ANSYS耦合场分析二

2013-05-08  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

2.1 什么是顺序多场耦合

顺序多场耦合是指将不同工程领域多个相互作用的综合分析,求解一个完整的工程问题。为了方便,本章把与一个工程学科求解分析相联系的过程叫做一个物理分析。当一个物理分析的输入依赖于另一个分析的结果,那么这些分析是耦合的。

有些情况只使用“单向”耦合。例如计算流过水泥墙的流场提供了对墙壁进行结构分析的压力载荷。压力引起墙的变形,反过来又会影响墙周围流场的几何形状。实际上流场的几何形状变化很小,可以忽略不计。因此就没必要再返回来计算变形后的流场。当然在此分析中,流体单元用于求解流场,结构单元用于计算应力和变形。

一个较复杂的情况是感应加热问题,交流电磁场分析计算出焦耳热生成的数据,瞬态热分析用于预测时间相关的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明显变化的,造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种物理分析的反复进行。

顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分析是完全耦合的,那么第二个物理分析的结果又会影响第一个物理分析的输入。全部载何可分为以下两类:

Ÿ基本物理载荷,不是其它物理分析的函数,这种载荷也叫名义边界条件;

Ÿ耦合载荷,是其它物理分析的结果。

典型ANSYS顺序耦合分析应用包括:

Ÿ热应力;

Ÿ感应加热

Ÿ感应搅拌

Ÿ稳态流体-结构耦合

Ÿ磁-结构耦合

Ÿ静电-结构耦合

Ÿ电流传导-静磁

ANSYS程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合分析,使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理意义在不同的物理分析中是不同的,这就用到物理环境的概念。

2.2什么是物理环境?

ANSYS程序使用物理环境的概念进行顺序耦合场分析。可以将所有的操作参数及某一物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个ASCII文件,用以下方法创建:

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

GUI: Main Manu: Preprocessor>Physics Environ

Main Manu: Solution>Physics Environ

针对一个具体的工作名可以定义多达9个物理环境。在physics命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。ANSYS为每一个物理环境指定唯一的编号并作为物理环境文件扩展名的一部分。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在/Title命令中(Utility Menu>File>Create Title)设定的标题区分开。

Physics, Write命令创建物理环境文件(例如Jobname, PH1),并将ANSYS数据库中的如下信息写入这个文件:

Ÿ单元类型及KEYOPT设定;

Ÿ实常数;

Ÿ材料属性;

Ÿ单元坐标系

Ÿ求解分析选项;

Ÿ载荷步选项;

Ÿ约束方程;

Ÿ耦合节点集;

Ÿ施加的边界条件和载荷;

ŸGUI过滤设置;

Ÿ分析标题(/TITLE);

使用PHYSICS,READ命令(Main Menu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)读取一个物理环境文件。使用写入此物理环境文件时使用的文件名或标题(标题在物理环境文件的开头)。在读入物理环境以前,ANSYS程序将清除数据库中所有的边界条件,载荷,节点耦合,材料属性,分析选项,约束方程。

2.3一般分析步骤

进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。

对于间接方法,使用不同的数据库和结果文件,图2-1为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含合适的实体模型,单元,载荷等。可以把一个结果文件读入到另一个数据库中。但单元和节点编号在数据库和结果文件中必须是一致的。

图2-2为物理环境方法的数据流程图,对于这种方法,整个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有物理分析所需的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元,必须定义一套属性编号,包括单元类型号,材料编号,实常数编号及单元坐标系编号。所有这些编号在所有物理分析中是不变的。但在每个物理环境中,每个编号对应的实际的属性是不同的,例如实常数和单元类型。模型中的某一区域在某一个物理环境中,可以是无效的,本章后面将详细解释。

图2-1间接法顺序耦合分析数据流程图

图2-2使用物理环境顺序耦合场分析数据流程

在创建ANSYS数据库时应该考虑所有物理环境的要求。在创建任何物理环境以前,要对每个面或体的区域赋予正确的单元类型编号、材料编号、实常数编号、单元坐标系编号(参阅AATT及VATT命令描述)。对于模型中某一面或体区域在不同物理环境中都是分析区域的一部分时要格外小心。例如,流体可能有磁特性。在流体分析中,流体的材料编号必须为1。如果不能这样作,必须修改必要的单元属性,再进行不同求解。要修改单元,使用如下命令:

