Ansys Mechanical软件多物理场耦合之热

多场耦合概述

多场耦合（multi-physics）是分析多个物理场之间的交互作用。现实工程中，物理场有许多：如温度场，应力场，声场、电磁场等均属于物理场；而我们要解决的许多工程问题往往是多个物理场叠加的问题，这些物理场之间是相互影响的。例如热应力问题，压电问题，振动噪声问题，流固耦合问题等。

下面就是一个典型的瞬态热-固耦合分析的例子(搅拌摩擦焊接Friction Stir Welding)

●用于预测由于工具和工件之间摩擦产生的热量而导致的温升。

●模拟发生在三个载荷步上：插入、停留和横移阶段。

●随着冷却的进行，两块板之间会形成牢固的接头。

●在接触界面指定粘合温度以模拟焊接。当触点处的温度超过粘合温度时，触点状态由“断开”变为“粘合”。

图1、搅拌摩擦焊接瞬态热-固耦合分析 ▲

多场耦合的类型

物理场耦合通常可分为两种类型：即顺序或弱耦合、直接或强耦合(详见图2所示)。

顺序或弱耦合(Sequential)

●通过将一个物理场的分析结果作为边界条件或载荷应用到另一个分析中，从而将两个或多个分析结合起来。

●按顺序地求解每个物理场。

直接或强耦合(Direct)

●单个分析中包含求解耦合场问题所需的所有自由度。

●所有物理场同时求解。

●使用耦合场单元，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。

图2、物理场耦合常见的两种类型：即顺序或弱耦合、

直接或强耦合 ▲

Ansys Mechanical软件的多物理场耦合功能

Ansys Mechanical Enterprise软件模块中，不仅可以求解单一的物理场：如结构分析、热分析、声场分析、电、磁场分析等，其单个软件还可以进行多物理场耦合分析：如热-结构耦合、热-电耦合、压电分析、结构-声场耦合等。

当然，如果客户还有ANSYS的其它仿真软件，比如Maxwell、Fluent等软件；那么Mechanical软件还可以与这些软件在Workbench协同仿真平台中实现流-固耦合、电磁-结构-噪声耦合等，如图3所示。

图3、Ansys强大的多物理场耦合仿真分析 ▲

在Ansys Mechanical软件模块中实现热-电耦合分析

热学和电学属性如下图4所示：

图4、热学和电学相关属性 ▲

下面解释了如何基于珀尔帖(Peltier)和塞贝克(Seebeck)效应实现热-电耦合：

图5、基于珀尔帖(Peltier)和塞贝克(Seebeck)效应实现热-电耦合▲

基于Ansys Mechanical的保险丝热-电耦合分析案例：

本案例是过载电流状况下的一个稳态分析。这里在原本额定电流为10A的保险丝上将施加30A的过载电流，过载电流将产生适度的温度升高，下图显示保险丝在Workbench平台中Mechanical的热-电耦合(直接耦合)以及随后的热应力分析(顺序耦合)。如果施加短路电流(1000A)，保险丝中的温升相当大，很容易超过铜保险丝材料的熔点(1034°C)产生断路。