《ANSYS非线形分析指南》书籍资料：第四章 耦合场分析

ANSYS非线形分析指 基本过程 第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工 程学科(物理场)的交叉作用和相互影响(耦合)。例如压电分析考 虑了结构和电场的相互作用:它主要解决由于所施加的位移载荷引走 的电压分布问题,反之亦然。其他的耦合场分析还有热应力耦合分 析,热-电耦合分析,流体-结构耦合分析,磁-热耦合分析和磁-结构 耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作 用,但是,耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法:序贯耦合方 法和直接耦合方法 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是 通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场 的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作 为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型,仅仅通 过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下,耦合是通过计 算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单 元 SOLID5, PLANE13,或 SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形,序贯耦合解法更为有效 和方便,因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如,对于序贯热 应力耦合分析,可以先进行非线性瞬态热分析,再进行线性静态应 力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作 为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程,其中迭代在两个物 理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优 势,并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法 的例子包括压电分析,伴随流体流动的热传导问题,以及电路-电磁 场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选 用 第1页

ANSYS非线形分析指南 基本过程 第1页 第四章 耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工 程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考 虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起 的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分 析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构 耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作 用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方 法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是 通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场 的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作 为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通 过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计 算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单 元 SOLID5，PLANE13，或 SOLID98 可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效 和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热 -应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应 力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作 为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物 理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优 势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法 的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁 场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选 用