ANSYS多物理耦合场有限元分析.ppt

1、ANSYS多物理耦合场有限元分析,ANSYS多物理耦合场有限元分析,结构-热耦合分析 流体-固体耦合分析,ANSYS中的典型物理量( 国际单位制 ),温度 热流量 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热流 温度梯度 内部热生成,Degrees C ( or K ) Watts Watts/ ( meter.degree C ) kilogram/ ( meter3 ) ( Watt.sec ) / ( kilogram .degree C) Watt/ ( meter2.degree C ) Watt/ ( meter2 ) degree C / meter Watt/ ( meter3 ),

2、ANSYS热分析,热传递的类型,热传递有三种基本类型: 传导 - 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。 对流 - 在物体和周围流体之间发生的热交换。 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。 在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有对流和/或辐射边界条件。,ANSYS热分析,传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定： 负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分).,传导,ANSYS热分析,对流,对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出: 对流一般作为面边界条件施加,ANSYS热分析,热力学第一定律,能量守恒要求系统的能

3、量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。 能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式 将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。,ANSYS热分析,单元类型 下表显示通常使用的热单元类型。 节点自由度是：TEMP。,常用的热单元类型,材料特性 至少需要 Kxx 稳态分析热传导系数。 如果是瞬态分析，则需要比热 (C) 。 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特性。 实常数 主要用于壳和线单元。,热分析有限元模型,ANSYS热分析,稳态热传递,如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 由于热量流动不随时间变化, 系统的温度和热

4、载荷也都不随时间变化。 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为: 输入能量 输出能量 = 0,ANSYS热分析,稳态热传递控制方程,对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:,相应的节点处的有限元平衡方程为:,ANSYS热分析,热载荷和边界条件的类型,温度 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。 均匀温度 可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。 热流率 是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施

5、加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。,ANSYS热分析,热载荷和边界条件的类型,对流 施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。 热通量(热流密度) 同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度值表示热量流入模型。 热生成率 作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。,ANSYS热分析,热载荷和边界条件的类型,ANSYS 热载荷分为四大类: 1. DOF 约束 - 指定的 DOF (温度) 数值 2. 集中载荷 - 施加在点上的集中载荷(热流) 3. 面载荷 - 在面上的分布载荷(对流、热流密度) 4. 体载荷 - 体积或场载荷

6、（热生成）,ANSYS热分析,热载荷和边界条件注意事项 在 ANSYS中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称边界条件。 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。,热载荷和边界条件的类型,ANSYS热分析,何为瞬态分析?,由于受随时间变化的载荷和边界条件,如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行瞬态分析 。 热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中只用于计数，现在有了确定的物理含义。 涉及到相变的分析总是瞬态分析。,时变载荷,时变响应,ANSYS热分析,除了导热系数 (k),

7、 还要定义密度 (r) 和 比热 (c ) 。 稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解 过程。,* MASS71热质量单元比较特殊，它能够存贮热能单不能传导热能。因此，本单元不需要热传导系数。,瞬态分析前处理考虑因素,ANSYS热分析,控制方程,回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统: 在瞬态分析中，载荷随时间变化. . . . . . 或,对于非线性瞬态分析, 时间 和 温度:,热存储项 = (比热矩阵) x (时间对温度的微分),ANSYS热分析,选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。,如果时间步长 太小, 对于有中间节点的单元会形成

8、不切实际的振荡，造成温度结果不真实。,时间步大小建议,如果时间步长 太大, 就不能得到足够的温度梯度。,一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长按需要增加时间步。下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方法。,ANSYS热分析,在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和Fourier数。 Biot 数 是无量纲的对流和传导热阻的比率: 其中 D x是名义单元宽度, h是平均对流换热系数，K 是平均导热系数。Fourier 数 是无量纲的时间(Dt/t ) , 对于宽度为D x 的单元它量化了热传导与热存储的相对比率: 其中 r 和 c 是平均的密度和

