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中列出了具有耦合场分析能力的单元。
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。
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[ε]s（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
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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：
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
输入[c]矩阵的另一种方法是定义杨氏模量（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> Elastic> Orthotropic
3.1.3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、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《ANSYS Electromagnetic 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SOLID98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SOLID62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
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－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，还描述了在有限元分析中如何获取开放边界问题的电容。本手册§2.6.1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 Reference》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出：
F = (1/2) (dC(x)/dx) (V)2
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（COMBIN14，COMBIN39，MASS21及机电换能器单元（TRANS126）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。
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、Y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
3.1.
4.1静态分析
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3－3给机电换能器单元（TRANS126）施加电压（V1>V2）将产生静电力使扭梁旋转。
图3－3 微镜模型
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。
图3－4机电迟滞
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。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，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。另外，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α1及α2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 psi
α1= 14.5e-6 in/in°F
对材料2：
E2 = 10e6 psi
α2= 2.5e-6 in/in°F
几何特性为：
L = 10 in
t = 0.1 in
载荷为：
Ttop = 400.0 °F
Tbot = 400.0 °F
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。
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3.2.3问题草图
图3-6 双金属梁
3.2.4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。
3.2.
4.2 步骤2: 定义单元类型
1．选择菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete，出现单元类型对话框。
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 Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models。出现定义材料模型属性对话框。
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,Isotropic。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-Create> -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> Picked 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OK。
3.2.
4.5 步骤5: 设置单元密度并剖分网格
1．选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls> -ManualSize-Global -Size ，出现全局单元大小对话框。
2．在element divisions域中输入1，再按OK。
3．选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh> -Areas-Free，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>-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> -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-Nonlinear> 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”。
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.
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Ansys
1. 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 under thermal load
ET,1,PLANE13,4,,2! 2-D Coupled-field solid, plane stress
MP,EX,1,10E6
MP,EX,2,10E6
MP,ALPX,1,14.5E-6
MP,ALPX,2,2.5E-6
MP,KXX,1,5! Thermal conductivity
MP,KXX,2,5
RECTNG,0,5,0,.05! Define rectangle
RECTNG,0,5,.05,.10
AGLUE,ALL
ASEL,S,AREA,,3
AATT,2
ALLSEL,ALL
ESIZE,,1
AMESH,ALL
NSEL,S,LOC,X,0
NSEL,R,LOC,Y,.05
D,ALL,UY
NSEL,S,LOC,X,5
DSYM,SYMM,0,X
ALLSEL,ALL
D,ALL,TEMP,400
FINISH
/SOLU
ANTYPE,STATIC! Coupled-field static analysis
NLGEOM,ON! Large deflection
CNVTOL,F,,,,0.1! Convergence based on force only SOLVE
FINISH
/POST1
SET,1
/DSCALE,1,1! True scaling option
PLDISP,1! Display deflected and undeflected shape PRNSOL,U! Display displacements
FINISH
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。
3.4.1 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（μMKSV）。由于跨TRANS126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。
3.4.2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-2 μm
3.4.2.2模态分析
f1 = 351 kHz
f2 = 1380 kHz
f3 = 3095 kHz
3.4.2.3谐波响应分析
最大位移对应频率=351.6 kHz
最大位移=22 μm（无阻尼）
3.4.2.4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
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
/com
L=150! 梁长(微米)
b=4! 梁宽
h=2! 梁高
I=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! 初始间隙(微米)
et,1,3! 二维梁单元
r,1,b*h,I,h! 梁特性
mp,ex,1,E
mp,dens,1,dens
et,2,126,,,,1! 转换器单元, UX-VOLT 自由度，对称
c0=per0*plateA! C0/x 电容方程常数
r,2,0,0,gapi! 初始间隙距离
rmore,c0! 实常数C0
n,2,0
n,22,L
fill
type,2
real,2
e,1,2! 转换器单元(任意长度)
type,1
real,1
e,2,3! 梁单元
*repeat,20,1,1
nsel,s,loc,x,-10
nsel,a,loc,x,L
d,all,ux,0,,,,uy! 固定梁和TRANS126 单元
nsel,s,loc,x,0
d,all,uy,0! 只允许UX运动
d,2,volt,vlt! 施加跨电容平板电压
nsel,s,loc,x,-10
d,all,volt,0! 电容平板的另一端接地
nsel,all
fini
/solu
antyp,static! 静态分析
pstres,on! 打开预应力影响开关
solve
fini
/post1
prnsol,dof! 列表显示位移和电压结果
prrsol! 列表显示反作用力
fini
/solu
antyp,modal! 模态分析
modopt,lanb,3! Block Lanczos 特征值求解器, 提取3阶模态mxpand! 展开3阶模态
pstres,on! 包含预应力影响
solve
finish
/post1
set,1,1! 读入最低特征频率结果数据
pldisp,1! 图形显示与最低特征频率对应的模态形状
antyp,harm! 谐波响应分析
hropt,full! 全方法谐波分析选项
pstres,on! 包含预应力影响
harfrq,300000,400000! 频率范围(Hz.)
