耦合场分析

某电机多物理场耦合分析1、概述为了验证ANSYS耦合场分析功能在电机设计中的应用，采用ANSYS的多物理场耦合分析功能，对某机车牵引电机（包括定子、转子）的耦合场分析作了如下工作：1建立起电机用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；2首先进行电机磁场分析，计算获取了电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；3利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机的温度分布；4使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况。

同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析。

所有分析相互间的载荷和边界条件的传递均由程序自动完成。

2、引言众所周知，在电机设计与研究中，要涉及到电磁、绝缘、发热、通风冷却和力学等多种多样的问题，是一个典型的综合性研究学科，各学科之间是相互关联、相互影响的，是典型的多场耦合问题学科。

由于多场耦合问题的研究十分复杂和困难，传统的电机分析研究方法，是把这些相互关联的问题分离，按各学科分类进行独立的研究。

ANSYS是世界上唯一真正能够在同一个界面下，使用统一的数据库进行完善的电磁场、流场、温度场、结构（应力场）耦合分析的商业软件。

应用ANSYS的这种多场耦合能力可以很方便地研究电机的多场耦合问题。

为了实际考核ANSYS的电磁、热、流体（通风冷却）、结构这些多物理场及其耦合分析在电机设计和研究中的应用能力，ANSYS公司成都办事处对某牵引电机进行了多物理场耦合研究分析。

研究分析的内容为：运用ANSYS软件建立起电机（包括定子和转子）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；首先进行电机磁场分析，计算获取电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；在同一个分析模型上，利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热直接耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机在一定的通风量情况下的温度分布规律（同时还包括流体速度、压力等参数）；最后使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及流体－热直接耦合分析中获得的温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况，并同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安全性能。

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。

多物理场耦合分析的仿真计算技术研究近年来，随着技术的进步和科学的发展，多物理场耦合分析的仿真计算技术得到了广泛的应用，这也意味着这种技术的研究和深化将对未来的科技发展产生重要的推动作用。

多物理场耦合分析的仿真计算技术是指将多个物理场同时纳入到一个仿真计算中进行计算的技术。

这些物理场可以是涉及电磁、声学、热学、流体力学等多种领域的，因此这种技术对于各个领域的研究有着广泛的应用。

比如，在电子产品开发中，我们需要考虑电子元件的热量分布、电磁干扰等问题，这时就需要进行多物理场耦合分析的仿真计算。

在车辆工程领域中，我们需要研究汽车的空气动力学、声学等问题，这时也需要采用这种技术进行计算。

多物理场耦合分析的仿真计算技术的研究可以帮助我们更好地理解不同物理场之间的相互作用，不仅可以节省大量的研发成本和时间，同时也可以提高产品的质量和可靠性。

因此，该技术的研究对于促进技术进步和产业发展有着重要的意义。

在多物理场耦合分析的仿真计算技术研究中，人们通常采用计算流体力学、计算机辅助工程等技术进行建模、求解的过程。

其中，计算流体力学是一种数值计算方法，用于分析流体力学问题，并且可以考虑到流体力学和其他物理场之间的耦合关系。

通过计算机辅助工程技术，可以将这些物理场耦合模型转化为计算机程序并进行仿真计算。

然而，多物理场耦合分析的仿真计算技术也存在一些问题。

一方面，物理场之间的耦合关系错综复杂，这使得建立多物理场耦合模型和求解过程变得非常困难。

另一方面，计算量庞大，需要大量的算力、存储空间和时间，这对计算机的性能和硬件要求提出了更高的要求。

针对以上问题，研究者们进行了多种探索和尝试。

近几年，探索性质敏感的深度神经网络、启发式优化算法等人工智能技术在多物理场耦合分析中的应用也取得了非常有前景的研究结果，这有望极大地改善求解的精度和速度。

总之，随着科技的不断发展，多物理场耦合分析的仿真计算技术在各个领域得到广泛的应用，这也提出了更高的研究和发展要求。

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。