ANSYS耦合場分析二

2013-05-08  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

2.1 什么是順序多場耦合

順序多場耦合是指將不同工程領(lǐng)域多個相互作用的綜合分析,求解一個完整的工程問題。為了方便,本章把與一個工程學(xué)科求解分析相聯(lián)系的過程叫做一個物理分析。當(dāng)一個物理分析的輸入依賴于另一個分析的結(jié)果,那么這些分析是耦合的。

有些情況只使用“單向”耦合。例如計算流過水泥墻的流場提供了對墻壁進行結(jié)構(gòu)分析的壓力載荷。壓力引起墻的變形,反過來又會影響墻周圍流場的幾何形狀。實際上流場的幾何形狀變化很小,可以忽略不計。因此就沒必要再返回來計算變形后的流場。當(dāng)然在此分析中,流體單元用于求解流場,結(jié)構(gòu)單元用于計算應(yīng)力和變形。

一個較復(fù)雜的情況是感應(yīng)加熱問題,交流電磁場分析計算出焦耳熱生成的數(shù)據(jù),瞬態(tài)熱分析用于預(yù)測時間相關(guān)的溫度解。但在兩個物理分析中材料的性能都是隨溫度明顯變化的,造成感應(yīng)熱問題求解的復(fù)雜性。這就需要兩種物理分析的反復(fù)進行。

順序耦合是指多個物理分析一個一個按順序分析。第一個物理分析的結(jié)果作為第二個物理分析的載荷。如果分析是完全耦合的,那么第二個物理分析的結(jié)果又會影響第一個物理分析的輸入。全部載何可分為以下兩類:

?基本物理載荷,不是其它物理分析的函數(shù),這種載荷也叫名義邊界條件;

?耦合載荷,是其它物理分析的結(jié)果。

典型ANSYS順序耦合分析應(yīng)用包括:

?熱應(yīng)力;

?感應(yīng)加熱

?感應(yīng)攪拌

?穩(wěn)態(tài)流體-結(jié)構(gòu)耦合

?磁-結(jié)構(gòu)耦合

?靜電-結(jié)構(gòu)耦合

?電流傳導(dǎo)-靜磁

ANSYS程序能夠使用一個數(shù)據(jù)庫文件進行多物理耦合分析,使用同一個有限元模型。而這些單元所代表的物理意義在不同的物理分析中是不同的,這就用到物理環(huán)境的概念。

2.2什么是物理環(huán)境?

ANSYS程序使用物理環(huán)境的概念進行順序耦合場分析?？梢詫⑺械牟僮鲄?shù)及某一物理分析選項全部寫入一個物理環(huán)境文件。它是一個ASCII文件,用以下方法創(chuàng)建:

Command: PHYSICS, WRITE, TITLE, FILENAME, EXT, DIR

GUI: Main Manu: Preprocessor>Physics Environ

Main Manu: Solution>Physics Environ

針對一個具體的工作名可以定義多達9個物理環(huán)境。在physics命令中可為每一個物理環(huán)境定義一個唯一的標題。ANSYS為每一個物理環(huán)境指定唯一的編號并作為物理環(huán)境文件擴展名的一部分。建議使用標題描述分析的物理環(huán)境。這個標題應(yīng)該與在/Title命令中(Utility Menu>File>Create Title)設(shè)定的標題區(qū)分開。

Physics, Write命令創(chuàng)建物理環(huán)境文件(例如Jobname, PH1),并將ANSYS數(shù)據(jù)庫中的如下信息寫入這個文件:

?單元類型及KEYOPT設(shè)定;

?實常數(shù);

?材料屬性;

?單元坐標系

?求解分析選項;

?載荷步選項;

?約束方程;

?耦合節(jié)點集;

?施加的邊界條件和載荷;

?GUI過濾設(shè)置;

?分析標題(/TITLE);

使用PHYSICS,READ命令(Main Menu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)讀取一個物理環(huán)境文件。使用寫入此物理環(huán)境文件時使用的文件名或標題(標題在物理環(huán)境文件的開頭)。在讀入物理環(huán)境以前,ANSYS程序?qū)⑶宄龜?shù)據(jù)庫中所有的邊界條件,載荷,節(jié)點耦合,材料屬性,分析選項,約束方程。

2.3一般分析步驟

進行順序耦合場分析可使用間接法或物理環(huán)境法。

對于間接方法,使用不同的數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件,圖2-1為用間接方法的典型順序耦合分析數(shù)據(jù)流程圖。每個數(shù)據(jù)庫包含合適的實體模型,單元,載荷等?？梢园岩粋€結(jié)果文件讀入到另一個數(shù)據(jù)庫中。但單元和節(jié)點編號在數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件中必須是一致的。