9、比热。,时间步大小说明 (续),ANSYS热分析,如果Bi 1: 时间步长可以用Fourier 和 Biot数的乘积预测: 求解 D t 得到: (Again, where 0.1 b 0.5) 时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的平均方法和比例因子b 而变化。,时间步大小说明 (续),ANSYS热分析,进行瞬态分析,ANSYS缺省情况下是稳态分析。使用下列求解菜单指定要进行瞬态分析:,“FULL” 是瞬态热分析唯一可以使用的选项。,7. 用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效 (如求解器，N-R 选项等),ANSYS热分析,初始条件,初始条件 必须对模型的每个温度自由度定义，使得

10、时间积分过程得以开始。 施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。 根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定:,注: 如果没有指定初始温度，初始DOF数值为0。,ANSYS热分析,均匀初始温度,如果整个模型的初始温度为均匀且非0，使用下列菜单指定:,1,2,ANSYS热分析,非均匀的初始温度,如果模型的初始温度分布已知但不均匀，使用这些菜单将初始条件施加在特定节点上:,4. 用图形选取或输入点号的方法确定要建立初始温度的节点。 5. 单击 OK. 注: 当手动或借助于输入文件输入IC命令时，可以使用节点组元名来区分节点。,1,2,3,ANSYS热分析,非均匀初始温度 (续),注:

11、没有定义DOF初始温度的节点其初始温度缺省为TUNIF命令指定的均匀数值。,6.选择 DOF 标记 “TEMP”。 7. 指定初始温度数值。 8. 完成后单击OK。单击APPLY重复操作，将初始温度指定到其它节点上。,ANSYS热分析,由稳态分析得到的初始温度 (续),当模型中的初始温度分布是不均匀且未知的，单载荷步的稳态热分析可以用来确定瞬态分析前的初始温度。要这样做，按照下列步骤: 1. 稳态第一载荷步: 进入求解器，使用稳态分析类型。 施加稳态初始载荷和边界条件。 为了方便，指定一个很小的结束时间 (如1E-3 秒)。避免使用非常小的时间数值 ( 1E-10) 因为可能形成数值错误。 指

12、定其它所需的控制或设置 (如非线性控制)。 求解当前载荷步。,ANSYS热分析,施加瞬态分析控制和设置。 求解之前, 打开时间积分: 求解当前瞬态载荷步。 求解后续载荷步。时间积分效果保持打开直到在后面的载荷步中关闭为止。,由稳态分析得到的初始温度 (续),2. 后续载荷步为瞬态: 在第二个载荷步中，根据第一个载荷步施加载荷和边界条件。记住删除第一个载荷步中多余的载荷。,1,2,3,4,ANSYS热分析,打开/关闭时间积分效果,象刚刚说明的那样, 稳态分析可以迅速的变为瞬态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果打开。 同样，瞬态分析可以变成稳态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果

13、关闭。 结论: 从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分。,ANTYPE,TRANS + TIMINT,OFF ANTYPE,STATIC ANTYPE,STATIC + TIMINT,ON ANTYPE,TRANS,ANSYS热分析,另外的时间积分例子,在本例中，不是在分析的开始关闭时间积分效果来建立初始条件，而是在分析的结束关闭时间积分来“加速”瞬态。,通常，分析的目标将将瞬态热现象中最严重的温度梯度定量。这些梯度通常在瞬态的初始阶段发生,并在系统进入稳态时随时间衰减。 当系统响应稳定后，后面的结果就没有意义了，分析可以简单的结束或如果稳态温度场也需要得到，就在最后载荷步关闭

14、时间积分效果。,注意改变到稳态边界时的突变。最后一个载荷步的终止时间可以是任意的,但必须比前面的瞬态载荷步时间数值要大。,ANSYS热分析,打开控制,打开控制 用于在当瞬态热分析接近稳态时让自动时间步 “打开”(增加)时间步长。在缺省情况下，如果连续3个子步间的最大温度变化都小于 0.1个温度单位，那么时间步长将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中实现。用这些菜单改变设置:,3. 指定温度。 4. 指定门槛值。 5. 指定子步数。 6. 单击OK。,1,2,ANSYS热分析,阶跃还是渐变?,要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正确的速率施加。 回忆一下载荷在载

