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Chapter 10 耦合场分析 (以热—应力为重点) 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。 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。 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 直接方法 - 例题 (续) 热-电磁场: 钢芯的热传递 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。 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。 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: 间接方法 - 例题 间接方法 - 例题(续) 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。 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: 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 (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)。 物理环境 (续) 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。 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