nsubs,500! 采样点数(子步数)
outres,all,all! 输出所有子步结果
ddele,2,volt! 删除所施加的直流电压
nsel,s,loc,x,L/2! 选择梁中间位置节点
f,all,fy,.1! 施加垂直力(.1 N)
nsel,all
solve
finish
/post26
nsol,2,12,u,y,! 选择加了力的节点
add,4,1,,,,,,1/1000! 变为千赫兹
plcplx,0! 幅值
/axlab,x,Frequency (Khz.)! 设置图形选项
/axlab,y,Displacement
/xrange,325,375
/yrange,0,20
/gropt,divx,10
/gthk,axis,1.5
/grop,ltype,0
/dev,text,1,400
xvar,4
plvar,2! 位移-频率关系图
prvar,2! 列表显示位移-频率关系
finish
3.5一些其它的例子
在其它的ANSYS资料中，特别是在ANSYS Verification Manua中，还有一些有关直接耦合场分析的说明。
在ANSYS Verification Manual手册中有一些用来演示ANSYS程序性能的测试例题，尽管该手册并未给出详细的全部输入指令及输出结果，但大多数的ANSYS用户只需有少许有限元基础，就可以通过研究每道有限元模型测试例题及相应的文字说明而了解手册中并未给出的部分。
下面给出ANSYS Verification Manual手册中的几个耦合场分析实例：
VM23两个物体的热－结构接触
VM119电线的中心线的温度分布
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法） 6.1何时使用棱边元方法 在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。在大多数实际3-D 分析中，推荐使用这种方法。在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。 用棱边元方法分析的典型使用情况有： ·电机 ·变压器 ·感应加热 ·螺线管电磁铁 ·强场磁体 ·非破坏性试验 ·磁搅动 ·电解装置 ·粒子加速器 ·医疗和地球物理仪器 《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。 对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。 在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边
的中间节点）上持有边通量自由度AZ。单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。 ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。 6.2单元边方法中用到的单元 表 1三维实体单元 6.3物理模型区域的特性与设置 对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。参见下表，详情在后面部分叙述。
第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法） 9.1节点法（MPV）进行3D静态磁场分析 3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main Menu>Preferences> Magnetic-Nodal，便于使用相应的单元和加载。与2-D静态分析同样的方式定义物理环境，但要注意下面讨论的存在区别的地方。 9.1.1 选择单元类型和定义实常数 对于节点法3 –D静磁分析，可选的单元为3D 矢量位SOLID97单元，与2D单元不同。自由度为：AX,AY,AZ。3D矢量位方程中，用INFIN111远场单元（AX、AY、AZ三个自由度）来为无限边界建模。 对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：
速度效应 可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应用和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。 9.1.2 定义分析类型 用与2D静态磁场分析相同的方式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main Menu>Solution>New Analysis、或者用命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义一个新的静态磁场分析；或者用ANTYPE,STATIC,REST 命令来重启动一个3-D分析。 如果使用了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，而要用具有很低频率的时谐分析(ANTYPE,HARMIC)来完成。 9.1.3 选择方程求解器 命令：EQSLV GUI：Main Menu>Solution>Analysis Options 3D模型建议使用JCG或PCG法进行求解。而对于载压模型、载流模型、或有速度效应的具有非对称矩阵的模型，只能使用波前法、JCG法、或ICCG法求解。电路激励模型只能用稀疏矩阵法或波前法求解器。 9.1.4 加载和求解 进入求解器： 命令：/SOLU GUI：Main Menu>Solution 3-D 静态MVP分析的载荷与2-D静态分析稍有些不同，但其菜单路径是一样的。下面是关于3-D静态磁场分析的一些加载： 该载荷用以定义磁力线垂直、磁力线平行、远场、周期边界条件、以及强加外磁场等载荷和边界条件，下表描述了各种边界条件相应的磁矢量势值：
Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: ?Features ?Overview of the Problem to Solve ?Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) ?Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre ?Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager ?Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: ?Setting the Working Directory ?Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
