ANSYS耦合场分析指南

ANSYS耦合场分析指南 第一章 耦合场分析

1.1耦合场分析的定义

耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。

需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。 1.2耦合场分析的类型

耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。

1.2.1 顺序耦合方法

顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。 1.2.2 直接耦合方法

直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。 1.2.3 直接法与顺序法的应用场合

对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。因为两个分析之间是相对独立的。例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。

当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。它使用耦合变量一次求解得到结果。直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。

参见本手册中第五章关于声学的更多信息。

参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中关于加载的更多信息。 1.3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μMKSV 及μMSVfA及的转换系数。

表1-1力学从MKS到uMKSV的转换系数 力学参MKS 单数 位 长度 力 时间 m N s 量纲 m (kg)(m)/(s) s 2乘以此获得μMKSv单数 位 10 10 1 66量纲 μm (kg)(μm)/(s) s 2μm μN s 质量 压力 速度 kg Pa m/s 23kg 21 -666kg MPa μm/s μm/(s) kg/(μm) MPa MPa pW 32kg (kg)/(μm)(s) μm/s μm/(s) kg/(μm) kg/(μm)(s) kg/(μm)(s) (kg)(μm)/(s) 2322322(kg)/(m)(s) 10 m/s m/(s) kg/(m) kg/(m)(s) kg/(m)(s) 23223210 10 10 10 10 12-6-6-18加速度 m/(s) 密度 kg/(m) 应力 杨氏模量 功率 Pa Pa W (kg)(m)/(s) 10 表1-2热学从MKS到uMKSV的转换系数

热参MKS 单位 数 导热系数 热通量 乘以获得μMKSv 单此位 数 量纲 量纲 W/m°K (kg)(m)/°(K)(s) 10 pW/(μm)( °K) (kg)(μm)/( °K)(s) 363W/(m) 2kg/(s) 31 pW/(μm) 2kg/(s) 3比221222J/(kg)( °K) (m)/(K°)(s) 10 pJ/(kg)( °K) (μm)/(°K)(s) 热 热流 单位体积的热生成 W (kg)(m)/(s) 10 2312pW (kg)(μm)/(s) 23W/m 3(kg)/(m)(s) 10 3-6pW/(μm) 3kg/(μm)(s) 3对流2W/(m)°K 系数 动力kg/(m)(s) 粘度 运(m)/s 2kg/(s) 21 pW/(μm)°K 2kg/(s) 2Kg/(m)(s) 10 kg/(μm)(s) -6kg/(μm)(s) (m)/s 210 12(μm)/s 2(μm)/s 2动粘度 表1-3电学从MKS到uMKSV的转换系数 电学参MKS 单数 位 电流 电压 电荷 A V C 2量纲 A 23乘以获得μMKSv 此数 单位 10 10 363-61212量纲 pA (kg)(μm)/(pA)(s) (pA)(s) 23pA V pC pS/μm TΩμm pF/μm pJ pF V/μm pC/(μm) 22(kg)(m)/(A)(s) 1 (A)(s) 332电导率 S/m (A)(s)/(kg)(m) 10 电阻率 Ωm (Kg)(m/(A)(s) 10 介电常2436F/m (A)(s)/(kg)(m) 10 数[1] 能量 电容 电场 J F (kg)(m)/(s) 242322(pA)(s)/(kg)(μm) (kg)(μm)/(pA)(s) (pA)(s)/(kg)(μm) (kg)(μm)/(s) (pA)(s)/(kg)(μm) (kg)(μm)/(s)(pA) (pA)(s)/(μm) 23242222233233310 12-612(A)(s)/(kg)(m) 10 V/m (kg)(m)/(s)(A) 10 (A)(s)/(m) -62电通量2C/(m) 密度 1 1.自由空间的介电常数为8.854 x 10 pF/μm.

表1-4磁场从MKS到uMKSV[1]的单位制转换

磁场参MKS单数 位 磁通量Tesla 密度 场强 电流 A/m A 量纲 22乘以获得μMKSv此数 单位 Weber Tesla pA/μm pA pA/(μm) TH/μm TH 2量纲 (kg)(μm)/(pA)(s) kg/(pA)(s) pA/μm pA pA/(μm) (kg)(μm)/(pA)(s) (kg)(μm)/(pA)(s) 222222222磁通量 Weber (kg)(m)/(A)(s) 1 kg/(A)(s) A/m A A/(m) 222210 10 10 1 -18126-12电流密2A/(m) 度 磁导率[2 ] 电感 H/m (kg)(m)/(A)(s) 10 H (kg)(m)/(A)(s) 10 222-121.只有不变的磁导率才能用这些单位

-25

2.自由空间的磁导率为4πx10 TH/μm

表1-5力学从MKS到uMSVfA的转换系数 力学参MKS单位 数 长度 力 时间 质量 m N s kg 量纲 m (kg)(m)/(s) s kg 2乘以此获得μMsvfa单数 位 10 10 1 10 396量纲 μm (g)(μm)/(s) S G 2μm nN s g 压力 速度 Pa m/s 23(kg)/(m)(s) 10 m/s m/(s) kg/(m) kg/(m)(s) kg/(m)(s) 2322322-366kPa μm/s m/(s) g/(μm) kPa kPa fW 32g/(μm)(s) μm/s μm/(s) g/(μm) g/(μm)(s) g/(μm)(s) (g)(μm)/(s) 232232210 10 10 10 10 15-3-3-15加速度 m/(s) 密度 Kg/(m) 应力 杨氏模量 功率 Pa Pa W (kg)(m)/(s) 10 表1-6热学从MKS 到uMSVfA的转换系数

热参MKS单位 数 导热系数 热通量 乘以获得μMsvfa 此单位 数 量纲 量纲 W/m°K (kg)(m)/( °K)(s) 10 fW/(μm)( °K) (g)(μm)/( °K)(s)3 39W/(m) 2kg/(s) 310 3fW/(μm) 2g/(s) 3比221222J/(kg)( °K) (m)/(°K)(s) 10 fJ/(g)( °K) (μm)/(°K)(s) 热 热流 单位体积的热生成 W (kg)(m)/(s) 2310 15fW (g)(μm)/(s) 23W/m 3(kg)/(m)(s) 310 -3fW/(μm) 3g/(μm)(s) 3对2流W/(m)°K 系 动力Kg/(m)(s) 粘度 运动粘(m)/s 2kg/(s) 210 fW/(μm)°K 32g/(s) 2kg/(m)(s) 10 g/(μm)(s) -3g/(μm)(s) (m)/s 210 12(μm)/s 2(μm)/s 2度 表1-7电学从MKS到uMSVfA单位制的转换系数

