ANSYS耦合场分析指南第三章

1、ANSYS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中列岀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SOL

2、ID623-D磁结构单兀FLUID116热-流体管道单元PLANE67热电四边形单元LINK68热电线单元SOLID69热电六面体单兀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ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide 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

3、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ANSYSTheory Reference 。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

4、则为矩阵 ）磁-结构载荷矢量电一磁矩阵电一磁一热一结构载荷矢量电一磁一热载荷矢量压电矩阵热一压力矩阵和载荷矢量速度温度压力矩阵压力结构（声学）矩阵热一电载荷矢量磁热载荷矢量静电一结构载荷矢量电磁一电路矩阵电一结构一电路矩阵注意-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。ANSYS Structural Analysis Guide 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

5、行热-电分析、压电分析、磁-结构分析和电磁-结构 分析。3.1.1热一电分析在ANSYS/Multiphysics 和ANSYS/Professional 软件包中提供热一电分析功能，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3.1.1.1 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 A

6、NSYSThermal Analysis Guide )。应注意以下要点：? 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。? 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。?PLANE67单元假定为单位厚度，无法输入厚度参数。如果实际的厚度不均匀，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to? 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。? 如果问题收敛困难，激活线性搜索功能( LNSRCH )o3.1.2 压电分析

7、压电效应分析是一种结构一电场耦合分析。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

8、。对于SOLID5和SOLID98，KEY0PT(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 ANSYS Commands Reference 对这些命令的更多信息，参见ANSYS Structural Analysis Guide及ANSYS ，Inc. Th

9、eory Reference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ANSYSStructural Analysis Guide 的 §8.4 节。3.1.2.1 注意要点

10、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：? 对模态分析，建议使用分块 Lanczos 求解器(缺省)求解?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。?对瞬态分析，TINTP 命令（Main Menu>Preprocessor>-Loads-> Time/Frequenc>Time Integration） 指定 ALPHA = 0.25 , DELTA = 0.5 , THETA = 0.5?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

11、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（Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Electromagnetics>Relative Permittivity>Orthotropic） 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£（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

12、3;11, 22, 33。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 。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

13、去差值。这个6X3 （二维模型为4X2）的矩阵联系电场与应力（e矩阵）或应变（d矩阵）。矩阵和d矩阵使用下列数据表输入:.（3-D）X由1引2yZ31 为 2B1用TB,PIEZ和TBDATA命令定义矩阵，要了解用于定义压电矩阵；这些常数的输入顺序请参见ANSYS Commands Reference 。通过GUI定义压电矩阵：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Piezoelectrics>Piezoelectric matrix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A

14、NSI/IEEE Std 176-1987 ）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。?将IEEE常数e61, e62, e63输入为ANSYS的xy行?将IEEE常数e41, e42, e43输入为ANSYS的yz行?将IEEE常数e51, e52, e53输入为ANSYS的xz行Xy7X®13y岂1ANSYS e = Z旳133妁*2e43分页3.1.2.5弹性系数矩阵c（或d）该矩阵为6X6矩阵（对2-D模型是4X4矩阵），它说明刚度

15、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：yzxyXC11yC21 "2c (tc*D=zC31c32c33xyC41c42c43卩C52C53C54xzC61C 辰 C 说 C64（3-D）yz xzx yz xyXC11_yC55z百 C32C33c65c66." 沁和#c#.（2日亍使用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ANSYS Commands Reference 。和

16、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ANSYSceX,c11yc22ZC31c32匚3362©636642匸43C4/C51c52iwr输入c矩阵的另一种方法是定义杨氏模量

17、（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ANSYS Commands Reference MP命令更多的信息）。通过GUI定义：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Structural >Linear> ElasticOrthotropic3.1.3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

18、、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ANSYSElectromagnetic Field Analysis Guide ）。应注意以下要点：?PLANE13和SOLID62用矢势方法，适用于静态和瞬态分析；SOLID5和SOLID9

