其次章 順序耦合場(chǎng)分析

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2.1什么是順序多場(chǎng)耦合

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

有些狀況只使用“單向〞耦合。例如計(jì)算流過水泥墻的流場(chǎng)提供了對(duì)墻壁進(jìn)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(huì)影響墻周邊流場(chǎng)的幾何形狀。實(shí)際上流場(chǎng)的幾何形狀變化很小，可以忽略不計(jì)。因此就沒必要再返回來計(jì)算變形后的流場(chǎng)。當(dāng)然在此分析中，流體單元用于求解流場(chǎng)，結(jié)構(gòu)單元用于計(jì)算應(yīng)力和變形。

一個(gè)較繁雜的狀況是感應(yīng)加熱問題，交流電磁場(chǎng)分析計(jì)算出焦耳熱生成的數(shù)據(jù)，瞬態(tài)熱分析用于預(yù)計(jì)時(shí)間相關(guān)的溫度解。但在兩個(gè)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)熱問題求解的繁雜性。這就需要兩種物理分析的反復(fù)進(jìn)行。

順序耦合是指多個(gè)物理分析一個(gè)一個(gè)按順序分析。第一個(gè)物理分析的結(jié)果作為其次個(gè)物理分析的載荷。假使分析是完全耦合的，那么其次個(gè)物理分析的結(jié)果又會(huì)影響第一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行多物理耦合分析，使用同一個(gè)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(jìn)行順序耦合場(chǎng)分析。可以將所有的操作參數(shù)及某一物理分析選項(xiàng)全部寫入一個(gè)物理環(huán)境文件。它是一個(gè)ASCII文件，用以下方法創(chuàng)立：

Command:PHYSICS,WRITE,TITLE,FILENAME,EXT,DIRGUI:MainManu:Preprocessor>PhysicsEnvironMainManu:Solution>PhysicsEnviron

針對(duì)一個(gè)具體的工作名可以定義多達(dá)9個(gè)物理環(huán)境。在physics命令中可為每一個(gè)物理環(huán)境定義一個(gè)唯一的標(biāo)題。ANSYS為每一個(gè)物理環(huán)境指定唯一的編號(hào)并作為物理環(huán)境文件擴(kuò)展名的一部分。建議使用標(biāo)題描述分析的物理環(huán)境。這個(gè)標(biāo)題應(yīng)當(dāng)與在/Title命令中（UtilityMenu>File>CreateTitle）設(shè)定的標(biāo)題區(qū)分開。

Physics,Write命令創(chuàng)立物理環(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(gè)文件：

?單元類型及KEYOPT設(shè)定；?實(shí)常數(shù)；?材料屬性；?單元坐標(biāo)系?求解分析選項(xiàng)；?載荷步選項(xiàng)；?約束方程；?耦合節(jié)點(diǎn)集；

?施加的邊界條件和載荷；?GUI過濾設(shè)置；?分析標(biāo)題（/TITLE）；

使用PHYSICS，READ命令(MainMenu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)讀取一個(gè)物理環(huán)境文件。使用寫入此物理環(huán)境文件時(shí)使用的文件名或標(biāo)題（標(biāo)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(diǎn)耦合，材料屬性，分析選項(xiàng)，約束方程。

2.3一般分析步驟

進(jìn)行順序耦合場(chǎng)分析可使用間接法或物理環(huán)境法。

對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)庫包含適合的實(shí)體模型，單元，載荷等?？梢园岩粋€(gè)結(jié)果文件讀入到另一個(gè)數(shù)據(jù)庫中。但單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)在數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件中必需是一致的。

圖2－2為物理環(huán)境方法的數(shù)據(jù)流程圖，對(duì)于這種方法，整個(gè)模型使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中必需包含所有物理分析所需的節(jié)點(diǎn)和單元。對(duì)于每個(gè)單元或?qū)嶓w模型圖元，必需定義一套屬性編號(hào)，包括單元類型號(hào)，材料編號(hào)，實(shí)常數(shù)編號(hào)及單元坐標(biāo)系編號(hào)。所有這些編號(hào)在所有物理分析中是不變的。但在每個(gè)物理環(huán)境中，每個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際的屬性是不同的，例如實(shí)常數(shù)和單元類型。模型中的某一區(qū)域在某一個(gè)物理環(huán)境中，可以是無效的，本章后面將詳細(xì)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(chǎng)分析數(shù)據(jù)流程

在創(chuàng)立ANSYS數(shù)據(jù)庫時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮所有物理環(huán)境的要求。在創(chuàng)立任何物理環(huán)境以前，要對(duì)每個(gè)面或體的區(qū)域賦予正確的單元類型編號(hào)、材料編號(hào)、實(shí)常數(shù)編號(hào)、單元坐標(biāo)系編號(hào)（參閱AATT及VATT命令描述）。對(duì)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(shí)要特別防備。例如，流體可能有磁特性。在流體分析中，流體的材料編號(hào)必需為1。假使不能這樣作，必需修改必要的單元屬性，再進(jìn)行不同求解。要修改單元，使用如下命令：

Command:Emodif

GUI:MainMenu>Preprecessor>ModifyAttrib

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(duì)于在多個(gè)物理分析間需要全耦合屢屢求解的狀況十分適用。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)庫文件的大小在屢屢求解的過程中會(huì)不斷增長，除非采取以下措施：

?在創(chuàng)立物理環(huán)境之后執(zhí)行SAVE命令，并在每一次物理場(chǎng)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(jìn)行后處理時(shí)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(gè)選項(xiàng)，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(chǎng)分析中聯(lián)系不同的物理環(huán)境，使得在第一個(gè)物理環(huán)境中的分析結(jié)果作為載荷，傳遞到下一個(gè)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(jiǎn)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？

哪些分析的結(jié)果熱或FLOTRAN分析結(jié)果中的溫度[TEMP]穩(wěn)態(tài)、諧波或瞬態(tài)磁場(chǎng)分析結(jié)果的力[FORC]靜電場(chǎng)分析結(jié)果中的力[FORC]變?yōu)榇祟惙治龅妮d荷結(jié)構(gòu)分析中的體積載荷或熱分析中的節(jié)點(diǎn)（溫度）載荷結(jié)構(gòu)或FLOTRAN中作為力載荷結(jié)構(gòu)分析中作為力載荷磁場(chǎng)分析結(jié)果中的焦耳熱[HGEN]熱或FLOTRAN中作為體積載荷（熱源）電流傳導(dǎo)分析結(jié)果中的源電流密度[JS]FLOTRAN分析結(jié)果中的壓力[PRES]任何分析結(jié)果中的反作用力[REAC]在磁場(chǎng)分析中作為體載荷（電流密度）在結(jié)構(gòu)分析中（實(shí)體或殼單元）作為表面載荷（壓力）任何分析中的力載荷FLOTRAN分析結(jié)果中的熱通量[HFLU]熱分析中單元的表面載荷（熱通量）高頻電磁分析中熱通量[EHFLU]體平均溫度[HFLM]2.4.1兼容的單元類型

熱分析中單元的表面載荷（熱通量）平均溫度）FLOTRAN分析結(jié)果中的對(duì)流系數(shù)及流在熱分析中作為表面（對(duì)流系數(shù)及流體在不同物理環(huán)境中單元兼容的準(zhǔn)則，有大量細(xì)則要確定。在深入了解這些細(xì)

