ANSYS耦合场分析_热应力

ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真软件，它提供了多物理场耦合分析的能力，用于模拟和解决多个物理现象相互作用的问题。

以下是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些常见应用：1. 结构-热耦合（Thermo-Structural Coupling）：这种耦合方法用于分析结构在热载荷下的变形和应力响应。

它可以考虑热传导、热辐射、温度梯度等对结构性能的影响，并通过结构和热传导方程之间的相互作用来解决这些问题。

2. 结构-电磁耦合（Electromagnetic-Structural Coupling）：这种耦合方法用于研究结构在电磁场作用下的响应。

它可以考虑电磁场的电流、磁场、电磁感应等对结构的影响，并通过结构和电磁场方程之间的相互作用来解决这些问题。

3. 流体-结构耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）：这种耦合方法用于模拟流体和结构之间的相互作用。

它可以考虑流体力学中的压力、速度、湍流、流体-固体界面等对结构的影响，以及结构对流体的阻力、振动等反馈作用。

4. 流体-热耦合（Fluid-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟流体和热传导之间的相互作用。

它可以考虑流体在流动过程中的热对流、辐射等对热传导的影响，以及热传导对流体温度分布的影响。

5. 电磁-热耦合（Electromagnetic-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟电磁场和热传导之间的相互作用。

它可以考虑电磁能量的吸收、热产生和热扩散等对系统温度分布的影响，以及温度对电磁特性的影响。

以上只是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些例子，实际中还有其他类型的耦合分析，如声-结构耦合、声-流体耦合等。

通过使用这些耦合技术和方法，工程师可以更准确地模拟和分析不同物理场之间的相互作用，从而更好地优化设计和解决实际问题。

ANSYS 工程应用教程_热与电磁学篇随着ANSYS 版本的不断更新，ANSYS 的应用领域也日益广泛。

作为融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电、等一般工业及科学研究领域。

热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，电磁场分析包括二维静态、谐性、瞬态磁场分析，三维静态、谐性、瞬态磁场分析，高频电磁场分析和电场分析等。

ANSYS 热分析简介：图形用户界面方式（GUI ）或命令流方式进行计算。

ANSYS 如何进行热分析：实际上，其基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。

耦合场分析：这类涉及两个和多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。

主要方法有直接耦合和间接耦合。

直接耦合解法的耦合单元包含所有的自由度，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。

这种方法实际上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。

间接耦合法又称为序贯耦合法，通过把第一磁场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现良种场的耦合。

三种基本传热方式：传导：当物理内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。

傅立叶定律，又称导热基本定律hot cold A(T T )t dQ κ-=，Q 为时间t 内的传热量，κ为热传导率，T 为温度，A 为面积，d 为两平面之间的距离。

