ANSYS耦合場分析二

2013-05-08  by:廣州有限元分析、培訓中心-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科求解分析相聯系的過程叫做一個物理分析。當一個物理分析的輸入依賴于另一個分析的結果,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構分析的壓力載荷。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。當然在此分析中,流體單元用于求解流場,結構單元用于計算應力和變形。

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

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,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果。

典型ANSYS順序耦合分析應用包括:

?熱應力;

?感應加熱

?感應攪拌

?穩態流體-結構耦合

?磁-結構耦合

?靜電-結構耦合

?電流傳導-靜磁

ANSYS程序能夠使用一個數據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,這就用到物理環境的概念。

2.2什么是物理環境?

ANSYS程序使用物理環境的概念進行順序耦合場分析。可以將所有的操作參數及某一物理分析選項全部寫入一個物理環境文件。它是一個ASCII文件,用以下方法創建:

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個物理環境。在physics命令中可為每一個物理環境定義一個唯一的標題。ANSYS為每一個物理環境指定唯一的編號并作為物理環境文件擴展名的一部分。建議使用標題描述分析的物理環境。這個標題應該與在/Title命令中(Utility Menu>File>Create Title)設定的標題區分開。

Physics, Write命令創建物理環境文件(例如Jobname, PH1),并將ANSYS數據庫中的如下信息寫入這個文件:

?單元類型及KEYOPT設定;

?實常數;

?材料屬性;

?單元坐標系

?求解分析選項;

?載荷步選項;

?約束方程;

?耦合節點集;

?施加的邊界條件和載荷;

?GUI過濾設置;

?分析標題(/TITLE);

使用PHYSICS,READ命令(Main Menu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)讀取一個物理環境文件。使用寫入此物理環境文件時使用的文件名或標題(標題在物理環境文件的開頭)。在讀入物理環境以前,ANSYS程序將清除數據庫中所有的邊界條件,載荷,節點耦合,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境法。

對于間接方法,使用不同的數據庫和結果文件,圖2-1為用間接方法的典型順序耦合分析數據流程圖。每個數據庫包含合適的實體模型,單元,載荷等。可以把一個結果文件讀入到另一個數據庫中。但單元和節點編號在數據庫和結果文件中必須是一致的。

圖2-2為物理環境方法的數據流程圖,對于這種方法,整個模型使用一個數據庫。數據庫中必須包含所有物理分析所需的節點和單元。對于每個單元或實體模型圖元,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。但在每個物理環境中,每個編號對應的實際的屬性是不同的,例如實常數和單元類型。模型中的某一區域在某一個物理環境中,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據流程圖

圖2-2使用物理環境順序耦合場分析數據流程

在創建ANSYS數據庫時應該考慮所有物理環境的要求。在創建任何物理環境以前,要對每個面或體的區域賦予正確的單元類型編號、材料編號、實常數編號、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域在不同物理環境中都是分析區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-應力分析。而物理環境方法允許在物理環境之間快速轉換,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。大變形的穩態-流體結構耦合問題及感應加熱是需要用物理環境方法的典型應用。

注意:數據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:

?在創建物理環境之后執行SAVE命令,并在每一次物理場求解后RESUME恢復數據庫。

?不要將結果寫入數據庫中(只寫到結果文件中)。當進行后處理時需要利用SET命令將數據從結果文件讀到數據庫中。要激活這個選項,執行/CONFIG,NOELAB,1命令或將“NO_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系不同的物理環境,使得在第一個物理環境中的分析結果作為載荷,傳遞到下一個物理環境中求解。

LDREAD命令從結果文件中讀取數據并作為載荷施加,下表簡要地解釋了當LDREAD命令讀取結果數據加載到另一分析中發生的數據轉換。

表2-1結果通過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。高階單元具有中節點。低階單元沒有中間節點。有許多情況,可以生成沒有中節點的高階單元

在所有的多物理環境中,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,在其它物理環境中對應的單元類型必須可以退化成同樣的形狀。例如:Solid 92(10節點四面體結構單元)與Solid 87(10節點四面體熱單元)可以兼容。但Solid92與Solid90(20節點熱單元)的退化的四面體單元不能兼容。

在不同物理環境中不同階數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);

?表面對流系數及環境溫度(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構單元的一階或二階設定:PLANE53,PLANE121,SOLID122,SOLID123。

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

表2-2 物理環境中兼容的單元類型[1][2]

1.如果網格包含退化的單元形狀,相應的單元類型必須允許相同的退化形狀。例如,網格包括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)。