則以前，需要弄清以下幾個(gè)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(cè)中有詳細(xì)描述。對(duì)于實(shí)體單元，單元基本形狀包括：四邊形、三角形、六面體（磚塊）、周邊體。

單元退化形狀：

大量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、周邊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(diǎn)。低階單元沒有中間節(jié)點(diǎn)。有大量狀況，可以生成沒有中節(jié)點(diǎn)的高階單元

在所有的多物理環(huán)境中，單元類型必需保持一致的單元基本形狀。假使一種單元允許有退化形狀，在其它物理環(huán)境中對(duì)應(yīng)的單元類型必需可以退化成同樣的形狀。例如：Solid92（10節(jié)點(diǎn)周邊體結(jié)構(gòu)單元）與Solid87（10節(jié)點(diǎn)周邊體熱單元）可以兼容。但Solid92與Solid90（20節(jié)點(diǎn)熱單元）的退化的周邊體單元不能兼容。

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(xiàng)，支持低階或高階耦合載荷傳遞。

以下載荷可以從一階或二階單元中讀取，并加載到另一個(gè)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(duì)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(chǎng)單元支持結(jié)構(gòu)單元的一階或二階設(shè)定：PLANE53，PLANE121，SOLID122，SOLID123。

假使物理環(huán)境的建立需要轉(zhuǎn)換單元階次，必需初始用高階單元?jiǎng)澐志W(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]

結(jié)構(gòu)熱電磁SOLID97,SOLID117[3]靜電流體電流傳導(dǎo)SOLID5,SOLID69SOLID45SOLID70SOLID122[4]SOLID142SOLID92SOLID87SOLID98,HF119[3]SOLID123[4]SOLID95SOLID90SOLID117,HF120PLANE42PLANE55PLANE2PLANE35PLANE82PLANE77SHELL63SHELL57LINK1LINK32LINK8LINK33PLANE13,PLANE53[4]—PLANE53———SOLID122——SOLID98SOLID5,SOLID69PLANE67—PLANE67SHELL157LINK68—PLANE121[4]FLUID141—PLANE121————————1．假使網(wǎng)格包含退化的單元形狀，相應(yīng)的單元類型必需允許一致的退化形狀。

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自由度的單元必需有一致的反力（見ANSYSElectromagneticFieldAnalysisGuide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(shí)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(gè)間接耦合場(chǎng)分析或物理環(huán)境耦合場(chǎng)分析中，要用到包含不同類型的幾個(gè)結(jié)果文件類型。所有結(jié)果文件將有一致的文件名（用/Filename命令設(shè)定或UtilityMenu:>File>ChangeJobnane）。區(qū)分這些結(jié)果文件，查看它們的擴(kuò)展名：

Jobname.RFLJobname.RMGJobname.RTHJobname.RST2.4.3瞬態(tài)流體-結(jié)構(gòu)分析

FLOTRAN結(jié)果文件；電磁場(chǎng)分析結(jié)果文件熱分析結(jié)果文件所有其他類型的結(jié)果文件（結(jié)構(gòu)及多物理場(chǎng)）對(duì)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(diǎn)需要進(jìn)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(jìn)口速度從0秒時(shí)的1.0in/sec漸變到4秒時(shí)的5.0in/sec。首先在2.0秒以尋常的方式執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)執(zhí)行PHYSICS，READ，F(xiàn)LUID時(shí)（MainMenu>Solution>PhysicsEnviron>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(jìn)口速度為3.0in/sec然后通過執(zhí)行以下命令說明這是老邊界條件：

命令:FLOCHECK,2

GUI:MainMenu>Preprocessor>FLOTRANSetUp>Flocheck

這意味著2.0秒的進(jìn)口邊界條件3.0in/sec是漸變的起點(diǎn)。然后輸入最終的漸變載荷點(diǎn)，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:MainMenu>Preprocessor>FLOTRANSetUp>ExecutionCtrl利用尋常的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(yùn)行一個(gè)順序耦合場(chǎng)分析

本節(jié)將詳細(xì)描述怎樣使用物理環(huán)境進(jìn)行順序耦合場(chǎng)分析。1．創(chuàng)立滿足所有物理環(huán)境的模型，要?jiǎng)谟浺韵聨c(diǎn)：

?ANSYS實(shí)體模型的每一個(gè)面或體，都要定義對(duì)應(yīng)的單元類型、材料屬性、實(shí)常數(shù)。所有的實(shí)體模型圖元應(yīng)當(dāng)有單元類型號(hào)、實(shí)常數(shù)號(hào)、材料號(hào)及單元坐標(biāo)系號(hào)。（而這些編號(hào)對(duì)應(yīng)的屬性，在每個(gè)物理環(huán)境中是不同的。）

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

2．創(chuàng)立物理環(huán)境，對(duì)每一物理過程執(zhí)行這一步，作為耦合場(chǎng)分析的一部分。?根據(jù)《ANSYSAnalysisGuide》中的不同內(nèi)容確定每個(gè)物理分析要設(shè)定的內(nèi)容；

?定義每個(gè)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(chǎng)分析中，ET，1，13或ET，2，117等）。假使某個(gè)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(shí)常數(shù)，單元坐標(biāo)系，與前面定義的屬性號(hào)對(duì)應(yīng)。?將單元類型，材料，實(shí)常數(shù)及單元坐標(biāo)系的編號(hào)賦予實(shí)體模型的面或體。使用AATT命令（MainMenu>Preprocessor>Attributes>AllAreasorPickedAreas）或VATT命令（MainMenu>Preprocessor>Attributes>AllVolumesorPickedVolumes）。

?施加基本物理載荷及邊界條件。這些條件在整個(gè)迭代過程中的每一物理環(huán)境的執(zhí)行中都是一致（對(duì)于穩(wěn)態(tài)問題）

?設(shè)定所有的求解選項(xiàng)

?給物理環(huán)境選擇一個(gè)標(biāo)題，執(zhí)行PHYSICS，WRITE命令。例如，在流體－磁場(chǎng)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：MainMenu>Preprecessor>PhysicsEnviron>write

?清空數(shù)據(jù)庫中當(dāng)前的物理環(huán)境，準(zhǔn)備創(chuàng)立下一個(gè)物理環(huán)境。通過執(zhí)行PHYSICS，Clear選項(xiàng)。

Command：PHYSICS,CLEAR

GUI：MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>clear?按以上步驟準(zhǔn)備下一個(gè)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(chǎng)耦合分析的工作文件名為“Induct〞，并寫了兩個(gè)物理環(huán)境文件，這兩個(gè)文件名分別為Induct.PH1和Induct.PH2。要了解PHYSICS命令的更多信息請(qǐng)查閱《ANSYSCommandsReference》。

3.執(zhí)行順序耦合多物理場(chǎng)分析，依次進(jìn)行物理分析，例如：/solu!進(jìn)行求解

physics,read,magnetics!讀入磁場(chǎng)分析，物理環(huán)境SolveFinish/solve

physics,read,fluids

LDREAD,FORCE,,,,2,,rmg!讀入洛侖茲力Solve

LDREAD中的擴(kuò)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(chǎng)分析經(jīng)常遇到場(chǎng)域（靜電、電磁、流體）及結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生大變形。這種狀況下，要獲得耦合場(chǎng)的收斂解往往有必要更新非結(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(chǎng)求解與結(jié)構(gòu)求解間進(jìn)行遞歸循環(huán)。

