 载荷转移耦合分析 单向载荷转移

    可以将单向载荷转移用于一个流固耦合的相互作用分析。这一方法要求流体分析结果不对固体的载荷产生很大影响,或反之亦然。从 ANSYS 多物理场分析得到的载荷可以单向的转移到 CFX 流体分析中;或者,由 CFX 流体分析得到的载荷可以单向的转移到 ANSYS 多物理场分析。载荷转移发生在分析的外部。有关 ANSYS-to-CFX CFX-to-ANSYS 单向载荷转移方法的详细过程,见 "Unidirectional Load Transfer"


        1.1.3. 何时使用直接法或载荷转移方法

    当耦合场的相互作用涉及高度耦合的物理场或高度非线性时,使用直接法是有利的,最好作为使用耦合公式的单个问题求解。直接耦合的例子包括压电分析、带有流体的共轭传热、以及电路-电磁耦合分析。具有特定公式的单元用于直接求解这些耦合场的相互作用。

    对于不存在高度非线性相互作用的耦合问题,载荷转移方法更加有效和灵活,因为可以执行两个相互单独的分析。耦合可能是递归的,将执行不同物理过程之间的迭代,直到收敛达到期望的水平。比如:在一个载荷转移的热 应力分析中,可以执行一个非线性传热分析,随后是一个瞬态的静力分析。则可以使用热分析的任何载荷步或时间点的节点温度作为应力分析的载荷。在载荷转移耦合分析中,可以执行一个非线性瞬态流固耦合分析,使用 FLOTRAN 流体单元和 ANSYS 结构、热或耦合场单元。

    由于耦合场单元直接处理载荷的转移,直接耦合很少需要用户干预。有些分析必须使用直接耦合方法,例如压电分析。载荷转移法要求更具体的定义和手工指定要转移的载荷,但是在不同网格和不同分析之间转移载荷时更为灵活。

        下表对各种方法的使用提供了一些一般的准则。


     1.1  方法的选择

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     1.2  可用的方法

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