圖2-2為物理環(huán)境方法的數(shù)據(jù)流程圖,對于這種方法,整個模型使用一個數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中必須包含所有物理分析所需的節(jié)點和單元。對于每個單元或?qū)嶓w模型圖元,必須定義一套屬性編號,包括單元類型號,材料編號,實常數(shù)編號及單元坐標系編號。所有這些編號在所有物理分析中是不變的。但在每個物理環(huán)境中,每個編號對應(yīng)的實際的屬性是不同的,例如實常數(shù)和單元類型。模型中的某一區(qū)域在某一個物理環(huán)境中,可以是無效的,本章后面將詳細解釋。

圖2-1間接法順序耦合分析數(shù)據(jù)流程圖

圖2-2使用物理環(huán)境順序耦合場分析數(shù)據(jù)流程

在創(chuàng)建ANSYS數(shù)據(jù)庫時應(yīng)該考慮所有物理環(huán)境的要求。在創(chuàng)建任何物理環(huán)境以前,要對每個面或體的區(qū)域賦予正確的單元類型編號、材料編號、實常數(shù)編號、單元坐標系編號(參閱AATT及VATT命令描述)。對于模型中某一面或體區(qū)域在不同物理環(huán)境中都是分析區(qū)域的一部分時要格外小心。例如,流體可能有磁特性。在流體分析中,流體的材料編號必須為1。如果不能這樣作,必須修改必要的單元屬性,再進行不同求解。要修改單元,使用如下命令:

Command: Emodif

GUI: Main Menu>Preprecessor>Modify Attrib

間接法,比較適用于單向順序耦合,例如典型的熱-應(yīng)力分析。而物理環(huán)境方法允許在物理環(huán)境之間快速轉(zhuǎn)換,對于在多個物理分析間需要全耦合多次求解的情況非常適用。大變形的穩(wěn)態(tài)-流體結(jié)構(gòu)耦合問題及感應(yīng)加熱是需要用物理環(huán)境方法的典型應(yīng)用。

注意:數(shù)據(jù)庫文件的大小在多次求解的過程中會不斷增長,除非采取下列措施:

?在創(chuàng)建物理環(huán)境之后執(zhí)行SAVE命令,并在每一次物理場求解后RESUME恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。

?不要將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中(只寫到結(jié)果文件中)。當(dāng)進行后處理時需要利用SET命令將數(shù)據(jù)從結(jié)果文件讀到數(shù)據(jù)庫中。要激活這個選項,執(zhí)行/CONFIG,NOELAB,1命令或?qū)ⅰ癗O_ELDBW=1”插入到config60.ans文件中。

2.4在物理分析之間傳遞載荷

LDREAD命令在耦合場分析中聯(lián)系不同的物理環(huán)境,使得在第一個物理環(huán)境中的分析結(jié)果作為載荷,傳遞到下一個物理環(huán)境中求解。

LDREAD命令從結(jié)果文件中讀取數(shù)據(jù)并作為載荷施加,下表簡要地解釋了當(dāng)LDREAD命令讀取結(jié)果數(shù)據(jù)加載到另一分析中發(fā)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

表2-1結(jié)果通過LDREAD命令如何傳遞?

2.4.1兼容的單元類型

在不同物理環(huán)境中單元兼容的準則,有許多細則要確定。在深入了解這些細則以前,需要弄清以下幾個術(shù)語:

單元基本形狀:

單元的基本形狀具有缺省的配置,在ANSYS單元手冊中有詳細描述。對于實體單元,單元基本形狀包括:四邊形、三角形、六面體(磚塊)、四面體。

單元退化形狀:

許多單元可以從基本形狀退化。例如四邊形單元可以退化成三角形,六面體單元可以退化成楔形單元、四面體單元或金字塔形單元

單元階次:

ANSYS單元(P單元除外),可分為低階(一階)或高階(二階)形式。高階單元具有中節(jié)點。低階單元沒有中間節(jié)點。有許多情況,可以生成沒有中節(jié)點的高階單元

在所有的多物理環(huán)境中,單元類型必須保持相同的單元基本形狀。如果一種單元允許有退化形狀,在其它物理環(huán)境中對應(yīng)的單元類型必須可以退化成同樣的形狀。例如:Solid 92(10節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)單元)與Solid 87(10節(jié)點四面體熱單元)可以兼容。但Solid92與Solid90(20節(jié)點熱單元)的退化的四面體單元不能兼容。

在不同物理環(huán)境中不同階數(shù)的單元可能兼容也可能不兼容。使用LDREAD命令讀取載荷可以確定單元的兼容性。此外,有些單元類型有特定的KEYOPT選項,支持低階或高階耦合載荷傳遞。