Command: Emodif

GUI: Main Menu>Preprecessor>Modify Attrib

间接法,比较适用于单向顺序耦合,例如典型的热-应力分析。而物理环境方法允许在物理环境之间快速转换,对于在多个物理分析间需要全耦合多次求解的情况非常适用。大变形的稳态-流体结构耦合问题及感应加热是需要用物理环境方法的典型应用。

注意:数据库文件的大小在多次求解的过程中会不断增长,除非采取下列措施:

Ÿ在创建物理环境之后执行SAVE命令,并在每一次物理场求解后RESUME恢复数据库。

Ÿ不要将结果写入数据库中(只写到结果文件中)。当进行后处理时需要利用SET命令将数据从结果文件读到数据库中。要激活这个选项,执行/CONFIG,NOELAB,1命令或将“NO_ELDBW=1”插入到config60.ans文件中。

2.4在物理分析之间传递载荷

LDREAD命令在耦合场分析中联系不同的物理环境,使得在第一个物理环境中的分析结果作为载荷,传递到下一个物理环境中求解。

LDREAD命令从结果文件中读取数据并作为载荷施加,下表简要地解释了当LDREAD命令读取结果数据加载到另一分析中发生的数据转换。

表2-1结果通过LDREAD命令如何传递?

2.4.1兼容的单元类型

在不同物理环境中单元兼容的准则,有许多细则要确定。在深入了解这些细则以前,需要弄清以下几个术语:

单元基本形状:

单元的基本形状具有缺省的配置,在ANSYS单元手册中有详细描述。对于实体单元,单元基本形状包括:四边形、三角形、六面体(砖块)、四面体。

单元退化形状:

许多单元可以从基本形状退化。例如四边形单元可以退化成三角形,六面体单元可以退化成楔形单元、四面体单元或金字塔形单元

单元阶次:

ANSYS单元(P单元除外),可分为低阶(一阶)或高阶(二阶)形式。高阶单元具有中节点。低阶单元没有中间节点。有许多情况,可以生成没有中节点的高阶单元

在所有的多物理环境中,单元类型必须保持相同的单元基本形状。如果一种单元允许有退化形状,在其它物理环境中对应的单元类型必须可以退化成同样的形状。例如:Solid 92(10节点四面体结构单元)与Solid 87(10节点四面体热单元)可以兼容。但Solid92与Solid90(20节点热单元)的退化的四面体单元不能兼容。

在不同物理环境中不同阶数的单元可能兼容也可能不兼容。使用LDREAD命令读取载荷可以确定单元的兼容性。此外,有些单元类型有特定的KEYOPT选项,支持低阶或高阶耦合载荷传递。

下列载荷可以从一阶或二阶单元中读取,并加载到另一个物理环境中的一阶或二阶单元上:

Ÿ体积载荷温度(TEMP);

Ÿ体积载荷单元热生成(HGEN);

Ÿ源电流密度(TS);

Ÿ表面压力(PRES);

Ÿ表面热通量(HFLU);

Ÿ表面对流系数及环境温度(HFLM);

需要单元阶次兼容的载荷:

Ÿ力载荷(FORC)

Ÿ反作用载荷(REAC)

以下的电磁场单元支持结构单元的一阶或二阶设定:PLANE53,PLANE121,SOLID122,SOLID123。

如果物理环境的建立需要转换单元阶次,必须初始用高阶单元划分网格。表2-2列出部分兼容的单元类型。

表2-2 物理环境中兼容的单元类型[1][2]

1.如果网格包含退化的单元形状,相应的单元类型必须允许相同的退化形状。例如,网格包括FLUID142金字塔单元,就与SOLID70单元不兼容。SOLID70单元不能退化为金字塔形状。

2.要兼容带有VOLT自由度的单元必须有相同的反力(见ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide中的单元兼容一节)。

3.需要力只支持一阶单元。

4.需要力时支持一阶单元需要单元KEYOPT的设定。

2.4.2可以使用的结果文件类型

在一个间接耦合场分析或物理环境耦合场分析中,要用到包含不同类型的几个结果文件类型。所有结果文件将有相同的文件名(用/Filename命令设定或Utility Menu:>File>Change Jobnane)。区分这些结果文件,查看它们的扩展名:

Jobname.RFL	FLOTRAN结果文件;
Jobname.RMG	电磁场分析结果文件
Jobname.RTH	热分析结果文件
Jobname.RST	所有其他类型的结果文件(结构及多物理场)

2.4.3瞬态流体-结构分析

对瞬态流体-结构分析,相应于流体边界条件逐渐改变的间隔点需要进行结构分析。例如假定要执行从2.0秒执行结构分析,进口速度从0秒时的1.0in/sec渐变到4秒时的5.0in/sec。首先在2.0秒以通常的方式执行结构分析。当执行PHYSICS,READ,FLUID时(Main Menu>Solution>Physics Environ>Read)恢复流体分析,可以重新施加瞬态渐变载荷。在第2.0秒施加进口速度为3.0in/sec然后通过执行下列命令表明这是老边界条件:

命令:FLOCHECK,2

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

这意味着2.0秒的进口边界条件3.0in/sec是渐变的起点。然后输入最终的渐变载荷点,第四秒的速度5.0in/sec。利用下面方法指定渐变边界条件:

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

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

利用通常的SOLVE命令执行瞬态分析。

更多关于施加瞬态边界条件的信息,参见§6。

2.5使用物理环境运行一个顺序耦合场分析

本节将详细描述怎样使用物理环境进行顺序耦合场分析。

1.创建满足所有物理环境的模型,要劳记以下几点:

ŸANSYS实体模型的每一个面或体,都要定义对应的单元类型、材料属性、实常数。所有的实体模型图元应当有单元类型号、实常数号、材料号及单元坐标系号。(而这些编号对应的属性,在每个物理环境中是不同的。)

Ÿ面或体的特定分组将用于两个或更多物理环境,所用模型的网格必须能满足所有物理环境。

2.创建物理环境,对每一物理过程执行这一步,作为耦合场分析的一部分。

Ÿ根据《ANSYS Analysis Guide》中的不同内容确定每个物理分析要设定的内容;

Ÿ定义每个物理过程模拟所需的单元类型(例如:FLOTRAN中ET,1,141或ET,2,142等;电磁场分析中,ET,1,13或ET,2,117等)。如果某个区域在某一物理分析中不涉及到,则设为0单元(TYPE=0,ET,3,0),零单元在分析中将被忽略。

Ÿ定义材料属性,实常数,单元坐标系,与前面定义的属性号对应。

Ÿ将单元类型,材料,实常数及单元坐标系的编号赋予实体模型的面或体。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)。

Ÿ施加基本物理载荷及边界条件。这些条件在整个迭代过程中的每一物理环境的执行中都是相同(对于稳态问题)

Ÿ设定所有的求解选项

Ÿ给物理环境选择一个标题,执行PHYSICS,WRITE命令。例如,在流体-磁场分析中,你可以使用如下命令写入物理环境文件:

Command: PHYSICS, WRITE, FLUIDS

GUI:Main Menu>Preprecessor>Physics Environ>write

Ÿ清空数据库中当前的物理环境,准备创建下一个物理环境。通过执行PHYSICS,Clear选项。

Command:PHYSICS, CLEAR

GUI:Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>clear

Ÿ按以上步骤准备下一个物理环境。

Ÿ执行SAVE命令保存数据及物理环境文件指针。

假设此多物理场耦合分析的工作文件名为“Induct”,并写了两个物理环境文件,这两个文件名分别为Induct.PH1和Induct.PH2。要了解PHYSICS命令的更多信息请查阅《ANSYS Commands Reference》。

3. 执行顺序耦合多物理场分析,依次进行物理分析,例如:

/solu!进行求解

physics, read, magnetics !读入磁场分析,物理环境

Solve

Finish

/solve

physics, read, fluids

LDREAD, FORCE,,,,2,,rmg !读入洛仑兹力

Solve

LDREAD中的扩展名确定读入的结果文件类型,热分析结果从Jobname.rth文件中读入,除电磁和流体以外的其他结果文件从Jobname.rst文件中读入。

2.5.1网格更新

耦合场分析经常遇到场域(静电、电磁、流体)及结构域产生大变形。这种情况下,要获得耦合场的收敛解常常有必要更新非结构区域的有限元网格,使之与已变形的结构区域重合并且在场求解与结构求解间进行递归循环。

图2-3,表明了一个典型的静电-结构耦合的问题,需要网格更新。这个问题中,梁放在接地平板的上方,给梁一个电压引起它朝接地平板偏移(由静电力引起)。随着梁的偏移静电场也在改变,随梁与接地平板的靠近作用到梁上的作用力在增加,当静电力与梁的弹性恢复力达到平衡时则达到稳定。

