例如: 如果结构网格包括在热模型中不存在的圆角 时，许多节点将落在热模型的外面。如果圆角足 够大而且热模型足够细致，圆角区域的载荷将不 能写出。
10-15
基本过程
在热-应力分析中，由温度求解得到的节点温度 将在结构分析中用作体载荷。 当在顺序求解使用手工方法时将热节点温度施加到结构单元上有两种选项。选择 的原则在于结构模型和热模型是否有相似的网格划分:
如果热和结构的单元有相同 的节点号码. . .
1
• 热模型自动转换为结构模型，使用 ETCHG 命令(见相应单元表格)。 • 温度可以直接从热分析结果文件读出 并使用LDREAD 命令施加到结构模型 上。
10-3
直接方法 - 例题
在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和FLUID116热—流单元。该单元具有 热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由度。绝大多数 的实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
• 不同场之间使用统一的单位制。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使 用瓦(焦耳/秒)，热单位就不能使用Btu/s。
• 由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。
10-6
直接方法 - 加载, 求解, 后处理
在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面： • 如果对带有温度自由度的耦合场单元选择 瞬态 分析类型的话： – 瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。 – 瞬态电效果(电容，电感)不能包括在热-电分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度 被 激活)。 – 带有磁向量势自由度的耦合场单元可以用来对瞬态磁场问题建模(如,SOLID62). 带 有标量势自由度的单元只能模拟静态现象(SOLID5)。 • 学习每种单元的自由度和允许的载荷。耦合场单元允许的相同位置(节点,单元面等)施加多 种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。 • 耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor 和 Line Search 功能改善收敛性。 • 考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。
10-14
热-应力分析
在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热-应力分析。
热-应力分析是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影 响，但结构的响应对热分析结果没有很大的影响。
因为热-应力分析只涉及到两个场之间的连续作用，我们可以使用手工方法 (MM)进行 顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法 (PEM) 。这里是手工方法的几个优点和 缺点:
10-16
基本过程 (续)
2
如果热和结构模型的网格有 不同 的节点号码 . . . • 结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好的结构结果。 • 结构体载荷是从热分析中映射过来。这需要一个较复杂的过程，使用BFINT 命令对热结果插值 (不能使用物理环境)。 下面对比一下使用相同或不同网格的区别。
10-17
热-应力分析流程图
开始 No (Option 2) 相同网格? Yes (Option 1) 5A. 将热模型转换为 结构模型 (ETCHG) 2.后处理确定要传到 结构的温度 5B. 读入热载荷 (LDREAD) 3. 设置 GUI过滤，改 变工作文件名并删除 热载荷， CEs, CPs 5a. 清除热网格并建立 结构网格
10-10
间接方法 - 过程
在ANSYS中由两个基本方法进行序贯耦合场分析。它们主要区别在于每个 场的特性是如何表示的:
物理环境方法 - 单独 的数据库文件在所有场中使用。用多个物理环境文件来
表示每个场的特性。
手工方法 - 多个 数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存
储在数据库中。
在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
Chapter 10
耦合场分析
(以热—应力为重点)
什么是耦合场分析?
耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分析包括直
接和间接耦合分析。 当进行直接耦合时, 多个物理场（如热—电 ）的自由度同时进行计算。这称为直接方 法，适用于多个物理场各自的响应互相依 赖的情况。由于平衡状态要满足多个准则 才能取得，直接耦合分析往往是非线性的 。每个结点上的自由度越多，矩阵方程就 越庞大，耗费的机时也越多。
5A
Resets options
Retains options
检查实常数和单元选项是否正确。
10-22
流程细节 (续)
5B. 从热分析中施加温度体载荷(LDREAD 命令):
5B
确定结果的 时间和子步 确定温度结 果文件
9. Solve current load step
10-23
流程细节 (续)
1.建立，加载，求解 热模型
5b.写节点文件 (NWRITE) 并存储结 构文件 5c.读入热模型并进行 温度插值 (BFINT)
结束 5d. 读入结构模型并读 入体载荷文件 (/INPUT)
9. 后处理
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
10-8
间接方法 - 例题
下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法进 行分析的例子:
Airfoil
热-结构: 透平机叶片部件分析
Platform
叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显 著影响应力状态。
Root
由于应变较小，而且接触区域是平面对平面的 ，因此温度解不用更新。
Disk Sector 这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。
10-19
流程细节 (续)
3c. 删除所有热载荷
3d. 删除耦合序列和约束方程
3c
3d
10-20
流程细节 (续)
4. 定义结构材料特性，包括热膨胀系数 (ALPX)。
4
非线性材料特性如塑性和蠕变 在数据表格下定义
10-21
流程细节 (续)
下面两页 (步骤 5A 和 5B)假设热网格在结构中同样使用 (选项 1). 5A. 改变单元类型，从热到结构 (ETCHG 命令):
热—结构: 热轧铝板
铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应 变。 机械和热载荷使得板产生大应变。新的热 分析必须计入形状改变。
10-4
直接方法 - 例题 (续)
热-电磁场: 钢芯的热传递
传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域 的 交变电流在钢芯内产生焦耳热。
钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯 度很大，因此必须考虑钢芯材料特性随温度 的变化。而且，磁场变化的强度和方向都会 改变。
优点:
– 在建立热和结构模型时有较少的限制。例如，属性号码和网格划分在热和结构中可以不同 。PEM需要所有的模型都是一致的。 – MM 方法是简单而且适应性强的，ANSYS和用户都对它进行了多年的检验。 缺点:
–
–
用户必须建立热和结构数据库和结果文件。这与单独模型的PEM方法对比，需要占用较多 的存储空间。 MM 如果再考虑其它场时会比较麻烦。
10-13
物理环境 (续)
同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的结果。如 ：
这种划分方法在热分析中可以得到 满意的温度分布，但. . .
. . . 这样的网格密度在结构分析中
才能得到准确的结果。
物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法当考虑多 于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数据库文件的情况下 比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法，可以参考《耦合场分析指 南》的第二章。
8. 存储并求解
10-18
流程细节
下面是热-应力分析的每步细节。
1.
建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到 节点上的温度。
2.
查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载 荷步/子步)。
3a 1 2
3a. 将GUI过滤设置为“Structural” 和 “Thermal”。
3b. 改变工作文件名。
3b
10-9
间接方法 - 例题(续)
热 -电 : 嵌于玻璃盘的电热器
嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使 得电线中有焦耳热产生。
由于热效应，电线和盘中温度增加。由 于系统的温度变化不大，热引起的电阻 变化被忽略。因此，电流也是不变的。
+V当电压{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳 热:
Q j Power V2 R
• 分析和载荷步选项 • 载荷和边界条件 • GUI 界面和标题
在使用降阶单元形状时要 注意。具有相同基本形状 的单元不一定支持该种单 元的Leabharlann 阶模式。noyes
10-12
物理环境 (续)
除了相似的单元阶次 (形函数阶次) 和形状，绝大多数单元需要相似的单元选 项 (如平面2-D单元的轴对称) 以满足相容性。但是，许多载荷类型不需要环 境之间完全相容。例如，8节点热体单元可以用来给20节点结构块单元提供温 度。许多单元需要特殊单选项设置来与不同阶次的单元相容。 单元属性号码 (MAT, REAL, TYPE)在环境之间号码必须连续。 对于在某种特殊物理环境中不参与分析的区域使用空单元类型 (type # zero) 来划分 (如，在电磁场分析中需要对物体周围单空气建模而热和结构分析中不 用 )。
下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分 析的单元类型。不是所有单元都有温度自由 度。
10-2
什么是耦合场分析? (续)
间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为 后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。
本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响应（如热 ）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成立。本方法一般来 说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都支持所有 耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供热—电直接耦合 。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。