第二章 顺序耦合场分析

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：

?基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫名义边界条件； ?耦合载荷，是其它物理分析的结果。 典型ANSYS顺序耦合分析应用包括： ?热应力； ?感应加热 ?感应搅拌

?稳态流体－结构耦合 ?磁－结构耦合 ?静电－结构耦合 ?电流传导－静磁

ANSYS程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合分析，使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理意义在不同的物理分析中是不同的，这就用到物理环境的概念。

2.2什么是物理环境？

ANSYS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物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个ASCII文件，用以下方法创建：

Command: PHYSICS, WRITE, TITLE, FILENAME, EXT, DIR GUI: Main Manu: Preprocessor>Physics Environ Main Manu: Solution>Physics Environ

针对一个具体的工作名可以定义多达9个物理环境。在physics命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。ANSYS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部分。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在/Title命令中（Utility Menu>File>Create Title）设定的标题区分开。

Physics, Write命令创建物理环境文件（例如Jobname, PH1）,并将ANSYS数据库中的如下信息写入这个文件：

?单元类型及KEYOPT设定； ?实常数； ?材料属性； ?单元坐标系 ?求解分析选项； ?载荷步选项； ?约束方程； ?耦合节点集；

?施加的边界条件和载荷； ?GUI过滤设置； ?分析标题（/TITLE）；

使用PHYSICS，READ命令(Main Menu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)读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，ANSYS程序将清除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，分析选项，约束方程。

2.3一般分析步骤

进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。

对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图2－1为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含合适的实体模型，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数据库和结果文件中必须是一致的。

图2－2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。

图2－1间接法顺序耦合分析数据流程图

图2－2使用物理环境顺序耦合场分析数据流程

在创建ANSYS数据库时应该考虑所有物理环境的要求。在创建任何物理环境以前，要对每个面或体的区域赋予正确的单元类型编号、材料编号、实常数编号、单元坐标系编号（参阅AATT及VATT命令描述）。对于模型中某一面或体区域在不同物理环境中都是分析区域的一部分时要格外小心。例如，流体可能有磁特性。在流体分析中，流体的材料编号必须为1。如果不能这样作，必须修改必要的单元属性，再进行不同求解。要修改单元，使用如下命令：

Command: Emodif

GUI: Main Menu>Preprecessor>Modify Attrib

间接法，比较适用于单向顺序耦合，例如典型的热－应力分析。而物理环境方法允许在物理环境之间快速转换，对于在多个物理分析间需要全耦合多次求解的情况非常适用。大变形的稳态－流体结构耦合问题及感应加热是需要用物理环境方法的典型应用。

注意：数据库文件的大小在多次求解的过程中会不断增长，除非采取下列措施：

?在创建物理环境之后执行SAVE命令，并在每一次物理场求解后RESUME恢复数据库。

?不要将结果写入数据库中（只写到结果文件中）。当进行后处理时需要利用SET命令将数据从结果文件读到数据库中。要激活这个选项，执行/CONFIG，NOELAB，1命令或将“NO_ELDBW=1”插入到config60.ans文件中。

2.4在物理分析之间传递载荷

LDREAD命令在耦合场分析中联系不同的物理环境，使得在第一个物理环境中的分析结果作为载荷，传递到下一个物理环境中求解。

LDREAD命令从结果文件中读取数据并作为载荷施加，下表简要地解释了当LDREAD命令读取结果数据加载到另一分析中发生的数据转换。

表2－1结果通过LDREAD命令如何传递？

哪些分析的结果 热或FLOTRAN分析结果中的温度[TEMP] 稳态、谐波或瞬态磁场分析结果的力[FORC] 静电场分析结果中的力[FORC] 变为此类分析的载荷 结构分析中的体积载荷或热分析中的节点（温度）载荷 结构或FLOTRAN中作为力载荷 结构分析中作为力载荷 磁场分析结果中的焦耳热[HGEN] 热或FLOTRAN中作为体积载荷（热源） 电流传导分析结果中的源电流密度[JS] FLOTRAN分析结果中的压力[PRES] 任何分析结果中的反作用力[REAC] 在磁场分析中作为体载荷（电流密度） 在结构分析中（实体或壳单元）作为表面载荷（压力） 任何分析中的力载荷 FLOTRAN分析结果中的热通量[HFLU] 热分析中单元的表面载荷（热通量） 高频电磁分析中热通量[EHFLU] 体平均温度[HFLM] 2.4.1兼容的单元类型

热分析中单元的表面载荷（热通量） 平均温度） FLOTRAN分析结果中的对流系数及流在热分析中作为表面（对流系数及流体在不同物理环境中单元兼容的准则，有许多细则要确定。在深入了解这些细

则以前，需要弄清以下几个术语：

单元基本形状：

单元的基本形状具有缺省的配置，在ANSYS单元手册中有详细描述。对于实体单元，单元基本形状包括：四边形、三角形、六面体（砖块）、四面体。

单元退化形状：

许多单元可以从基本形状退化。例如四边形单元可以退化成三角形，六面体单元可以退化成楔形单元、四面体单元或金字塔形单元

单元阶次：

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