多物理耦合场有限元分析

ANSYS多物理耦合场有限元分析王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所航空工程先进数值计算技术ANSYS多物理耦合场有限元分析结构-热耦合分析流体-固体耦合分析ANSYS中的典型物理量(国际单位制)•温度•热流量•热传导率•密度•比热•对流换热系数•热流•温度梯度•内部热生成•DegreesC(orK)•Watts•Watts/(meter.degreeC)•kilogram/(meter3)•(Watt.sec)/(kilogram.degreeC)•Watt/(meter2.degreeC)•Watt/(meter2)•degreeC/meter•Watt/(meter3)ANSYS热分析热传递的类型•热传递有三种基本类型:–传导-两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。–对流-在物体和周围流体之间发生的热交换。–辐射-一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。•在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有对流和/或辐射边界条件。ANSYS热分析•传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：•负号表示热量沿梯度的反向流动(例如,热量从热的部分流向冷的部分).传导Tnq*dTdnndirectioningradientthermalretemperatundirectionintyconductivithermalWhere,ndirectioninareaunitperrateflowheat*nTTKnTKqnnnnANSYS热分析对流•对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出:•对流一般作为面边界条件施加TsTBretemperatufluidbulkretemperatusurfacetcoefficienfilmconvectiveWhere,fluidandsurfacebetweenareaunitperrateflowheat)(*BSfBSfTThTThqANSYS热分析热力学第一定律•能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。•能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式•将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。0generatedboundaryheoutthrutboundaryeinthruthstoredEEEEANSYS热分析•单元类型•下表显示通常使用的热单元类型。•节点自由度是：TEMP。常用的热单元类型•材料特性–至少需要Kxx—稳态分析热传导系数。–如果是瞬态分析，则需要比热(C)。–优先设置为“thermal”（热分析），在GUI方式中只显示热材料特性。•实常数–主要用于壳和线单元。2-DSolid3-DSolid3-DShellLineElementsLinearPLANE55SOLID70SHELL57SHELL131LINK31,32,33,34QuadraticPLANE77PLANE35SOLID90SOLID87SHELL132热分析有限元模型ANSYS热分析稳态热传递•如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。•由于热量流动不随时间变化,系统的温度和热载荷也都不随时间变化。•由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:输入能量—输出能量=0ANSYS热分析稳态热传递控制方程•对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:相应的节点处的有限元平衡方程为:0...qzTkzyTkyxTkxzzyyxxQKTANSYS热分析热载荷和边界条件的类型•温度–自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。•均匀温度–可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。•热流率–是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。ANSYS热分析热载荷和边界条件的类型•对流–施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。•热通量(热流密度)–同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度值表示热量流入模型。•热生成率–作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。ANSYS热分析热载荷和边界条件的类型•ANSYS热载荷分为四大类:1.DOF约束-指定的DOF(温度)数值2.集中载荷-施加在点上的集中载荷(热流)3.面载荷-在面上的分布载荷(对流、热流密度)4.体载荷-体积或场载荷（热生成）ANSYS热分析热载荷和边界条件注意事项–在ANSYS中,没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。–通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称边界条件。–如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。–反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。热载荷和边界条件的类型ANSYS热分析何为瞬态分析?由于受随时间变化的载荷和边界条件,如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行瞬态分析。热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中只用于计数，现在有了确定的物理含义。涉及到相变的分析总是瞬态分析。时变载荷时变响应ANSYS热分析除了导热系数(k),还要定义密度(r)和比热(c)。稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解过程。*MASS71热质量单元比较特殊，它能够存贮热能单不能传导热能。