圖2-3，說明白一個(gè)典型的靜電-結(jié)構(gòu)耦合的問題，需要網(wǎng)格更新。這個(gè)問題中，梁放在接地平板的上方，給梁一個(gè)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(chǎng)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(dá)到平衡時(shí)則達(dá)到穩(wěn)定。

圖2－3接地平板上的梁

要運(yùn)行這個(gè)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(shí)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(xiàng)定義以下三種網(wǎng)格隨移方式之一：

?隨移-程序移動(dòng)場(chǎng)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元以與變形的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格重合。這種狀況下，不生成任何新的節(jié)點(diǎn)和單元，也不會(huì)從場(chǎng)域去掉任何節(jié)點(diǎn)或單元。?重新劃分網(wǎng)格-程序去掉場(chǎng)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(huì)連接新場(chǎng)網(wǎng)格與已有變形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元。

?隨移或重新劃分網(wǎng)格-程序試圖首先對(duì)場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行隨移。假使隨移失敗，程序?qū)⒆儞Q到重新劃分選擇場(chǎng)區(qū)域。這是缺省的設(shè)定。

網(wǎng)格隨移只影響節(jié)點(diǎn)和單元。它不改變實(shí)體模型位置（關(guān)鍵點(diǎn)，線，面，體）。它保存節(jié)點(diǎn)和單元與實(shí)體模型的相關(guān)性。對(duì)選擇隨移的區(qū)域依附于關(guān)鍵點(diǎn)，線，面內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)和單元來講隨移偏移了這些圖元但它們的相關(guān)性依舊保存。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(diǎn)和單元上的邊界條件只有對(duì)隨移選項(xiàng)是適當(dāng)?shù)?。假使邊界條件和載荷是直接施加到節(jié)點(diǎn)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(shí)體模型上的邊界條件和載荷可以正確傳遞到新網(wǎng)格上。由于缺省的選項(xiàng)為隨移或重新劃分網(wǎng)格，最好只分派實(shí)體模型邊界條件。

隨移算法使用ANSYS形狀檢查規(guī)律估計(jì)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(shí)會(huì)查詢單元類型。有些狀況隨移區(qū)域的單元類型可能為零單元（類型零），這種狀況下形狀檢查準(zhǔn)則不如具體的分析單元類型嚴(yán)格。為避免這種狀況，在執(zhí)行隨移命令前將零單元類型重新分派單元類型。

在執(zhí)行隨移命令前結(jié)構(gòu)分析的位移結(jié)果必需在數(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(diǎn)按計(jì)算的位移移動(dòng)到變形的位置。假使隨后要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)當(dāng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)到原來的位置。通過選擇結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行帶有系數(shù)FACTOR為-1的UPCOORD命令。

Command:UPCOORD,Factor

GUI:MainMenu:>Solution>Other>UpdtNodeCoord

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(duì)二維模型所有的節(jié)點(diǎn)和單元必需在同一個(gè)平面。任何曲面都不支持。三維，只有以下形狀隨移選項(xiàng)才支持。

?全部為周邊體單元-（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-周邊體混合單元-（支持隨移）?六面體-楔型單元-（支持隨移）

網(wǎng)格隨移對(duì)用SMRTSIZE命令選項(xiàng)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梁和空氣的面模型例如了侵入靜電區(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(gè)例子中，應(yīng)選中擇面2進(jìn)行隨移。

圖2－4梁與空氣區(qū)域的面模型

好多種狀況下，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）。在這種狀況下應(yīng)當(dāng)只選擇結(jié)構(gòu)模型中部附近區(qū)域的面或體進(jìn)行隨移。圖2－5，梁及多個(gè)空氣區(qū)域模型的面模型例如了有多個(gè)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(diǎn)和單元。在本例中，不應(yīng)改變面2及面3界面處的節(jié)點(diǎn)。

圖2－5梁及多個(gè)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)行以下命令：命令：DAMORPH

DVMORPHDEMORPH

GUI:MainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-PhysMorphing-Areas

MainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-PhysMorphing-VolumesMainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-PhysMorphing-Elements

參見§2.9一節(jié)中的例子

2.5.2使用物理環(huán)境方法重啟動(dòng)一個(gè)分析

在大量順序耦合場(chǎng)分析中需要重啟動(dòng)某個(gè)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(dòng)瞬態(tài)熱分析。對(duì)于靜態(tài)非線性結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，重啟動(dòng)結(jié)構(gòu)分析也有大量好處。在順序耦合場(chǎng)分析中可以很便利地重啟動(dòng)一個(gè)分析。重啟動(dòng)一個(gè)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(dòng)過程的簡(jiǎn)要步驟：

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

2．執(zhí)行重啟動(dòng)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。

2.6定制Multiphysics求解工具

§2.5節(jié)用物理環(huán)境執(zhí)行順序耦合場(chǎng)分析詳細(xì)表述了用物理環(huán)境處理求解順序耦合分析。多數(shù)狀況下，宏命令可以用戶化這種處理。本節(jié)詳細(xì)表達(dá)對(duì)具體應(yīng)用的用戶化求解宏。

2.6.1靜電—結(jié)構(gòu)耦合求解工具

對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)，由靜電場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)械力可能很大以致于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。變形可以影響靜電場(chǎng)，而且要求耦合場(chǎng)求解。命令宏ESSOLV是求解器工具將求解耦合的靜電場(chǎng)及結(jié)構(gòu)問題。它使用物理環(huán)境處理進(jìn)行順序分析。該宏能自動(dòng)在靜電場(chǎng)求解和結(jié)構(gòu)求解間進(jìn)行迭代直到場(chǎng)及結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡。宏用§2.5.1節(jié)中的隨移步驟自動(dòng)更新靜電場(chǎng)網(wǎng)格以保證結(jié)構(gòu)位移。

2.6.1.1要求

ESSOLV宏利用§2.5節(jié)中表達(dá)的物理環(huán)境。因此該命令宏求解工具在求解前需要?jiǎng)?chuàng)立靜電物理文件及結(jié)構(gòu)物理文件。

該求解器工具可用于有四邊形或三角形單元的二維模型，三維模型使用§2.5.1節(jié)中陳述的單元形狀選項(xiàng)。該求解器工具對(duì)單元的長寬比接近1的單元效果最好。由ANSYS的SMRTSIZE產(chǎn)生的網(wǎng)格對(duì)這種模擬就是可接受的單元形狀。在求解過程中ESSOLV會(huì)對(duì)靜電場(chǎng)區(qū)域重新劃分網(wǎng)格。重新劃分網(wǎng)格區(qū)域施加到節(jié)點(diǎn)和單元上的邊界條件會(huì)丟失。因此，應(yīng)當(dāng)將邊界條件及載荷分派到實(shí)體模型上。

對(duì)實(shí)體單元，ESSOLV命令自動(dòng)檢測(cè)空氣-結(jié)構(gòu)界面并對(duì)靜電單元施加麥克斯韋爾表面標(biāo)志。該標(biāo)志用于初始從靜電區(qū)域傳力給結(jié)構(gòu)區(qū)域。當(dāng)用ESSOLV命令給結(jié)構(gòu)殼單元時(shí)（例如SHELL63,SHELL93），在寫最終的靜電物理文件之前必需手工施加麥克斯韋爾標(biāo)志給所有環(huán)繞殼的空氣單元。用SFA命令施加麥克斯韋爾表面標(biāo)志給代表殼單元的面。這會(huì)確保與殼單元兩側(cè)相鄰的空氣單元接受麥克斯韋爾表面標(biāo)志。

