ANSYS耦合场分析指南

ANSYS耦合场分析指南第一章耦合场分析1.1耦合场分析的定义耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。1.2耦合场分析的类型耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。1.2.1顺序耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。1.2.2直接耦合方法直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。1.2.3直接法与顺序法的应用场合对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。因为两个分析之间是相对独立的。例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。可以将瞬态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。顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。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，流体流动的共轭传热分析，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间的相互作用。参见本手册中第五章关于声学的更多信息。参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》中关于加载的更多信息。1.3单位制在ANSYS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。对电磁场分析，参见《ANSYSCommandsReference》中EMUNIT命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。对微电机械系统（MEMS），用更合适的单位制建立模型会更加方便，因为MEMS部件通常大小为几微米。为方便，表1-1到1-8列出从标准的MKS转换到µMKSV及µMSVfA及的转换系数。表1-1力学从MKS到uMKSV的转换系数力学参数MKS单位量纲乘以此数获得µMKSv单位量纲长度mm106µmµm力N(kg)(m)/(s)2106µN(kg)(µm)/(s)2时间ss1ss质量kgkg1kgkg压力Pa(kg)/(m)(s)210-6MPa(kg)/(µm)(s)2速度m/sm/s106µm/sµm/s加速度m/(s)2m/(s)2106µm/(s)2µm/(s)2密度kg/(m)3kg/(m)310-18kg/(µm)3kg/(µm)3应力Pakg/(m)(s)210-6MPakg/(µm)(s)2杨氏模量Pakg/(m)(s)210-6MPakg/(µm)(s)2功率W(kg)(m)2/(s)31012pW(kg)(µm)2/(s)3表1-2热学从MKS到uMKSV的转换系数热参数MKS单位量纲乘以此数获得µMKSv单位量纲导热系数W/m°K(kg)(m)/°(K)(s)3106pW/(µm)(°K)(kg)(µm)/(°K)(s)3热通量W/(m)2kg/(s)31pW/(µm)2kg/(s)3比热J/(kg)(°K)(m)2/(K°)(s)21012pJ/(kg)(°K)(µm)2/(°K)(s)2热流W(kg)(m)2/(s)31012pW(kg)(µm)2/(s)3单位体积的热生成W/m3(kg)/(m)(s)310-6pW/(µm)3kg/(µm)(s)3对流系数W/(m)2°Kkg/(s)21pW/(µm)2°Kkg/(s)2动力粘度kg/(m)(s)Kg/(m)(s)10-6kg/(µm)(s)kg/(µm)(s)运(m)2/s(m)2/s1012(µm)2/s(µm)2/s动粘度表1-3电学从MKS到uMKSV的转换系数电学参数MKS单位量纲乘以此数获得µMKSv单位量纲电流AA1012pApA电压V(kg)(m)2/(A)(s)31V(kg)(µm)2/(pA)(s)3电荷C(A)(s)1012pC(pA)(s)电导率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3106pS/µm(pA)2(s)3/(kg)(µm)3电阻率Ωm(Kg)(m3/(A)2(s)310-6TΩµm(kg)(µm)3/(pA)2(s)3介电常数[1]F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3106pF/µm(pA)2(s)2/(kg)(µm)3能量J(kg)(m)2/(s)21012pJ(kg)(µm)2/(s)2电容F(A)2(s)4/(kg)(m)21012pF(pA)2(s)4/(kg)(µm)2电场V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/µm(kg)(µm)/(s)3(pA)电通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)21pC/(µm)2(pA)(s)/(µm)21.自由空间的介电常数为8.854x10-6pF/µm.表1-4磁场从MKS到uMKSV[1]的单位制转换磁场参数MKS单位量纲乘以此数获得µMKSv单位量纲磁通量Weber(kg)(m)2/(A)(s)21Weber(kg)(µm)2/(pA)(s)2磁通量密度Teslakg/(A)(s)210-12Teslakg/(pA)(s)2场强A/mA/m106pA/µmpA/µm电流AA1012pApA电流密度A/(m)2A/(m)21pA/(µm)2pA/(µm)2磁导率[2]H/m(kg)(m)/(A)2(s)210-18TH/µm(kg)(µm)/(pA)2(s)2电感H(kg)(m)2/(A)2(s)210-12TH(kg)(µm)2/(pA)2(s)21.只有不变的磁导率才能用这些单位2.