ANSYS流固耦合计算实例 Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: , Features , Overview of the Problem to Solve , Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) , Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre , Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager , Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: , Setting the Working Directory , Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： -磁通密度?能量损耗 -磁场强度?磁漏 ?磁力及磁矩? S-参数 ?阻抗?品质因子Q ?电感?回波损耗 ?涡流?本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场 1.2ANSYS 如何完成电磁场分析计算 ANSYSU Maxwell 方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知 量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根 ANSY 电磁场分析指南第一章 发表时间： 2007-9-20 作者 : 安世亚太 来源 : e-works 关键字 : ANSYS 电磁场分析 CAE 教程 第一章磁场分析概述 1.1 磁场分析对象 利用ANSYS/Ema 或ANSYS/Multiphysics 模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算下列的设备中的电磁场，如： 电力发电机 磁带及磁盘驱动器 变压器 波导 螺线管传动器 谐振腔 电动机 连接器 磁成像系统 天线辐射 图像显示设备传感器 滤波器
据用户所选择的单元类型和单元选项的不同， ANSYS+算的自由度可以是标量磁 位、矢量磁位或边界通量。 1.3 静态、谐波、瞬态磁场分析 利用ANSY 测以完成下列磁场分析： ?2-D 静态磁场分析，分析直流电（DC ）或永磁体所产生的磁场，用矢量位方 程。参见本书“二维静态磁场分析” ?2-D 谐波磁场分析，分析低频交流电流（AC ）或交流电压所产生的磁场，用 矢量位方程。参见本书“二维谐波磁场分析” ?2 -D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包 含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析” ?3-D 静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。 参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）” ?3-D 静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。 参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）” ?3-D 谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议 尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法） ?3-D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用 棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场 分析（棱边元方法）” 3-D 静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法 ?基于节点方法的3-D 谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法 的 3-D 谐波磁场分析” 1.4 关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择2-D 模型，什么时候选择3-D 模型？标量位方法和矢量位方 法有何不同？棱边元方法和基于节点的方法求解 3-D 问题又有什么区别？在下面 将进行详细比较。 1.4.12-D 分析和 3-D 分析比较 3-D 分析就是用 3-D 模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要 3- D 模型来进行模拟。然而3-D 模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。 所以，若 ?基于节点方法的 的 3-D 静态磁场分析” ?基于节点方法的 的 3-D 瞬态磁场分析” 3-D 瞬态磁场分析， 用矢量位方法。参见“基于节点方法
第十六章电路分析 16.1 什么是电路分析 电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定： 源的类型分析方法 交流（AC）谐波分析 直流（DC）静态分析 随时间变化瞬态分析 要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS程序对于电路分析有如下性能： ·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析 ·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合 ·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析 ·支持直流、交流和时间瞬态模拟 ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，： ·螺线管线圈 ·变压器 ·交流机械 16.2 使用CIRCU124单元 ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。 注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS 单元手册》。 16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件
对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。 表1CIRCU124单元能模拟的电路元件 注意：全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成下列实常数：R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别号，ID）。本章下一节将详细讨论电路建模程序。 下图显示了利用不同的KEYOPT（1）设置建立的不同电路元件，那些靠近元件标志的节点是“浮动”节点（即它们并不直接连接到电路中）。 16.2.2 CIRCU124单元的载荷类型 对于独立电流源和独立电压源可用CIRCU124单元KEYOPT（2）选项来设置激励形式，可以定义电流或电压的正弦、脉冲、指数或分段线性激励。详细的载荷函数图和相应的实常数请参见《ANSYS单元手册》。 16.2.3 将FEA（有限元）区耦合到电路区 可将电路分析的三种元件耦合到FEA区，图2所示的这三种元件直接连接到有限元模型的导体上（耦合是在矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：