下列載荷可以從一階或二階單元中讀取,并加載到另一個物理環(huán)境中的一階或二階單元上:

?體積載荷溫度(TEMP);

?體積載荷單元熱生成(HGEN);

?源電流密度(TS);

?表面壓力(PRES);

?表面熱通量(HFLU);

?表面對流系數(shù)及環(huán)境溫度(HFLM);

需要單元階次兼容的載荷:

?力載荷(FORC)

?反作用載荷(REAC)

以下的電磁場單元支持結(jié)構(gòu)單元的一階或二階設(shè)定:PLANE53,PLANE121,SOLID122,SOLID123。

如果物理環(huán)境的建立需要轉(zhuǎn)換單元階次,必須初始用高階單元劃分網(wǎng)格。表2-2列出部分兼容的單元類型。

表2-2 物理環(huán)境中兼容的單元類型[1][2]

1.如果網(wǎng)格包含退化的單元形狀,相應(yīng)的單元類型必須允許相同的退化形狀。例如,網(wǎng)格包括FLUID142金字塔單元,就與SOLID70單元不兼容。SOLID70單元不能退化為金字塔形狀。

2.要兼容帶有VOLT自由度的單元必須有相同的反力(見ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide中的單元兼容一節(jié))。

3.需要力只支持一階單元。

4.需要力時支持一階單元需要單元KEYOPT的設(shè)定。

2.4.2可以使用的結(jié)果文件類型

在一個間接耦合場分析或物理環(huán)境耦合場分析中,要用到包含不同類型的幾個結(jié)果文件類型。所有結(jié)果文件將有相同的文件名(用/Filename命令設(shè)定或Utility Menu:>File>Change Jobnane)。區(qū)分這些結(jié)果文件,查看它們的擴展名:

Jobname.RFL	FLOTRAN結(jié)果文件;
Jobname.RMG	電磁場分析結(jié)果文件
Jobname.RTH	熱分析結(jié)果文件
Jobname.RST	所有其他類型的結(jié)果文件(結(jié)構(gòu)及多物理場)

2.4.3瞬態(tài)流體-結(jié)構(gòu)分析

對瞬態(tài)流體-結(jié)構(gòu)分析,相應(yīng)于流體邊界條件逐漸改變的間隔點需要進行結(jié)構(gòu)分析。例如假定要執(zhí)行從2.0秒執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析,進口速度從0秒時的1.0in/sec漸變到4秒時的5.0in/sec。首先在2.0秒以通常的方式執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)執(zhí)行PHYSICS,READ,FLUID時(Main Menu>Solution>Physics Environ>Read)恢復(fù)流體分析,可以重新施加瞬態(tài)漸變載荷。在第2.0秒施加進口速度為3.0in/sec然后通過執(zhí)行下列命令表明這是老邊界條件:

命令:FLOCHECK,2

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

這意味著2.0秒的進口邊界條件3.0in/sec是漸變的起點。然后輸入最終的漸變載荷點,第四秒的速度5.0in/sec。利用下面方法指定漸變邊界條件:

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

GUI:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl

利用通常的SOLVE命令執(zhí)行瞬態(tài)分析。

更多關(guān)于施加瞬態(tài)邊界條件的信息,參見§6。

2.5使用物理環(huán)境運行一個順序耦合場分析

本節(jié)將詳細描述怎樣使用物理環(huán)境進行順序耦合場分析。

1.創(chuàng)建滿足所有物理環(huán)境的模型,要勞記以下幾點:

?ANSYS實體模型的每一個面或體,都要定義對應(yīng)的單元類型、材料屬性、實常數(shù)。所有的實體模型圖元應(yīng)當(dāng)有單元類型號、實常數(shù)號、材料號及單元坐標系號。(而這些編號對應(yīng)的屬性,在每個物理環(huán)境中是不同的。)

?面或體的特定分組將用于兩個或更多物理環(huán)境,所用模型的網(wǎng)格必須能滿足所有物理環(huán)境。

2.創(chuàng)建物理環(huán)境,對每一物理過程執(zhí)行這一步,作為耦合場分析的一部分。

?根據(jù)《ANSYS Analysis Guide》中的不同內(nèi)容確定每個物理分析要設(shè)定的內(nèi)容;

?定義每個物理過程模擬所需的單元類型(例如:FLOTRAN中ET,1,141或ET,2,142等;電磁場分析中,ET,1,13或ET,2,117等)。如果某個區(qū)域在某一物理分析中不涉及到,則設(shè)為0單元(TYPE=0,ET,3,0),零單元在分析中將被忽略。

