耦合場分析概述

自然界存在四種場：位移（應力應變）場，電磁場、溫度場和流場。這四個場之間是相互聯(lián)系的，現(xiàn)實世界不存在純粹的單場問題，我們所遇到的所有物理問題都是多場耦合的，只是受到硬件或軟件的限制，人為將它們分成單場現(xiàn)象，各自進行分析。有時這種分離可以接受的，但很多問題這樣計算將得到錯誤結果。因此，在條件允許時，應該盡量進行多場耦合分析，現(xiàn)在硬件的發(fā)展已使多場耦合分析成為可能，主要的瓶頸在于有限元分析程序。

程序要進行多場耦合分析，必須具備三個條件。

a）程序本身必須具有多種場的分析功能：

b)各場的分析必須在統(tǒng)一的數據庫下進行：

c）程序必須提供多場耦合處理工具。

ansys作為世界頂尖的CAE技術公司，不僅提供結構、流體、熱、電磁場分析，而且這些分析在統(tǒng)一模擬環(huán)境、同一數據庫中進行。通過多場耦合處理工具，可以進行復雜的多物理耦合分析，經過多年的不斷分析和完善，現(xiàn)已成為世界領先的多物理場模擬工具，以先進的分析技術和理念引領著多物理場仿真的發(fā)展方向。

耦合場分析定義和類型

2.1  耦合場分析定義

耦合場分析是指在有限元分析的過程中考慮兩種或兩種以上工程學科（物理場）的交叉作用和相互影響（耦合）。例如壓電分析考慮了結構和電場的相互作用：它主要解決由于施加的位移載荷引起的電壓分布問題。

2.2  耦合場分析類型

ansys可以進行如下類型的耦合場分析：

a）結構---熱

b）流體---結構

c）靜電---結構

d）靜磁---結構

f）熱---電

g）熱---高、低頻電磁

h）流體---熱

i）流體---電磁

j）壓電分析

k）機電耦合電路模擬

耦合場分析方法

ansys程序進行耦合場分析采用兩種不同的方法：序貫耦合方法和直接耦合方法。

3.1   序貫耦合解法

序貫耦合解法是按照順序進行兩次或多次的相關場分析。它是通過把第一次場分析的結果作為第二次場的載荷來實現(xiàn)兩種場得耦合。例如序貫熱-應力耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點溫度作為“體力 ”載荷施加后續(xù)的應力分析中來實現(xiàn)耦合的。

3.2   直接耦合解法

直接耦合解法利用包含所有必須自由度的耦合單元類型，僅僅通過一次求解就能得出耦合場分析結果。在這種情形下，耦合是通過計算包含所有必須項的單元矩陣或者單元載荷向量來實現(xiàn)的。

3.3   直接耦合解法和序貫耦合解法的選擇

對于不存在高度非線性相互作用的情形，序貫耦合解法更為有效和方便。例如，對于序貫熱---應力耦合分析，可以先進行非線性瞬態(tài)熱分析，在進行線性靜態(tài)應力分析。這里耦合是一個循環(huán)過程，其中迭代在兩個物理場之間進行直到結果收斂到所需要的精度。

直接耦合解法在解決耦合場相互作用具有高度非線性時更具優(yōu)勢，并且可利用耦合公式一次性得到最好的計算結果。求解這類耦合場相互作用問題有專門的單元供直接選用。