对流：温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。

流体被加热时：w f q h(t t )=-流体被冷却时：f w q h(t t )=-，w t 和f t 分别为壁面温度和流体温度，h 为对流热系数。

ANSYS热分析详解ANSYS是一种常用的工程仿真软件，具有强大的多物理场耦合分析能力，其中热分析是其中一个重要的应用领域。

在ANSYS中进行热分析可以帮助工程师更好地了解物体在温度变化条件下的行为，从而优化设计方案。

下面将详细介绍ANSYS热分析的原理与流程。

首先，在进行ANSYS热分析前，需要进行前期准备工作。

包括建立几何模型，定义边界条件和导入材料参数等。

在建立几何模型时，可以使用ANSYS提供的建模工具或者导入CAD文件。

然后，需要定义材料参数，如热导率、比热等。

最后，需要定义边界条件，包括外界温度、边界热流、边界散热系数等。

接下来，进行热传导分析。

热传导分析是热分析的基础，用于计算物体内部的温度分布。

在ANSYS中，可以选择稳态或者瞬态分析。

对于稳态分析，需要设置收敛准则，使计算结果达到稳定状态。

对于瞬态分析，需要设置时间步长和总的仿真时间。

在进行计算时，ANSYS会利用有限元法对物体的几何形状进行离散化处理，并通过求解热传导方程来计算温度分布。

在得到物体内部的温度分布后，可以进行热应力分析。

热应力分析是在热传导分析的基础上引入力学应力计算的过程。

在ANSYS中，可以通过多物理场耦合分析的功能来实现。

首先，需要定义材料的线性热膨胀系数和弹性模量等力学参数。

然后，可以选择求解热固结方程和弹性平衡方程，来计算物体在温度变化条件下的应力分布。

除了热应力分析，还可以进行热辐射分析。

热辐射分析是在热传导分析的基础上引入辐射传热计算的过程。

在ANSYS中，可以选择不同的辐射模型来计算物体在温度变化条件下的辐射传热。

常用的辐射模型包括黑体辐射模型和灰体辐射模型等。

通过热辐射分析可以得到物体的辐射换热通量和辐射热功率等重要参数。

最后，进行结果分析和后处理。

在ANSYS中，可以对热分析的结果进行可视化和数据分析。

可以绘制温度云图、热应力云图等，从而更好地理解物体在热变形条件下的行为。

此外，还可以导出计算结果，并进行后续的工程设计和优化。

ANSYS热分析简介1⽬录1. ANSYS热分析简介1. ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡⽅程，⽤有限元的⽅法计算各节点的温度，并导出其他物理参数。

2. ANSYS热分析包括热传导、热对流和热辐射三种热传递⽅式，此外还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。

3. ANSYS中耦合场的分析种类有热-结构耦合、热-流体耦合、热-电耦合、热-磁耦合、热-电-磁-结构耦合等。

4. 对于不同的零件，之间可以采⽤GLUE进⾏粘接，或者采⽤Overlap等⽅法，也可以建⽴接触。

1.1 传导传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或⼀个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。

对流：在物体和周围介质之间发⽣的热交换。

由温差存在⽽引起的热量交换，可以分为⾃然对流和强对流。

对流⼀般作为⾯边界条件施加。

热对流⽤⽜顿冷却⽅程来描述。

辐射：⼀个物体或者多个物体之间通过电磁波进⾏能量交换。

热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。

物体温度越⾼，单位时间辐射的热量越多。

热传导和热对流都需要传热介质，⽽热辐射⽆需任何介质，且在真空中的效率最⾼。

可以看出辐射分析是⾼度⾮线性的。

1.2 热载荷分类（1）DOF约束：温度（2）集中载荷：热流（3）⾯载荷：热流，对流（4）体载荷：体积或者区域载荷。

1.2.1 载荷施加序号APDL含义备注1TUNIF施加均匀初始温度2IC施加⾮均匀的初始温度1.3 热分析分类1.3.1 稳态热分析如果热能的流动不随时间变化的话，热传递就成为是稳态的。

由于热能流动不随时间变化，系统的温度和热载荷也都不随时间变化。

稳态热平衡满⾜热⼒学第⼀定律。

通常在进⾏瞬态分析前，进⾏稳态分析⽤于确定初始温度分布。

对于稳态传热，⼀般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可是是随温度变化的。

1.3.2 瞬态热分析瞬态热分析⽤于计算⼀个系统的随时间变化的温度场及其他热参数。

在⼯程上⼀般⽤瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进⾏应⼒分析。

ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础耦合场分析概述前⾔耦合场分析，也称为多物理场分析，分析不同的物理场的相互作⽤以解决⼀个全局性的⼯程问题。

例如，当⼀个场分析的输⼊依赖于从另⼀个分析的结果，那么分析就会被耦合。

耦合⽅式有：单向耦合：前⼀个分析的结果作为载荷施加给下⼀个分析，⽽下⼀个分析的结果不会影响前⼀个场的分析结果。

例如，在热应⼒问题中，温度场会在结构场中引⼊热应变，但是结构应变通常不会影响温度分布。

因此，⽆需在两个现场解决⽅案之间进⾏迭代。

双向耦合：两个物理场的结果会相互影响。

例如，⾮线性材料的感应加热中，谐波电磁分析计算出焦⽿热，该热在瞬态热分析中⽤于随时间变化的温度解，⽽温度的变化会反过来影响电磁场材料属性的变化，从⽽改变电磁分析结果。

⼀、耦合场分析类型1.直接耦合场分析直接⽅法通常只包含⼀个分析，它使⽤⼀个包含所有必需⾃由度的耦合单元类型，通过计算包含所需物理量的单元矩阵或单元载荷向量的⽅式进⾏耦合。