电学参MKS单数 位 电流 电压 电荷 A V C 2量纲 A 23乘以获得μMsvfa 此数 单位 10 10 393-91515量纲 fA fA V fC nS/μm - fF/μm fJ fF V/μm fC/(μm) 22(kg)(m)/(A)(s) 1 (A)(s) 332(g)(μm)/(fA)(s) (fA)(s) (fA)(s)/(g)(μm) (g)(μm)/(fA)(s) (fA)(s)/(g)(μm) (g)(μm)/(s) (fA)(s)/(g)(μm) (g)(μm)/(s)(fA) (fA)(s)/(μm) 23242222233233323电导率 S/m (A)(s)/(kg)(m) 10 电阻率 Ωm (kg)(m/(A)(s) 10 介电常2439F/m (A)(s)/(kg)(m) 10 数[1] 能量 电容 电场 J F (kg)(m)/(s) 24232210 15-615(A)(s)/(kg)(m) 10 V/m (kg)(m)/(s)(A) 10 (A)(s)/(m) -62电通量2C/(m) 密度 10 31．自由空间的介电常数为8.854 x 10 pF/μm.

表1-8磁场中从MKS到uMKSVfA[1]的转换系数

磁场参MKS 单数 位 量纲 22乘以此数 1 10 10 10 159-12获得μMKSv 单位制 量纲 22磁通量 Weber (kg)(m)/(A)(s) 磁通量密度 场强 电流 Tesla A/m A kg/(A)(s) A/m A A/(m) 2222Weber (g)(μm)/(fA)(s) - fA/μm fA 2g/(fA)(s) fA/μm fA fA/(μm) (g)(μm)/(fA)(s) (g)(μm)/(fA)(s) 2222222电流密2A/(m) 度 磁导率[2 ] 电感 10 fA/(μm) -213H/m (kg)(m)/(A)(s) 10 H (kg)(m)/(A)(s) 10 222-15- - 1.只对不变的磁导率才可以使用此单位制。 -2822

2.自由空间的磁导率为4π x 10 (g)(μm)/(fA)(s). 1.4GUI路径及命令语言 贯穿于本手册，你将会看到对ANSYS命令及其相应GUI路径的引用。这种引用只是针对命令的名称，因为不必总是需要指定命令所有变量，指定命令变量的组合执行不同的功能。对完整的ANSYS命令的语法，查询《ANSYS Commands Reference》。

GUI路径则尽可能显示完整。因为很多情况下，选择GUI路径将执行你想要进行的操作。另外的情况，选择本手册指示的GUI路径会出现菜单会对话框；从该处，必须选择额外的选项才能适合于具体执行的任务。

对本指南中所有的分析类型，指定要模拟的材料使用直观的材料模型定义界面。这个界面使用分等级的树型材料分类，意在助你选择正确的分析模型。参见《ANSYS Basic Analysis Guide 》中的1.2.4.4 材料模型界面一节。

第二章 顺序耦合场分析

2.1 什么是顺序多场耦合

顺序多场耦合是指将不同工程领域多个相互作用的综合分析，求解一个完整的工程问题。为了方便，本章把与一个工程学科求解分析相联系的过程叫做一个物理分析。当一个物理分析的输入依赖于另一个分析的结果，那么这些分析是耦合的。

有些情况只使用“单向”耦合。例如计算流过水泥墙的流场提供了对墙壁进行结构分析的压力载荷。压力引起墙的变形，反过来又会影响墙周围流场的几何形状。实际上流场的几何形状变化很小，可以忽略不计。因此就没必要再返回来计算变形后的流场。当然在此分析中，流体单元用于求解流场，结构单元用于计算应力和变形。

一个较复杂的情况是感应加热问题，交流电磁场分析计算出焦耳热生成的数据，瞬态热分析用于预测时间相关的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明显变化的，造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种物理分析的反复进行。

顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分析是完全耦合的，那么第二个物理分析的结果又会影响第一个物理分析的输入。全部载何可分为以下两类：

?基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫名义边界条件； ?耦合载荷，是其它物理分析的结果。 典型ANSYS顺序耦合分析应用包括： ?热应力； ?感应加热 ?感应搅拌

?稳态流体－结构耦合 ?磁－结构耦合 ?静电－结构耦合 ?电流传导－静磁

ANSYS程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合分析，使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理意义在不同的物理分析中是不同的，这就用到物理环境的概念。 2.2什么是物理环境？

ANSYS程序使用物理环境的概念进行顺序耦合场分析。可以将所有的操作参数及某一物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个ASCII文件，用以下方法创建：

Command: PHYSICS, WRITE, TITLE, FILENAME, EXT, DIR GUI: Main Manu: Preprocessor>Physics Environ Main Manu: Solution>Physics Environ

针对一个具体的工作名可以定义多达9个物理环境。在physics命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。ANSYS为每一个物理环境指定唯一的编号并作为物理环境文件扩展名的一部分。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在/Title命令中（Utility Menu>File>Create Title）设定的标题区分开。

Physics, Write命令创建物理环境文件（例如Jobname, PH1）,并将ANSYS数据库中的如下信息写入这个文件：

?单元类型及KEYOPT设定； ?实常数； ?材料属性； ?单元坐标系 ?求解分析选项； ?载荷步选项； ?约束方程； ?耦合节点集；

?施加的边界条件和载荷； ?GUI过滤设置；

?分析标题（/TITLE）；

使用PHYSICS，READ命令(Main Menu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)读取一个物理环境文件。使用写入此物理环境文件时使用的文件名或标题（标题在物理环境文件的开头）。在读入物理环境以前，ANSYS程序将清除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，分析选项，约束方程。 2.3一般分析步骤

进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。

对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图2－1为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含合适的实体模型，单元，载荷等。可以把一个结果文件读入到另一个数据库中。但单元和节点编号在数据库和结果文件中必须是一致的。