期末大作业 题目：简单直流致动器 ANSYS电磁场分析及与ansoft仿真分析结果比较作者姓名：柴飞龙 学科（专业）：机械工程 学号：21225169 所在院系：机械工程学系 提交日期2013 年 1 月
1、 背景简述： ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用软件有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CAE 工具之一。而ansoft Maxwell 软件是一款专门分析电磁场的分析软件，如传感器、调节器、电动机、变压器等。 本人在实验室做的课题涉及到电机仿真，用的较多的是ansoft 软件，因为其对电机仿真的功能更强大，电机功能模块更多，界面友好。 现就对一电磁场应用实例，用ANSYS 进行仿真分析，得到的结果与ansoft 得到的结果进行简单核对比较。 2、 问题描述： 简单直流致动器由2个实体圆柱铁芯，中间被空气隙分开的部件组成，线圈中心点处于空气隙中心。衔铁是导磁材料，导磁率为常数（即线性材料，r μ=1000），线圈是可视为均匀材料，空气区为自由空间（1=r μ），匝数为2000，线圈励磁为直流电流：2A 。模型为轴对称。 3、 ANSYS 仿真操作步骤： 第一步：Main menu>preferences
第二步：定义所有物理区的单元类型为PLANE53 Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete 第三步：设置单元行为 模拟模型的轴对称形状，选择Options（选项） 第四步：定义材料 Preprocessor>Material Props> ?定义空气为1号材料(MURX = 1) ?定义衔铁为2号材料(MURX = 1000) ?定义线圈为3号材料(自由空间导磁率，MURX=1)
new config fluid title 基于流固耦合作用下的双龙富水隧道稳定性研宄 set fluid off set log on set logfile yang 1 .log genzonradcylpOOOOpl 9.00 0p2 0 50 0 p3 0 0 8 size4 20 64 dim6 5 6 5 rat 1 1 I 1 group 围岩 gen zon cshell pOOOOpl 6.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 5.0 size 4 2064 dim 5.6 4.6 5.6 4.6 rat 1 1 1 1 group初期支护 gen zon cshell pO 0 0 0 pi 5.6 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 4.6 size 4 2064 dim 5.0 4.0 5.0 4.0 rat 1 1 1 1 group 二次衬砲fill group原岩 gen zon radcyl pOOOOpl 0 0 ?8.0 p2 0 50 0 p3 9.0 0 0 size 4 20 64 dim 3 6 3 6 rat 1 1 1 1 group围岩2 gen zon cshell pOOO Opl 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 size 4 2064 dim 2.6 5.6 2.6 5.6 rat 1 1 1 1 group仰拱初期支护 gen zon cshell pO 0 0 Opl 0 0 -2.6 p2 0 50 0 p3 5.6 0 0 size 4 2064 dim2 5 2 5 rat 1 1 1 1 group仰拱二次衬砲fill group仰拱原岩 gen zone reflect normal -10 0 gen zone radtun pO 0 0 0 pi 45 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 20 size 3 20 3 12 dim 9 8 9 8 rat 1 1 1 1.1 group围岩3 gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x09y0 50z8 20 gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z 0 20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x09y0 50z8 20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z -8 -20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z -20 20 save shuitun一model.sav model fl_iso prop perm 1.23e-9 poro 0.45 range z 4.5 20 prop perm 4.70e-10 poro 0.4 range z -20 4.5 set fl biot off ini fdensity le3 ini sat 1.0 ini food 2.0e9 ftens -le-3 ;假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型,给围岩陚参数命令流如下, ;mohr-coulomb model model mohr def derive s_modl=E一modl/(2.0*(l .0+p—ratio 1)) b_modl=E_modl/(3.0*(1.0-2.0*p_ratiol)) s_mod2=E—mod2/(2.0*(l .0+p_ratio2)) bjmod2~E_mod2/(3.0*( 1.0-2.0*p_ratio2)) end
ANSYS非线形分析指南基本过程 第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 第1页
ANSYS热分析指南 第一章简介 1.1热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，我们一般关心的参数有： 温度的分布 热量的增加或损失 热梯度 热流密度 热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。 1.2ANSYS中的热分析 ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、 ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。 ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。1.2.1对流 热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。 1.2.2辐射 ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题： 辐射杆单元（LINK31） 使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）