具有直接耦合功能的单元有：SOLID5 ---------3-D 耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)PLANE13---------⼆维耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID29 ---------⼆维声学流体 单元(声学矩阵的推导)FLUID30 ---------3-D 8 节点声学流体单元 (声学矩阵的推导)LINK68------------热电耦合杆单元SOLID98----------四⾯体耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID116---------热流体耦合管单元CIRCU124--------电路单元TRANS126-------机电转换器单元(电容计算，耦合机电⽅法)SHELL157--------热电耦合壳单元FLUID220---------3-D 20 节点声学流体单元FLUID221---------3-D 10 节点声学流体单元PLANE222--------⼆维 4 节点耦合场实体单元PLANE223--------⼆维 8 节点耦合场实体单元SOLID226---------3-D 20 节点耦合场实体单元SOLID227---------3-D 10 节点耦合场实体单元PLANE233--------⼆维 8 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID236--------3-D 20 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID237--------3-D 10 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)优点：1.允许解决通常的有限元⽆法解决的问题。

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1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2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。

3。

ansys热耦合计算
热耦合计算是指在工程领域中使用ANSYS软件进行热传导和结
构力学之间相互影响的计算。

在进行热耦合计算时，需要考虑热量
对结构件的影响以及结构变形对温度场的影响，这种相互作用在许
多工程领域中都是非常重要的。

首先，在进行热耦合计算时，需要建立一个合适的模型。

这包
括定义材料属性、边界条件和载荷，以及确定模型的几何形状和尺寸。

在ANSYS中，可以使用各种建模工具和预处理器来完成这些任务，确保模型准确地反映了实际工程情况。

其次，进行热耦合计算时需要定义热传导方程和结构力学方程。

热传导方程描述了热量在材料中的传播方式，而结构力学方程描述
了结构件在受力作用下的变形情况。

在ANSYS中，可以使用热传导
模块和结构力学模块来设置这些方程，并进行求解。

另外，热耦合计算还需要考虑热应力和热变形。

当材料受热膨
胀或收缩时，会产生热应力和热变形，这对结构件的性能和稳定性
都会产生影响。

在ANSYS中，可以通过设置热应力和热变形的边界
条件来模拟这些效应，并进行分析和评估。

最后，在完成热耦合计算后，需要对结果进行后处理和分析。

这包括对温度场、热应力、结构变形等进行可视化和评估，以便工程师能够了解结构件在热载荷下的响应情况，并进行进一步的优化和改进。

总之，热耦合计算是一项复杂而重要的工程分析任务，通过使用ANSYS软件进行热耦合计算，工程师能够更好地理解和预测热载荷对结构件性能的影响，从而指导工程设计和优化。

A N S Y S热分析详解解析-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第一章简介一、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，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。

热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。

二、ANSYS的热分析在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。

ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。

ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。

此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。

三、ANSYS 热分析分类稳态传热：系统的温度场不随时间变化瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析热－结构耦合热－流体耦合热－电耦合热－磁耦合热－电－磁－结构耦合等第二章基础知识一、符号与单位W/m 2-℃二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律:●对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中: Q —— 热量;W —— 作功;∆U ——系统内能; ∆KE ——系统动能； ∆PE ——系统势能；● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ∆=；●对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ●对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。

三、热传递的方式1、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。

热传导遵循付里叶定律：dxdT kq -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。

1 热力耦合分析简介
热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用，故属于耦合场分析问题。

与其他耦合场得分析方法类似，ANSYS提供了两种分析热应力的方法：直接法和间接法。

直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析结果；间接法则是先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。

2 直接法进行热应力分析单元
ANSYS运用直接法进行热应力分析主要采用耦合单元，其中包括热—应力耦合单元、热—应力—电和热—应力—磁耦合单元，表1显示了不同类型的热—应力耦合单元。

表1 ANSYS12.1常用的热耦合单元
3 间接法进行热应力分析单元
间接法一般是先采用常规热单元进行热分析，然后将热单元转换为响应的结构单元，并将求得的节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析，因此在整个分析过程中存在热单元与结构单元的转换问题，表2列出了热单元与响应的结构单元的对应关系。

表2 热单元与结构单元的转换表。

ANSYS--热力耦合分析单元简介挑选了部分常用的，希望能方便大家的使用，其中自己翻译了一部分，不准确之处还望见谅，大家还可以继续补充哦！：SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。