图2－2为物理环境方法的数据流程图，对于这种方法，整个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有物理分析所需的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元，必须定义一套属性编号，包括单元类型号，材料编号，实常数编号及单元坐标系编号。所有这些编号在所有物理分析中是不变的。但在每个物理环境中，每个编号对应的实际的属性是不同的，例如实常数和单元类型。模型中的某一区域在某一个物理环境中，可以是无效的，本章后面将详细解释。

图2－1间接法顺序耦合分析数据流程图

图2－2使用物理环境顺序耦合场分析数据流程

在创建ANSYS数据库时应该考虑所有物理环境的要求。在创建任何物理环境以前，要对每个面或体的区域赋予正确的单元类型编号、材料编号、实常数编号、单元坐标系编号（参阅AATT及VATT命令描述）。对于模型中某一面或体区域在不同物理环境中都是分析区域的一部分时要格外小心。例如，流体可能有磁特性。在流体分析中，流体的材料编号必须为1。如果不能这样作，必须修改必要的单元属性，再进行不同求解。要修改单元，使用如下命令：

Command: Emodif

GUI: Main Menu>Preprecessor>Modify Attrib

间接法，比较适用于单向顺序耦合，例如典型的热－应力分析。而物理环境方法允许在物理环境之间快速转换，对于在多个物理分析间需要全耦合多次求解的情况非常适用。大变形的稳态－流体结构耦合问题及感应加热是需要用物理环境方法的典型应用。

注意：数据库文件的大小在多次求解的过程中会不断增长，除非采取下列措施：

?在创建物理环境之后执行SAVE命令，并在每一次物理场求解后RESUME恢复数据库。 ?不要将结果写入数据库中（只写到结果文件中）。当进行后处理时需要利用SET命令将数据从结果文件读到数据库中。要激活这个选项，执行/CONFIG，NOELAB，1命令或将“NO_ELDBW=1”插入到config60.ans文件中。 2.4在物理分析之间传递载荷

LDREAD命令在耦合场分析中联系不同的物理环境，使得在第一个物理环境中的分析结果作为载荷，传递到下一个物理环境中求解。

LDREAD命令从结果文件中读取数据并作为载荷施加，下表简要地解释了当LDREAD命令读取结果数据加载到另一分析中发生的数据转换。

表2－1结果通过LDREAD命令如何传递？ 哪些分析的结果 热或FLOTRAN分析结果中的温度[TEMP] 稳态、谐波或瞬态磁场分析结果的力[FORC] 变为此类分析的载荷 结构分析中的体积载荷或热分析中的节点（温度）载荷 结构或FLOTRAN中作为力载荷 静电场分析结果中的力[FORC] 结构分析中作为力载荷 磁场分析结果中的焦耳热[HGEN] 热或FLOTRAN中作为体积载荷（热源） 电流传导分析结果中的源电流密度在磁场分析中作为体载荷（电流密[JS] 度） FLOTRAN分析结果中的压力[PRES] 任何分析结果中的反作用力[REAC] FLOTRAN分析结果中的热通量[HFLU] 在结构分析中（实体或壳单元）作为表面载荷（压力） 任何分析中的力载荷 热分析中单元的表面载荷（热通量） 高频电磁分析中热通量[EHFLU] 热分析中单元的表面载荷（热通量） FLOTRAN分析结果中的对流系数及在热分析中作为表面（对流系数及流流体平均温度[HFLM] 体平均温度） 2.4.1兼容的单元类型

在不同物理环境中单元兼容的准则，有许多细则要确定。在深入了解这些细则以前，需要弄清以下几个术语：

单元基本形状：

单元的基本形状具有缺省的配置，在ANSYS单元手册中有详细描述。对于实体单元，单元基本形状包括：四边形、三角形、六面体（砖块）、四面体。

单元退化形状：

许多单元可以从基本形状退化。例如四边形单元可以退化成三角形，六面体单元可以退化成楔形单元、四面体单元或金字塔形单元

单元阶次：

ANSYS单元（P单元除外），可分为低阶（一阶）或高阶（二阶）形式。高阶单元具有中节点。低阶单元没有中间节点。有许多情况，可以生成没有中节点的高阶单元

在所有的多物理环境中，单元类型必须保持相同的单元基本形状。如果一种单元允许有退化形状，在其它物理环境中对应的单元类型必须可以退化成同样的形状。例如：Solid 92（10节点四面体结构单元）与Solid 87（10节点四面体热单元）可以兼容。但Solid92与Solid90（20节点热单元）的退化的四面体单元不能兼容。

在不同物理环境中不同阶数的单元可能兼容也可能不兼容。使用LDREAD命令读取载荷可以确定单元的兼容性。此外，有些单元类型有特定的KEYOPT选项，支持低阶或高阶耦合载荷传递。

下列载荷可以从一阶或二阶单元中读取，并加载到另一个物理环境中的一阶或二阶单元上：

?体积载荷温度（TEMP）；

?体积载荷单元热生成（HGEN）； ?源电流密度(TS)； ?表面压力（PRES）； ?表面热通量（HFLU）；

?表面对流系数及环境温度（HFLM）； 需要单元阶次兼容的载荷： ?力载荷（FORC） ?反作用载荷（REAC）

以下的电磁场单元支持结构单元的一阶或二阶设定：PLANE53，PLANE121，SOLID122，SOLID123。

如果物理环境的建立需要转换单元阶次，必须初始用高阶单元划分网格。表2－2列出部分兼容的单元类型。

表2-2 物理环境中兼容的单元类型[1][2]

结构 热 电磁 静电 流体 电流传导 SOLID97, SOLID5, SOLID122[4] SOLID142 SOLID117[3] SOLID69 SOLID98, HF119[3] SOLID123[4] — — SOLID98 SOLID5, SOLID69 SOLID45 SOLID70 SOLID92 SOLID87 SOLID95 SOLID90 SOLID117, HF120 SOLID122 PLANE42 PLANE55 PLANE2 PLANE35 PLANE82 PLANE77 SHELL63 SHELL57 LINK1 LINK32 LINK8 LINK33 PLANE13, PLANE53[4] — PLANE53 — — — PLANE121[4] FLUID141 PLANE67 — PLANE121 — — — — — — — — — PLANE67 SHELL157 LINK68 — 1．如果网格包含退化的单元形状，相应的单元类型必须允许相同的退化形状。例如，