因此，本单元不需要热传导系数。瞬态分析前处理考虑因素ANSYS热分析控制方程回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统:在瞬态分析中，载荷随时间变化......或,对于非线性瞬态分析,时间和温度:QTKTCtQTKTCtTQTTKTTC,热存储项=(比热矩阵)x(时间对温度的微分)ANSYS热分析选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。•如果时间步长太小,对于有中间节点的单元会形成不切实际的振荡，造成温度结果不真实。时间步大小建议TtDt如果时间步长太大,就不能得到足够的温度梯度。一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长按需要增加时间步。下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方法。ANSYS热分析在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和Fourier数。Biot数是无量纲的对流和传导热阻的比率:其中Dx是名义单元宽度,h是平均对流换热系数，K是平均导热系数。Fourier数是无量纲的时间(Dt/t),对于宽度为Dx的单元它量化了热传导与热存储的相对比率:其中r和c是平均的密度和比热。时间步大小说明(续)KxhBiD2)(xctKFoDDrANSYS热分析如果Bi1:可以将Fourier数设为常数并求解Dt来预测时间步长:项a表示热耗散。比较大的a数值表示材料容易导热而不容易储存热能。如果Bi1:时间步长可以用Fourier和Biot数的乘积预测:求解Dt得到:(Again,where0.1b0.5)时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的平均方法和比例因子b而变化。时间步大小说明(续)brrDDDDDxcthKxhxctKBiFo2)(cKandwherexKxctrababrbDDD5.01.0,)()(22hxctDDrbANSYS热分析进行瞬态分析ANSYS缺省情况下是稳态分析。使用下列求解菜单指定要进行瞬态分析:“FULL”是瞬态热分析唯一可以使用的选项。7.用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效(如求解器，N-R选项等)143256ANSYS热分析初始条件初始条件必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以开始。施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定:InitialTemperatureDistributionInitialTemperatureValuesProcedureUniformKnown1.Assignuniforminitialtemperaturetoentiremodelandproceedwithtransient.Non-uniformKnown1.Assigninitialtemperaturestogroupsofnodesandproceedwithtransient.Non-uniformUnknown1.Runsteady-stateanalysisfirsttoestablishinitialtemperatures.2.Turnontimeintegrationeffectsandruntransient.注:如果没有指定初始温度，初始DOF数值为0。ANSYS热分析均匀初始温度如果整个模型的初始温度为均匀且非0，使用下列菜单指定:1234ANSYS热分析非均匀的初始温度如果模型的初始温度分布已知但不均匀，使用这些菜单将初始条件施加在特定节点上:4.用图形选取或输入点号的方法确定要建立初始温度的节点。5.单击OK.注:当手动或借助于输入文件输入IC命令时，可以使用节点组元名来区分节点。12354ANSYS热分析非均匀初始温度(续)注:没有定义DOF初始温度的节点其初始温度缺省为TUNIF命令指定的均匀数值。6.选择DOF标记“TEMP”。7.指定初始温度数值。8.完成后单击OK。单击APPLY重复操作，将初始温度指定到其它节点上。678ANSYS热分析由稳态分析得到的初始温度(续)当模型中的初始温度分布是不均匀且未知的，单载荷步的稳态热分析可以用来确定瞬态分析前的初始温度。要这样做，按照下列步骤:1.稳态第一载荷步:•进入求解器，使用稳态分析类型。•施加稳态初始载荷和边界条件。•为了方便，指定一个很小的结束时间(如1E-3秒)。避免使用非常小的时间数值(~1E-10)因为可能形成数值错误。•指定其它所需的控制或设置(如非线性控制)。•求解当前载荷步。ANSYS热分析•施加瞬态分析控制和设置。•求解之前,打开时间积分:•求解当前瞬态载荷步。•求解后续载荷步。时间积分效果保持打开直到在后面的载荷步中关闭为止。由稳态分析得到的初始温度(续)2.后续载荷步为瞬态:•在第二个载荷步中，根据第一个载荷步施加载荷和边界条件。记住删除第一个载荷步中多余的载荷。1234ANSYS热分析打开/关闭时间积分效果象刚刚说明的那样,稳态分析可以迅速的变为瞬态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果打开。同样，瞬态分析可以变成稳态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果关闭。结论:从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分。ANTYPE,TRANS+TIMINT,OFFANTYPE,STATICANTYPE,STATIC+TIMINT,ONANTYPE,TRANSANSYS热分析另外的时间积分例子在本例中，不是在分析的开始关闭时间积分效果来建立初始条件，而是在分析的结束关闭时间积分来“加速”瞬态。通常，分析的目标将将瞬态热现象中最严重的温度梯度定量。这些梯度通常在瞬态的初始阶段发生,并在系统进入稳态时随时间衰减。当系统响应稳定后，后面的结果就没有意义了，分析可以简单的结束或如果稳态温度场也需要得到，就在最后载荷步关闭时间积分效果。注意改变到稳态边界时的突变。最后一个载荷步的终止时间可以是任意的,但必须比前面的瞬态载荷步时间数值要大。ANSYS热分析打开控制打开控制用于在当瞬态热分析接近稳态时让自动时间步“打开”(增加)时间步长。在缺省情况下，如果连续3个子步间的最大温度变化都小于0.1个温度单位，那么时间步长将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中实现。用这些菜单改变设置: