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2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 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(jié)構(gòu)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(yīng)力分析,熱-電分析,流體-結(jié)構(gòu)分析。
需要進行耦合場分析的工程應(yīng)用有壓力容器(熱-應(yīng)力分析),流體流動的壓縮(流體結(jié)構(gòu)分析),感應(yīng)加熱(磁-熱分析),超聲波換能器(壓電分析)以及磁體成形(磁-結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(guān)于聲學的更多信息。
參見《ANSYS Basic Analysis Guide》中關(guān)于加載的更多信息。
1.3單位制
在ANSYS中應(yīng)確保你所輸入所有數(shù)據(jù)單位制的統(tǒng)一?？梢允褂萌魏螁挝恢?。對電磁場分析,參見《ANSYS Commands Reference》中EMUNIT命令對于自由空間中磁導率和介電常數(shù)設(shè)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(zhuǎn)換到μMKSV 及μMSVfA及的轉(zhuǎn)換系數(shù)。
表1-1力學從MKS到uMKSV的轉(zhuǎn)換系數(shù)
|
力學參數(shù) |
MKS 單位 |
量綱 |
乘以此數(shù) |
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(zhì)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(yīng)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(zhuǎn)換系數(shù)
|
熱參數(shù) |
MKS 單位 |
量綱 |
乘以此數(shù) |
獲得μMKSv 單位 |
量綱 |
|
導熱系數(shù) |
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(shù) |
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(zhuǎn)換系數(shù)
|
電學參數(shù) |
MKS 單位 |
量綱 |
乘以此數(shù) |
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(shù)[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(shù)為8.854 x 10-6 pF/μm.
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