图2-3接地平板上的梁

要运行这个问题的模拟要求调整网格区域使之与变形的结构网格重合。在ANSYS中这种调整称为网格随移。

为实现网格随移,需要执行DAMORPH命令(修改依附于面上的单元),DVMORPH命令(随移依附于体上的单元),或DEMORPH命令(随移已选择的单元)。用RMSHKY选项定义下列三种网格随移方式之一:

Ÿ随移-程序移动场网格的节点和单元以与变形的结构网格重合。这种情况下,不生成任何新的节点和单元,也不会从场域去掉任何节点或单元。

Ÿ重新划分网格-程序去掉场区域网格,并代之以新的与变形结构一致的网格。重新划分网格并不改变结构网格。程序会连接新场网格与已有变形结构网格的节点和单元。

Ÿ随移或重新划分网格-程序试图首先对场网格进行随移。如果随移失败,程序将变换到重新划分选择场区域。这是缺省的设定。

网格随移只影响节点和单元。它不改变实体模型位置(关键点,线,面,体)。它保留节点和单元与实体模型的相关性。对选择随移的区域依附于关键点,线,面内部的节点和单元来讲随移偏移了这些图元但它们的相关性仍然保留。

应当留意经历了网格随移区域边界条件及载荷的施加。施加到节点和单元上的边界条件只有对随移选项是适当的。如果边界条件和载荷是直接施加到节点和单元上的,则DAMORPH,DVMORPH及DEMORPH命令要求在重新划分网格前将载荷及边界条件删除。直接施加到实体模型上的边界条件和载荷可以正确传递到新网格上。因为缺省的选项为随移或重新划分网格,最好只分配实体模型边界条件。

随移算法使用ANSYS形状检查逻辑估计单元是否适于随后的求解。在得到形状检查参数随移单元时会查询单元类型。有些情况随移区域的单元类型可能为零单元(类型零),这种情况下形状检查准则不如具体的分析单元类型严格。为避免这种情况,在执行随移命令前将零单元类型重新分配单元类型。

在执行随移命令前结构分析的位移结果必须在数据库中。在结构分析之后结果是在数据库中的,或从结果文件读入结果之后(后处理中的SET命令)。模型的结构节点按计算的位移移动到变形的位置。如果随后要进行结构分析,应当恢复结构的节点到原来的位置。通过选择结构节点并执行带有系数FACTOR为-1的UPCOORD命令。

Command: UPCOORD, Factor

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

网格随移支持所有的二维四边形及三角形低、高阶单元。对二维模型所有的节点和单元必须在同一个平面。任何曲面都不支持。三维,只有下列形状随移选项才支持。

Ÿ全部为四面体单元-(支持随移及重新划分)

Ÿ全部为六面体单元-(支持随移)

Ÿ全部为楔型单元-(支持随移)

Ÿ金字塔-四面体混合单元-(支持随移)

Ÿ六面体-楔型单元-(支持随移)

网格随移对用SMRTSIZE命令选项生成的均匀大小的单元最有可能成功。高度扭曲的单元可以随移失败

图2-4梁和空气的面模型示例了侵入静电区域的梁区域。面1代表梁模型而面2代表静电模型。在这个例子中,应当选择面2进行随移。

图2-4 梁与空气区域的面模型

很多种情况下,只有模型的一部分需要随移(就是说,结构区域的中间附近的区域)。在这种情况下应当只选择结构模型中部附近区域的面或体进行随移。图2-5,梁及多个空气区域模型的面模型示例了有多个静电面的梁的例子。只有面3需要网格随移。为保证与非随移区域网格的相容,随移算法并不改变选择随移面或体边界上的节点和单元。在本例中,不应改变面2及面3界面处的节点。

图2-5梁及多个空气区域的面模型

在结构分析之后执行网格随移,执行下列命令:

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 使用物理环境方法重启动一个分析

在许多顺序耦合场分析中需要重启动某个物理环境的求解。例如在感应加热中,在顺序耦合循环中要重启动瞬态热分析。对于静态非线性结构耦合场分析,重启动结构分析也有许多好处。在顺序耦合场分析中可以很方便地重启动一个分析。重启动一个分析需要此分析的EMAT、ESAV以及DB文件。可以使用/ASSIGN命令指定某一分析的EMAT及ESAV文件。数据库文件在多物理环境耦合分析中是一致的。以下是重启动过程的简要步骤:

1.对于需要重启动的物理环境,在求解以前用/ASSIGN命令,指定重启动的EMAT及ESAV文件;

2.执行重启动分析;

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

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