19、8用标势方法，仅适用于静态分析。注意如果模型中含有 SOLID62单元，不能使用PCG求解器。?如果结构变形反过来又影响磁场变化，这属于高度非线性分析，需要打开大变形效应（适用于 PLANE13和SO LI D62单元），而且需用较多载荷步和斜坡（ramp ）加载方式。同时，还需要用空气单元 将变形体包围起来，而且空气材料应具有通常的结构特性参数，这是由于空气单元要能吸收”物体的变形。通过自由度约束的方式固定空气区域的外部。?可对运动幅度很小的物体（如螺线管中的衔铁）可进行动态分析，运动幅度很小表示物体的运动以 及周围的空气区网格扭曲较小。给周围的空气单元赋予非常柔的结构特性。同时，一定要关闭

20、空气单元的 额外形函数（extra shape functions ）。自动时间步长功能对系统的质量和刚度非常敏感。用 TINTP命令6调整GAMMA参数(可以为1.0)以阻尼掉数值噪声。关掉自适应下降(adaptive descent)选项以及使用基于力(F)和矢势(A)的收敛判据都有助于问题收敛。3.1.4电子机械分析静电一机械耦合分析用于计算机械设备中由于静电场引起的力。通常，这种类型的分析用以仿真微电 机设备(MEMS )，如：梳状驱动器、开关、过滤器、加速计、扭力镜等。 ANSYS Theory Reference 对静电-结构换能器单元 TRANS126有详细介绍，还描述了在有限元

21、分析中如何获取开放边界问题的电容。 本手册§261节描述了用于对分布式有限元模型进行静电-结构耦合分析的耦合求解器工具，该方法采用 序列耦合技术在静电分析和结构分析之间进行迭代求解以获得收敛解，从该收敛解中，可以得到结构变形、应力、静电场和电容。本节描述用TRANS126换能器单元的直接耦合静电结构分析。该单元是一个 降阶”单元，可用以在结构有限元分析或集中参数电子机械设备仿真中作换能器。降阶”意指电子机械设备的静电特征被以在一个位移范围上的电容表示出来，并用一个简单的梁一样的单元来处理。ANSYS Elements Reference和ANSYS, Inc. Theory Refe

22、rence 对该单元有详细的描述。图 3.1描述了一个在静电分析中计算设备 电容、计算在一个运动范围(图中的参数 d)内的设备电容、并合并这些结果以作为换能器单元的输入参 数的典型过程。图3- 1提取电容的步骤TRANS126是一个对电子机械设备静电响应和结构响应进行完全耦合计算的单元，因为是全耦合，故可以将其有效地用于静态、谐波、瞬态和模态分析。非线性分析可以使用全系统切线刚度矩阵，小信号谐 波扫描和自然频率反映了耦合的全系统行为。在有X方向运动的情况下，设备上的电荷与施加在设备上的电压的关系为：Q= C (x)(V)此处V为设备电极上的电压，C (x)为电极间的电容(为 x的函数)，Q为电

23、极上的电荷。与电荷相关的电流为：I = dQ/dT = (dC(x)/dx) (dx/dt) (V) + C(x) (dV/dt)此处(dC(x)/dx) (dx/dt) (V)项为运动导致的电流，C(x) (dV/dt)项为电压变化引起的电流。电极之间的静电力由下式给岀：F = (1/2) (dC(x)/dx) (V)由上式可见，设备在一个运动范围上的电容表征了该设备的电动机械响应。很多MEMS装置使用梳状结构作为电容，静电、惯性、机械力确定设备的运动。如图3- 2所示，可以用由机械弹簧、阻尼器及质量单元（ C0MBIN14 , COMBIN39 , MASS21及机 电换能器单元（TRAN

24、S126 ）组成的降阶模型分析 MEMS装置。换能器单元转换从静电域产生的能量到机 械区域。它代表了设备的电容在一个方向的响应运动。9图3 - 2降阶模型可以用EMTGEN命令在一个移动结构的表面及一个平面（如地平面）间产生一系列TRANS126单元。这样布置允许对间隙与结构的所有表面相比较小时对静电-结构进行全耦合模拟。典型应用包括加速度计、开关及微镜装置。参见 ANSYS Commands Reference 中EMTGEN命令的说明。TRANS126单元支持在节点 X、丫和Z方向上的运动，可以联合多个单元来表示设备的全三维平移响 应。因而，可以用一个完全表征了耦合电子机械响应的降阶单元来