网格包括FLUID142金字塔单元，就与SOLID70单元不兼容。SOLID70单元不能退化为金字塔形状。

2．要兼容带有VOLT自由度的单元必须有相同的反力（见ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide中的单元兼容一节）。

3．需要力只支持一阶单元。

4．需要力时支持一阶单元需要单元KEYOPT的设定。 2.4.2可以使用的结果文件类型

在一个间接耦合场分析或物理环境耦合场分析中，要用到包含不同类型的几个结果文件类型。所有结果文件将有相同的文件名（用/Filename命令设定或Utility Menu:>File>Change Jobnane）。区分这些结果文件，查看它们的扩展名：

Jobname.RFL Jobname.RMG Jobname.RTH Jobname.RST FLOTRAN结果文件； 电磁场分析结果文件 热分析结果文件 所有其他类型的结果文件（结构及多物理场） 2.4.3瞬态流体-结构分析

对瞬态流体-结构分析，相应于流体边界条件逐渐改变的间隔点需要进行结构分析。例如假定要执行从2.0秒执行结构分析，进口速度从0秒时的1.0in/sec渐变到4秒时的5.0in/sec。首先在2.0秒以通常的方式执行结构分析。当执行PHYSICS，READ，FLUID时（Main Menu>Solution>Physics Environ>Read）恢复流体分析，可以重新施加瞬态渐变载荷。在第2.0秒施加进口速度为3.0in/sec然后通过执行下列命令表明这是老边界条件：

命令:FLOCHECK,2

GUI:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Flocheck

这意味着2.0秒的进口边界条件3.0in/sec是渐变的起点。然后输入最终的渐变载荷点，第四秒的速度5.0in/sec。利用下面方法指定渐变边界条件：

Command(s):FLDATA4,TIME,BC,1

GUI:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl 利用通常的SOLVE命令执行瞬态分析。

更多关于施加瞬态边界条件的信息，参见§6。 2.5使用物理环境运行一个顺序耦合场分析

本节将详细描述怎样使用物理环境进行顺序耦合场分析。 1．创建满足所有物理环境的模型，要劳记以下几点：

?ANSYS实体模型的每一个面或体，都要定义对应的单元类型、材料属性、实常数。所有的实体模型图元应当有单元类型号、实常数号、材料号及单元坐标系号。（而这些编号对应的属性，在每个物理环境中是不同的。）

?面或体的特定分组将用于两个或更多物理环境，所用模型的网格必须能满足所有物理环境。

2．创建物理环境，对每一物理过程执行这一步，作为耦合场分析的一部分。

?根据《ANSYS Analysis Guide》中的不同内容确定每个物理分析要设定的内容； ?定义每个物理过程模拟所需的单元类型（例如：FLOTRAN中ET，1，141或ET，2，142等；电磁场分析中，ET，1，13或ET，2，117等）。如果某个区域在某一物理分析中不涉及到，则设为0单元（TYPE＝0，ET，3，0），零单元在分析中将被忽略。

?定义材料属性，实常数，单元坐标系，与前面定义的属性号对应。

?将单元类型，材料，实常数及单元坐标系的编号赋予实体模型的面或体。使用AATT命令（Main Menu>Preprocessor>Attributes>All Areas or Picked Areas）或VATT命令（Main Menu>Preprocessor>Attributes>All Volumes or Picked Volumes）。

?施加基本物理载荷及边界条件。这些条件在整个迭代过程中的每一物理环境的执行中都是相同（对于稳态问题）

?设定所有的求解选项

?给物理环境选择一个标题，执行PHYSICS，WRITE命令。例如，在流体－磁场分析中，你可以使用如下命令写入物理环境文件：

Command: PHYSICS, WRITE, FLUIDS

GUI：Main Menu>Preprecessor>Physics Environ>write

?清空数据库中当前的物理环境，准备创建下一个物理环境。通过执行PHYSICS，Clear选项。

Command：PHYSICS, CLEAR

GUI：Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>clear ?按以上步骤准备下一个物理环境。

?执行SAVE命令保存数据及物理环境文件指针。

假设此多物理场耦合分析的工作文件名为“Induct”，并写了两个物理环境文件，

这两个文件名分别为Induct.PH1和Induct.PH2。要了解PHYSICS命令的更多信息请查阅《ANSYS Commands Reference》。

3. 执行顺序耦合多物理场分析，依次进行物理分析，例如： /solu!进行求解

physics, read, magnetics !读入磁场分析，物理环境 Solve Finish

/solve

physics, read, fluids

LDREAD, FORCE,,,,2,,rmg !读入洛仑兹力 Solve

LDREAD中的扩展名确定读入的结果文件类型，热分析结果从Jobname.rth文件中读入，除电磁和流体以外的其他结果文件从Jobname.rst文件中读入。 2.5.1网格更新

耦合场分析经常遇到场域（静电、电磁、流体）及结构域产生大变形。这种情况下，要获得耦合场的收敛解常常有必要更新非结构区域的有限元网格，使之与已变形的结构区域重合并且在场求解与结构求解间进行递归循环。

图2-3，表明了一个典型的静电-结构耦合的问题，需要网格更新。这个问题中，梁放在接地平板的上方，给梁一个电压引起它朝接地平板偏移（由静电力引起）。随着梁的偏移静电场也在改变，随梁与接地平板的靠近作用到梁上的作用力在增加，当静电力与梁的弹性恢复力达到平衡时则达到稳定。

图2－3接地平板上的梁

要运行这个问题的模拟要求调整网格区域使之与变形的结构网格重合。在ANSYS中这种调整称为网格随移。

为实现网格随移，需要执行DAMORPH命令（修改依附于面上的单元），DVMORPH命令（随移依附于体上的单元），或DEMORPH命令（随移已选择的单元）。用RMSHKY选项定义下列三种网格随移方式之一：

