文档介绍：Chapter 10
耦合场分析
(以热—应力为重点)
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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。
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。
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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)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。
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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。
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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:
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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。
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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:
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。
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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:
热结构
热结构
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。
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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。
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间接方法- 例题(续)
热-电:
嵌于玻璃盘的电热器
嵌于玻璃盘的