耦合场分析ANSYS

1、耦合场分析（ANSYS）刘 恒第一章 引言:有限元分析与ANSYS第二章 耦合场分析简介第三章 顺序耦合场分析第四章 顺序耦合场分析第五章 热-应力分析第六章 APDL 基础第七章ANSYS常识耦合场分析ANSYS讲义刘恒 目录第 一 章引言：有限元分析与ANSYS耦合场分析ANSYS讲义刘恒A. 什么是有限元分析？B. 关于ANSYSC. 关于ANSYS公司一、引言：有限元分析与ANSYS耦合场分析ANSYS讲义刘恒有限元分析是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载 条件下的设计响应的方法。它是用被称之为“单元”的离散的块体来模拟设计。每一个单元都有确定的方 程来描述在一定荷载下的 响应。模型中所有单元响应的“和 ”给出了设计的总体响应。单元中未知量的个数是有 限的，因此称为“有限单元 ”。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s. The und

2、erlying theory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.A.什么是有限元分析?耦合场分析ANSYS讲义刘恒这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似具有 无限未知量的实际系统的响应。所以问题是：怎样才能达到最好的“近似”？实际系统有限元模型然而，对该问题还没有一 个容易的解决方案。这完 全依赖于你所模拟的对象 和模拟所采用的方式。但 是，我们将尽力通过这次 培训为你提供指南。A.什么是有限元分析?耦合场分析ANSYS讲义刘恒为什么需要有限元分析？减少模型试验的数量计算机模拟容许对大量的假设情况进行快速有效 的试验。模拟不适合在原型上试验的设计。例如：器官移植，比如人造膝盖。概要:节省费用节省时间 缩短产品开发时间!创造出更可靠、高品质的设计A.什么是有限元分析?耦合场分析ANSYS讲义刘恒ANSYS是一个完整的FEA软件包，它适合世界范围各个工程领域的工

3、程 师们使用: 结构分析热分析流体分析，包括CFD（计算流体动力学）电 / 静电场分析电磁场分析ANSYS在部分工业领域中的应用如下：航空航天汽车工业生物医学桥梁、建筑电子产品重型机械微机电系统运动器械B.关于ANSYS耦合场分析ANSYS讲义刘恒ANSYS/Multiphysics 是ANSYS产品的“旗舰”，它包括所有工 程学科的所有性能ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品ANSYS/Mechanical - ANSYS/机械-结构及热ANSYS/Emag -ANSYS电磁学ANSYS/FLOTRAN - ANSYS计算流体动力学其它产品:ANSYS/LS-DYNA -高度非线性结构问题DesignSpace CAD环境下，适合快速分析容易使用的设计 和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的ANSYS 分析接口。B.关于ANSYS耦合场分析ANSYS讲义刘恒ANSYS/ANSYS/ StructuralStructuralANSYS/ANSYS/ ProfessionalProfessionalANSYS/ANSYS/ ProFEAProF

4、EADesignSpaceDesignSpaceANSYS/ANSYS/ EDEDANSYS/ANSYS/ UniversityUniversityANSYS/ANSYS/ PrepPostPrepPostANSYS/ ANSYS/ MultiphysicsMultiphysicsANSYS/ ANSYS/ FLOTRANFLOTRANANSYS/ANSYS/ EmagEmagANSYS/ANSYS/ LS-DYNALS-DYNAANSYS/ANSYS/ MechanicalMechanicalB.关于ANSYS耦合场分析ANSYS讲义刘恒超弹密封结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。 静力分析用于静态荷载.可以考虑结构的线 性及非线性行为，例 如：大变形、大应变 、应力刚化、接触、 塑性、超弹及蠕变等.B.关于ANSYS耦合场分析ANSYS讲义刘恒动力分析包括质量和阻尼效应。模态分析，用于计算固有频率和振型。谐响应分析，用于确定结构对正弦变化的已知幅值和频率载荷的响应。瞬态动力学分析，用于确定结构对随时间任意变化载荷的响应，可以考 虑与静力分析相同的结构非线性行为。其它结构功能谱分

5、析随机振动特征值屈曲子区模型耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYSJanuary 30, 2001 Inventory #001441 2-13用ANSYS/LS-DYNA进行显示动力分析模拟以惯性力为主的大变形分析。用于模拟冲击、碰撞、快速成形等。耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS热分析热分析用于确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理 量是：热量的获取和损失、热梯度、热通量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。稳态分析忽略时间效应瞬态分析确定以时间为函数的温度值 等。可模拟相变（熔化及凝固）耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS电磁分析电磁分析用于计算电磁装置中的磁场静态磁场及低频电磁场分析模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的 磁场。例如：螺线管制动器、 电动机、变压器磁场分析中考虑的物理 量是：磁通量密度、磁 场密度、磁力和磁力矩 、阻抗、电感、涡流、 能耗及磁通量泄漏等。耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYSJanuary 30, 2001 Inventory #001441 2-16高频电磁场分析模拟电磁波的传播装