25、模拟一个静电驱动结构。可以将换能器单元连接在二维或三维有限元结构模型中以对大信号静态和瞬态分析以及小信号谐波和模态分析进行复杂计算。本手册§3.4节就是一个用TRANS126换能器单元进行电子机械分析的例子。分页3.141静态分析3-3给机电换能器对于静态分析，施加在换能器上的电压将产生一个作用在结构上的力。例如如图 单元（TRANS126 ）施加电压（V>V）将产生静电力使扭梁旋转。转换器单元本身就同时具有稳定和非稳定解，根据开始位置（初始间隙值），该单元可以收敛到任一 个解静电换能器的静平衡可能是不稳定的。增加电压电容板间的吸力增加间隙减少。对间隙距离d,弹簧的恢复力正比于

26、1/d静电力正比于1/d2。当电容间隙减少到一定值，静电吸引力大于弹簧恢复力电容板贴 在一起。相反地，当电压减小到一定值，静电吸引力小于弹簧恢复力电容板张开。如图3-4换能器单元有迟滞现象。电压渐变到牵引值然后回复到释放值。RELEASE PULL-IN FKSfia 磺图3-4机电迟滞5址柜PULLINRELEASEPULLTN T進如图及3-5换能器单元本身有稳定及非稳定解。该单元收敛到哪一个解依赖于起始位置（初始间隙 大小）。图3-5 TRANS126 单元静态稳定特性系统刚度由结构刚度和静电刚度组成，它可能是负的。结构刚度是正的因为当弹簧拉长力增加。但是 平行板电容器的静电刚度是负的。

27、随间隙增加平行板间的吸力减少。如果系统刚度是负的，在接近不稳定解时可能有收敛问题。如果遇到收敛问题，用增强的刚度方法（KEYOPT （6）= 1）。这个方法静电刚度设置为零保证正的系统刚度。达到收敛之后，静电刚度自动重 新建立可以进行后处理及后续的分析。在静态分析中，必须完整定义横跨换能器的电压。还可以施加节点位移和力，使用 IC 命令来施加初 始位移可有助于问题收敛。 ANSYS Structural Analysis Guide 第二章对静力分析有详细描述。3.1.4.2 模态分析可以执行一个预应力模态分析来确定系统的特征频率。对于很多设备，人们感兴趣的是当在换能器电 极上施加直流电压时，

28、其频率会变化。这种效应可以如此进行分析：先在换能器上施加直流电压并进行一 次静态分析，然后在结构上进行一次 “预应力 ”模态分析。如果在换能器的一个节点上未定义电压，则 TRANS126 单元需要用非对称特征值求解器 （MODOPT,UNSYM） 来进行模态分析。如果换能器单元有完整 描述的电压（在两个节点上），则问题就变成对称的了。在此情况下，对换能器单元设置 KEYOPT（3） = 1 并选择一个对称特征值求解器 （MODOPT,LANB） 来求解。（ MODOPT ，LANB 是缺省的）。 ANSYS Structural Analysis Guide 第三章对模态分析和预应力模态分析的

29、过程有详细描述。3.1.4.3 谐波分析结合使用转换器单元以提供小信号交流电压，可以仿真结构的预应力全谐波分析。同样，机械激振结 构将在转换器内产生电压和电流。在小信号谐波分析之前，必须进行一次静态分析。通常，设备都是在直 流偏压和小信号交流电压下工作，对直流偏压进行小信号激励仿真本质上就是在一个静态分析（施加直流 电压）后再加一个全谐波分析（施加交流激励）。在调整诸如过滤器、谐振器和加速计等设备的共振频率 时，通常需要用到该分析功能。 ANSYS Structural Analysis Guide 的第四章对模态分析和预应力谐波 分析的过程有详细描述。3.1.4.4 瞬态分析在复杂结构有限元