15、荷步中相对时间可以是阶跃的或渐变的: ANSYS 缺省是渐变加载的。渐变加载可以提高瞬态求解的适应性，如果有非线性时可以提高收敛性。参考第4章学习ANSYS如何处理渐变载荷。,ANSYS热分析,阶跃还是渐变? (续),要模拟阶跃载荷，将载荷在很短的时间内渐变施加到全值，然后在后续载荷步中保持不变。,问题: 对茶壶进行瞬态热分析。在底上施加热流模拟炉子的加热。热流载荷应该是阶跃的还是渐变的如果 . . . 1. 茶壶在一个刚燃着的炉子上 2. 茶壶载一个已经很热的炉子上,ANSYS热分析,什么是耦合场分析?,耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分析包括直接和间接耦合分析。,

16、当进行直接耦合时, 多个物理场（如热电）的自由度同时进行计算。这称为直接方法，适用于多个物理场各自的响应互相依赖的情况。由于平衡状态要满足多个准则才能取得，直接耦合分析往往是非线性的。每个结点上的自由度越多，矩阵方程就越庞大，耗费的机时也越多。,下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分析的单元类型。不是所有单元都有温度自由度。,结构-热耦合分析,什么是耦合场分析? (续),间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。 本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响应（如热）将显著影响到另一个物理场（如结构）

17、的响应，反之不成立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供热电直接耦合。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。,结构-热耦合分析,直接方法 - 例题,在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和FLUID116热流单元。该单元具有热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。 ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由度。绝大多数的实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了几个涉及到热现象

18、的直接耦合场分析。 热结构: 热轧铝板,铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应变。 机械和热载荷使得板产生大应变。新的热分析必须计入形状改变。,结构-热耦合分析,直接方法 - 例题 (续),热-电磁场: 钢芯的热传递,传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域 的交变电流在钢芯内产生焦耳热。 钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯度很大，因此必须考虑钢芯材料特性随温度的变化。而且，磁场变化的强度和方向都会改变。,象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势A，就能计算出电流密度向量J。它用来计算下式中的焦耳热:,结构-热耦合分析,直接方法 - 前处理,在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面: 使用耦合场单

19、元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。模型中不需要耦合的部分应使用普通单元。 仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。耦合场单元相对来说有更多的限制(如, PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。 不同场之间使用统一的单位制。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使用瓦(焦耳/秒)，热单位就不能使用Btu/s。 由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。,结构-热耦合分析,直接方法 - 加载, 求解, 后处理,在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面： 如果对带有温度自由度的耦合场单元选择 瞬态 分析类型的话

20、： 瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。 瞬态电效果(电容，电感)不能包括在热-电分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度 被激活)。 带有磁向量势自由度的耦合场单元可以用来对瞬态磁场问题建模(如,SOLID62). 带有标量势自由度的单元只能模拟静态现象(SOLID5)。 学习每种单元的自由度和允许的载荷。耦合场单元允许的相同位置(节点,单元面等)施加多种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。 耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor 和 Line Search 功能改善收敛性。 考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。,结构-热耦合分

21、析,间接方法,间接方法 用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的分析(而不是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:,许多问题需要热到结构 的耦合(温度引起的热膨胀) 但反之不可 结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变将不对初始的热分析结果产生影响),在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单元，不用进行多次迭代计算。,结构-热耦合分析,间接方法 - 例题,叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显著影响应力状态。 由于应变较小，而且接触区域是平面对平面的，因此温度解不用更新。,Disk Sector,Airfoil,Platform,Root,下面是有关