?随移-程序移动场网格的节点和单元以与变形的结构网格重合。这种情况下，不生成任何新的节点和单元，也不会从场域去掉任何节点或单元。

?重新划分网格-程序去掉场区域网格，并代之以新的与变形结构一致的网格。重新划分网格并不改变结构网格。程序会连接新场网格与已有变形结构网格的节点和单元。

?随移或重新划分网格-程序试图首先对场网格进行随移。如果随移失败，程序将变换到重新划分选择场区域。这是缺省的设定。

网格随移只影响节点和单元。它不改变实体模型位置（关键点，线，面，体）。它保留节点和单元与实体模型的相关性。对选择随移的区域依附于关键点，线，面内部的节点和单元来讲随移偏移了这些图元但它们的相关性仍然保留。

应当留意经历了网格随移区域边界条件及载荷的施加。施加到节点和单元上的边界条件只有对随移选项是适当的。如果边界条件和载荷是直接施加到节点和单元上的，则DAMORPH，DVMORPH及DEMORPH命令要求在重新划分网格前将载荷及边界条件删除。直接施加到实体模型上的边界条件和载荷可以正确传递到新网格上。因为缺省的选项为随移或重新划分网格，最好只分配实体模型边界条件。

随移算法使用ANSYS形状检查逻辑估计单元是否适于随后的求解。在得到形状检查参数随移单元时会查询单元类型。有些情况随移区域的单元类型可能为零单元（类型零），这种情况下形状检查准则不如具体的分析单元类型严格。为避免这种情况，在执行随移命令前将零单元类型重新分配单元类型。

在执行随移命令前结构分析的位移结果必须在数据库中。在结构分析之后结果是在数据库中的，或从结果文件读入结果之后（后处理中的SET命令）。模型的结构节点按计算的位移移动到变形的位置。如果随后要进行结构分析，应当恢复结构的节点到原来的位置。通过选择结构节点并执行带有系数FACTOR为-1的UPCOORD命令。

Command: UPCOORD, Factor

GUI: Main Menu:>Solution>Other>Updt Node Coord 网格随移支持所有的二维四边形及三角形低、高阶单元。对二维模型所有的节点和单元必须在同一个平面。任何曲面都不支持。三维，只有下列形状随移选项才支持。

?全部为四面体单元-（支持随移及重新划分） ?全部为六面体单元-（支持随移） ?全部为楔型单元-（支持随移）

?金字塔-四面体混合单元-（支持随移） ?六面体-楔型单元-（支持随移）

网格随移对用SMRTSIZE命令选项生成的均匀大小的单元最有可能成功。高度扭曲的单元可以随移失败

图2－4梁和空气的面模型示例了侵入静电区域的梁区域。面1代表梁模型而面2代表静电模型。在这个例子中，应当选择面2进行随移。

图2－4 梁与空气区域的面模型

很多种情况下，只有模型的一部分需要随移（就是说，结构区域的中间附近的区域）。在这种情况下应当只选择结构模型中部附近区域的面或体进行随移。图2－5，梁及多个空气区域模型的面模型示例了有多个静电面的梁的例子。只有面3需要网格随移。为保证与非随移区域网格的相容，随移算法并不改变选择随移面或体边界上的节点和单元。在本例中，不应改变面2及面3界面处的节点。

图2－5梁及多个空气区域的面模型

在结构分析之后执行网格随移，执行下列命令： 命令：DAMORPH

DVMORPH DEMORPH

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Phys Morphing-Areas Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Phys Morphing-Volumes Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Phys Morphing-Elements 参见§2.9一节中的例子

2.5.2 使用物理环境方法重启动一个分析

在许多顺序耦合场分析中需要重启动某个物理环境的求解。例如在感应加热中，在顺序耦合循环中要重启动瞬态热分析。对于静态非线性结构耦合场分析，重启动结构分析也有许多好处。在顺序耦合场分析中可以很方便地重启动一个分析。重启动一个分析需要此分析的EMAT、ESAV以及DB文件。可以使用/ASSIGN命令指定某一分析的EMAT及ESAV文件。数据库文件在多物理环境耦合分析中是一致的。以下是重启动过程的简要步骤：

1．对于需要重启动的物理环境，在求解以前用/ASSIGN命令，指定重启动的EMAT及ESAV文件；

2．执行重启动分析；

3．使用/ASSIGN命令重新指定用于其他物理环境分析的EMAT及ESAV文件的缺省值。 2.6定制Multiphysics求解工具

§2.5节用物理环境执行顺序耦合场分析详细表述了用物理环境处理求解顺序耦合分析。多数情况下，宏命令可以用户化这种处理。本节详细叙述对具体应用的用户化求解宏。 2.6.1静电—结构耦合求解工具

对微机电系统，由静电场产生的机械力可能很大以致于使结构产生变形。变形可以影响静电场，而且要求耦合场求解。命令宏ESSOLV是求解器工具将求解耦合的静电场及结构问题。它使用物理环境处理进行顺序分析。该宏能自动在静电场求解和结构求解间进行迭代直到场及结构达到平衡。宏用§2.5.1节中的随移步骤自动更新静电场网格以保证结构位移。 2.6.1.1要求

ESSOLV宏利用§2.5节中叙述的物理环境。因此该命令宏求解工具在求解前需要创建静电物理文件及结构物理文件。

该求解器工具可用于有四边形或三角形单元的二维模型，三维模型使用§2.5.1节中讲述的单元形状选项。该求解器工具对单元的长宽比接近1的单元效果最好。由ANSYS的SMRTSIZE产生的网格对这种模拟就是可接受的单元形状。

在求解过程中ESSOLV会对静电场区域重新划分网格。重新划分网格区域施加到节点和单元上的边界条件会丢失。因此，应当将边界条件及载荷分配到实体模型上。

对实体单元，ESSOLV命令自动检测空气-结构界面并对静电单元施加麦克斯韦尔表面标志。该标志用于初始从静电区域传力给结构区域。当用ESSOLV命令给结构壳单元时（例如SHELL63,SHELL93），在写最后的静电物理文件之前必须手工施加麦克斯韦尔标志给所有环绕壳的空气单元。用SFA命令施加麦克斯韦尔表面标志给代表壳单元的面。这会确保与壳单元两侧相邻的空气单元接受麦克斯韦尔表面标志。

