耦合分析

2013-08-14 by:多物理場(chǎng)耦合有限元分析來(lái)源:仿真在線

耦合分析

耦合分析是指在有限元分析的過(guò)程中考慮了兩種或者多種工程學(xué)科(物理場(chǎng))的交叉作用和相互影響(耦合)。
例如壓電分析考慮了結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)的相互作用:它主要解決由于所施加的位移載荷引起的電壓分布問(wèn)題,反之亦然。其他的耦合場(chǎng)分析還有熱-應(yīng)力耦合分析,熱-電耦合分析,流體-結(jié)構(gòu)耦合分析,磁-熱耦合分析和磁-結(jié)構(gòu)耦合分析等等。

耦合場(chǎng)分析的定義

耦合場(chǎng)分析是指在有限元分析的過(guò)程中考慮了兩種或者多種工程學(xué)科(物理場(chǎng))的交叉作用和相互影響(耦合)。例如壓電分析考慮了結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)的相互作用:它主要解決由于所施加的位移載荷引起的電壓分布問(wèn)題,反之亦然。其他的耦合場(chǎng)分析還有熱-應(yīng)力耦合分析,熱-電耦合分析,流體-結(jié)構(gòu)耦合分析,磁-熱耦合分析和磁-結(jié)構(gòu)耦合分析等等。

耦合場(chǎng)分析的類型

耦合場(chǎng)分析的過(guò)程取決于所需解決的問(wèn)題是由哪些場(chǎng)的耦合作用,但是,耦合場(chǎng)的分析最終可歸結(jié)為兩種不同的方法:序貫耦合方法和直接耦合方法。

序貫耦合解法

序貫耦合解法是按照順序進(jìn)行兩次或更多次的相關(guān)場(chǎng)分析。它是通過(guò)把第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次場(chǎng)分析的載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)的耦合的。例如序貫熱-應(yīng)力耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為“體力”載荷施加在后序的應(yīng)力分析中來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合的。

直接耦合解法

直接耦合解法利用包含所有必須自由度的耦合單元類型,僅僅通過(guò)一次求解就能得出耦合場(chǎng)分析結(jié)果。在這種情形下,耦合是通過(guò)計(jì)算包含所有必須項(xiàng)的單元矩陣或單元載荷向量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如利用單元SOLID5,PLANE13,或SOLID98可直接進(jìn)行壓電分析。

流-固耦合分析

主要用于解決流體(含氣體)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用效應(yīng)。包括: 流-固耦合法、水彈性流體單元法、虛質(zhì)量法。

(1)流-固耦合法
流-固耦合法廣泛用于聲學(xué)和噪音控制領(lǐng)域中,如發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制、汽車車廂和飛機(jī)客艙內(nèi) 的聲場(chǎng)分布控制和研究等。分析過(guò)程中,利用直接法和模態(tài)法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。流體假設(shè)是無(wú) 旋的和可壓縮的, 分析的基本控制方程是三維波方程, 二種特殊的單元可被用來(lái)描述流-固耦合邊界。
(噪)聲學(xué)載荷由節(jié)點(diǎn)的壓力來(lái)描述, 其可以是常量, 也可以是與頻率或時(shí)間相關(guān)的函數(shù), 還可以是聲流容積、通量、流率或功率譜密度函數(shù)。由不同的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的噪聲影響結(jié)果可被分別輸出。

(2)水彈性流體單元法
該方法通常用來(lái)求解具有結(jié)構(gòu)界面、可壓縮性及重力效應(yīng)的廣泛流體問(wèn)題。水彈性流體單元法可用于標(biāo)準(zhǔn)的模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、復(fù)特征值分析和頻率響應(yīng)分析。當(dāng)流體作用于結(jié)構(gòu)時(shí), 要求必須指出耦合界面上的流體節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。自由度在結(jié)構(gòu)模型中是位移和轉(zhuǎn)角,而在流體模型中則是在軸對(duì)稱坐標(biāo)系中調(diào)和壓力函數(shù)的傅利葉系數(shù)。
類似于結(jié)構(gòu)分析,流體模型產(chǎn)生"剛度"和"質(zhì)量"矩陣, 但具有不同的物理意義。載荷、約束、節(jié)點(diǎn)排序或自由度凝聚不能直接用于流體節(jié)點(diǎn)上。

(3)虛質(zhì)量法
虛質(zhì)量法主要用于以下流-固耦合問(wèn)題的分析:
結(jié)構(gòu)沉浸在一個(gè)具有自由液面的無(wú)限或半無(wú)限液體里。
容器內(nèi)盛有具有自由液面的不可壓縮液體。
以上二種情況的組合, 如船在水中而艙內(nèi)又裝有不充滿的液體。
用結(jié)構(gòu)單元來(lái)描述, 這個(gè)模型可以是一邊或二邊被同一液體或不同液體所浸潤(rùn)。
忽略液面重力效應(yīng)。這種近似處理對(duì)于結(jié)構(gòu)頻率高于液體晃動(dòng)頻率是有效的。該分析假設(shè)液體密度是常量(無(wú)層間變化), 流體是無(wú)旋的(無(wú)粘性),并且是穩(wěn)定的(如同空氣動(dòng)力中一樣),同時(shí)是線性的。

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