22、热现象的一些可以使用间接耦合方法进行分析的例子: 热-结构: 透平机叶片部件分析,这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。,结构-热耦合分析,间接方法 - 例题(续),热-电: 嵌于玻璃盘的电热器,嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使得电线中有焦耳热产生。 由于热效应，电线和盘中温度增加。由于系统的温度变化不大，热引起的电阻变化被忽略。因此，电流也是不变的。,当电压V求解后，可以用于下式中求解焦耳热:,结构-热耦合分析,间接方法 - 过程,在ANSYS中由两个基本方法进行序贯耦合场分析。它们主要区别在于每个场的特性是如何表示的: 物理环境方法 - 单独 的数据库文

23、件在所有场中使用。用多个物理环境文件来表示每个场的特性。 手工方法 - 多个 数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存储在数据库中。 在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。,结构-热耦合分析,物理环境,为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义多个 物理环境。 一个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内容:,单元类型和选项 节点和单元坐标系 耦合和约束方程,分析和载荷步选项 载荷和边界条件 GUI 界面和标题,在建立带有物理环境的模型时，要选择相容于所有物理场的单元类型。例如， 8节点的热块单元与8节点的结构块单元相容

24、，而不与10节点结构单元相容:,yes,no,在使用降阶单元形状时要注意。具有相同基本形状的单元不一定支持该种单元的降阶模式。,结构-热耦合分析,物理环境 (续),除了相似的单元阶次 (形函数阶次) 和形状，绝大多数单元需要相似的单元选项 (如平面2-D单元的轴对称) 以满足相容性。但是，许多载荷类型不需要环境之间完全相容。例如，8节点热体单元可以用来给20节点结构块单元提供温度。许多单元需要特殊单选项设置来与不同阶次的单元相容。 单元属性号码 (MAT, REAL, TYPE)在环境之间号码必须连续。 对于在某种特殊物理环境中不参与分析的区域使用空单元类型 (type # zero)来划分

25、(如，在电磁场分析中需要对物体周围单空气建模而热和结构分析中不用)。,结构-热耦合分析,同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的结果。如： 物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法当考虑多于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数据库文件的情况下比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法，可以参考耦合场分析指南的第二章。,物理环境 (续),结构-热耦合分析,热-应力分析,在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热-应力分析。 热-应力分析是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的

26、影响。 因为热-应力分析只涉及到两个场之间的连续作用，我们可以使用手工方法 (MM)进行顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法 (PEM) 。这里是手工方法的几个优点和缺点: 优点: 在建立热和结构模型时有较少的限制。例如，属性号码和网格划分在热和结构中可以不同。PEM需要所有的模型都是一致的。 MM 方法是简单而且适应性强的，ANSYS和用户都对它进行了多年的检验。 缺点: 用户必须建立热和结构数据库和结果文件。这与单独模型的PEM方法对比，需要占用较多的存储空间。 MM 如果再考虑其它场时会比较麻烦。,结构-热耦合分析,基本过程,在热-应力分析中，由温度求解得到的节点温度 将在结构分析中

27、用作体载荷。 当在顺序求解使用手工方法时将热节点温度施加到结构单元上有两种选项。选择的原则在于结构模型和热模型是否有相似的网格划分: 如果热和结构的单元有相同 的节点号码. . .,1,热模型自动转换为结构模型，使用ETCHG 命令(见相应单元表格)。,温度可以直接从热分析结果文件读出并使用LDREAD 命令施加到结构模型上。,结构-热耦合分析,基本过程 (续),如果热和结构模型的网格有 不同 的节点号码 . . . 结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好的结构结果。 结构体载荷是从热分析中映射过来。这需要一个较复杂的过程，使用BFINT 命令对热结果插值 (不能使用物理环境)。 下面对比

28、一下使用相同或不同网格的区别。,2,结构-热耦合分析,热-应力分析流程图,相同网格?,5A. 将热模型转换为结构模型 (ETCHG),5a. 清除热网格并建立结构网格,Yes(Option 1),No (Option 2),5B. 读入热载荷 (LDREAD),5b.写节点文件(NWRITE) 并存储结构文件,5c.读入热模型并进行温度插值 (BFINT),5d. 读入结构模型并读入体载荷文件 (/INPUT),6. 指定分析类型，分析选项和载荷步选项,7. 指定参考温度并施加其它结构载荷,8. 存储并求解,9. 后处理,结束,1.建立，加载，求解热模型,2.后处理确定要传到结构的温度,3.