注意-如果使用了低阶次的实体或壳单元，设置KEYOPT(7)=1对静电单元类型确保力的正确传递。 2.6.1.2步骤

ESSOLV命令宏的使用准备如下。

?建立包括整个静电和结构区域的实体模型。对结构及静电区域划分网格。

?通过分配合适的单元类型给划分网格区域创建静电物理环境，定义材料属性，定义实体模型边界条件及激励，选择方程求解器等。对结构区域设置单元类型为零单元(ET,,0)。写静电物理环境到物理文件(PHYSICS,WRITE)。

?清除静电物理环境(PHYSICS,CLEAR)并建立结构分析物理环境，选择正确的单元类型，定义材料属性，定义实体模型边界条件及载荷，选择方程求解器及选项等。写结构物理环境到物理文件(PHYSICS,WRITE)。

?准备实体模型或单元的部件要随移(这个步骤是一个选项，当交互处理ESSOLV命令宏时界面出现对话框可以完成此项)。对二维分析希望将经历网格随移的静电区域的面定义成一个面部件。对三维将体分类为体部件。见2.5.1节对选择的合适区域进行网格随移。

?对不进行网格随移的区域也定义一个部件(这个步骤是一个选项，当在界面中执行ESSOLV命令时对话框中可以交互选择)。可以选择在求解中不进行随移的静电区域中的线（二维）或面（三维）。这通常是必要的如果随移集中在整个模型的一个小的区域内（见2.5.1节）。

?如果结构需要预应力，准备一个初应力文件。而且，创建一个包含在初应力文件中的单元部件。初应力文件的格式参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中的初应力载荷一节。

?执行ESSOLV宏命令。 2.6.1.3求解

图2-6 ESSOLV宏的数据流

例题参见2.11节，静电-结构分析实例。

命令宏将会在静电和结构物理文件间以迭代的方式进行循环直到结构的变形和系统存储的静电能达到了规定的数值。缺省，求解在当前求解同上一次求解最大结构变形和存储的静电能的改变小于0.5%时收敛。可以用ESSOLV命令的ELECTOL和STRUTOL改变或去除收敛准则。

为保证模型准备充分，通过设置ESSOLV命令的MXLOOP=1可以执行单一循环分析。 成功完成问题求解后，ESSOLV宏更新结构和静电区域的节点坐标使其与结构的变形一致。返回ESSOLV前的原模型，通过RESUME命令恢复名称为_ESSOLV.DB的数据库文件。 2.6.1.4后处理

在后处理中查看结构及静电结果。记住ESSOLV命令对应于结构位移更新结构几何模型及场域。相应地你将能够看到更新几何模型的结果。这可能导致不准确的位移；但是，所有计算的量都是正确的完全可以看其他结果。如果需要体现结构位移准确的数值，将结构返回到原来的基本形状，用UPCOORD，-1命令。

要对结构结果进行后处理，执行下列： 1．读入结构物理环境文件： 命令：PHYSICS,READ

GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read 2．从结构结果文件读入结果： 命令: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>Last Set

3．如果需要准确的位移结果，选择结构节点并返回结构原来的几何形状，用下列命令或菜单路径：

命令:NSEL

GUI: Utility Menu>Select>Entities 命令: UPCOORD,-1.

GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Other>Updt Node Coord

如果想要返回变形后的几何形状，执行UPCOORD，1。查看静电结果，用下列步骤。 对静电结果进行后处理，执行下列： 1．读入静电物理环境文件： 命令: PHYSICS,READ

GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read 2．读入静电结果文件采用： 命令: SET

GUI:Main Menu>General Postproc>Last Set 2.6.1.5多个ESSOLV求解

我们常常会遇到给定一定范围的电压计算结构的变形，可以利用ESSOLV命令以这种方式运行一系列求解。这种情况下，用*DO和*ENDDO构建一贯DO循环命令序列。必须定义新的载荷并重写相应的物理文件。对第二次及随后ESSOLV命令的调用RUSEKY必须设置为一个大于1的值。在两次调用ESSOLV命令之间不要用SAVE命令保存数据库。

注意每一次结构求解都是在原来基本几何形状基础上进行的。ESSOLV不会在第二次及随后的求解中自动激活重启动功能。而且，求解不会引起任何路径相关的结构响应（诸如材料属性的非线性）对激励沿路径反向。

为在第二次及随后的求解中激活重启动功能，结构重启动指令（RESTKY）应当为正（31）。对非线性结构求解，结构重启动通过从前面的收敛求解中重启动而有助于减少求解时间。

2.6.2流体—结构耦合求解工具

命令宏FSSOLV是一个求解器工具用于求解稳态计算流体与静力结构耦合的问题。不适用于动态流体-结构相互作用（FSI）问题。利用物理环境处理的顺序分析。该宏能自动在计算流体与结构求解间进行迭代，直到场和结构达到平衡。该宏只用§2.5.1节中论述的随移方法按结构位移自动更新流体区域的网格。

2.6.2.1要求

FSSOLV宏利用2.5节中论述的物理环境方法。因此，该命令宏求解器工具在求解之前已经创建了流体及结构物理环境文件。

该求解器工具可用于二维包括四边形或三角形单元单元的模型，三维模型用§2.5.1节中论述的单元形状选项。该求解器工具对单元的纵横比（单元的长宽比）接近1有最好的效果。由ANSYS的SMRTSIZE产生的网格对这种模拟就是可接受的单元形状。

FSSOLV不支持对流体区域进行网格重新划分，只支持随移。只能考虑结构有小的运动的情况。 2.6.2.2步骤

用FSSOLV宏命令需要做如下准备：

?建立包括整个流体及结构区域的试题模型。对结构及流体区域划分网格。

?通过分配合适的单元类型给已划分网格的区域，定义材料属性，定义实体模型边界条件及载荷，选择方程求解器等创建流体物理环境。对结构区域，设置单元类型为零单元（ET，0）。写流体物理环境到物理文件（PHYSICS，WRITE）。

?清除流体物理环境（PHYSICS，CLEAR）并建立结构分析的物理环境。选择合适的单元类型，定义材料属性，定义实体模型边界条件及载荷，选择方程求解器及选项等。对流体区域，设置单元类型为零单元（ET，0）。写结构物理环境到物理文件（PHYSICS，WRITE）。

?准备随移的实体模型或单元部件（这个步骤使可选的，在界面中的FSSOLV命令宏对话框中可以交互进行）。对二维分析希望将经历网格随移的静电区域的面定义成一个面部件。对三维将体分类为体部件。见§2.5.1节对选择的合适区域进行网格随移。

?对不进行网格随移的区域也定义一个部件(这个步骤是一个选项，当在界面中执行FSSOLV命令时对话框中可以交互选择)。可以选择在求解中不进行随移的静电区域中的线（二维）或面（三维）。如果随移集中在整个模型的一个小的区域内（见§2.5.1节），这通常是必要的。

?执行FSSOLV宏命令。 2.6.2.3求解

该命令宏在流体和结构物理文件间以迭代的方式进行循环直到最大结构变形及结果总的流体加到结构上力和力矩的变化达到一个规定的数值为止。缺省地，当所有三个值（结构位移，流体力及力矩的最大幅值）在当前与前一次迭代循环中相差小于0.5%求解即达到收敛。你可以利用FSSOLV命令的FORCTOL，MOMETOL及STRUTOL改变或关闭收敛准则。

缺省地，求解中最大流体总体平衡迭代数（FLDATA，ITER，EXEC命令）是由写流体物理文件时规定的。在初始的流体-结构求解之后，达到一个好的结果所需的最大流体平衡迭代数目可能减少。要指定该值，用FLUITER选项。

要确保模型的条件准备充分，可以通过FSSOLV命令的MXLOOP=1只执行一次循环分析来检验。

当成功完成问题的求解，FSSOLV宏按照结构的变形更新结构及流体区域的节点坐标命令。

要返回FSSOLV求解前的几何模型，用RESUME命令恢复名称为_FSSOLV.DB的数据库。

图2-7 FSSOLV宏的流程图表示了FSSOLV命令的数据流。

本章之后有一个利用FSSOLV宏的稳态流体-结构分析实例。该例子计算了一个细铝梁侵入流动的水通道内的变形。FSSOLV求解利用流体和结构的缺省收敛容差经过六次循环达到收敛。收敛结果显示梁尖端的变形与初始结构解相比变形超过20%，这揭示出递归式求解这种问题的重要性。该例子参见§2.12 一节。 2.6.2.4后处理

可以利用通用后处理器查看结构及流体分析的结果。记住FSSOLV按照位移更新结构及流体区域的模型。因此，会看到结果显示在更新的模型上。这对位移的表示是不准确的；然而，所有其他计算量是正确的可以查看。如果需要结构位移的准确表示，通过UPCOORD，-1返回到原来的模型。

查看结构物理环境文件，执行下列： 1．读入结构物理环境文件： 命令: PHYSICS,READ

GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read 2．读入结构结果文件： 命令: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>Last Set

3．如果要求位移的准确表示，选择结构节点并用下列命令或菜单路径返回到原来结构的模型：

命令:NSEL

GUI: Utility Menu>Select>Entities 命令: UPCOORD,-1.

GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Other>Updt Node Coord 后处理流体分析结果，执行下列： 1．读入流体物理环境文件： 命令: PHYSICS,READ

GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read 2．读入流体结果文件： 命令: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>Last Set

2.6.2.5多个FSSOLV求解

经常会遇到要计算一系列流体力作用的结构变形。可以利用FSSOLV命令按这种方式进行顺序求解。这种情况下，利用*DO及*ENDDO命令构建一个DO循环命令序列。必须定义新的载荷并写相应的物理文件。对第二次及随后引用FSSOLV，RUSEKY必须设置为一个大于1的数。在FSSOLV调用间不要用SAVE命令保存数据库。

注意每一次结构求解都是从原始形状开始的。FSSOLV不会在第二次及随后的求解中自动激活重启动功能。因此，求解不会引起任何路径相关的结构响应（诸如材料属性的非线性）对激励沿路径反向。

为在第二次及随后的求解中激活重启动功能，结构重启动键（RESTKY）应当取正值。对非线性结构求解，结构重启动通过从前面的收敛求解中重启动而有助于减少求解时间。 2.7 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 2.7.1 问题描述

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。

几何属性 载荷 材料属性 内圆柱(钢) E = 30 x 10 psi 6外圆柱 (铝) E = 10.6 x 10 psi 6a = .1875 Ti = in. 200°F b = .40 in. To = 70°F = .65 x 10 in/in°F -5= 1.35 x 10 in/in°F = 0.33 -5c = .60 in. = 0.3 K = 2.2 btu/hr-in-°F K = 10.8 btu/hr-in-°F 间接方法进行本问题分析基本步骤如下： 1．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。

以下为上述问题的命令流。文字前有（！）为注释。 /batch,list /show

/title,thermal stress 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! 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

path,radial,2! Define path name and number of path points ppath,1,,.1875! Define path by location ppath,2,,.6

pdef,temp,temp! Interpret temperature to path

lsel,s,loc,y,0 lsel,a,loc,y,widt

dl,all,,vx,0.,1! Outer Walls dl,all,,vy,0.,1 asel,s,type,,2 lsla,s

dl,all,,vx,0.,1! Structure boundary conditions dl,all,,vy,0.,1

lsel,s,loc,x,length+dl

dl,all,,pres,0.,1! Outlet pressure condition asel,s,type,,1

cm,area2,area! Fluid area component for morphing alls fini

/title,Fluid Analysis physics,write,fluid,fluid physics,clear /prep7 !!

!!!!!3.Create Physics Environment for the Structure !! et,1,0

et,2,42! Structural element type for beam mp,ex,2,modx mp,nuxy,2,nust LSEL,S,LOC,Y,dcen LSEL,R,LOC,X,0

dl,all,,UX,0! Bar constraints at X=0 dl,all,,UY,0 alls fini

/title,Structural Analysis physics,write,struc,struc physics,clear !!

!!!!!4.Run FSSOLV macro with restart option and default !!!!!convergence tolerances !!

FSSOLV,\/exit,nosa

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中列出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 SOLID5 PLANE13 FLUID29 FLUID30 CONTAC48 CONTAC49 CONTA171 CONTA172 CONTA173 CONTA174 SOLID62 FLUID116 PLANE67 LINK68 SOLID69 SOLID98 CIRCU124 SHELL157 TRANS126 描述 耦合场六面体 耦合场四边形 声学四边形 声学六面体 2-D 点对面接触 3-D 点对面接触 2-D面对面接触 2-D面对面接触 3-D面对面接触 3-D面对面接触 3-D 磁－结构单元 热－流体管道单元 热电四边形单元 热电线单元 热电六面体单元 耦合场四面体单元 通用电路单元 热电壳单元 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《ANSYS Theory 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 热－结构 磁－结构 电－磁 电－磁－热－结构 电－磁－热 耦合方法 载荷矢量 (如使用了接触单元则为矩阵) 载荷矢量 矩阵 载荷矢量 载荷矢量 压电 热－压力 速度－温度－压力 压力－结构 (声学) 热－电 磁－热 静电－结构 电磁－电路 电－结构－电路 矩阵 矩阵和载荷矢量 矩阵 矩阵 载荷矢量 载荷矢量 载荷矢量 矩阵 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－电分析

在ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Professional软件包中提供热－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《ANSYS Thermal 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(t)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t。

?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）。 3.1.2压电分析

压电效应分析是一种结构－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。对于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(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. Theory 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《ANSYS Structural Analysis Guide》的§8.4节。 3.1.2.1注意要点

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

s

[ε]（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ε11,ε22,ε33。 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[e]。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，从常应力值减去差值。

这个6×3（二维模型为4×2）的矩阵联系电场与应力（[e]矩阵）或应变（[d]矩阵）。[e]矩阵和[d]矩阵使用下列数据表输入：

用TB,PIEZ和TBDATA命令定义[e]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ANSI/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

3.1.2.5 弹性系数矩阵 [c] (或 [d])

该矩阵为6×6矩阵（对2-D模型是4×4矩阵），它说明刚度系数（[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：

paget,path,points,radial! Archive path points in array \plpath,temp! Plot temperature solution finish /prep7

et,1,82,,,1! Switch to structural element, 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,uy,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

plpagm,sx,,node! Plot radial stress on path geometry finish

2.8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。

以下为用物理环境方法求解此热—应力问题的命令流。文字前有（！）为注释： /batch,list /show

/title,thermal stress in concentric cylinders - physics environment method /prep7

et,1,plane77,,,1! PLANE77 axisymmetric options mp,kxx,1,2.2! Steel conductivity np,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

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,

physics,write,thermal! Write the thermal physics file physics,clear! Clear all bc\

et,1,82,,,1! Switch to structural element, SOLID82 mp,ex,1,30e6! Define structural steel properties mp,aplx,1,.65e-5 mp,nuxy,1,.3

mp,ex,2,10.6e6! Define aluminum structural properties mp,alpx,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,uy,0 nsel,all tref,70

physics,write,struct! Write structural physics file save! Save database finish /solu

physics,read,thermal! Read thermal physics file solve! Solve thermal problem finish /post1

path,radial,2! Define path 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! Archive path points in array \plpath.temp! Plot temperature solution finish /solu

physics,read,struct! Read structural physics file

ldread,temp,,,,,,rth! Read in temperatures from thermal run solve! Solve structural problem finish /post1

paput,path,points,radial! 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

plpagm,sx,node! Plot radial stress on path geometry finish

图2-8 径向及环向应力分布曲线

图2-9 径向应力分布

2.9 使用物理环境方法进行流—固耦合分析的实例

本节中示例一个稳态流体—结构相互作用的问题。此问题将演示如何使非线性大变形结构分析与流体动力学分析进行相互耦合分析，以及如何在物理环境设定中使用NULL单元。 2.9.1 问题描述

流道中有一橡胶垫阻碍水的流动，入口流速为0.35m/s（如图2-10），其他参数将在命令流中详细给出。求解水通过此流道的压力降，以及稳态条件下橡胶垫的变形。 2.9.2分析步骤

建立所要分析的流体及固体区域的模型。对于此问题应当创建三个区域：（a）橡胶垫；(b)环绕橡胶垫的流体区域，要求网格随移；(c)纯流体区域。图2-10描述此模型。

图2-10 分析区域划分

橡胶垫将在流体压力作用下发生变形。变形的大小将显著影响流场的形状。在本例中定义的一个环绕橡胶垫的流体区，用于流体物理环境。通过结构区域的结构分析，获得橡胶垫的位移用于随移环绕橡胶垫的小区域。随后的流体分析使用随移后的网格。流体分析对橡胶垫使用零单元结构分析对流体使用零单元。

下节讨论流固耦合分析的步骤。 2.9.2.1建模

创建整个几何模型，包括流体、橡胶垫区域。

用AATT命令赋予这些面的单元类型编号、材料编号以及实常数编号。表2-3列出编号分配。所有可能是流体区域的材料编号都设定为1。虽然实常数在本例中给出但并不使用。

表2-4 物理环境属性

区域 橡胶垫 流体 单元类型 3 1 材料 2 1 实常数 2 1 2.9.2.2创建流体物理环境

给流体区域分配单元类型及材料属性，如表2-4所示。通过FLDA命令定义材料属性，还要确定迭代次数，激活湍流模型，详见命令流。

表2-4 流体物理环境

区域 橡胶垫 流体 类型 Null type (0) FLUID141 材料 none Viscosity, density 实常数 none none ?施加适当的流体边界条件及载荷，如图2-11所示：

图2-11流体物理环境边界条件

?在本例中，边界条件施加在实体模型边界上。后面的命令流中定义了一个包含橡胶垫底部节点的组元。可以在求解的每一次耦合迭代结束时列出这些节点位置的变化。在本例中编号为1的线代表橡胶垫的底部。选择此线上的节点定义组元gasket。

Command: CM,GASKET,NODES

GUI:Utility Menu>Select>Comp/Ass’y>Create Component

?将流体物理环境写入物理环境文件：

Command: PHYSICS, WRITE,FLUID,FLUID

GUI:Main Menu>Preprocessor>Physics Environ> Write 2.9.2.3创建结构物理环境

?清除在流体物理环境中设定的所有信息，准备定义结构物理环境。

Command: PHYSICS,CLEAR

GUI： Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Clear

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jul2.html