自由空间的磁导率为4πx10-25TH/µm表1-5力学从MKS到uMSVfA的转换系数力学参数MKS单位量纲乘以此数获得µMsvfa单位量纲长度mm106µmµm力N(kg)(m)/(s)2109nN(g)(µm)/(s)2时间ss1sS质量kgkg103gG压力Pa(kg)/(m)(s)210-3kPag/(µm)(s)2速度m/sm/s106µm/sµm/s加速度m/(s)2m/(s)2106m/(s)2µm/(s)2密度Kg/(m)3kg/(m)310-15g/(µm)3g/(µm)3应力Pakg/(m)(s)210-3kPag/(µm)(s)2杨氏模量Pakg/(m)(s)210-3kPag/(µm)(s)2功率W(kg)(m)2/(s)31015fW(g)(µm)2/(s)3表1-6热学从MKS到uMSVfA的转换系数热参数MKS单位量纲乘以此数获得µMsvfa单位量纲导热系数W/m°K(kg)(m)/(°K)(s)3109fW/(µm)(°K)(g)(µm)/(°K)(s)3热通量W/(m)2kg/(s)3103fW/(µm)2g/(s)3比热J/(kg)(°K)(m)2/(°K)(s)21012fJ/(g)(°K)(µm)2/(°K)(s)2热流W(kg)(m)2/(s)31015fW(g)(µm)2/(s)3单位体积的热生成W/m3(kg)/(m)(s)310-3fW/(µm)3g/(µm)(s)3对流系W/(m)2°Kkg/(s)2103fW/(µm)2°Kg/(s)2动力粘度Kg/(m)(s)kg/(m)(s)10-3g/(µm)(s)g/(µm)(s)运动粘(m)2/s(m)2/s1012(µm)2/s(µm)2/s度表1-7电学从MKS到uMSVfA单位制的转换系数电学参数MKS单位量纲乘以此数获得µMsvfa单位量纲电流AA1015fAfA电压V(kg)(m)2/(A)(s)31V(g)(µm)2/(fA)(s)3电荷C(A)(s)1015fC(fA)(s)电导率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3109nS/µm(fA)2(s)3/(g)(µm)3电阻率Ωm(kg)(m3/(A)2(s)310-9-(g)(µm)3/(fA)2(s)3介电常数[1]F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3109fF/µm(fA)2(s)2/(g)(µm)3能量J(kg)(m)2/(s)21015fJ(g)(µm)2/(s)2电容F(A)2(s)4/(kg)(m)21015fF(fA)2(s)4/(g)(µm)2电场V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/µm(g)(µm)/(s)3(fA)电通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)2103fC/(µm)2(fA)(s)/(µm)21．自由空间的介电常数为8.854x10-6pF/µm.表1-8磁场中从MKS到uMKSVfA[1]的转换系数磁场参数MKS单位量纲乘以此数获得µMKSv单位制量纲磁通量Weber(kg)(m)2/(A)(s)21Weber(g)(µm)2/(fA)(s)2磁通量密度Teslakg/(A)(s)210-12-g/(fA)(s)2场强A/mA/m109fA/µmfA/µm电流AA1015fAfA电流密度A/(m)2A/(m)2103fA/(µm)2fA/(µm)2磁导率[2]H/m(kg)(m)/(A)2(s)210-21-(g)(µm)/(fA)2(s)2电感H(kg)(m)2/(A)2(s)210-15-(g)(µm)2/(fA)2(s)21.只对不变的磁导率才可以使用此单位制。2.自由空间的磁导率为4πx10-28(g)(µm)/(fA)2(s)2.1.4GUI路径及命令语言贯穿于本手册，你将会看到对ANSYS命令及其相应GUI路径的引用。这种引用只是针对命令的名称，因为不必总是需要指定命令所有变量，指定命令变量的组合执行不同的功能。对完整的ANSYS命令的语法，查询《ANSYSCommandsReference》。GUI路径则尽可能显示完整。因为很多情况下，选择GUI路径将执行你想要进行的操作。另外的情况，选择本手册指示的GUI路径会出现菜单会对话框；从该处，必须选择额外的选项才能适合于具体执行的任务。对本指南中所有的分析类型，指定要模拟的材料使用直观的材料模型定义界面。这个界面使用分等级的树型材料分类，意在助你选择正确的分析模型。参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》中的1.2.4.4材料模型界面一节。第二章顺序耦合场分析2.1什么是顺序多场耦合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。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。有些情况只使用“单向”耦合。例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，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，结构单元用于计算应力和变形。一个较复杂的情况是感应加热问题，交流电磁场分析计算出焦耳热生成的数据，瞬态热分析用于预测时间相关的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明显变化的，造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种物理分析的反复进行。顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分析是完全耦合的，那么第二个物理分析的结果又会影响第一个物理分析的输入。全部载何可分为以下两类：Ÿ基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这