29、设置 GUI过滤，改变工作文件名并删除热载荷， CEs, CPs,4.定义结构材料特性,开始,结构-热耦合分析,流程细节,1.建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点上的温度。 2.查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载荷步/子步)。 3a. 将GUI过滤设置为“Structural” 和 “Thermal”。 3b.改变工作文件名。,2,1,3b,下面是热-应力分析的每步细节。,3a,结构-热耦合分析,流程细节 (续),3c. 删除所有热载荷 3d. 删除耦合序列和约束方程,3d,3c,结构-热耦合分析,流程细节 (续),4. 定义结构材料特性，包括热膨胀系数 (ALPX)。,4,非线

30、性材料特性如塑性和蠕变 在数据表格下定义,结构-热耦合分析,流程细节 (续),下面两页 (步骤 5A 和 5B)假设热网格在结构中同样使用 (选项 1). 5A. 改变单元类型，从热到结构 (ETCHG 命令):,检查实常数和单元选项是否正确。,5A,Resets options,Retains options,结构-热耦合分析,流程细节 (续),5B. 从热分析中施加温度体载荷(LDREAD 命令):,9. Solve current load step,结构-热耦合分析,流程细节 (续),下面六页 (步骤 5a-5d) 假设热网格不在结构模型中使用 (选项2)。,5a.清除热网格 . .

31、. 删除热单元类型并定义结构单元类型. . . 改变网格控制并划分结构模型。,结构-热耦合分析,流程细节 (续),5b.选择温度体载荷的所有节点并写入节点文件。,5b,指定节点文件名,结构-热耦合分析,流程细节 (续),5c.存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件名，读入热数据库. . . 进入通用后处理器 . . .,结构-热耦合分析,流程细节 (续),读入需要的结果序列，并 . . . 进行体载荷插值:,节点文件名,写出的载荷文 件名,用于写多个载荷文件,使用体-体,结构-热耦合分析,有些情况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超过热模型的结构模型节点进行体载荷插值。 缺省

32、的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的0.5 倍。一个在5.4版没有写入手册的特性允许用户控制该公差数值： 本命令没有GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。,BFINT, Fname1, Ext1, Dir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS,使用 BFINT插值, EXTOL,例如: 如果结构网格包括在热模型中不存在的圆角时，许多节点将落在热模型的外面。如果圆角足够大而且热模型足够细致，圆角区域的载荷将不能写出。,Using the default tolerance, these two nodes would

33、not be assigned a load,热网格,结构网格边界,结构-热耦合分析,流程细节 (续),5d. 退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件名，读入结构数据库. . . 进入求解器 . . . 读入载荷文件施加温度载荷:,结构-热耦合分析,流程细节 (续),6a.定义结构分析类型(缺省为静态) 6b.指定分析选项 (如求解器选项) 6c.指定载荷步选项(如，输出控制),6a,6b,6c,结构-热耦合分析,流程细节 (续),7a.设置求解热膨胀时自由应变参考温度 (TREF):,7,结构-热耦合分析,流程细节 (续),7b.施加其它结构载荷。 8.存储模型并求解当前载荷步。,7

34、b,9,8,9. 结果后处理:,结构-热耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,ANSYS流-固耦合分析,问题概述,在这个教程中，运用一个简单的摆动板例题来解释怎样建立以及模拟流体结构相互作用的问题。其中流体模拟在ANSYS CFX求解器中运行，而用ANSYS软件包中的FEA来模拟固体问题。模拟流固相互作用的整个过程中需要两个求解器的耦合运行，ANSYSMultiField求解器提供了耦合求解的平台。,ANSYS流-固耦合分析示例,模拟中固体问题的描述,开始模拟 运行A