本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。

在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。

在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。

与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。

INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。

具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。

所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。

使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。

使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。

PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。

由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。

具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。

具有大变形和应力钢化功能。

当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。

LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。

每个节点有一个自由度。

可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。

允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。

发射率可与温度相关。

如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。

LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。

该单元每个节点只有一个温度自由度。

可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。

如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。

ansys fluent 流固耦合应力ANSYS Fluent是一种用于流体力学分析的计算流体力学软件，可在工程领域中广泛应用。

而流固耦合是指在流体和固体之间存在相互作用和耦合的情况下进行分析和模拟。

在ANSYS Fluent中，流固耦合分析可以用于解决各种与流体和结构相互作用相关的问题，如流体对结构的冲击、流体中的物体运动、流体波浪对结构的影响等。

本文将深入探讨ANSYS Fluent中流固耦合分析的应力方面。

在ANSYS Fluent中，流固耦合分析可以用来计算物体所受的应力和变形。

在进行流固耦合分析时，首先需要对流体域和固体域进行网格划分，并定义各个域的边界条件和材料属性。

在求解器中设置相应的物理模型和求解选项，以及流体和固体之间的耦合参数。

接下来，通过求解流体动力学方程和固体力学方程，可以得到流场和应力场的分布情况。

在流固耦合分析中，流体对固体的影响主要体现在两个方面：压力和摩擦力。

流体的压力作用于物体表面，会产生垂直于物体表面的压力应力。

而摩擦力则是由于流体与物体表面的摩擦作用而产生的切应力。

这些应力在物体内部会产生应变，从而引起物体的变形。

在流固耦合分析中，不仅要考虑流场的分布情况，还要关注固体结构的应力分布和变形情况。

在ANSYS Fluent中，通过流固耦合分析可以得到物体在不同工况下的应力情况，从而评估物体的承载能力和结构稳定性。

在汽车行驶过程中，车辆的底盘需要承受来自路面的冲击和颠簸，如果底盘结构的应力超过了材料的极限强度，就可能会出现疲劳和断裂。

通过流固耦合分析，可以模拟车辆在不同路况下的受力情况，从而预测底盘结构的应力分布和变形情况，为底盘设计提供参考和改进。

在航空航天领域，流固耦合分析也有重要的应用。

在火箭发动机的研发过程中，需要对燃烧室和喷管进行流固耦合分析，以评估材料的热应力和疲劳寿命。

通过对燃烧室内部的燃烧流场和结构的应力分布进行耦合分析，可以预测发动机在不同工作状态下的受力情况，为发动机的优化和设计提供基础。

ansys中的热分析【转】热-结构耦合分析知识掌握篇2022-05-3114:09:19阅读131评论0字号：大中小订阅热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析,然后在进行结构分析.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,如热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析.21.1热-结构耦合分析简介热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知识,然后再学习耦合分析方法.21.1.1热分析基本知识ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题.热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程.如果系统的净热流率为0,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量:q流入+q生成-q流出=0,则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化.瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率,热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化.ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度,对流,辐射,绝热,生热.热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表21.1所示.表21.1热分析单元列表单元类型名称说明线性LINK32LINK33LINK34LINK31两维二节点热传导单元三维二节点热传导单元二节点热对流单元二节点热辐射单元二维实体PLANE55PLANE77PLANE35PLANE75PLANE78四节点四边形单元八节点四边形单元三节点三角形单元四节点轴对称单元八节点轴对称单元三维实体SOLID87SOLID70SOLID90六节点四面体单元八节点六面体单元二十节点六面体单元壳SHELL57四节点四边形壳单元点MASS71节点质量单元21.1.2耦合分析在ANSYS中能够进行的热耦合分析有:热-结构耦合,热-流体耦合,热-电耦合,热-磁耦合,热-电-磁-结构耦合等,因为本书主要讲解结构实例分析,所以着重讲解热-结构耦合分析.在ANSYS中通常可以用两种方法来进行耦合分析,一种是顺序耦合方法,另一种是直接耦合方法.顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于某一物理分析.