搜索FEM之多物理场求解器(1)---C++开发热-结构耦合求解器
2017-01-15 by:CAE仿真在线 来源:互联网
耦合场求解有两种:间接耦合和直接耦合
间接耦合是按照顺序进行两次或多次,把第一次的分析结果作为第二次分析的荷载。例如
热-结构耦合分析通常是将热分析得到的节点温度作为“体力”荷载施加在后续的应力分析中。例如电子元件,通电发热,由于存在约束,产生应力和应变,设计不当会造成元器件管脚脱落。
直接耦合是利用包含所有自由度的耦合单元类型,一次求解出耦合场结果,即多个物理场的偏微分方程构成方程组一起求解。还是以电子元件为例,通电导体会发热,发热导体的材料特性会发生变化,材料特性的变化反过来又会影响电流的传输性能。直接耦合在求解耦合场相互作用具有高度非线性时具有优势,可以一次得到结果。
下面以简单的例子说明热-力 耦合求解器的例子:
开发的求解器与Ansys做Benchmark。
为了简化计算,不划分网格,直接使用两个长方体(六面体单元)进行计算:
一个实体,
FaModel中建立两个相邻的两个长方体,
1. 材料赋给长方体,设置材料属性:泊松比,杨氏模量,热传导系数,热膨胀系数。
2. 设置结构分析边界条件:将长方体两端多点设置为固定或铰接
3. 设置热分析边界条件:其中一外表面温度设置为100度,设置4点有热对流。
4. 将有限元模型导出为FasStatic求解器文件和 Ansys的 cdb文件
5. 求解需要热学和结构两个求解器
求解过程:
1. 首先不考虑结构,用热求解器计算温度场分布,求出结果后保存在内存
2. 将求出的温度场作为体力加载到节点上,调用结构求解器求解
3. 求出各点的位移,然后应力和应变
结果:
Ansys
计算出热结果,在Ansys中将热作为荷载加载到边界上
FasStatic计算结果:
温度:
1
1.0000e+002
2
1.3000e+002
3
1.0000e+002
4
1.0000e+002
5
1.3000e+002
6
1.0000e+002
7
1.4500e+002
8
1.3000e+002
9
1.4500e+002
10
1.4500e+002
11
1.3000e+002
12
1.4500e+002
位移:
1
0.0000e+000 0.0000e+000
0.0000e+000
2 -2.1103e-004
-1.7362e-004 -7.6897e-005
3 -4.2207e-004
-4.2207e-004 -1.2517e-004
4
0.0000e+000 -2.1934e-004
0.0000e+000
5
1.6653e-018 -3.3297e-004 -1.1500e-004
6
0.0000e+000 -6.4141e-004 -1.2517e-004
7
0.0000e+000 -6.8966e-006 -1.4533e-004
8 -1.4845e-004
-1.7362e-004 -2.0722e-004
9 -2.9690e-004
-4.2897e-004 -2.7050e-004
10
2.2862e-004 -1.0722e-004 -1.7434e-004
11
6.2586e-005 -3.0395e-004 -2.7434e-004
12 -1.0345e-004
-5.2929e-004 -2.9952e-004
应力
第一个单元
1 -4.1034e+003 -2.1375e-010 -6.1967e-011
-1.4655e+003 1.4655e+003 -1.4655e+003
1 -4.1034e+003 8.4122e-011
2.5893e-012 -1.4655e+003 -1.4655e+003
-1.4655e+003
1 1.7000e+004
1.0338e-010 3.1755e-011
-1.4655e+003 -1.4655e+003 1.4655e+003
1 1.7000e+004 -2.1451e-010
3.9024e-011 -1.4655e+003
1.4655e+003 1.4655e+003
1 -2.3448e+003 1.2175e-010
-7.6682e-011 1.4655e+003
1.4655e+003 -1.4655e+003
1 -2.3448e+003 -7.8604e-011
2.3368e-012 1.4655e+003
-1.4655e+003 -1.4655e+003
1 -4.1034e+003 -1.1741e-010 -2.7298e-011
1.4655e+003 -1.4655e+003
1.4655e+003
1 -4.1034e+003 1.8366e-010
8.8012e-011 1.4655e+003
1.4655e+003 1.4655e+003
第二个单元
2 -4.1034e+003 1.3383e-010
6.0305e-011 1.4655e+003
-1.4655e+003 1.4655e+003
2 -4.1034e+003 -1.2449e-010 -4.3924e-011
1.4655e+003 1.4655e+003
1.4655e+003
2 1.7000e+004 -9.8414e-011
-9.2765e-012 1.4655e+003
1.4655e+003 -1.4655e+003
2 1.7000e+004
8.6481e-011 -1.3998e-012
1.4655e+003 -1.4655e+003 -1.4655e+003
2 -2.3448e+003 -1.1523e-010 -9.6950e-012
-1.4655e+003 -1.4655e+003 1.4655e+003
2 -2.3448e+003 1.0694e-010
3.9385e-011 -1.4655e+003
1.4655e+003 1.4655e+003
2 -4.1034e+003 7.0780e-011
-4.6267e-012 -1.4655e+003 1.4655e+003
-1.4655e+003
2 -4.1034e+003 -5.2460e-011
1.1950e-011 -1.4655e+003 -1.4655e+003
-1.4655e+003
本例中使用间接耦合方法,并无新的求解器,只是调用了热,结构两个求解器。
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