注意-假使使用了低階次的實(shí)體或殼單元，設(shè)置KEYOPT(7)=1對(duì)靜電單元類型確保力的正確傳遞。

2.6.1.2步驟

ESSOLV命令宏的使用準(zhǔn)備如下。

?建立包括整個(gè)靜電和結(jié)構(gòu)區(qū)域的實(shí)體模型。對(duì)結(jié)構(gòu)及靜電區(qū)域劃分網(wǎng)格。?通過分派適合的單元類型給劃分網(wǎng)格區(qū)域創(chuàng)立靜電物理環(huán)境，定義材料屬性，定義實(shí)體模型邊界條件及鼓舞，選擇方程求解器等。對(duì)結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)置單元類型為零單元(ET,,0)。寫靜電物理環(huán)境到物理文件(PHYSICS,WRITE)。

?清除靜電物理環(huán)境(PHYSICS,CLEAR)并建立結(jié)構(gòu)分析物理環(huán)境，選擇正確的單元類型，定義材料屬性，定義實(shí)體模型邊界條件及載荷，選擇方程求解器及選項(xiàng)等。寫結(jié)構(gòu)物理環(huán)境到物理文件(PHYSICS,WRITE)。

?準(zhǔn)備實(shí)體模型或單元的部件要隨移(這個(gè)步驟是一個(gè)選項(xiàng)，當(dāng)交互處理ESSOLV命令宏時(shí)界面出現(xiàn)對(duì)話框可以完成此項(xiàng))。對(duì)二維分析希望將經(jīng)歷網(wǎng)格隨移的靜電區(qū)域的面定義成一個(gè)面部件。對(duì)三維將體分類為體部件。見2.5.1節(jié)對(duì)選擇的適合區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格隨移。

?對(duì)不進(jìn)行網(wǎng)格隨移的區(qū)域也定義一個(gè)部件(這個(gè)步驟是一個(gè)選項(xiàng)，當(dāng)在界面中執(zhí)行ESSOLV命令時(shí)對(duì)話框中可以交互選擇)?？梢赃x擇在求解中不進(jìn)行隨移的靜電區(qū)域中的線（二維）或面（三維）。這尋常是必要的假使隨移集中在整個(gè)模型的一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)（見2.5.1節(jié)）。

?假使結(jié)構(gòu)需要預(yù)應(yīng)力，準(zhǔn)備一個(gè)初應(yīng)力文件。而且，創(chuàng)立一個(gè)包含在初應(yīng)力文件中的單元部件。初應(yīng)力文件的格式參見《ANSYSBasicAnalysisGuide》中的初應(yīng)力載荷一節(jié)。

?執(zhí)行ESSOLV宏命令。

2.6.1.3求解

圖2-6ESSOLV宏的數(shù)據(jù)流

例題參見2.11節(jié)，靜電-結(jié)構(gòu)分析實(shí)例。

命令宏將會(huì)在靜電和結(jié)構(gòu)物理文件間以迭代的方式進(jìn)行循環(huán)直到結(jié)構(gòu)的變形和系統(tǒng)存儲(chǔ)的靜電能達(dá)到了規(guī)定的數(shù)值。缺省，求解在當(dāng)前求解同上一次求解最大結(jié)構(gòu)變形和存儲(chǔ)的靜電能的改變小于0.5%時(shí)收斂?？梢杂肊SSOLV命令的ELECTOL和STRUTOL改變或去除收斂準(zhǔn)則。

為保證模型準(zhǔn)備充分，通過設(shè)置ESSOLV命令的MXLOOP=1可以執(zhí)行單一循環(huán)分析。

成功完成問題求解后，ESSOLV宏更新結(jié)構(gòu)和靜電區(qū)域的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)使其與結(jié)構(gòu)的變形一致。返回ESSOLV前的原模型，通過RESUME命令恢復(fù)名稱為_ESSOLV.DB的數(shù)據(jù)庫文件。

2.6.1.4后處理

在后處理中查看結(jié)構(gòu)及靜電結(jié)果。記住ESSOLV命令對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)位移更新結(jié)構(gòu)幾何模型及場(chǎng)域。相應(yīng)地你將能夠看到更新幾何模型的結(jié)果。這可能導(dǎo)致不確鑿的位移；但是，所有計(jì)算的量都是正確的完全可以看其他結(jié)果。假使需要表達(dá)結(jié)構(gòu)位移確鑿的數(shù)值，將結(jié)構(gòu)返回到原來的基本形狀，用UPCOORD，-1命令。

要對(duì)結(jié)構(gòu)結(jié)果進(jìn)行后處理，執(zhí)行以下：1．讀入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件：命令：PHYSICS,READ

GUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Read2．從結(jié)構(gòu)結(jié)果文件讀入結(jié)果：命令:SET

GUI:MainMenu>GeneralPostproc>LastSet

3．假使需要確鑿的位移結(jié)果，選擇結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)并返回結(jié)構(gòu)原來的幾何形狀，用以下命令或菜單路徑：

命令:NSEL

GUI:UtilityMenu>Select>Entities命令:UPCOORD,-1.

GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>Other>UpdtNodeCoord假使想要返回變形后的幾何形狀，執(zhí)行UPCOORD，1。查看靜電結(jié)果，用以下步驟。

對(duì)靜電結(jié)果進(jìn)行后處理，執(zhí)行以下：1．讀入靜電物理環(huán)境文件：命令:PHYSICS,READ

GUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Read2．讀入靜電結(jié)果文件采用：命令:SET

GUI:MainMenu>GeneralPostproc>LastSet

2.6.1.5多個(gè)ESSOLV求解

我們往往會(huì)遇到給定一定范圍的電壓計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，可以利用ESSOLV命令以這種方式運(yùn)行一系列求解。這種狀況下，用*DO和*ENDDO構(gòu)建一貫DO循環(huán)命令序列。必需定義新的載荷并重寫相應(yīng)的物理文件。對(duì)其次次及隨后ESSOLV命令的調(diào)用RUSEKY必需設(shè)置為一個(gè)大于1的值。在兩次調(diào)用ESSOLV命令之間不要用SAVE命令保存數(shù)據(jù)庫。

注意每一次結(jié)構(gòu)求解都是在原來基本幾何形狀基礎(chǔ)上進(jìn)行的。ESSOLV不會(huì)在其次次及隨后的求解中自動(dòng)激活重啟動(dòng)功能。而且，求解不會(huì)引起任何路徑相關(guān)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（諸如材料屬性的非線性）對(duì)鼓舞沿路徑反向。

為在其次次及隨后的求解中激活重啟動(dòng)功能，結(jié)構(gòu)重啟動(dòng)指令（RESTKY）應(yīng)當(dāng)為正（31）。對(duì)非線性結(jié)構(gòu)求解，結(jié)構(gòu)重啟動(dòng)通過從前面的收斂求解中重啟動(dòng)而有助于減少求解時(shí)間。

2.6.2流體—結(jié)構(gòu)耦合求解工具

命令宏FSSOLV是一個(gè)求解器工具用于求解穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體與靜力結(jié)構(gòu)耦合的問題。不適用于動(dòng)態(tài)流體-結(jié)構(gòu)相互作用（FSI）問題。利用物理環(huán)境處理的順序分析。該宏能自動(dòng)在計(jì)算流體與結(jié)構(gòu)求解間進(jìn)行迭代，直到場(chǎng)和結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡。該宏只用§2.5.1節(jié)中論述的隨移方法按結(jié)構(gòu)位移自動(dòng)更新流體區(qū)域的網(wǎng)格。