通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合.典型的例子就是热-应力顺利耦合分析,热分析中得到节点温度作为\体载荷\施加到随后的结构分析中去.直接耦合方法,只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元.通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合.典型的例子是使用了SOLID45,PLANE13或SOLID98单元的压电分析.进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法.对于间接法,使用不同的数据库和结果文件,每个数据库包含合适的实体模型,单元,载荷等.可以把一个图21.1间接法顺序耦合分析数据流程图21.2稳态热分析稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响.通常在进行瞬态热分析以前,需要进行稳态热分析来确定初始温度分布.稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度,热梯度,热流率,热流密度等参数.ANSYS稳态热分析可分为三个步骤:前处理:建模求解:施加载荷计算后处理:查看结果21.2.1建模稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同.不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析,这样才能使菜单选项为热分析选项,单元类型也为热分析的单元类型,另外在材料定义时需要定义相应的热性能参数,下面为大概操作步骤.1.确定jobname,title,unit;2.进入PREP7前处理,定义单元类型,设定单元选项;3.定义单元实常数;4.定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随温度变化;5.创建几何模型并划分网格,请参阅结构分析的建模步骤.21.2.2施加载荷计算热分析跟前面讲解的结构分析相比,区别在于指定的载荷为温度边条.通常可施加的温度载荷有恒定的温度,热流率,对流,热流密度和生热率五种.另外在分析选项中也包含非线性选项,结果输出选项等需要根据情况进行设置.1.定义分析类型(1)如果进行新的热分析,则使用下面命令或菜单路径:COMMAND:ANTYPE,STATIC,NEWGUI:Mainmenu|Solution|-AnalyiType-|NewAnalyi|Steady-tate(2)如果继续上一次分析,比如增加边界条件等,则需要进行重启动功能:COMMAND:ANTYPE,STATIC,RESTGUI:Mainmenu|Solution|AnalyiType-|Retart2.施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件).(1)恒定的温度:通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上.COMMAND:D GUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-Temperature(2)热流率:热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正,代表热流流入节点,即单元获取热量.如果温度与热流率同时施加在一节点上,则ANSYS读取温度值进行计算.注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意.此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些.COMMAND:FGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-HeatFlow(3)对流:对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换.它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元LINK34考虑对流.COMMAND:SFGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-Convection(4)热流密度:热流密度也是一种面载荷.当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRANCFD计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度.如果输入的值为正,代表热流流入单元.热流密度也仅适用于实体和壳单元.热流密度与对流可以施加在同一外表面,但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进行计算.COMMAND:FGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-HeatFlu某(5)生热率:生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热.它的单位是单位体积的热流率.COMMAND:BFGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-HeatGenerat3.确定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项,非线性选项以及输出控制.热分析的载荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同,读者可以参阅本书结构静力分析部分的相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容.这里就不再详细讲解了.4.确定分析选项GUI:MainMenu|Solution|AnalyiOption5.求解GUI:MainMenu|Solution|CurrentLS21.2.3后处理ANSYS将热分析的结果写入某.rth文件中,它包含如下数据信息:(1)基本数据:节点温度(2)导出数据:节点及单元的热流密度节点及单元的热梯度单元热流率节点的反作用热流率其它对于稳态热分析,可以使用POST1进行后处理.关于后处理的完整描述,可参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解.下面是几个关键操作的命令和菜单路径.1.进入POST1后,读入载荷步和子步:COMMAND:SETGUI:MainMenu|GeneralPotproc|-ReadReult-ByLoadStep2.在热分析中可以通过如下三种方式查看结果:彩色云图显示COMMAND:PLNSOL,PLESOL,PLETAB等GUI:MainMenu|GeneralPotproc|PlotReult|NodalSolu,ElementSolu, ElemTable矢量图显示COMMAND:PLVECTGUI:MainMenu|GeneralPotproc|PlotReult|Pre-definedorUerdefined列表显示COMMNAD:PRNSOL,PRESOL,PRRSOL等GUI:MainMenu|GeneralPotproc|LitReult|NodalSolu,ElementSolu,R eactionSolu21.3瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数.