?定義材料屬性,實常數(shù),單元坐標系,與前面定義的屬性號對應(yīng)。

?將單元類型,材料,實常數(shù)及單元坐標系的編號賦予實體模型的面或體。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)。

?施加基本物理載荷及邊界條件。這些條件在整個迭代過程中的每一物理環(huán)境的執(zhí)行中都是相同(對于穩(wěn)態(tài)問題)

?設(shè)定所有的求解選項

?給物理環(huán)境選擇一個標題,執(zhí)行PHYSICS,WRITE命令。例如,在流體-磁場分析中,你可以使用如下命令寫入物理環(huán)境文件:

Command: PHYSICS, WRITE, FLUIDS

GUI:Main Menu>Preprecessor>Physics Environ>write

?清空數(shù)據(jù)庫中當(dāng)前的物理環(huán)境,準備創(chuàng)建下一個物理環(huán)境。通過執(zhí)行PHYSICS,Clear選項。

Command:PHYSICS, CLEAR

GUI:Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>clear

?按以上步驟準備下一個物理環(huán)境。

?執(zhí)行SAVE命令保存數(shù)據(jù)及物理環(huán)境文件指針。

假設(shè)此多物理場耦合分析的工作文件名為“Induct”,并寫了兩個物理環(huán)境文件,這兩個文件名分別為Induct.PH1和Induct.PH2。要了解PHYSICS命令的更多信息請查閱《ANSYS Commands Reference》。

3. 執(zhí)行順序耦合多物理場分析,依次進行物理分析,例如:

/solu!進行求解

physics, read, magnetics !讀入磁場分析,物理環(huán)境

Solve

Finish

/solve

physics, read, fluids

LDREAD, FORCE,,,,2,,rmg !讀入洛侖茲力

Solve

LDREAD中的擴展名確定讀入的結(jié)果文件類型,熱分析結(jié)果從Jobname.rth文件中讀入,除電磁和流體以外的其他結(jié)果文件從Jobname.rst文件中讀入。

2.5.1網(wǎng)格更新

耦合場分析經(jīng)常遇到場域(靜電、電磁、流體)及結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生大變形。這種情況下,要獲得耦合場的收斂解常常有必要更新非結(jié)構(gòu)區(qū)域的有限元網(wǎng)格,使之與已變形的結(jié)構(gòu)區(qū)域重合并且在場求解與結(jié)構(gòu)求解間進行遞歸循環(huán)。

圖2-3,表明了一個典型的靜電-結(jié)構(gòu)耦合的問題,需要網(wǎng)格更新。這個問題中,梁放在接地平板的上方,給梁一個電壓引起它朝接地平板偏移(由靜電力引起)。隨著梁的偏移靜電場也在改變,隨梁與接地平板的靠近作用到梁上的作用力在增加,當(dāng)靜電力與梁的彈性恢復(fù)力達到平衡時則達到穩(wěn)定。

圖2-3接地平板上的梁

要運行這個問題的模擬要求調(diào)整網(wǎng)格區(qū)域使之與變形的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格重合。在ANSYS中這種調(diào)整稱為網(wǎng)格隨移。

為實現(xiàn)網(wǎng)格隨移,需要執(zhí)行DAMORPH命令(修改依附于面上的單元),DVMORPH命令(隨移依附于體上的單元),或DEMORPH命令(隨移已選擇的單元)。用RMSHKY選項定義下列三種網(wǎng)格隨移方式之一:

?隨移-程序移動場網(wǎng)格的節(jié)點和單元以與變形的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格重合。這種情況下,不生成任何新的節(jié)點和單元,也不會從場域去掉任何節(jié)點或單元。

?重新劃分網(wǎng)格-程序去掉場區(qū)域網(wǎng)格,并代之以新的與變形結(jié)構(gòu)一致的網(wǎng)格。重新劃分網(wǎng)格并不改變結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。程序會連接新場網(wǎng)格與已有變形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的節(jié)點和單元。

?隨移或重新劃分網(wǎng)格-程序試圖首先對場網(wǎng)格進行隨移。如果隨移失敗,程序?qū)⒆儞Q到重新劃分選擇場區(qū)域。這是缺省的設(shè)定。

網(wǎng)格隨移只影響節(jié)點和單元。它不改變實體模型位置(關(guān)鍵點,線,面,體)。它保留節(jié)點和單元與實體模型的相關(guān)性。對選擇隨移的區(qū)域依附于關(guān)鍵點,線,面內(nèi)部的節(jié)點和單元來講隨移偏移了這些圖元但它們的相關(guān)性仍然保留。