35、NSYS Workbench 点击Empty Project将出现Project界面，在此界面中有一个一个未存储的Project 选择FileSave 把目录设在你的工作目录，文件名设为OscillatingPlate 点击Save 在Project界面左边工作面板的Link to Geometry File下，点击Browse，打开所提供的OscillatingPlate.agdb文件 确认OscillatingPlate.agdb被选（高亮显示），点击New simulation,ANSYS流-固耦合分析示例,模拟中固体问题的描述,建立固体材料 当模拟界面展开，在模拟界面左边的目录树中展开

36、Geometry 选择Solid，在底下Details窗口中，选择Material 紧连材料名Structural Steel，用鼠标选择New Material 当Engineering Data窗口出现，鼠标右击New Material，并重命名为Plate 设置Youngs Modulus（杨氏模量）为2.5e06 Pa，Poissons Ratio（泊松比）为0.35，Density（密度）为2550kg m-3 点击位于Workbench界面上方的Simulation以回到模拟界面,ANSYS流-固耦合分析示例,模拟中固体问题的描述,基本分析设置 从工具栏选择New Analysis

37、Transient Stress 选择Analysis Settings，在Details窗口，设置Auto Time Stepping为off 设置Time Step为0.1 s 在整个窗口底边靠右的Tabular Data面板，设置End Time为5.0,ANSYS流-固耦合分析示例,模拟中固体问题的描述加入载荷,固定支撑：为确保薄板的底部固定于平板，需要设置固定支撑条件。 右击目录树中Transient Stress，在快捷菜单中选择Insert Fixed Support 用旋转键 旋转几何模型，以便可以看见模型底面（low-y），然后选择 并点击底面（low-y） 在Details

38、窗口，选择Geometry，然后点击No Selection使Apply按钮出现（如果需要）。点击Apply以设置固支。,ANSYS流-固耦合分析示例,流固界面 右击目录树中Transient Stress，在快捷菜单中选择Insert Fluid Solid Interface 用旋转键 旋转几何模型，以便可以方便的通过 钮在流固界面上选择三个面（low-x, high-y and high-x faces），注意这样会自动生成1个流固界面。,ANSYS流-固耦合分析示例,压力加载 右击目录树中Transient Stress，在快捷菜单中选择Insert Pressure 在Geometr

39、y中选择low-x面 在Details窗口，选择Magnitude，用出现的箭头选择Tabular（Time） 在整个视窗的右底边Tabular Data面板，在表中相对应于时间为0 s设置压力为100 pa 表中需要继续输入两排参数，100 pa对应于0.499 s， 0 pa对应于0.5 s,模拟中固体问题的描述加入载荷,ANSYS流-固耦合分析示例,模拟中固体问题的描述记录ANSYS输入文件,现在，模拟设置已经完成。在Simulation中ANSYS MultiField并不运行，因此用求解器按钮并不能得到结果 然而，在目录树中的高亮Solution中，选择Tools Write ANS

40、YS Input File，把结果写进文件OscillatingPlate.inp 网格是自动生成的，如果想检查，可以在目录树中选择Mesh 保存Simulation数据，返回Oscillating Plate Project面板，存储Project,ANSYS流-固耦合分析示例,创建一个新的模拟： 开始ANSYS CFX-Pre. 选择File New Simulation. 选择 General 并点击 OK. 选择 File Save Simulation As. 在File name栏, 敲入 OscillatingPlate. 点击 Save.,设置流体问题、在ANSYS CFX-P

41、re中设置ANSYS MultiField,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,输入网格 右击Mesh 并旋转 Import Mesh. 选择提供的网格文件OscillatingPlate.gtm. 点击Open.,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,设置仿真类型： 选择 Insert Simulation Type. 应用以下设置： 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS Multi

42、Field,建立流体物质 1. 选择 Insert Material. 2. 把新物质名定义为 Fluid. 3. 应用以下设置 4. 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,创建域：为了使ANSYS Solver能够把网格变形信息传递给CFX Solver，在CFX中必须激活网格移动。 重命名Default Domain为OscillatingPlate，并打开进行编辑 应用以下设置 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,创建边