在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析.瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似.主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的.为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步.载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如下图所示.图21.2瞬态热分析载荷-时间曲线对于每一个载荷步,必须定义载荷值荷对应的时间值,同时必须指定载荷步的施加方式为渐变或阶越.21.3.1建模一般瞬态热分析中,定义材料性能时要定义导热系数,密度及比热,其余建模过程与稳态热分析类似,这里就不再赘述.21.3.2加载求解和其它ANSYS中进行的分析一样,瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的工作.包括定义分析类型,定义初始条件,施加载荷,指定载荷步选项,指定结果输出选项以及最后进行求解.1.定义分析类型指定分析类型为瞬态分析,通用可以进行新的分析或进行重启动分析.2.获得瞬态热分析的初始条件(1)定义均匀温度场GUI:MainMenu|Solution|-Load-|Setting|UniformTempGUI:MainMenu|Solution|-Load-|Apply|-Thermal-|Temperature|OnNodeGUI:MainMenu|Solution|-Load-|Delete|-Thermal-Temperature|OnNode(2)设定非均匀的初始温度GUI:MainMenu|Solution|Load|Apply|-InitialCondit'n|Define如果初始温度场是不均匀的且又是未知的,就必须首先作稳态热分析确定初始条件.GUI:MainMenu|Preproceor|Load|-LoadStepOpt-Time/Frequenc|TimeIntegrationGUI:MainMenu|Preproceor|Load|-LoadStepOpt-Time/Frequenc|TimeandSubtp写入载荷步文件:GUI:MainMenu|Preproceor|Load|WriteLSFile或先求解:GUI:MainMenu|Solution|Solve|CurrentLS注意:在第二载荷步中,要删去所有设定的温度,除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同.3.设定载荷步选项进行瞬态热分析需要指定的载荷步选项和进行瞬态结构分析相同,主要有普通选项,非线性选项和输出控制选项.(1)普通选项GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-Time/Frequenc|TimeandSubtp每个载荷步的载荷子步数,或时间增量.对于非线性分析,每个载荷步需要多个载荷子步.时间步长的大小关系到计算的精度.步长越小,计算精度越高,同时计算的时间越长.根据线性传导热传递,可以按如下公式估计初始时间步长:ITS=δα24GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|Time/Frequenc|TimeandSubtp如果载荷值在这个载荷步是恒定的,需要设为阶越选项;如果载荷值随时间线GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|Time/Frequenc|TimeandSubtp(2)非线性选项GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|Time/Frequenc|TimeIntegrationGUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|OutputCtrl|DB/ReultFile4.在定义完所有求解分析选项后,进行结果求解.21.3.3结果后处理对于瞬态热分析,ANSYS提供两种后处理方式.通用后处理器POST1,可以对整个模型在某一载荷步(时间点)的结果进行后处理;GUI:MainMenu|GeneralPotproc.GUI:MainMenu|TimeHitPotproc1.用POST1进行后处理GUI:MainMenu|GeneralPotproc|ReadReult|ByTime/Freq如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS会进行线性插值.此外,还可以读出某一载荷步的结果.GUI:MainMenu|GeneralPotproc|ReadReult|ByLoadStep然后,就可以采用与稳态热分析类似的方法,对结果进行彩色云图显示,矢量图显示,打印列表等后处理.2,用POST26进行后处理首先,要定义变量.GUI:MainMenu|TimeHitPotproc|GraphVariable或列表输出GUI:MainMenu|TimeHitPotproc|LitVariable21.4热-结构耦合分析前面讲了热-结构耦合分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子.其主要分三步完成:1.进行热分析,求得结构的的温度场;2.将模型中的单元转变为对应的结构分析单元,并将第一步求得的热分析结构当作体载荷施加到节点上;3.定义其余结构分析需要的选项,并进行结构分析.前面已经介绍了如何单独进行热分析和结构分析,下面介绍如何转换模型并将第一步求解的结果施加到节点上.1.完成必要的热分析,并进行相应的后处理,对结果进行查看分析.2.重新进入前处理器,并指定新的分析范畴为结构分析.选择菜单路径MainMenu|Preference,在弹出的对话框中选择\选项,使所有菜单变为结构分析的选项.3.进行单元转换.选择菜单路径MainMenu|Preproceor|ElementType|SwitchElemType,将弹出SwithchElemType(转换单元类型)对话框,如图21.3所示.图21.3转换单元类型对话框4.在对话框中的Changeelementtype(改变单元类型)下拉框中选择\然后单击关闭对话框,ANSYS程序将会自动将模型中的热单元转换为对应的结构单元类型.5.定义材料的性能参数.跟通常的结构分析不同的是,除了定义进行结构静力分析需要的材料弹性模量,密度,或强化准则的定义之外.在热-结构耦合分析的第二个分析中,还需要定义材料的热膨胀系数,而且材料性能应该随温度变化的.6.将第一次分析得到的温度结果施加到结构分析模型上.选取菜单路径MainMenu|Solution|DefineLoad|Apply|Structural|Temperature|FromThermAn aly,将弹出ApplyTEMPfromThemalAnalyi(从已进行的热分析结果中施加温度载荷)对话框,如图21.4所示.单击对话框中的按钮,选择前面热分析的结果文件某.rth,作为结构分析的热载荷加到节点上.图21.4从已进行的热分析结果中施加温度载荷对话框7.定义其它结构分析的载荷步选项和求解分析选项,并进行结构分析求解.8.进行结果后处理,观察分析所求得的结果.。

ANSYS耦合场分析指南第一章关键字: ANSYS 耦合场分析 CAE教程第一章耦合场分析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。