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的設定。

2.4.2可以使用的結果文件類型

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

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

2.4.3瞬態流體-結構分析

對瞬態流體-結構分析,相應于流體邊界條件逐漸改變的間隔點需要進行結構分析。例如假定要執行從2.0秒執行結構分析,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秒以通常的方式執行結構分析。當執行PHYSICS,READ,FLUID時(Main Menu>Solution>Physics Environ>Read)恢復流體分析,可以重新施加瞬態漸變載荷。在第2.0秒施加進口速度為3.0in/sec然后通過執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命令執行瞬態分析。

更多關于施加瞬態邊界條件的信息,參見§6。

2.5使用物理環境運行一個順序耦合場分析

本節將詳細描述怎樣使用物理環境進行順序耦合場分析。

1.創建滿足所有物理環境的模型,要勞記以下幾點:

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

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

2.創建物理環境,對每一物理過程執行這一步,作為耦合場分析的一部分。

?根據《ANSYS Analysis Guide》中的不同內容確定每個物理分析要設定的內容;

?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)。如果某個區域在某一物理分析中不涉及到,則設為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,單元坐標系,與前面定義的屬性號對應。

?將單元類型,材料,實常數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境的執行中都是相同(對于穩態問題)

?設定所有的求解選項

?給物理環境選擇一個標題,執行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境文件:

Command: PHYSICS, WRITE, FLUIDS

GUI:Main Menu>Preprecessor>Physics Environ>write

?清空數據庫中當前的物理環境,準備創建下一個物理環境。通過執行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境。

?執行SAVE命令保存數據及物理環境文件指針。

假設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果文件類型,熱分析結果從Jobname.rth文件中讀入,除電磁和流體以外的其他結果文件從Jobname.rst文件中讀入。

2.5.1網格更新

耦合場分析經常遇到場域(靜電、電磁、流體)及結構域產生大變形。這種情況下,要獲得耦合場的收斂解常常有必要更新非結構區域的有限元網格,使之與已變形的結構區域重合并且在場求解與結構求解間進行遞歸循環。

圖2-3,表明了一個典型的靜電-結構耦合的問題,需要網格更新。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,當靜電力與梁的彈性恢復力達到平衡時則達到穩定。

圖2-3接地平板上的梁

要運行這個問題的模擬要求調整網格區域使之與變形的結構網格重合。在ANSYS中這種調整稱為網格隨移。

為實現網格隨移,需要執行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格隨移方式之一:

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

?重新劃分網格-程序去掉場區域網格,并代之以新的與變形結構一致的網格。重新劃分網格并不改變結構網格。程序會連接新場網格與已有變形結構網格的節點和單元。

?隨移或重新劃分網格-程序試圖首先對場網格進行隨移。如果隨移失敗,程序將變換到重新劃分選擇場區域。這是缺省的設定。

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

應當留意經歷了網格隨移區域邊界條件及載荷的施加。施加到節點和單元上的邊界條件只有對隨移選項是適當的。如果邊界條件和載荷是直接施加到節點和單元上的,則DAMORPH,DVMORPH及DEMORPH命令要求在重新劃分網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格上。因為缺省的選項為隨移或重新劃分網格,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隨移單元時會查詢單元類型。有些情況隨移區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,在執行隨移命令前將零單元類型重新分配單元類型。

在執行隨移命令前結構分析的位移結果必須在數據庫中。在結構分析之后結果是在數據庫中的,或從結果文件讀入結果之后(后處理中的SET命令)。模型的結構節點按計算的位移移動到變形的位置。如果隨后要進行結構分析,應當恢復結構的節點到原來的位置。通過選擇結構節點并執行帶有系數FACTOR為-1的UPCOORD命令。

Command: UPCOORD, Factor

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

網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域的梁區域。面1代表梁模型而面2代表靜電模型。在這個例子中,應當選擇面2進行隨移。

圖2-4 梁與空氣區域的面模型

很多種情況下,只有模型的一部分需要隨移(就是說,結構區域的中間附近的區域)。在這種情況下應當只選擇結構模型中部附近區域的面或體進行隨移。圖2-5,梁及多個空氣區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需要網格隨移。為保證與非隨移區域網格的相容,隨移算法并不改變選擇隨移面或體邊界上的節點和單元。在本例中,不應改變面2及面3界面處的節點。

圖2-5梁及多個空氣區域的面模型

在結構分析之后執行網格隨移,執行下列命令:

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境的求解。例如在感應加熱中,在順序耦合循環中要重啟動瞬態熱分析。對于靜態非線性結構耦合場分析,重啟動結構分析也有許多好處。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。可以使用/ASSIGN命令指定某一分析的EMAT及ESAV文件。數據庫文件在多物理環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境,在求解以前用/ASSIGN命令,指定重啟動的EMAT及ESAV文件;

2.執行重啟動分析;

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

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