43、界条件 流体外部边界 创建一个新边界条件，命名为Interface. 应用以下设置 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,对称边界条件 创建一个新边界条件，命名为Sym1. 应用以下设置 点击OK 创建一个新边界条件，命名为Sym2 应用以下设置 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,设置初始值 点击 Global Initialization 应用以下设置 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS C

44、FX-Pre中设置ANSYS MultiField,设置求解器控制 点击Solver Control 应用以下设置 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,设置输出控制 点击Output Control 点击 Trn Results 键 创建一个瞬态结果，用默认的文件名 对 Transient Results 1应用以下设置 点击 Monitor 键 选择Monitor Options,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,在Monitor

45、 Points and Expressions下 点击Add new item ，采用默认的名字 设置 Option 为 Cartesian Coordinates 设置 Output Variables List 为Total Mesh Displacement X 设置Cartesian Coordinates为0, 1, 0 点击OK,ANSYS流-固耦合分析示例,设置流体问题、在ANSYS CFX-Pre中设置ANSYS MultiField,输出求解器文件(.def) 点击Write Solver File 如果 Physics Validation Summary 对话框出现，点击

46、 Yes 以继续 应用以下设置 确选择是 Start Solver Manager ，点击 Save 如果发现文件已经存在，点击Overwrite 退出ANSYS CFX-Pre，自己决定是否存储模拟文件 (.cfx),ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Solver Manager 获得结果,ANSYS Multifield simulation的运行需要CFX和ANSYS联合求解 确认Define Run 对话框出现 在 MultiField 键, 确认 ANSYS 输入文件地址是正确的 确认ANSYS Install Root 设置是正确的 点击Start Run,A

47、NSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Solver Manager 获得结果,ANSYS输出文件 点击User Points 键，观察薄板上部随着求解怎样变形 当求解完成， ANSYS CFX-Solver Manager 会弹出一个对话框通知你，点击Yes 以继续 如果在standalone模式下运行 ANSYS CFX-Solver ，关闭 ANSYS CFX-Solver Manager,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,在固体薄板上观察结果 显示Boundary ANSYS(在 ANSYS Domain ANSYS中) 对 Bo

48、undary ANSYS进行如下设置 点击Apply 选择Tools Timestep Selector ，打开Timestep Selector 对话框 选择 value 值为1 s ，点击Apply,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,相应的瞬态结果被加载，可看到网格在CFX和ANSYS区中移动 去除 Boundary ANSYS复选框的选择 创建等值线，设置Locations 为Boundary ANSYS 和Sym2， 设置 Variable为Total Mesh Displacement，点击Apply 打开Timestep Selector

49、对话框，选择 value 值为1.1 s 这样可以验证Total Mesh Displacement在CFX和ANSYS区域中 是连续变化的,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,接下来 打开Timestep Selector 对话框，选择 value 值为1.1 s 置鼠标于浏览器中背景颜色显示的地方，右击，选择Deformation Auto 为真实的反映变形，右击， 选择 Deformation True Scale,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,创建动画 去除 Contour 1复选框选择 显示 Sym

50、2 对 Sym2应用以下设置 点击Apply 创建一个矢量图，设置Locations为Sym1，设置Variable 为 Velocity，设置Colour 为 Constant 并为黑色 ，点击Apply,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,显示 Boundary ANSYS，设置 Color 为 constant blue. 右击浏览器的空白区域， 选择 Predefined Camera View Towards-Z，放大薄板以清晰的观察 点击 Animation ，动画对话框将出现 在动画对话框 点击 ，创建KeyframeNo1 在Keyfra

51、me Creation and Editing列表突出KeyframeNo1，然后# of Frames设为48 在时间步数选择器加载最后一步，value为50 点击 ，创建KeyframeNo2 点击More Animation Options ，展开Animation对话框,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,点击Options 钮 在 Options上，设置 MPEG Size 为 720 X 480 (NTSC) 点击Advanced键，然后设置 Quality 为 Custom 去除 Variable Bit Rate ，设置Bit Rate为