2.6.2.1要求

FSSOLV宏利用2.5節(jié)中論述的物理環(huán)境方法。因此，該命令宏求解器工具在求解之前已經(jīng)創(chuàng)立了流體及結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件。

該求解器工具可用于二維包括四邊形或三角形單元單元的模型，三維模型用§2.5.1節(jié)中論述的單元形狀選項(xiàng)。該求解器工具對(duì)單元的縱橫比（單元的長寬比）接近1有最好的效果。由ANSYS的SMRTSIZE產(chǎn)生的網(wǎng)格對(duì)這種模擬就是可接受的單元形狀。

FSSOLV不支持對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，只支持隨移。只能考慮結(jié)構(gòu)有小的運(yùn)動(dòng)的狀況。

2.6.2.2步驟

用FSSOLV宏命令需要做如下準(zhǔn)備：

?建立包括整個(gè)流體及結(jié)構(gòu)區(qū)域的試題模型。對(duì)結(jié)構(gòu)及流體區(qū)域劃分網(wǎng)格。?通過分派適合的單元類型給已劃分網(wǎng)格的區(qū)域，定義材料屬性，定義實(shí)體模型邊界條件及載荷，選擇方程求解器等創(chuàng)立流體物理環(huán)境。對(duì)結(jié)構(gòu)區(qū)域，設(shè)置單元類型為零單元（ET，0）。寫流體物理環(huán)境到物理文件（PHYSICS，WRITE）。

?清除流體物理環(huán)境（PHYSICS，CLEAR）并建立結(jié)構(gòu)分析的物理環(huán)境。選擇適合的單元類型，定義材料屬性，定義實(shí)體模型邊界條件及載荷，選擇方程求解器及選項(xiàng)等。對(duì)流體區(qū)域，設(shè)置單元類型為零單元（ET，0）。寫結(jié)構(gòu)物理環(huán)境到物理文件（PHYSICS，WRITE）。

?準(zhǔn)備隨移的實(shí)體模型或單元部件（這個(gè)步驟使可選的，在界面中的FSSOLV命令宏對(duì)話框中可以交互進(jìn)行）。對(duì)二維分析希望將經(jīng)歷網(wǎng)格隨移的靜電區(qū)域的面定義成一個(gè)面部件。對(duì)三維將體分類為體部件。見§2.5.1節(jié)對(duì)選擇的適合區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格隨移。

?對(duì)不進(jìn)行網(wǎng)格隨移的區(qū)域也定義一個(gè)部件(這個(gè)步驟是一個(gè)選項(xiàng)，當(dāng)在界面中執(zhí)行FSSOLV命令時(shí)對(duì)話框中可以交互選擇)?？梢赃x擇在求解中不進(jìn)行隨移的靜電區(qū)域中的線（二維）或面（三維）。假使隨移集中在整個(gè)模型的一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)（見§2.5.1節(jié)），這尋常是必要的。

?執(zhí)行FSSOLV宏命令。

2.6.2.3求解

該命令宏在流體和結(jié)構(gòu)物理文件間以迭代的方式進(jìn)行循環(huán)直到最大結(jié)構(gòu)變形及結(jié)果總的流體加到結(jié)構(gòu)上力和力矩的變化達(dá)到一個(gè)規(guī)定的數(shù)值為止。缺省地，當(dāng)所有三個(gè)值（結(jié)構(gòu)位移，流體力及力矩的最大幅值）在當(dāng)前與前一次迭代循環(huán)中相差小于0.5%求解即達(dá)到收斂。你可以利用FSSOLV命令的FORCTOL，MOMETOL及STRUTOL改變或關(guān)閉收斂準(zhǔn)則。

缺省地，求解中最大流體總體平衡迭代數(shù)（FLDATA，ITER，EXEC命令）是由寫流體物理文件時(shí)規(guī)定的。在初始的流體-結(jié)構(gòu)求解之后，達(dá)到一個(gè)好的結(jié)果所需的最大流體平衡迭代數(shù)目可能減少。要指定該值，用FLUITER選項(xiàng)。要確保模型的條件準(zhǔn)備充分，可以通過FSSOLV命令的MXLOOP=1只執(zhí)行一次循環(huán)分析來檢驗(yàn)。

當(dāng)成功完成問題的求解，F(xiàn)SSOLV宏依照結(jié)構(gòu)的變形更新結(jié)構(gòu)及流體區(qū)域的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)命令。

要返回FSSOLV求解前的幾何模型，用RESUME命令恢復(fù)名稱為_FSSOLV.DB的數(shù)據(jù)庫。

圖2-7FSSOLV宏的流程圖表示了FSSOLV命令的數(shù)據(jù)流。

本章之后有一個(gè)利用FSSOLV宏的穩(wěn)態(tài)流體-結(jié)構(gòu)分析實(shí)例。該例子計(jì)算了一個(gè)細(xì)鋁梁侵入滾動(dòng)的水通道內(nèi)的變形。FSSOLV求解利用流體和結(jié)構(gòu)的缺省收斂容差經(jīng)過六次循環(huán)達(dá)到收斂。收斂結(jié)果顯示梁尖端的變形與初始結(jié)構(gòu)解相比變形超過20%，這透露出遞歸式求解這種問題的重要性。該例子參見§2.12一節(jié)。

2.6.2.4后處理

可以利用通用后處理器查看結(jié)構(gòu)及流體分析的結(jié)果。記住FSSOLV依照位移更新結(jié)構(gòu)及流體區(qū)域的模型。因此，會(huì)看到結(jié)果顯示在更新的模型上。這對(duì)位移的表示是不確鑿的；然而，所有其他計(jì)算量是正確的可以查看。假使需要結(jié)構(gòu)位移的確鑿表示，通過UPCOORD，-1返回到原來的模型。

查看結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件，執(zhí)行以下：1．讀入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件：

命令:PHYSICS,READ

GUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Read2．讀入結(jié)構(gòu)結(jié)果文件：命令:SET

GUI:MainMenu>GeneralPostproc>LastSet

3．假使要求位移的確鑿表示，選擇結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)并用以下命令或菜單路徑返回到原來結(jié)構(gòu)的模型：

命令:NSEL

GUI:UtilityMenu>Select>Entities命令:UPCOORD,-1.

GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>Other>UpdtNodeCoord后處理流體分析結(jié)果，執(zhí)行以下：1．讀入流體物理環(huán)境文件：命令:PHYSICS,READ

GUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Read2．讀入流體結(jié)果文件：命令:SET

GUI:MainMenu>GeneralPostproc>LastSet

2.6.2.5多個(gè)FSSOLV求解

經(jīng)常會(huì)遇到要計(jì)算一系列流體力作用的結(jié)構(gòu)變形?？梢岳肍SSOLV命令按這種方式進(jìn)行順序求解。這種狀況下，利用*DO及*ENDDO命令構(gòu)建一個(gè)DO循環(huán)命令序列。必需定義新的載荷并寫相應(yīng)的物理文件。對(duì)其次次及隨后引用

FSSOLV，RUSEKY必需設(shè)置為一個(gè)大于1的數(shù)。在FSSOLV調(diào)用間不要用SAVE命令保存數(shù)據(jù)庫。

注意每一次結(jié)構(gòu)求解都是從原始形狀開始的。FSSOLV不會(huì)在其次次及隨后的求解中自動(dòng)激活重啟動(dòng)功能。因此，求解不會(huì)引起任何路徑相關(guān)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（諸如材料屬性的非線性）對(duì)鼓舞沿路徑反向。

為在其次次及隨后的求解中激活重啟動(dòng)功能，結(jié)構(gòu)重啟動(dòng)鍵（RESTKY）應(yīng)當(dāng)取正值。對(duì)非線性結(jié)構(gòu)求解，結(jié)構(gòu)重啟動(dòng)通過從前面的收斂求解中重啟動(dòng)而有助于減少求解時(shí)間。

2.7使用間接方法進(jìn)行熱—應(yīng)力分析的實(shí)例

本節(jié)描述了一個(gè)利用間接方法進(jìn)行熱-應(yīng)力分析的簡(jiǎn)單例子

2.7.1問題描述

一個(gè)長厚壁雙層圓管，內(nèi)壁溫度為Ti，外壁溫度為To，其他參數(shù)如下圖所示。求解溫度沿徑向的分布，軸向應(yīng)力及環(huán)向應(yīng)力。

材料屬性內(nèi)圓柱(鋼)E=30x10psi6幾何屬性a=.1875in.載荷Ti=200°F外圓柱(鋁)E=10.6x10psi6b=.40in.To=70°F=.65x10in/in°F-5=1.35x10in/in°F=0.33-5c=.60in.=0.3K=2.2btu/hr-in-°FK=10.8btu/hr-in-°F間接方法進(jìn)行本問題分析基本步驟如下：1．定義并求解熱分析問題；

2．回到前處理(/PREP7)。轉(zhuǎn)換單元類型，添加材料屬性，設(shè)定結(jié)構(gòu)邊界條件；

3．從熱分析結(jié)果文件中讀入溫度；

4．求解結(jié)構(gòu)問題。

以下為上述問題的命令流。文字前有（?。榻忉?。/batch,list/show

/title,thermalstressinconcentriccylinders-indirectmethod/prep7

et,1,plane77,,,1!PLANE77axisymmetricoptionmp,kxx,1,2.2!Steelconductivitymp,kxx,2,10.8!Aluminumconductivityrectng,.1875,.4,0,.05!Modelrectng,.4,.6,0,.05aglue,allnumcmp,area

asel,s,area,,1!Assignattributestosolidmodelaatt,1,1,1asel,s,area,,2aatt,2,1,1asel,allesize,.05

amesh,all!Meshmodelnsel,s,loc,x,.1875

d,all,temp,200!Applythermalloadsnsel,s,loc,x,.6d,all,temp,70

nsel.allfinish/solusolvefinish/post1

path,radial,2!Definepathnameandnumberofpathpointsppath,1,,.1875!Definepathbylocationppath,2,,.6

pdef,temp,temp!Interprettemperaturetopath

paget,path,points,radial!Archivepathpointsinarray\plpath,temp!Plottemperaturesolutionfinish/prep7

et,1,82,,,1!Switchtostructuralelement,SOLID82mp,ex,1,30e6!Definestructuralsteelpropertiesmp,alpx,1,.65e-5mp,nuxy,1,.3

mp,ex,2,10.6e6!Definealuminumstructuralpropertiesmp,aplx,2,1.35e-5mp,nuxy,2,.33

nsel,s,loc,y,.05!Applystructuralboundaryconditionscp,1,uy,allnsel,s,loc,x,.1875

cp,2,ux,allnsel,s,loc,y,0d,all,uy,0nsel,allfinish/solutref,70

ldread,temp,,,,,rth!Readintemperaturesfromthermalrunsolvefinish/post1

paput,path,points!Restorepath

pmap,,mat!Setpathmappingtohandlematerialdiscontinuitypdef,sx,s,x!Interpretradialstresspdef,sz,s,z!Interprethoopstressplpath,sx,sz!Plotstresses

plpagm,sx,,node!Plotradialstressonpathgeometryfinish

2.8使用物理環(huán)境方法進(jìn)行熱—應(yīng)力分析的實(shí)例

本節(jié)使用物理環(huán)境方法求解前一節(jié)中描述的熱—應(yīng)力問題。對(duì)于這樣十分簡(jiǎn)單的問題，物理環(huán)境方法無法表達(dá)其優(yōu)越性，由于它是一個(gè)簡(jiǎn)單的單向耦合問題。但全部求解終止后，可以使用PHYSICS命令在不同物理環(huán)境之間迅速切換，以得到不同物理環(huán)境下的結(jié)果。

該問題用物理環(huán)境法處理基本步驟如下：1．定義熱分析問題；

2．寫入熱分析物理環(huán)境文件；3．清除熱分析邊界條件及選項(xiàng)4．定義結(jié)構(gòu)問題；

5．寫入結(jié)構(gòu)分析物理環(huán)境文件；6．讀入熱分析物理環(huán)境文件；7．熱分析求解并進(jìn)行后處理；8．讀入結(jié)構(gòu)分析物理環(huán)境文件；9．從熱分析結(jié)果文件中讀入溫度；10．求解并后處理物理文件。

以下為用物理環(huán)境方法求解此熱—應(yīng)力問題的命令流。文字前有（?。榻忉專?/p>

/batch,list/show

/title,thermalstressinconcentriccylinders-physicsenvironmentmethod

/prep7

et,1,plane77,,,1!PLANE77axisymmetricoptionsmp,kxx,1,2.2!Steelconductivitynp,kxx,2,10.8!Aluminumconductivityrectng,.1875,.4,0,.05!Modelrectng,.4,.6,0,.05aglue,allnumcmp,area

asel,s,area,,1!Assignattributestosolidmodel

aatt,1,1,1asel,s,area,,2aatt,2,1,1asel,allesize,.05

amesh,all!Meshmodelnsel,s,loc,x,.1875

d,all,temp,200!Applythermalloadsnsel,s,loc,x,.6d,all,temp,70nsel,all,

physics,write,thermal!Writethethermalphysicsfilephysics,clear!Clearallbc\

et,1,82,,,1!Switchtostructuralelement,SOLID82mp,ex,1,30e6!Definestructuralsteelpropertiesmp,aplx,1,.65e-5mp,nuxy,1,.3

mp,ex,2,10.6e6!Definealuminumstructuralpropertiesmp,alpx,2,1.35e-5mp,nuxy,2,.33

nsel,s,loc,y,.05!Applystructuralboundaryconditionscp,1,uy,allnsel,s,loc,x,.1875cp,2,ux,all

nsel,s,loc,y,0d,all,uy,0nsel,alltref,70

physics,write,struct!Writestructuralphysicsfilesave!Savedatabasefinish/solu

physics,read,thermal!Readthermalphysicsfilesolve!Solvethermalproblemfinish/post1

path,radial,2!Definepathnameandnumberofpathpointsppath,1,,.1875!Definepathbylocationppath,2,,.6

pdef,temp,temp!Interprettemperaturetopath

paget,path,points!Archivepathpointsinarray\plpath.temp!Plottemperaturesolutionfinish/solu

physics,read,struct!Readstructuralphysicsfile

ldread,temp,,,,,,rth!Readintemperaturesfromthermalrunsolve!Solvestructuralproblemfinish