應(yīng)當(dāng)留意經(jīng)歷了網(wǎng)格隨移區(qū)域邊界條件及載荷的施加。施加到節(jié)點和單元上的邊界條件只有對隨移選項是適當(dāng)?shù)?。如果邊界條件和載荷是直接施加到節(jié)點和單元上的,則DAMORPH,DVMORPH及DEMORPH命令要求在重新劃分網(wǎng)格前將載荷及邊界條件刪除。直接施加到實體模型上的邊界條件和載荷可以正確傳遞到新網(wǎng)格上。因為缺省的選項為隨移或重新劃分網(wǎng)格,最好只分配實體模型邊界條件。

隨移算法使用ANSYS形狀檢查邏輯估計單元是否適于隨后的求解。在得到形狀檢查參數(shù)隨移單元時會查詢單元類型。有些情況隨移區(qū)域的單元類型可能為零單元(類型零),這種情況下形狀檢查準則不如具體的分析單元類型嚴格。為避免這種情況,在執(zhí)行隨移命令前將零單元類型重新分配單元類型。

在執(zhí)行隨移命令前結(jié)構(gòu)分析的位移結(jié)果必須在數(shù)據(jù)庫中。在結(jié)構(gòu)分析之后結(jié)果是在數(shù)據(jù)庫中的,或從結(jié)果文件讀入結(jié)果之后(后處理中的SET命令)。模型的結(jié)構(gòu)節(jié)點按計算的位移移動到變形的位置。如果隨后要進行結(jié)構(gòu)分析,應(yīng)當(dāng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點到原來的位置。通過選擇結(jié)構(gòu)節(jié)點并執(zhí)行帶有系數(shù)FACTOR為-1的UPCOORD命令。

Command: UPCOORD, Factor

GUI: Main Menu:>Solution>Other>Updt Node Coord

網(wǎng)格隨移支持所有的二維四邊形及三角形低、高階單元。對二維模型所有的節(jié)點和單元必須在同一個平面。任何曲面都不支持。三維,只有下列形狀隨移選項才支持。

?全部為四面體單元-(支持隨移及重新劃分)

?全部為六面體單元-(支持隨移)

?全部為楔型單元-(支持隨移)

?金字塔-四面體混合單元-(支持隨移)

?六面體-楔型單元-(支持隨移)

網(wǎng)格隨移對用SMRTSIZE命令選項生成的均勻大小的單元最有可能成功。高度扭曲的單元可以隨移失敗

圖2-4梁和空氣的面模型示例了侵入靜電區(qū)域的梁區(qū)域。面1代表梁模型而面2代表靜電模型。在這個例子中,應(yīng)當(dāng)選擇面2進行隨移。

圖2-4 梁與空氣區(qū)域的面模型

很多種情況下,只有模型的一部分需要隨移(就是說,結(jié)構(gòu)區(qū)域的中間附近的區(qū)域)。在這種情況下應(yīng)當(dāng)只選擇結(jié)構(gòu)模型中部附近區(qū)域的面或體進行隨移。圖2-5,梁及多個空氣區(qū)域模型的面模型示例了有多個靜電面的梁的例子。只有面3需要網(wǎng)格隨移。為保證與非隨移區(qū)域網(wǎng)格的相容,隨移算法并不改變選擇隨移面或體邊界上的節(jié)點和單元。在本例中,不應(yīng)改變面2及面3界面處的節(jié)點。

圖2-5梁及多個空氣區(qū)域的面模型

在結(jié)構(gòu)分析之后執(zhí)行網(wǎng)格隨移,執(zhí)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

2.5.2 使用物理環(huán)境方法重啟動一個分析

在許多順序耦合場分析中需要重啟動某個物理環(huán)境的求解。例如在感應(yīng)加熱中,在順序耦合循環(huán)中要重啟動瞬態(tài)熱分析。對于靜態(tài)非線性結(jié)構(gòu)耦合場分析,重啟動結(jié)構(gòu)分析也有許多好處。在順序耦合場分析中可以很方便地重啟動一個分析。重啟動一個分析需要此分析的EMAT、ESAV以及DB文件?？梢允褂?ASSIGN命令指定某一分析的EMAT及ESAV文件。數(shù)據(jù)庫文件在多物理環(huán)境耦合分析中是一致的。以下是重啟動過程的簡要步驟:

1.對于需要重啟動的物理環(huán)境,在求解以前用/ASSIGN命令,指定重啟動的EMAT及ESAV文件;

2.執(zhí)行重啟動分析;

3.使用/ASSIGN命令重新指定用于其他物理環(huán)境分析的EMAT及ESAV文件的缺省值。

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