耦合分析

2013-08-14 by:多物理場耦合有限元分析來源:仿真在線

耦合分析

耦合分析是指在有限元分析的過程中考慮了兩種或者多種工程學科(物理場)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)和電場的相互作用:它主要解決由于所施加的位移載荷引起的電壓分布問題,反之亦然。其他的耦合場分析還有熱-應(yīng)力耦合分析,熱-電耦合分析,流體-結(jié)構(gòu)耦合分析,磁-熱耦合分析和磁-結(jié)構(gòu)耦合分析等等。

耦合場分析的定義

耦合場分析是指在有限元分析的過程中考慮了兩種或者多種工程學科(物理場)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)和電場的相互作用:它主要解決由于所施加的位移載荷引起的電壓分布問題,反之亦然。其他的耦合場分析還有熱-應(yīng)力耦合分析,熱-電耦合分析,流體-結(jié)構(gòu)耦合分析,磁-熱耦合分析和磁-結(jié)構(gòu)耦合分析等等。

耦合場分析的類型

耦合場分析的過程取決于所需解決的問題是由哪些場的耦合作用,但是,耦合場的分析最終可歸結(jié)為兩種不同的方法:序貫耦合方法和直接耦合方法。

序貫耦合解法

序貫耦合解法是按照順序進行兩次或更多次的相關(guān)場分析。它是通過把第一次場分析的結(jié)果作為第二次場分析的載荷來實現(xiàn)兩種場的耦合的。例如序貫熱-應(yīng)力耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點溫度作為“體力”載荷施加在后序的應(yīng)力分析中來實現(xiàn)耦合的。

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型,僅僅通過一次求解就能得出耦合場分析結(jié)果。在這種情形下,耦合是通過計算包含所有必須項的單元矩陣或單元載荷向量來實現(xiàn)的。例如利用單元SOLID5,PLANE13,或SOLID98可直接進行壓電分析。

流-固耦合分析

主要用于解決流體(含氣體)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用效應(yīng)。包括: 流-固耦合法、水彈性流體單元法、虛質(zhì)量法。

(1)流-固耦合法
流-固耦合法廣泛用于聲學和噪音控制領(lǐng)域中,如發(fā)動機噪聲控制、汽車車廂和飛機客艙內(nèi) 的聲場分布控制和研究等。分析過程中,利用直接法和模態(tài)法進行動力響應(yīng)分析。流體假設(shè)是無旋的和可壓縮的, 分析的基本控制方程是三維波方程, 二種特殊的單元可被用來描述流-固耦合邊界。
(噪)聲學載荷由節(jié)點的壓力來描述, 其可以是常量, 也可以是與頻率或時間相關(guān)的函數(shù), 還可以是聲流容積、通量、流率或功率譜密度函數(shù)。由不同的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的噪聲影響結(jié)果可被分別輸出。

(2)水彈性流體單元法
該方法通常用來求解具有結(jié)構(gòu)界面、可壓縮性及重力效應(yīng)的廣泛流體問題。水彈性流體單元法可用于標準的模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、復(fù)特征值分析和頻率響應(yīng)分析。當流體作用于結(jié)構(gòu)時, 要求必須指出耦合界面上的流體節(jié)點和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點。自由度在結(jié)構(gòu)模型中是位移和轉(zhuǎn)角,而在流體模型中則是在軸對稱坐標系中調(diào)和壓力函數(shù)的傅利葉系數(shù)。
類似于結(jié)構(gòu)分析,流體模型產(chǎn)生"剛度"和"質(zhì)量"矩陣, 但具有不同的物理意義。載荷、約束、節(jié)點排序或自由度凝聚不能直接用于流體節(jié)點上。

(3)虛質(zhì)量法
虛質(zhì)量法主要用于以下流-固耦合問題的分析:
結(jié)構(gòu)沉浸在一個具有自由液面的無限或半無限液體里。
容器內(nèi)盛有具有自由液面的不可壓縮液體。
以上二種情況的組合, 如船在水中而艙內(nèi)又裝有不充滿的液體。
用結(jié)構(gòu)單元來描述, 這個模型可以是一邊或二邊被同一液體或不同液體所浸潤。
忽略液面重力效應(yīng)。這種近似處理對于結(jié)構(gòu)頻率高于液體晃動頻率是有效的。該分析假設(shè)液體密度是常量(無層間變化), 流體是無旋的(無粘性),并且是穩(wěn)定的(如同空氣動力中一樣),同時是線性的。

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