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1.耦合場(chǎng)分析概述

自然界存在四種場(chǎng)：位移（應(yīng)力應(yīng)變）場(chǎng)，電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。這四個(gè)場(chǎng)之間是相互聯(lián)系的，現(xiàn)實(shí)世界不存在純粹的單場(chǎng)問(wèn)題，我們所遇到的所有物理問(wèn)題都是多場(chǎng)耦合的，只是受到硬件或軟件的限制，人為將它們分成單場(chǎng)現(xiàn)象，各自進(jìn)行分析。有時(shí)這種分離可以接受的，但很多問(wèn)題這樣計(jì)算將得到錯(cuò)誤結(jié)果。因此，在條件允許時(shí)，應(yīng)該盡量進(jìn)行多場(chǎng)耦合分析，現(xiàn)在硬件的發(fā)展已使多場(chǎng)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(jìn)行多場(chǎng)耦合分析，必須具備三個(gè)條件。

a）程序本身必須具有多種場(chǎng)的分析功能：

b)各場(chǎng)的分析必須在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)下進(jìn)行：

c）程序必須提供多場(chǎng)耦合處理工具。

ansys作為世界頂尖的CAE技術(shù)公司，不僅提供結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁場(chǎng)分析，而且這些分析在統(tǒng)一模擬環(huán)境、同一數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行。通過(guò)多場(chǎng)耦合處理工具，可以進(jìn)行復(fù)雜的多物理耦合分析，經(jīng)過(guò)多年的不斷分析和完善，現(xiàn)已成為世界領(lǐng)先的多物理場(chǎng)模擬工具，以先進(jìn)的分析技術(shù)和理念引領(lǐng)著多物理場(chǎng)仿真的發(fā)展方向。

2.耦合場(chǎng)分析定義和類(lèi)型

2.1  耦合場(chǎng)分析定義

耦合場(chǎng)分析是指在有限元分析的過(guò)程中考慮兩種或兩種以上工程學(xué)科（物理場(chǎng)）的交叉作用和相互影響（耦合）。例如壓電分析考慮了結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)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(wèn)題。

2.2  耦合場(chǎng)分析類(lèi)型

ansys可以進(jìn)行如下類(lèi)型的耦合場(chǎng)分析：

a）結(jié)構(gòu)---熱

b）流體---結(jié)構(gòu)

c）靜電---結(jié)構(gòu)

d）靜磁---結(jié)構(gòu)

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(jī)電耦合電路模擬

3.耦合場(chǎng)分析方法

ansys程序進(jìn)行耦合場(chǎng)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(jìn)行兩次或多次的相關(guān)場(chǎng)分析。它是通過(guò)把第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次場(chǎng)的載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)得耦合。例如序貫熱-應(yīng)力耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為“體力 ”載荷施加后續(xù)的應(yīng)力分析中來(lái)實(shí)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(lèi)型，僅僅通過(guò)一次求解就能得出耦合場(chǎng)分析結(jié)果。在這種情形下，耦合是通過(guò)計(jì)算包含所有必須項(xiàng)的單元矩陣或者單元載荷向量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.3   直接耦合解法和序貫耦合解法的選擇

對(duì)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(duì)于序貫熱---應(yīng)力耦合分析，可以先進(jìn)行非線性瞬態(tài)熱分析，在進(jìn)行線性靜態(tài)應(yīng)力分析。這里耦合是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，其中迭代在兩個(gè)物理場(chǎng)之間進(jìn)行直到結(jié)果收斂到所需要的精度。

直接耦合解法在解決耦合場(chǎng)相互作用具有高度非線性時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，并且可利用耦合公式一次性得到最好的計(jì)算結(jié)果。求解這類(lèi)耦合場(chǎng)相互作用問(wèn)題有專(zhuān)門(mén)的單元供直接選用。