30、模型上附加一个换能器单元可以进行全瞬态分析。 可以在换能器单元或结构模型上 施加一个任意的大信号时变激励以进行全耦合的瞬态电子机械响应分析。可以同时将电压和电流作为电信 号载荷， 将位移或力作为机械载荷。 在定义初始的电压和位移条件时要小心， 可用 IC 命令同时定义电压和 电压率（IC命令的VALUE1和VALUE2域）以及位移和速度。另夕卜，可以用CNVTOL命令定义电压（VOLT ） 和/或电流（AMPS ）以及位移U）和/或力（F）的收敛容差。可以在分析中包含线性和非线性影响。对于 全瞬态分析， ANSYS Structural Analysis Guide 的第五章对全瞬态分析有更多

31、信息。3.2 热结构分析实例（ GUI 方法）本例中进行一个双金属梁在热载荷作用下的直接耦合场分析。3.2.1 问题描述双金属梁由两种不同热膨胀系数ai及a的材料组成。初始参考温度为 0°F。梁的二面温度均匀，预计梁承受较大横向挠度。试计算加热后中央部分的挠度和材料边界处的温度。3.2.2 问题说明材料特性：对两种材料：k1 = k2 = 5 BTU/hr-in- F °对材料1 :E1 = 10e6 psia 仁 145e-6 in/in F °对材料2 :E2 = 10e6 psia 2= 2.5e-6 in/in F °几何特性为：L = 10 i

32、nt = 0.1 in载荷为：Ttop = 400.0F°Tbot = 400.0F°这个问题是对称的，所以只需为梁建一半模型。不要说明材料的磁特性，这样分析就不考虑AZ自由度。采用力收敛准则缩小收敛容差使大挠度行为收敛。分页323问题草图to3.2.4分析步骤3.2.4.1步骤1:说明题目并设置参考项1 .选择菜单 Utility Menu>File>Change Title 。2 .输入标题"Bimetallic beam under thermal load"3. 按 OK。324.2步骤2:定义单元类型，出现单元类型对话框。出现定义材

33、料模型属性对1 选择菜单 Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete 2按 Add ，出现单元类型库对话框。3 在左边的卷轴区内选择 Coupled Field 。4 在右边的卷轴区内选择 Vector Quad 13 。5按 OK 。6按 Options ，出现 PLANE13 单元类型选项对话框。7在单元自由度的卷轴区内选择UX UY TEMP AZ 。8 在单元行为卷轴区内选择Plane stress 。9 .按 OK，再按 Close。3.2.4.3 步骤 3: 定义材料特性1. 选择菜单 Main Men

34、u>Preprocessor>Material Props>Material Models话框。2. 材料属性窗口，双击下列选项： St ructural,Linear,Elastic,Isotropic 。出现对话框3. 在 EX （弹性模量）栏中输入 10e6 。按 OK 说明材料号为 1。4. 在可用材料窗口中双击下列选项： Thermal Expansion Coef,Isotropic. 出现对话框。5. 在 ALPX （热膨胀系数）栏中输入 14.5e-6 。点击 OK 。6. 在可用材料窗口中双击下列选项： Thermal ， Conductivity,Isot

35、ropic 。出现对话框。7. KXX （热导率）输入 5，按 OK。8. 选择菜单路径 Edit>Copy 将材料号 1 模型拷贝到材料模型号 2 ，材料模型 2 出现在左边已定义材 料模型中。9. 在左边已定义材料模型中，双击材料模型号 2 的 Thermal Expansion（iso） 出现完整对话框。10 . ALPX栏中数值改为输入 2.5e-6。点击 OK。11 点击菜单路径 Material>Exit 离开材料定义对话框。3.2.4.4 步骤 4: 创建并粘接矩形面1 选择菜单 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Creat

36、e> -Areas-Rectangle>By Dimensions，出现创建矩形对话框。2 .对X和Y坐标分别输入0, 5和0,.05。用TAB键在域间切换。3按 Apply 。4 .对X和Y坐标分别输入0, 5和.05,.10，再按OK。5选择菜单 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate> -Booleans-Glue>Areas，出现粘贴 （Glue）面拾取菜单。6按 Pick All 。7选择菜单 Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define> Picke