在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析 使用Radiosity求解器方法 有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。 1.2.3特殊的问题 除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。 1.3热分析的类型 ANSYS支持两种类型的热分析： 1．稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。 2．瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。 1.4耦合场分析 ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热－电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYS Coupled-Field Analysis Guide》。 1.5关于菜单路径和命令语法 在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。 菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。 第二章基础知识 2.1符号与单位
有问题可以发邮件给我一起讨论xw4996@https://www.doczj.com/doc/8c11763232.html, FSI流固耦合命令求解流固耦合问题 使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有 3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。 在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。 数值分析的步骤 1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。 2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。 3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。 4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。 5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。 6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。 以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设： 1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也 非常复杂，因而需要分块划分单元。
第十四章 静电场分析（h方法） 14.1 什么是静电场分析 静电场分析用以确定由电荷分布或外加电势所产生的电场和电场标量位（电压）分布。该分析能加二种形式的载荷：电压和电荷密度。 静电场分析是假定为线性的，电场正比于所加电压。 静电场分析可以使用两种方法：h方法和p方法。本章讨论传统的h方法。下一章讨论p方法。 14.2 h方法静电场分析中所用单元 h方法静电分析使用如下ANSYS单元： 表1. 二维实体单元 单元维数形状或特征自由度 PLANE1212-D四边形，8节点每个节点上的电压 表2. 三维实体单元 单元维数形状或特征自由度 SOLID1223-D砖形（六面体），20节点每个节点上的电压 SOLID1233-D砖形（六面体），20节点每个节点上的电压 表3. 特殊单元 单元维数形状或特征自由度 MATRIX50无(超单元)取决于构成本单元的单元取决于构成本单元的单元类型 INFIN1102-D4或8节点每个节点1个；磁矢量位，温度，或电位 INFIN1113-D六面体，8或20节点AX、AY、AZ磁矢势，温度，电势，或磁标量势 INFIN92-D平面，无界，2节点AZ磁矢势，温度INFIN473-D四边形4节点或三角形3节点AZ磁矢势，温度 14.3 h方法静电场分析的步骤 静电场分析过程由三个主要步骤组成： 1.建模 2.加载和求解 3.观察结果 14.3.1 建模 定义工作名和标题： 命令：/FILNAME，/TITLE GUI：Utility Menu>File>Change Jobname Utility Menu>File>Change Title 如果是GUI方式，设置分析参考框：
Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集得一些资料,进行学习后,试着做了这个ansys14workbench得血管流固耦合模拟,感觉能够耦合上,仅就是熟悉流固耦合分析过程,不一定正确,仅供参考,希望大家多讨论。谢谢！ 1、先在proe5中建立血管与血液流体区得模型(两者装配起来),或者直接在workbench中建模。 图1 模型图 2、新建工程。在workbench中toolbox中选custom system,双击FSI: FluidFlow(fluent)->static structure、 图2 计算工程 3、修改engineering data,因为系统缺省材料就是钢,需要构建血管材料,如图3所示。先复制steel,而后修改密度1150kg/m3,杨氏模量 4、5e8Pa,泊松比0、3,重新命名,最后在主菜单中点击“update project”保存、
图3 修改工程材料 4、模型导入,进入gemetry模块,import外部模型文件。 图4 模型导入图 5、进入FLUENT网格划分。 在workbench工程视图中得Mesh上点击右键,选择Edit…,如图5所示,进入网格划分meshing界面,如图6所示。我们这里需要去掉血管部分,只保留血液几何。
图5 进入网格划分
图6 禁用血管模型 6、设置网格方法。 默认就是采用ICEM CFD进行网格划分,设置方式如图7所示,截面圆弧边分为12份,纵截面得边均分为10份,网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界得几何面,如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格
ANSYS非线形分析指南基本过程 耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 第1页
第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 1
直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 1