52、3000000 点击 OK 选择 Save MPEG 点击 Browse ，设置MPEG 文件存储路径 点击 Save,ANSYS流-固耦合分析示例,通过 ANSYS CFX-Post 观察结果,点击 Beginning 以加载，等待加载 点击Play the animation 完成后，退出ANSYS CFX-Post,ANSYS流-固耦合分析示例,使用间接方法进行热应力分析的实例 本节描述了一个利用间接方法进行热-应力分析的简单例子,一个长厚壁双层圆管，内壁温度为Ti，外壁温度为To，其他参数 如下图所示。求解温度沿径向的分布，轴向应力及环向应力。,间接方法进行本问题分析基本步骤如下： 1

53、定义并求解热分析问题； 2回到前处理(/PREP7)。转换单元类型，添加材料属性， 设定结构边界条件； 3从热分析结果文件中读入温度； 4求解结构问题。,/batch,list /show /title,thermalstress in concentric cylinders - indirect method /prep7 et,1,plane77,1! PLANE77 axisymmetric option mp,kxx,1,2.2! Steel conductivity mp,kxx,2,10.8! Aluminum conductivity rectng,.1875,.4,0,.05

54、! Model rectng,.4,.6,0,.05 aglue,all numcmp,area asel,s,area,1!Assign attributes to solid model aatt,1,1,1 asel,s,area,2,aatt,2,1,1 asel,all esize,.05 amesh,all! Mesh model nsel,s,loc,x,.1875 d,all,temp,200! Apply thermal loads nsel,s,loc,x,.6 d,all,temp,70 nsel.all finish /solu solve finish,/post1

55、path,radial,2! Definepath name and number of path points ppath,1,.1875! Define path by location ppath,2,.6 pdef,temp,temp! Interpret temperature to path paget,path,points,radial! Archive path points in array path plpath,temp! Plot temperature solution finish,/prep7 et,1,82,1! Switch to structural el

56、ement, SOLID82 mp,ex,1,30e6! Define structural steel properties mp,alpx,1,.65e-5 mp,nuxy,1,.3 mp,ex,2,10.6e6! Define aluminum structural properties mp,aplx,2,1.35e-5 mp,nuxy,2,.33 nsel,s,loc,y,.05! Apply structural boundary conditions cp,1,uy,all nsel,s,loc,x,.1875 cp,2,ux,all nsel,s,loc,y,0 d,all,u

57、y,0 nsel,all finish,/solu tref,70 ldread,temp,rth! Read in temperatures from thermal run solve finish /post1 paput,path,points!Restore path pmap,mat!Set path mapping to handle material discontinuity pdef,sx,s,x! Interpret radial stress pdef,sz,s,z! Interpret hoop stress plpath,sx,sz! Plot stresses p

58、lpagm,sx,node! Plot radial stress on path geometry finish,使用物理环境方法进行热应力分析的实例 本节使用物理环境方法求解前一节中描述的热应力问题。 对于这样非常简单的问题，物理环境方法无法体现其优越性 ，因为它是一个简单的单向耦合问题。但全部求解结束后， 可以使用PHYSICS命令在不同物理环境之间迅速切换，以得 到不同物理环境下的结果。 该问题用物理环境法处理基本步骤如下： 1定义热分析问题； 2写入热分析物理环境文件； 3清除热分析边界条件及选项 4定义结构问题； 5写入结构分析物理环境文件； 6读入热分析物理环境文件； 7热分析求

59、解并进行后处理；,8读入结构分析物理环境文件； 9从热分析结果文件中读入温度； 10求解并后处理物理文件。,/prep7 et,1,plane77,1! PLANE77 axisymmetric options mp,kxx,1,2.2! Steel conductivity mp,kxx,2,10.8! Aluminum conductivity rectng,.1875,.4,0,.05! Model rectng,.4,.6,0,.05 aglue, all numcmp,area asel,s,area,1! Assign attributes to solid model,aatt,1,1,1 asel,s,area,2 aatt,2,1,1 asel,all esize,.05