37、d Areas 。8在图形窗口中，按最上面的矩形（粘贴操作后为面3），再按拾取菜单中的 OK ，出现面特性对话框。9在材料号域中输入 2 后再按 OK3.2.4.5 步骤 5: 设置单元密度并剖分网格，出现全1 选择菜单 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls> -ManualSize-Global -Size局单元大小对话框2 在 element divisions 域中输入 1 ，再按 OK 。3 选择菜单 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh> -Areas-Free

38、，出现剖分面拾取菜单 4按 Pick All 。5按 ANSYS 工具条中的 SAVE_DB 。3.2.4.6 步骤 6: 设置边界条件和初始温度1 选择菜单 Utility Menu>Select>Entities 。2在上面的卷轴区内选择 Nodes 。3 在第二个卷轴区内选择 By Location 。4 选择 X coordinates ，再在 Min,Max 域中输入 0。5按 Apply 。6 选择 Y coordinates 和 Reselect 。7在 Min, Max 域内输入 .05 ，再按 OK。8 选择菜单 Main Menu>Solution>

39、-Loads-Apply>-Structural- Displacement>On Nodes，出现给节点加约束条件拾取菜单。9按 Pick All ，出现给节点加约束条件对话框。10 选择 UY 为约束自由度，再按 OK 。11 选择菜单 Utility Menu>Select>Entities 。12 选择 X coordinates ，按 From Full ，在 Min,Max 域中输入 5，最后按 OK 。13 选择菜单 Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural- Displacement>

40、 -Symmetry B.C.-On Nodes ，出现给节点加对称边界条件对话框。14 按 OK ，接受对称面的缺省值为垂直于 X 轴。15 选择菜单 Utility Menu>Select>Everything 。16 选择菜单 Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural- Displacement>On Nodes，出现给节点加约束条件拾取菜单。17按 Pick All ，出现给节点加约束条件对话框。18 不选 UY 而选择 Temp 。19在 displacement value 域中输入 400 ，再按

41、OK 。分页3.2.4.7 步骤 7: 设置分析类型和大变形选项1. 选择菜单 Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis。2. 按 OK ，接受缺省值为 Static 。3. 选择菜单 Main Menu>Solution>Analysis Options，出现稳态分析对话框。4. 按 Large deform effects （大变形效应选项）并按 OK 。3.2.4.8 步骤 8: 设置基于力的收敛判据1. 选择菜单 Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nonlin

42、ear> Convergence Crit，出现缺省的非线性收敛判据对话框。2. 选择 F ，并按 Replace 。3. 在 Minimum reference value 域中输入 0.1 并按 OK 。4. 关闭警告信息框。5. 按 Close 。3.2.4.9 步骤 9: 求解1. 选择菜单 Main Menu>Solution>Solve>Current LS 。2. 看状态窗口中的信息后按 Close 。3. 按求解当前载荷步对话框中的 OK ，开始求解。4. 关闭警告框，选择 “ Should solve be executed? 文字”下的 “ Yes。

43、”5. 求解完成后按 Close 。3.2.4.10 步骤 10: 看变形结果1. 选择菜单 Utility Menu>PlotCtrols>Style>Displacement Scaling 。2. 选择 Displacement scale factor 为 1.0 (true scale) 。3. 选择菜单 Main Menu>General Postproc>Plot Results> Deformed Shape ，出现画变形结果对话框。4. 按 Def + undeformed 后再按 OK ，在 ANSYS 图形窗口中出现变形结果图。3.2.

