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。
象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势{A}，就能计算 出电流密度向量{J}。它用来计算下式中的焦耳热:
是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
许多问题需要热到结构 的耦合(温度引起的热
热
结构
膨胀)
但反之不可
结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变将不对
初始的热分析结果产生影响)
热
结构
在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单 元，不用进行多次迭代计算。
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10-8
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
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。
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10-4
直接方法 - 例题 (续)
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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。
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:
Qj
P
oweV r 2 R
• 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。
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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：
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。
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10-7
间接方法
间接方法 用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的分析(而不
Airfoil Platform
Root
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:
热-结构: 透平机叶片部件分析
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。
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。 ppt课件
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。
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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
在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。
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10-11
物理环境
为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义多个 物理环境。 一
个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内 容:
• 单元类型和选项
• 节点和单元坐标系
• 耦合和约束方程
在建立带有物理环境的模型时，要选择 相容于所有物理场的单元类型。例如， 8节点的热块单元与8节点的结构块单元 相容，而不与10节点结构单元相容:
– 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
Qj RM PSow Im e22ra Rx
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10-5
直接方法 - 前处理
在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面:
• 使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。模型中不需 要耦合的部分应使用普通单元。
• 仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。耦合场单元相 对来说有更多的限制(如, PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元 可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。
Chapter 10
耦合场分析
(以热—应力为重点)
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10-1
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。
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。
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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。