6、置例如：微波及RF无源组件、波导、同轴连接器。电磁场分析中考虑的物理量是：S-参数、Q-因子、反 射波损耗、电介质及传导损耗同轴电缆中的电场 (EFSUM) 耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS静电学计算由电压或电荷激发引起的电场。例如：高压装置，微机电系统（MEMS），传输线。典型的物理量是：电场强度和电容。电流传导计算在一定电压下的导体的电流电路耦合电磁装置与电路的耦合耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS电磁分析类型:静态磁场分析用于计算由直流电(DC)或永磁体产 生的磁场。交变磁场分析用于计算由交流电(AC)产生的磁场瞬态磁场分析用于计算随时间变化的磁场。耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS计算流体动力学(CFD)用于确定流体中的流动状态和温度。ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可 压缩流体，以及多组份流。应用：航空航天，电子元件封装，汽车设计。典型的物理量是：速度，压力，温度，对流换热系数。耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS声学分析用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。例如：扬声器，汽车内部，声纳典型的物理量

7、是：压力分布、位移和自振频率。容器内流体分析模拟容器内的非流动流体的影响，确定由于晃动引起 的静水压力。例如：油罐，其它液体容器热和质量的传输在两点之间质量传输（如在一个管子中）产生的热量 计算由一个一维单元完成耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYS双金属片受热变形耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因 为两个物理场之间相互影响，所以单独求解一个物理场 是不可能的。因此你需要一个能够将两个物理场组合到 一起求解的分析软件。例如：热-应力分析压电分析（电场和结构）声学分析（流体和结构）热-电分析感应加热（磁场和热）静电-结构分析耦合场分析ANSYS讲义刘恒 B.关于ANSYSANSYS公司ANSYS产品家族的开发者总部位于Canonsburg, PA - USA （匹兹堡南 部）C.关于ANSYS公司耦合场分析ANSYS讲义刘恒January 30, 2001 Inventory #001441 2-23ANSYS支持销售商(ASDs) ANSYS销售及支持网络全世界超过75家办事处 地区级专家咨询及培训C.关于ANSYS公司耦合场分析ANSYS讲义刘恒ANSYS 支

8、持管理 (ASC)在您公司站点与ANSYS联系ANSYS通信的焦点；软件更新、错误提示、时事通讯和 其它邮件形式。如果您需要更多有关ANSYS及其公司的信息，请查看： 在线文档资料其它ANSYS培训手册C.关于ANSYS公司耦合场分析ANSYS讲义刘恒第 二 章耦合场分析简介耦合场分析ANSYS讲义刘恒耦合场分析ANSYS讲义刘恒 耦合场分析简介耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了 两种或者多种工程学科物理场的交叉作用和相互影 响耦合。例如，压电分析考虑了结构和电场的相互 作用，它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电 压分布问题，反之亦然；其他的耦合场分析还有热- 应力耦合分析、热-电耦合分析、流体-结构耦合分析 、磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。耦合场分析ANSYS讲义刘恒耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的 耦合作用，但是耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法 “序贯耦合方法和直接耦合方法”： l序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分 析，它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的 载荷来实现两种场的耦合的，例如

9、序贯热-应力耦合分析 是将热分析得到的节点温度作为体力载荷施加在后序的应 力分析中来实现耦合的； l直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型 ，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情 形下耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载 荷向量来实现的，例如利用单元SOLID5、PLANE13或 SOLID98可直接进行压电分析。耦合场分析简介耦合场分析ANSYS讲义刘恒直接耦合解法或序贯耦合解法的用途 l 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法 更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析 。例如对于序贯热-应力耦合分析可以先进行非线性瞬态热 分析，再进行线性静态应力分析，而后我们可以用热分析 中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析 ，这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间 进行、直到结果收敛到所需要的精度； l 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时 更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结 果。直接耦合解法的例子很多，压电分析伴随流体流动的 热传导问题以及电路-电磁场耦合分析求解这类耦合场相互 作用问题都有专门的单元供直接选用 。耦合场分析简介耦合场分析ANSYS讲义刘恒单位制在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ANSYS Commands Reference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MKSV 及 MSVfA及的转换系数。耦合场分析简介耦合场分析ANSYS讲义刘恒力学参数MKS 单位量纲乘以此数获得

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