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2013-05-08 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
1.1耦合场分析的定义
耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。例如压电分析,考虑结构和电场间的相互作用:求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。其它耦合场分析的例子有热-应力分析,热-电分析,流体-结构分析。
需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器(热-应力分析),流体流动的压缩(流体结构分析),感应加热(磁-热分析),超声波换能器(压电分析)以及磁体成形(磁-结构分析),以及微电机械系统(MEMS)等。
1.2耦合场分析的类型
耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场,但明显可以可分为两类:顺序耦合和直接耦合。
1.2.1 顺序耦合方法
顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于不同物理场的分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。典型的例子是热-应力顺序耦合分析,热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。
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场类型单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。
1.2.3 直接法与顺序法的应用场合
对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况,顺序耦合法更有效,也更灵活。因为两个分析之间是相对独立的。例如在热应力顺序耦合分析中,可以先进行非线性瞬态热分析,然后再进行线性静力分析。可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行,直到收敛到一定精度为止。
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的,直接耦合具有优势。它使用耦合变量一次求解得到结果。直接耦合的例子有压电分析,流体流动的共轭传热分析,电路-电磁分析。这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
参见本手册中第五章关于声学的更多信息。
参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中关于加载的更多信息。
1.3单位制
在ANSYS中应确保你所输入所有数据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析,参见《ANSYS Commands Reference》中EMUNIT命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。
对微电机械系统(MEMS),用更合适的单位制建立模型会更加方便,因为MEMS部件通常大小为几微米。为方便,表1-1到1-8列出从标准的MKS转换到µMKSV 及µMSVfA及的转换系数。
表1-1力学从MKS到uMKSV的转换系数
|
力学参数 |
MKS 单位 |
量纲 |
乘以此数 |
获得µMKSv单位 |
量纲 |
|
长度 |
m |
m |
106 |
µm |
µm |
|
力 |
N |
(kg)(m)/(s)2 |
106 |
µN |
(kg)(µm)/(s)2 |
|
时间 |
s |
s |
1 |
s |
s |
|
质量 |
kg |
kg |
1 |
kg |
kg |
|
压力 |
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 |
|
应力 |
Pa |
kg/(m)(s)2 |
10-6 |
MPa |
kg/(µm)(s)2 |
|
杨氏模量 |
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热学从MKS到uMKSV的转换系数
|
热参数 |
MKS 单位 |
量纲 |
乘以此数 |
获得µMKSv 单位 |
量纲 |
|
导热系数 |
W/m°K |
(kg)(m)/°(K)(s)3 |
106 |
pW/(µm)( °K) |
(kg)(µm)/( °K)(s)3 |
|
热通量 |
W/(m)2 |
kg/(s)3 |
1 |
pW/(µm)2 |
kg/(s)3 |
|
比热 |
J/(kg)( °K) |
(m)2/(K°)(s)2 |
1012 |
pJ/(kg)( °K) |
(µm)2/(°K)(s)2 |
|
热流 |
W |
(kg)(m)2/(s)3 |
1012 |
pW |
(kg)(µm)2/(s)3 |
|
单位体积的热生成 |
W/m3 |
(kg)/(m)(s)3 |
10-6 |
pW/(µm)3 |
kg/(µm)(s)3 |
|
对流系数 |
W/(m)2°K |
kg/(s)2 |
1 |
pW/(µm)2°K |
kg/(s)2 |
|
动力粘度 |
kg/(m)(s) |
Kg/(m)(s) |
10-6 |
kg/(µm)(s) |
kg/(µm)(s) |
|
运动粘度 |
(m)2/s |
(m)2/s |
1012 |
(µm)2/s |
(µm)2/s |
表1-3电学从MKS到uMKSV的转换系数
|
电学参数 |
MKS 单位 |
量纲 |
乘以此数 |
获得µMKSv 单位 |
量纲 |
|
电流 |
A |
A |
1012 |
pA |
pA |
|
电压 |
V |
(kg)(m)2/(A)(s)3 |
1 |
V |
(kg)(µm)2/(pA)(s)3 |
|
电荷 |
C |
(A)(s) |
1012 |
pC |
(pA)(s) |
|
电导率 |
S/m |
(A)2(s)3/(kg)(m)3 |
106 |
pS/µm |
(pA)2(s)3/(kg)(µm)3 |
|
电阻率 |
Ωm |
(Kg)(m3/(A)2(s)3 |
10-6 |
TΩµm |
(kg)(µm)3/(pA)2(s)3 |
|
介电常数[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 |
|
电容 |
F |
(A)2(s)4/(kg)(m)2 |
1012 |
pF |
(pA)2(s)4/(kg)(µm)2 |
|
电场 |
V/m |
(kg)(m)/(s)3(A) |
10-6 |
V/µm |
(kg)(µm)/(s)3(pA) |
|
电通量密度 |
C/(m)2 |
(A)(s)/(m)2 |
1 |
pC/(µm)2 |
(pA)(s)/(µm)2 |
1.自由空间的介电常数为8.854 x 10-6 pF/µm.
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