44、4.11 步骤 11: 对节点解列表显示1. 选择菜单 Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution ，出现对节点解列表对话框。2. 在右面的卷轴区内选择 All U"s UCOMP 并按 OK 。3. 看 PRNSOL 命令窗口中的结果，按 Close 。3.2.4.12 步骤 12: 退出 Ansys1. 选择 ANSYS 工具条中的 QUIT 按钮。2. 选择 save 选项并按 OK 。3.3 热 结构分析实例 (批处理或命令流方式 )/PREP7/TITLE, Bimetallic beam

45、under thermal loadET,1,PLANE13,4,2! 2-D Coupled-field solid, plane stressMP,EX,1,10E6MP,EX,2,10E6MP,ALPX,1,14.5E-6MP,ALPX,2,2.5E-6MP,KXX,1,5! Thermal conductivityMP,KXX,2,5RECTNG,0,5,0,.05! Define rectangleRECTNG,0,5,.05,.10AGLUE,ALLASEL,S,AREA,3AATT,2ALLSEL,ALLESIZE,1AMESH,ALLNSEL,S,LOC,X,0NSEL,R,L

46、OC,Y,.05D,ALL,UYNSEL,S,LOC,X,5DSYM,SYMM,0,XALLSEL,ALLD,ALL,TEMP,400FINISH/SOLUANTYPE,STATIC! Coupled-field static analysisNLGEOM,ON! Large deflectionCNVTOL,F,0.1! Convergence based on force onlySOLVEFINISH/POST1SET,1/DSCALE,1,1! True scaling optionPLDISP,1! Display deflected and undeflected shapePRN

47、SOL,U! Display displacementsFINISH分页3.4 电子机械分析实例 （批处理或命令流方式 ）本例为一个 MEMS 器件的直接耦合场分析。23Silicon Beam(depth = b)ParaJIel PlateCapacitor Dn?e图37连结到硅梁的静电平行板驱动梁属性平行板驱动属性L = 150 mAp = 100 ( m)2b = 4 mgap = 1 mh = 2 mg = 8.854e-6 pF/mE = 1.69e5N/( m)2p = 2.332e-15 kg/(m) 33.4.1问题描述该MEMS结构由一个静电平行板驱动器连接到一个硅梁结构

48、构成，而该梁在两端固定。平行板驱动 器有一个静止部件和一个连接在梁上的运动部件。分析的内容如下：1 施加150伏特电压到梳状驱动器上并计算梁的位移。2 在150伏特直流电压下，计算梁的前三阶特征频率。3 .在150伏特直流偏压以及在梁的中间部位作用一0.1微牛垂直力的情况下，计算在 300到400频率范围内的梁的位移。平行板电容由公式Co/x给定，其中Co等于自由空间介电常数乘以平行板面积，板间初始间隙为1微米。模态和谐波分析必须考虑直流电压预载荷”的影响，因此该问题为在静态分析的基础上进行预应力模态分析和预应力谐波响应分析。本问题所用的单位制为微米-千克-秒-伏特(gMKSV )。由于跨TR

49、ANS126单元的电压完全确定，对称矩阵选项(KEYOPT(4) = 1)设置为允许使用对称求解器。342预期的结果预期的本例分析结果如下。3.4.2.1静态分析UY (节点 2) = -0.11076e-2mg342.2模态分析f1 = 351 kHzf2 = 1380 kHzf3 = 3095 kHz342.3谐波响应分析最大位移对应频率=351.6 kHz最大位移=22 gm （无阻尼）342.4显示图3-8显示了换能器和梁的有限元模型。图3-9显示了最低特征频率的模态振型。图3 10显示了跨中梁挠度的谐响应图3 8 MEMS实例的单元模型Tira 1? 119 = TW0rm*iivi

50、TV *1DEfTHW -4 ; I' rm图3 9 MEMS实例的最低特征模态形状图3- 10 MEMS实例跨中梁的挠度分页3.4.3建立并求解模型下面是该问题的输入命令流。所有文字前有（！）的为注释。/batch,list/show,file/prep7/title, Static, Modal, Harmonic response of aMEMS structure/comL=150!梁长（微米）b=4!梁宽h=2!梁高l=b*h*3/12!梁的惯性矩E=169e3!弹性模量（微牛/微米*2）dens=2332e-18! 密度（千克 /微米 *3）per0=8.854e-6! 自由空间介电常数 （pF/微米）plateA=100!电容平板面积（微米*2）vlt=150!施加的电容平板电压gapi=1!初