第十一章磁宏 11.1 什么是电磁宏 电磁宏是ANSYS宏命令，其主要功能是帮助用户方便地建立分析模型、方便地获取想要观察的分析结果。目前，ANSYS提供了下列宏命令，可用于电磁场分析： ·CMATRIX：计算导体间自有和共有电容系数 ·CURR2D：计算二维导电体内电流 ·EMAGERR：计算在静电或电磁场分析中的相对误差 ·EMF：沿预定路径计算电动力（emf）或电压降 ·FLUXV：计算通过闭合回路的通量 ·FMAGBC：对一个单元组件加力边界条件 ·FMAGSUM：对单元组件进行电磁力求和计算 ·FOR2D：计算一个体上的磁力 ·HFSWEEP：在一个频率范围内对高频电磁波导进行时谐响应分析，并进行 相应的后处理计算 ·HMAGSOLV：定义2-D谐波电磁求解选项并进行谐波求解 ·IMPD：计算同轴电磁设备在一个特定参考面上的阻抗 ·LMATRIX：计算任意一组导体间的电感矩阵 ·MAGSOLV：对静态分析定义磁分析选项并开始求解 ·MMF：沿一条路径计算磁动力 ·PERBC2D：对2—D平面分析施加周期性约束 ·PLF2D：生成等势的等值线图 ·PMGTRAN：对瞬态分析的电磁结果求和 ·POWERH：在导体内计算均方根（RMS）能量损失
·QFACT：根据高频模态分析结果计算高频电磁谐振器件的品质因子 ·RACE：定义一个“跑道形”电流源 ·REFLCOEF：计算同轴电磁设备的电压反射系数、驻波比、和回波损失 ·SENERGY：计算单元中储存的磁能或共能 ·SPARM：计算同轴波导或TE10模式矩形波导两个端口间的反射参数 ·TORQ2D：计算在磁场中物体上的力矩 ·TORQC2D：基于一个圆形环路计算在磁场中物体上的力矩 ·TORQSUM：对2-D平面问题中单元部件上的Maxwell力矩和虚功力矩求和 本章对这些宏有详细描述。在ANSYS命令手册和理论手册对这些宏有更详细的描述。 下面的表格列出了这些电磁宏的使用范畴。
一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合的例子 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width amesh,all alls ! type,2 mat,2 vmesh,all
说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。 ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。 模块及数据传递方式如下图所示。 一、几何准备 流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。 模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。
由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。 二、流体部分设置 1、网格划分 双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为1mm。划分网格后如下图所示。 2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置 设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。 操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。注意：FLUENT会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型，当然用户也可以在fluent进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。
A N S Y S电磁场分析指南第一章磁场分析概 述
第一章磁场分析概述 1.1磁场分析对象 利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算下列的设备中的电磁场，如： ·电力发电机·磁带及磁盘驱动器 ·变压器·波导 ·螺线管传动器·谐振腔 ·电动机·连接器 ·磁成像系统·天线辐射 ·图像显示设备传感器·滤波器 ·回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： ·磁通密度·能量损耗 ·磁场强度·磁漏 ·磁力及磁矩· S-参数 ·阻抗·品质因子Q ·电感·回波损耗 ·涡流·本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。 1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算 ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。 1.3静态、谐波、瞬态磁场分析
利用ANSYS可以完成下列磁场分析： ·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书“二维静态磁场分析” ·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书“二维谐波磁场分析” ·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析” ·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）” ·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）” ·3-D谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法）” ·3-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场分析（棱边元方法）” ·基于节点方法的3-D静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D静态磁场分析” ·基于节点方法的3-D谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D谐波磁场分析” ·基于节点方法的3-D瞬态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D瞬态磁场分析” 1.4关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择2－D模型，什么时候选择3－D模型？标量位方法和矢量位方法有何不同？棱边元方法和基于节点的方法求解3-D问题又有什么区别？在下面将进行详细比较。 1.4.12-D分析和3-D分析比较 3-D分析就是用3-D模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要3-D模型来进行模拟。然而3-D模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。所以，若有可能，请尽量考虑用2-D模型来进行建模求解。