ANSYS耦合场分析指南第三章

1ANSYS耦合场分析指南第三章发表时间：2007-11-20作者:安世亚太来源:e-works关键字:ANSYS耦合场分析CAE教程第三章直接耦合场分析3.1进行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分析。表3-1中列出了具有耦合场分析能力的单元。表3-1耦合场单元[1]单元名称描述SOLID5耦合场六面体PLANE13耦合场四边形FLUID29声学四边形FLUID30声学六面体CONTAC482-D点对面接触CONTAC493-D点对面接触CONTA1712-D面对面接触CONTA1722-D面对面接触CONTA1733-D面对面接触CONTA1743-D面对面接触SOLID623-D磁－结构单元FLUID116热－流体管道单元PLANE67热电四边形单元LINK68热电线单元SOLID69热电六面体单元SOLID98耦合场四面体单元CIRCU124通用电路单元SHELL157热电壳单元TRANS126机-电换能器1.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（参见《ANSYSElectromagneticFieldAnalysisGuide》中的第§13.3节）。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）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。表3-2给出了ANSYS/Multiphysics产品用于直接方法时所支持的不同类型的2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《ANSYSTheoryReference》。ANSYS/Professional软件包只支持热－电直接耦合，ANSYS/Emag软件包只支持电磁场和电磁－电路直接耦合。表3-2直接耦合场分析中用到的耦合方法分析类型耦合方法热－结构载荷矢量(如使用了接触单元则为矩阵)磁－结构载荷矢量电－磁矩阵电－磁－热－结构载荷矢量电－磁－热载荷矢量压电矩阵热－压力矩阵和载荷矢量速度－温度－压力矩阵压力－结构(声学)矩阵热－电载荷矢量磁－热载荷矢量静电－结构载荷矢量电磁－电路矩阵电－结构－电路矩阵注意－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馈耦合效应。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。《ANSYSStructuralAnalysisGuide》中的§8介绍了这些选项。对于上述的分析类型，本章将重点介绍如何进行热－电分析、压电分析、磁－结构分析和电磁－结构分析。3.1.1热－电分析在ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Professional软件包中提供热－电分析功能，即计算导体中由于直流电(DC)带来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。进行热电分析需要用到下列单元类型：LINK68耦合热－电线单元PLANE67耦合热－电四边形单元SOLID69耦合热－电六面体单元SOLID5耦合场六面体单元SOLID98耦合场四面体单元SHELL157耦合热－电壳单元33.1.1.1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热分析基本一样(参见《ANSYSThermalAnalysisGuide》)。应注意以下要点：Ÿ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。Ÿ必须定义电阻率(RSVX)和热传导率(KXX)，它们可以是常数，也可与温度相关。ŸPLANE67单元假定为单位厚度，无法输入厚度参数。如果实际的厚度(t)不均匀，那么需如下调整材料特性：将热传导率和密度乘以t，而将电阻率除以t。Ÿ应确保所有的输入数据单位一致。例如，如果电流和电压和单位分别为安培和伏特，那么热传导率的单位应为瓦／长度－度，这样输出的焦耳热的单位才为瓦。Ÿ如果问题收敛困难，激活线性搜索功能（LNSRCH）。3.1.2压电分析压电效应分析是一种结构－电场耦合分析。当给石英和陶瓷等压电材料加电压时，它们会产生位移，反之若使之振动，则会产生电压。压力传感器就是压电效应的一种典型的应用。压电分析（ANSYS/Multiphysics或ANSYS/Mechanical软件包提供这种分析）类型可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析。压电分析只能用下列单元类型之一：PLANE13,KEYOPT(1)=7，耦合场四边形实体单元SOLID5,KEYOPT(1)=0或3，耦合场六面体单元SOLID98,KEYOPT(1)=0或3，耦合场四面体单元KEYOPT选项激活压电自由度：位移和电压。对于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3仅激活压电选项。注意：如果模型中激活了至少一个带有压电自由度（位移和VOLT）的单元，则需要用到VOLT自由度的所有单元必须是上面三种压电单元其中之一。而且，所有的这些单元均需激活压电自由度。如果不希望在这些单元中存在压电效应，则需给材料定义非常小的压电特性。压电KEYOPT用NLGEOM，SSTIF，PSTRES命令可用大挠度和应力刚化作用（参见《ANSYSCommandsReference》对这些命令的更多信息，参见《ANSYSStructuralAnalysisGuide》及《ANSYS，Inc.TheoryReference》的第三章关于大挠度及应力刚化功能的更多信息）。对PLANE13，通过设置KEYOPT（1）＝7可用大挠度及应力刚化功能。