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2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓中心-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線
1.1耦合場分析的定義
耦合場分析是指考慮了兩個或多個工程物理場之間相互作用的分析。例如壓電分析,考慮結構和電場間的相互作用:求解由施加位移造成的電壓分布或相反過程。其它耦合場分析的例子有熱-應力分析,熱-電分析,流體-結構分析。
需要進行耦合場分析的工程應用有壓力容器(熱-應力分析),流體流動的壓縮(流體結構分析),感應加熱(磁-熱分析),超聲波換能器(壓電分析)以及磁體成形(磁-結構分析),以及微電機械系統(tǒng)(MEMS)等。
1.2耦合場分析的類型
耦合場分析的過程依賴于所耦合的物理場,但明顯可以可分為兩類:順序耦合和直接耦合。
1.2.1 順序耦合方法
順序耦合方法包括兩個或多個按一定順序排列的分析,每一種屬于不同物理場的分析。通過將前一個分析的結果作為載荷施加到第二個分析中的方式進行耦合。典型的例子是熱-應力順序耦合分析,熱分析中得到節(jié)點溫度作為“體載荷”施加到隨后的應力分析中去。
1.2.2 直接耦合方法
直接耦合方法一般只涉及到一次分析,利用包括所有必要自由度的耦合場類型單元。通過計算包含所需物理量的單元矩陣或載荷向量的方式進行耦合。例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98單元的壓電分析。另外的例子如利用TRANS126單元的MEMS分析。
1.2.3 直接法與順序法的應用場合
對于耦合情況的相互作用非線性程度不是很高的情況,順序耦合法更有效,也更靈活。因為兩個分析之間是相對獨立的。例如在熱應力順序耦合分析中,可以先進行非線性瞬態(tài)熱分析,然后再進行線性靜力分析?？梢詫⑺矐B(tài)熱分析中任一載荷步或時間點的節(jié)點溫度作為載荷施加到應力分析中。順序耦合可以是不同物理場之間交替進行執(zhí)行,直到收斂到一定精度為止。
當耦合場之間的相互作用是高度非線性的,直接耦合具有優(yōu)勢。它使用耦合變量一次求解得到結果。直接耦合的例子有壓電分析,流體流動的共軛傳熱分析,電路-電磁分析。這些分析中使用了特殊的耦合單元直接求解耦合場間的相互作用。
參見本手冊中第五章關于聲學的更多信息。
參見《ANSYS Basic Analysis Guide》中關于加載的更多信息。
1.3單位制
在ANSYS中應確保你所輸入所有數據單位制的統(tǒng)一?？梢允褂萌魏螁挝恢啤﹄姶艌龇治?參見《ANSYS Commands Reference》中EMUNIT命令對于自由空間中磁導率和介電常數設定的更多信息。
對微電機械系統(tǒng)(MEMS),用更合適的單位制建立模型會更加方便,因為MEMS部件通常大小為幾微米。為方便,表1-1到1-8列出從標準的MKS轉換到μMKSV 及μMSVfA及的轉換系數。
表1-1力學從MKS到uMKSV的轉換系數
|
力學參數 |
MKS 單位 |
量綱 |
乘以此數 |
獲得μMKSv單位 |
量綱 |
|
長度 |
m |
m |
106 |
μm |
μm |
|
力 |
N |
(kg)(m)/(s)2 |
106 |
μN |
(kg)(μm)/(s)2 |
|
時間 |
s |
s |
1 |
s |
s |
|
質量 |
kg |
kg |
1 |
kg |
kg |
|
壓力 |
Pa |
(kg)/(m)(s)2 |
10-6 |
MPa |
(kg)/(μm)(s)2 |
|
速度 |
m/s |
m/s |
106 |
μm/s |
μm/s |
|
加速度 |
m/(s)2 |
m/(s)2 |
106 |
μm/(s)2 |
μm/(s)2 |
|
密度 |
kg/(m)3 |
kg/(m)3 |
10-18 |
kg/(μm)3 |
kg/(μm)3 |
|
應力 |
Pa |
kg/(m)(s)2 |
10-6 |
MPa |
kg/(μm)(s)2 |
|
楊氏模量 |
Pa |
kg/(m)(s)2 |
10-6 |
MPa |
kg/(μm)(s)2 |
|
功率 |
W |
(kg)(m)2/(s)3 |
1012 |
pW |
(kg)(μm)2/(s)3 |
表1-2熱學從MKS到uMKSV的轉換系數
|
熱參數 |
MKS 單位 |
量綱 |
乘以此數 |
獲得μMKSv 單位 |
量綱 |
|
導熱系數 |
W/m°K |
(kg)(m)/°(K)(s)3 |
106 |
pW/(μm)( °K) |
(kg)(μm)/( °K)(s)3 |
|
熱通量 |
W/(m)2 |
kg/(s)3 |
1 |
pW/(μm)2 |
kg/(s)3 |
|
比熱 |
J/(kg)( °K) |
(m)2/(K°)(s)2 |
1012 |
pJ/(kg)( °K) |
(μm)2/(°K)(s)2 |
|
熱流 |
W |
(kg)(m)2/(s)3 |
1012 |
pW |
(kg)(μm)2/(s)3 |
|
單位體積的熱生成 |
W/m3 |
(kg)/(m)(s)3 |
10-6 |
pW/(μm)3 |
kg/(μm)(s)3 |
|
對流系數 |
W/(m)2°K |
kg/(s)2 |
1 |
pW/(μm)2°K |
kg/(s)2 |
|
動力粘度 |
kg/(m)(s) |
Kg/(m)(s) |
10-6 |
kg/(μm)(s) |
kg/(μm)(s) |
|
運動粘度 |
(m)2/s |
(m)2/s |
1012 |
(μm)2/s |
(μm)2/s |
表1-3電學從MKS到uMKSV的轉換系數
|
電學參數 |
MKS 單位 |
量綱 |
乘以此數 |
獲得μMKSv 單位 |
量綱 |
|
電流 |
A |
A |
1012 |
pA |
pA |
|
電壓 |
V |
(kg)(m)2/(A)(s)3 |
1 |
V |
(kg)(μm)2/(pA)(s)3 |
|
電荷 |
C |
(A)(s) |
1012 |
pC |
(pA)(s) |
|
電導率 |
S/m |
(A)2(s)3/(kg)(m)3 |
106 |
pS/μm |
(pA)2(s)3/(kg)(μm)3 |
|
電阻率 |
Ωm |
(Kg)(m3/(A)2(s)3 |
10-6 |
TΩμm |
(kg)(μm)3/(pA)2(s)3 |
|
介電常數[1] |
F/m |
(A)2(s)4/(kg)(m)3 |
106 |
pF/μm |
(pA)2(s)2/(kg)(μm)3 |
|
能量 |
J |
(kg)(m)2/(s)2 |
1012 |
pJ |
(kg)(μm)2/(s)2 |
|
電容 |
F |
(A)2(s)4/(kg)(m)2 |
1012 |
pF |
(pA)2(s)4/(kg)(μm)2 |
|
電場 |
V/m |
(kg)(m)/(s)3(A) |
10-6 |
V/μm |
(kg)(μm)/(s)3(pA) |
|
電通量密度 |
C/(m)2 |
(A)(s)/(m)2 |
1 |
pC/(μm)2 |
(pA)(s)/(μm)2 |
1.自由空間的介電常數為8.854 x 10-6 pF/μm.
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