/post1

paput,path,points,radial!Restorepath

pmap,,mat!Setpathmappingtohandlematerialdiscontinuitypdef,sx,s,x!Interpretradialstresspdef,sz,s,z!Interprethoopstressplpath,sx,sz!Plotstresses

plpagm,sx,node!Plotradialstressonpathgeometryfinish

圖2-8徑向及環(huán)向應(yīng)力分布曲線

圖2-9徑向應(yīng)力分布

2.9使用物理環(huán)境方法進(jìn)行流—固耦合分析的實(shí)例

本節(jié)中例如一個(gè)穩(wěn)態(tài)流體—結(jié)構(gòu)相互作用的問題。此問題將演示如何使非線性大變形結(jié)構(gòu)分析與流體動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行相互耦合分析，以及如何在物理環(huán)境設(shè)定中使用NULL單元。

2.9.1問題描述

流道中有一橡膠墊阻礙水的滾動(dòng)，入口流速為0.35m/s（如圖2-10），其他參數(shù)將在命令流中詳細(xì)給出。求解水通過此流道的壓力降，以及穩(wěn)態(tài)條件下橡膠墊的變形。

2.9.2分析步驟

建立所要分析的流體及固體區(qū)域的模型。對(duì)于此問題應(yīng)當(dāng)創(chuàng)立三個(gè)區(qū)域：（a）橡膠墊；(b)環(huán)繞橡膠墊的流體區(qū)域，要求網(wǎng)格隨移；(c)純流體區(qū)域。圖2-10描述此模型。

圖2-10分析區(qū)域劃分

橡膠墊將在流體壓力作用下發(fā)生變形。變形的大小將顯著影響流場(chǎng)的形狀。在本例中定義的一個(gè)環(huán)繞橡膠墊的流體區(qū)，用于流體物理環(huán)境。通過結(jié)構(gòu)區(qū)域的結(jié)構(gòu)分析，獲得橡膠墊的位移用于隨移環(huán)繞橡膠墊的小區(qū)域。隨后的流體分析使用隨移后的網(wǎng)格。流體分析對(duì)橡膠墊使用零單元結(jié)構(gòu)分析對(duì)流體使用零單元。

下節(jié)探討流固耦合分析的步驟。

2.9.2.1建模

創(chuàng)立整個(gè)幾何模型，包括流體、橡膠墊區(qū)域。

用AATT命令賦予這些面的單元類型編號(hào)、材料編號(hào)以及實(shí)常數(shù)編號(hào)。表2-3列出編號(hào)分派。所有可能是流體區(qū)域的材料編號(hào)都設(shè)定為1。雖然實(shí)常數(shù)在本例中給出但并不使用。

表2-4物理環(huán)境屬性

區(qū)域橡膠墊流體2.9.2.2創(chuàng)立流體物理環(huán)境

單元類型31材料21實(shí)常數(shù)21給流體區(qū)域分派單元類型及材料屬性，如表2-4所示。通過FLDA命令定義材料屬性，還要確定迭代次數(shù)，激活湍流模型，詳見命令流。

表2-4流體物理環(huán)境

區(qū)域橡膠墊流體類型Nulltype(0)FLUID141材料noneViscosity,density實(shí)常數(shù)nonenone?施加適當(dāng)?shù)牧黧w邊界條件及載荷，如圖2-11所示：

圖2-11流體物理環(huán)境邊界條件

?在本例中，邊界條件施加在實(shí)體模型邊界上。后面的命令流中定義了一個(gè)包含橡膠墊底部節(jié)點(diǎn)的組元。可以在求解的每一次耦合迭代終止時(shí)列出這些節(jié)點(diǎn)

位置的變化。在本例中編號(hào)為1的線代表橡膠墊的底部。選擇此線上的節(jié)點(diǎn)定義組元gasket。

Command:CM,GASKET,NODES

GUI:UtilityMenu>Select>Comp/Ass’y>CreateComponent

?將流體物理環(huán)境寫入物理環(huán)境文件：

Command:PHYSICS,WRITE,FLUID,FLUID

GUI:MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Write2.9.2.3創(chuàng)立結(jié)構(gòu)物理環(huán)境

?清除在流體物理環(huán)境中設(shè)定的所有信息，準(zhǔn)備定義結(jié)構(gòu)物理環(huán)境。

Command:PHYSICS,CLEAR

GUI：MainMenu>Preprocessor>PhysicsEnviron>Clear

?轉(zhuǎn)換流體單元類型到結(jié)構(gòu)類型單元并設(shè)定單元選項(xiàng)，如表2-4所示。流體區(qū)的單元由FLUID141轉(zhuǎn)換為PLANE42。將流體區(qū)域的單元設(shè)定為NULL，由于在結(jié)構(gòu)分析中，這個(gè)區(qū)域不作為分析對(duì)象。

表2-5結(jié)構(gòu)物理環(huán)境

區(qū)域橡膠墊流體類型HYPER56Nulltype(0)材料Mooney-Rivlinnone實(shí)常數(shù)nonenone?定義結(jié)構(gòu)分析需要的每個(gè)物理區(qū)域的結(jié)構(gòu)屬性。見表2-5。?施加結(jié)構(gòu)邊界條件。（見圖2-12）。

圖2-12結(jié)構(gòu)物理環(huán)境邊界條件

?定義適合的載荷步和求解選項(xiàng)

?寫入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件（PHYSICS,WRITE,STRUC,STRUC）。

2.9.2.4流體/結(jié)構(gòu)求解循環(huán)

可以交互或批處理方式進(jìn)行流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)。在本例中，橡膠墊的最大位移（MGD）成為總的收斂監(jiān)測(cè)量。當(dāng)連續(xù)兩次結(jié)構(gòu)求解的MGD改變量小于容差值，求解終止。

初始的FLOTRAN分析設(shè)置的迭代次數(shù)應(yīng)當(dāng)多一些，以較好地收斂。隨后的流體分析由于是在前一次流體分析基礎(chǔ)上重啟動(dòng)，因此迭代次數(shù)可以少一些。結(jié)構(gòu)分析同樣也需要重啟動(dòng)。在每一次結(jié)構(gòu)分析之后，對(duì)環(huán)繞橡膠墊的小流體區(qū)域按結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行網(wǎng)格隨移。這些新的節(jié)點(diǎn)位置對(duì)后面的流體分析作為輸入。對(duì)正確的結(jié)構(gòu)求解及更進(jìn)一步的網(wǎng)格隨移，所有的節(jié)點(diǎn)在從流體分析施加更新的壓力前必需返回到原來位置。

循環(huán)求解的步驟如下：1.讀入流體物理環(huán)境。Command:PHYSICS,READ,fluid

GUI:MainMenu>Solution>PhysicsEnviron>Read2.設(shè)定FLOTRAN求解參數(shù)（例如總體迭代次數(shù)）。Command:FLDATA,ITER,EXEC,100

GUI:MainMenu>Solution>FLOTRANSetup>ExecutionControl

3.FLOTRAN求解。Command:Solve

GUI:MainMenu>Solution>RunFLOTRAN4.讀入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境Command:PHYSICS,READ,struc

GUI:MainMenu>Solution>PhysicsEnviron>Read5.執(zhí)行/ASSIFN命令，確保結(jié)構(gòu)分析的重啟動(dòng)。Command:/ASSIGN,ESAVE,STRUC,ESAV/ASSIGN,EMAT,STRUC,EMAT

GUI:UtilityMenu>File>ANSYSFileOptions

6.將節(jié)點(diǎn)返回到它們?cè)瓉淼奈恢靡员汶S后進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析及將來的網(wǎng)格隨移。

對(duì)第一次流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)不要執(zhí)行這一步。命令:PARSAV,ALL

GUI:UtilityMenu>Parameters>SaveParameters命令:RESUME

GUI:UtilityMenu>File>ResumeJobname.db命令:PARRES

GUI:UtilityMenu>Parameters>RestoreParameters7.重啟動(dòng)分析

對(duì)第一次流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)不要執(zhí)行這個(gè)步驟。命令:ANTYPE,STATIC,REST

GUI:MainMenu>Solution>RestartAnalysis8．選擇從FLOTRAN分析讀入壓力要施加的節(jié)點(diǎn)和單元。

9.執(zhí)行LDREAD命令。

Command:LDREAD,PRES,last,,,,,rfl

GUI:MainMenu>Solution>-Loads->Apply>Pressure>FromFluidAnaly10.設(shè)置選項(xiàng)不要使用多重重啟動(dòng)文件。命令:RESCONTROL,,NONE

GUI:MainMenu>Solution>Nonlinear>RestartControl11．求解結(jié)構(gòu)分析并在第一個(gè)載荷步保存數(shù)據(jù)庫以備將來使用。命令:SOLVE

GUI:MainMenu>Solution>Solve命令:SAVE

GUI:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db

12．對(duì)環(huán)繞橡膠墊附近的小流體區(qū)域執(zhí)行網(wǎng)格隨移（組件名稱為AREA2）命令:DAMORPH,AREA2,,2

GUI:MainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-PhysMorphing-Areas

13.與上一次結(jié)果相比評(píng)價(jià)網(wǎng)格的移動(dòng)。選擇名稱為GASKET的組件并列表節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

14．比較相鄰的最大橡膠墊位移值（MGD）來查看收斂狀況。15．從gasket.grph文件查看單元圖示。

2.9.3結(jié)果

執(zhí)行流體-結(jié)構(gòu)求解循環(huán)直到滿足收斂準(zhǔn)則。使用收斂容差0.5%。。第一次FLOTRAN分析共迭代400次，以得到較高的收斂精度，隨后的流體結(jié)構(gòu)循環(huán)相互作用循環(huán)FLOTRAN分析各迭代100即可滿足精度要求。

圖2-13橡膠墊附近的流線

圖2-14壓力等值圖

圖2-13顯示變形的橡膠墊附近的流線，圖2-14顯示壓力等值線。從量值上講，結(jié)果與未變形（第一次分析）及變形（最終分析）狀況類似。

圖2-15橡膠墊上的應(yīng)力

最終，圖2-15顯示最終分析得到的VonMises應(yīng)力。最終分析的應(yīng)力峰值大約比第一次分析小25%。這說明考慮到幾何模型的變形對(duì)流場(chǎng)的影響是相當(dāng)顯著的。

在畫結(jié)構(gòu)結(jié)果以前結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)返回到它們?cè)瓉淼奈恢?。命?UPCOORD,-1

GUI:MainMenu>Solution>Other>UpdtNodeCoord以下為求解上述問題的命令流：/Batch,list/prep7

/sho,gasket,grphshpp,off

ET,1,141!Fluid-staticmeshET,2,56,!Hyperelasticelement

!!!!!!!FluidStructureInteraction-Multiphysics!!!!!!!Deformationofagasketinaflowfield.!

!!!!!!!Elementplotsarewrittentothefilegasket.grph.

!

!-Waterflowsinaverticalpipethroughaconstruction!formedbyarubbergasket.

!-Determinetheequilibriumpositionofthegasketand!theresultingflowfield!!||!||

!||Boundaryof\!|______|!||______gasket!||

!||Boundaryof\!||!

!!1.Buildthemodeloftheentiredomain:!!Fluidregion-staticmesh!!

!!Gasketleavesaholeinthecenteroftheduct!!MorphingFluidregionisauserdefinedregionaround!!thegasket.Thefluidmeshherewilldeformandbe!!updatedasthegasketdeforms.!!

!!ParameterizeDimensionsintheflowdirection

!!

yent=0.0!Ycoordinateoftheentrancetothepipedyen=1.0!Undeformedgeometryflowentrancelength

ysf1=yent+dyen!Ycoordinateofentrancetothemorphingfluidregion

dsf1=0.5!Thicknessofupstream

ygas=ysf1+dsf1!Ycoordinateofthebottomofthegasketdg=0.02!Thicknessofthegasketdg2=dg/2.

ytg=ygas+dg!Ycoordinateoftheinitialtopofthegasketdsf2=0.5!Thicknessofdownsteamregion

ysf2=ytg+dsf2!YofTopofthedownstreammorphingfluidsregiondyex=6.0!Exitfluidlength

x=0.!LocationoftheaxisymmetricCenterlinedgasr=.20!Initialspanofgasketpiper=0.3!Radiusofthepipe

xrgap=piper-dgasr!!radiusofcompletelyunobtructedflowpassage!!

!!!Creategeometry!!

rect,xrgap,piper,ygas,ytg!A1:Gasket(keypoints1-4)rect,x,piper,ysf1,ysf2!A2:Morphingfluidregionrect,x,piper,yent,ysf1!A3:Fluidregionwithstaticmeshrect,x,piper,ysf2,ysf2+dyex!A4:Fluidregionwithstaticmesh

aovlap,all

k,22,xrgap+dg2,ygas+dg2rarc=dg2*1.1larc,1,4,22,rarcal,6,4adelete,7

al,6,3,22,7,8,5,21,1!!MeshDivisioninformation

ngap=10!Numberelementsacrossthegapngas=10!Numberofelementsalongthegasketrgas=-2!Spacingratioalonggasket

nflu=ngap+ngas!Numberofelementsacrossthefluidregionraflu=-3!Spacefluidelementsnearthewallsandcenternenty=8!Elementsalongflow-entranceraent=5!Sizeratiointheinletregion

nfl1=20!Elementsalongflow-firstmorph.fluid.nthgas=4!Elementsinthegasket

nfl2=30!Elementsalongflow-secondmorph.fluid.next=30!Elementsalongflow-exitregionrext=6!Sizeratioinflowdirectionofoutletrafls=12!Initialelementspacingratio-morph.fluidlesize,1,,,ngas,rgaslesize,3,,,ngas,rgasnfl11=nfl1*2+9

lsel,s,,,2,4,2!(Modifylesizeofline8ifchanginggasketmesh)lesize,all,,,nthgasalls

lesize,5,,,nflu,raflulesize,7,,,nflu,raflulesize,9,,,nflu,raflulesize,15,,,nflu,raflulesize,18,,,nenty,1./raentlesize,17,,,nenty,1./raentlesize,21,,,nfl1,rafls

lesize,8,,,nfl11,-1./(rafls+3)lesize,22,,,nfl1,raflslesize,19,,,next,rextlesize,20,,,next,rext

!!!AATT,MAT,REAL,TYPE-Settheattributesfortheareasasel,s,,,1,2

aatt,2,2,2!Gasket(material2)asel,s,,,3cm,area2,area

alist!Listareaselectedforfurthermorphingasel,a,,,5,6

aatt,1,1,1!Fluidarea(material1)allseshape,2

asel,u,,,2,3amesh,alleshape,0asel,s,,,2,3amesh,all

!

!!!!!Createelementplotandwritetothefilegasket.grphasel,s,,,1,3esla,s

/Title,Initialmeshforgasketandneighborhoodeplot

/ZOOM,1,RECT,0.3,-0.6,0.4,-0.5