对SOLID5及SOLID98通过设置KEYOPT（1）＝3可用大挠度及应力刚化功能。而且小挠度及应力刚化选项可以通过KEYOPT（1）＝0使用。注意－对压电分析不能使用自动求解控制。SOLCONTROL缺省设置只能对纯结构或纯热分析使用。对大挠度压电分析，必须用非线性求解命令定义有关设置。关于这些命令的更多内容参见《ANSYSStructuralAnalysisGuide》的§8.4节。3.1.2.1注意要点分析可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析，应注意下列要点：Ÿ对模态分析，建议使用分块Lanczos求解器（缺省）求解4Ÿ对静力分析、全谐波分析和全瞬态分析，可选用稀疏矩阵(SPARSE)求解器，或雅可比共轭梯度（JCG）求解器。Ÿ对瞬态分析，TINTP命令(MainMenuPreprocessor-Loads-Time/FrequencTimeIntegration)指定ALPHA=0.25，DELTA=0.5，THETA＝0.5Ÿ预应力谐波分析只能用小挠度分析。3.1.2.2介电系数、压电矩阵和弹性系数矩阵压电模型需要的材料特性有介电常数（或叫电容率）、压电矩阵和弹性系数矩阵。下面还要对此说明。3.1.2.3介电系数矩阵（介电常数）用MP命令(MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsElectromagneticsRelativePermittivityOrthotropic)说明PERX、PERY和PERZ。（参见EMUNIT命令关于自由空间介电常数的说明）。这些常数分别表示的是介电系数矩阵[ε]s（上标“s”表示常数值是用常值应变值计算得到的）的对角分量ε11,ε22,ε33。3.1.2.4压电矩阵可以定义[e]型（压电应力矩阵）或[d]型（压电应变矩阵）的压电矩阵。[e]型矩阵典型地与刚度矩阵[c]的各向异性弹性输入有关，而[d]矩阵与柔度矩阵[s]的输入相关。注意－ANSYS将会在首先定义温度的弹性矩阵将压电应变矩阵[d]转变为压电应力矩阵[e]。用TB，ANEL命令（不是MP命令）定义转换的弹性矩阵。介电常数必须按常应变输入。无论定义[e]型（压电应力矩阵）或[d]型（压电应变矩阵）的压电矩阵都要求常应变值。如果介电常数是在常应力处，必须将其转变为常应变的值。用TBLIST，PIEZ命令显示转变的数据。注意常应力和常应变对应介电常数的不同。要获得常应变值，从常应力值减去差值。这个6×3（二维模型为4×2）的矩阵联系电场与应力（[e]矩阵）或应变（[d]矩阵）。[e]矩阵和[d]矩阵使用下列数据表输入：用TB,PIEZ和TBDATA命令定义[e]矩阵，要了解用于定义压电矩阵；这些常数的输入顺序请参见《ANSYSCommandsReference》。通过GUI定义压电矩阵：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsPiezoelectricsPiezoelectricmatrix5大多数已公布的压电材料的[e]矩阵数据都是基于IEEE标准（参见ANSI/IEEEStd176-1987）按照x,y,z,yz,xz,xy的顺序，而ANSYS的输入数据是按照x,y,z,xy,yz,xz的顺序。也就是说，输入该参数时必须通过改变剪切项的行数据以转换到ANSYS数据格式。Ÿ将IEEE常数[e61,e62,e63]输入为ANSYS的xy行Ÿ将IEEE常数[e41,e42,e43]输入为ANSYS的yz行Ÿ将IEEE常数[e51,e52,e53]输入为ANSYS的xz行分页3.1.2.5弹性系数矩阵[c](或[d])该矩阵为6×6矩阵（对2-D模型是4×4矩阵），它说明刚度系数（[c]矩阵）或柔度系数([s]矩阵)。注意－本节按IEEE标准表示弹性系数矩阵[c]。这个矩阵在ANSYS帮助中的其他部分也指[D]矩阵。弹性系数矩阵用下列数据表输入：使用TB,ANEL和TBDATA命令确定系数矩阵([c]（或[s]取决于TBOPT的设定）；要了解一些常数的输入顺序请参见《ANSYSCommandsReference》。和上面介绍的压电矩阵的情况类似，已公布的大多数压电材料的[c]矩阵的参数顺序和ANSYS不同，需要将IEEE矩阵转换成ANSYS输入顺序，按下面交换剪切项行和列的顺序：将IEEE项[c61,c62,c63,c66]输入为ANSYS的xy行将IEEE项[c41,c42,c43,c46,c44]输入为ANSYS的yz行将IEEE项[c51,c52,c53,c56,c54,c55]输入为ANSYS的xz行6输入[c]矩阵的另一种方法是定义杨氏模量（用MP,EX命令）和泊松比（用MP,NUXY命令）和／或剪切模量（用MP,GXY命令），（参见《ANSYSCommandsReference》MP命令更多的信息）。通过GUI定义：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinearElasticOrthotropic3.1.3磁－结构分析ANSYS/Multiphysics软件包支持磁－结构分析，该分析用以确定作用到载流导体和磁性材料上的磁力以及因此而导致的结构变形。一般应用要计算稳态或瞬态磁场造成的力、结构变形及应力，从而了解对结构设计的影响。典型的应用包括导体的脉冲励磁、瞬态磁场造成的结构振动、螺线管制动器的衔铁运动以及金属的磁成形。只能用下列单元类型来进行磁－结构直接分析：PLANE13耦合场四边形实体单元SOLID5耦合场六面体单元SOLID62磁－结构六面体单元SOLID98耦合场四面体单元3.1.3.1注意要点分析既可以是稳静态的，也可是瞬态的，它与静态或瞬态磁场分析的步骤基本一样（见《ANSYSElectromagneticFieldAnalysisGuide》）。应注意以下要点：ŸPLANE13和SOLID62用矢势方法，适用于静态和瞬态分析；SOLID5和SOLID98用标势方法，仅适用于静态分析。注意－如果模型中含