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基于ANSYS的多场耦合问题的仿真
(2013-08-11 09:28:17)
标签：
ansys |
分类： CAE |
多场耦合（multi-physics）是分析多个物理场之间的交互作用，例如热应力问题，压电分析，压阻分析，MEMS分析，流固耦合分析等等。对于单物理场进行分析的软件已经很多很多，但对多物理场进行有效仿真的软件并不多见，而ANSYS就是其中之一。
使用ANSYS进行多物理场仿真，总体上有两种途径：基于经典界面的方式和基于WORKBENCH的方式。
（1）基于WOKRBENCH的多物理场仿真
就一般用户而言，使用WORKBENCH方式会更容易一些。例如一个稳态热应力问题，只要先创建一个稳态热分析，然后把分析的温度场作为热载荷加载到静态结构分析中，就可以方便的进行耦合场的仿真，如下图。
但这只限于做单向的多物理场分析。而有些多物理场耦合问题属于双向耦合，例如流固耦合问题，此时如何使用WORKBENCH来进行分析呢？
对于这种问题，WORKBENCH也提供了一种方法，例如流固耦合问题。先创建一个结构分析，然后把结果导出为CFX流体分析，如下图。
从上图中，我们看不到是如何做双向耦合的。的确如此。WORKBENCH对于双向的流固耦合做了特殊的处理，我们看到上面的项目示意图中，对于结构分析，删去了求解单元格和结果单元格，而在结构分析中，添加了一个流固耦合交界面；最终的双向耦合设置，都是在CFX中进行的。
但是上述方式仅适用于流固耦合分析。对于其它双向耦合问题，我们还看不到WORKBENCH是如何处理的。
总之，WORKBENCH处理单向耦合问题非常简单方便，对于双向耦合问题，它处理流固耦合问题很方便，而对于其它耦合问题则还没有看到解决办法。
但是在经典界面中，则提供了许多求解多物理场的方法，远远超过了WORKBENCH的支持力度。
（2）基于经典界面的多物理场仿真
总体上，ANSYS经典界面提供了四种方法进行多物理场的仿真。分别简述如下。
（2.1）一种单元的方式（ANSYS称之为直接法）
在这种方法之下，使用一个单元，该单元的每一个节点上直接包含了所需要的多个物理场的自由度。然后就可以按照通常单一物理场的方式进行建模，仿真。
在这种多物理场单元中，用途最广的就是SOLID226单元，该单元的几何形状如下
该单元可以进行很多耦合场的仿真
从上图可以看出，对于热-结构分析，压阻分析，电弹分析，压电分析，热电分析，结构-热电分析，热-压电分析等等，该单元都可以支持。
只需要对该单元设置好关键字KEYOPT(1)，就可以方便的做某种分析。例如，对于压电分析，设置KEYOPT(1)=1001，则该单元的每个节点就有四个自由度:UX,UY,UZ,VOLT.然后按照单物理场的方式创建有限元模型，并设置边界条件并求解，就可以进行耦合场的分析了。
（2.2）物理环境的方式
物理环境就是物理文件。实际上是使用一个几何模型，而把不同场的特殊信息写到一个物理文件中，然后依次调用各场的物理文件来进行耦合分析。
以热应力分析问题为例，其分析步骤如下：
•定义热问题。
•写热物理文件。
•清除边界条件和选项。
•定义结构问题。
•写结构物理文件。
•读热物理文件。
•求解和后处理热问题。
•读结构物理文件。
•从热分析结果文件中读入温度。
•求解，后处理该物理问题。
从上述求解过程可以看到，在定义结构问题的时候，只是清除了热边界条件和选项，而几何模型还是一致的。那么在物理文件中包含一些什么东西呢？
根据ANSYS的帮助，一个物理文件所包含的信息如下
l 单元类型和关键字选项
l 实常数
l 材料属性
l 单元坐标系统
l 求解分析选项
l 载荷步选项
l 约束方程
l 耦合节点集
l 边界条件
l GUI偏好设置
l 分析标题
可见，它包含了除几何模型外的其它一切求解信息。
这样，我们明白了，所谓物理环境的方式，实际上是指：公用一个几何模型，然后对于场A的求解设置，写入到一个文件中；对于场B的所有设置，写入到一个文件中。然后依次读取这两个文件，进行分析。
（2.3）单代码耦合的方式
在这种方式之下，是在同一个数据库中，先创建第一个场完整的有限元模型，并设置好求解选项；然后对第二个场如法炮制；接着激活多求解器选项，进行一些耦合关系的设置，一次性求解并得到所有结果。
使用这种方式，在创建两个场的模型时，几乎是完全独立的。然后只是在solution中激活多求解选项，进行一些设置，以表明这种耦合关系而已。
用这种途径，思路十分清晰，而且两场的几何模型并不需要保持一致。这应该是在ANSYS中进行多物理场耦合的一种主导方法。
（2.4）多代码耦合的方式
单代码耦合方式是在ANSYS APDL中进行求解的，虽然此时有多个物理场，但是都在用ANSYS APDL求解器。
而多代码耦合方式则与此不同，以流固耦合问题为例。
此时，首先在ANSYS APDL中创建结构分析模型，然后在CFX中创建流体分析模型，接着在ANSYS APDL中进行耦合关系的设置，接着分别启动ANSYS APDL和CFX进行计算，并通过接口进行通信。其流程如下
在这种方式下，已经不再像（2.3）那样仅仅在ANSYS APDL内部操作了，而是两个软件分别计算，至于两个场之间的耦合作用是通过端口通信来解决的。显然，这是最有前途的一种方法，它意味着，我们可以联合ANSYS,NASTRAN,ABQUS,HYPERMESH等进行仿真，各自只做自己擅长的事情，而它们之间通过端口进行联系。
虽然很有前途，不过就ANSYS而言，该方法现在仅限于ANSYS
APDL和CFX之间的通信，还没有上升到ANSYS与ABAQUS，ANSYS与NASTRAN之间通信的程度。
有的。
就目前的情况而言，使用ISIGHT进行统筹规划，而分别对ANSYS ,NASTRAN,ABAQUS进行编程，然后通过数据文件进行信息的交换，这种方式是可行的。但是这需要用户同时懂得ANSYS,NASTRAN,ISIGHT的编程，而且恐怕要用MATLAB来进行中间信息的插值处理，这对用户提出了很高的要求。要达到这一步，一般的用户恐怕只好望而却步，而团队合作方式可能是解决此问题的有效途径。
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