搜索FEM之多物理場求解器(1)---C++開發熱-結構耦合求解器
2017-01-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
耦合場求解有兩種:間接耦合和直接耦合
間接耦合是按照順序進行兩次或多次,把第一次的分析結果作為第二次分析的荷載。例如
熱-結構耦合分析通常是將熱分析得到的節點溫度作為“體力”荷載施加在后續的應力分析中。例如電子元件,通電發熱,由于存在約束,產生應力和應變,設計不當會造成元器件管腳脫落。
直接耦合是利用包含所有自由度的耦合單元類型,一次求解出耦合場結果,即多個物理場的偏微分方程構成方程組一起求解。還是以電子元件為例,通電導體會發熱,發熱導體的材料特性會發生變化,材料特性的變化反過來又會影響電流的傳輸性能。直接耦合在求解耦合場相互作用具有高度非線性時具有優勢,可以一次得到結果。
下面以簡單的例子說明熱-力 耦合求解器的例子:
開發的求解器與Ansys做Benchmark。
為了簡化計算,不劃分網格,直接使用兩個長方體(六面體單元)進行計算:
一個實體,
FaModel中建立兩個相鄰的兩個長方體,
1. 材料賦給長方體,設置材料屬性:泊松比,楊氏模量,熱傳導系數,熱膨脹系數。
2. 設置結構分析邊界條件:將長方體兩端多點設置為固定或鉸接
3. 設置熱分析邊界條件:其中一外表面溫度設置為100度,設置4點有熱對流。
4. 將有限元模型導出為FasStatic求解器文件和 Ansys的 cdb文件
5. 求解需要熱學和結構兩個求解器
求解過程:
1. 首先不考慮結構,用熱求解器計算溫度場分布,求出結果后保存在內存
2. 將求出的溫度場作為體力加載到節點上,調用結構求解器求解
3. 求出各點的位移,然后應力和應變
結果:
Ansys
計算出熱結果,在Ansys中將熱作為荷載加載到邊界上
FasStatic計算結果:
溫度:
1
1.0000e+002
2
1.3000e+002
3
1.0000e+002
4
1.0000e+002
5
1.3000e+002
6
1.0000e+002
7
1.4500e+002
8
1.3000e+002
9
1.4500e+002
10
1.4500e+002
11
1.3000e+002
12
1.4500e+002
位移:
1
0.0000e+000 0.0000e+000
0.0000e+000
2 -2.1103e-004
-1.7362e-004 -7.6897e-005
3 -4.2207e-004
-4.2207e-004 -1.2517e-004
4
0.0000e+000 -2.1934e-004
0.0000e+000
5
1.6653e-018 -3.3297e-004 -1.1500e-004
6
0.0000e+000 -6.4141e-004 -1.2517e-004
7
0.0000e+000 -6.8966e-006 -1.4533e-004
8 -1.4845e-004
-1.7362e-004 -2.0722e-004
9 -2.9690e-004
-4.2897e-004 -2.7050e-004
10
2.2862e-004 -1.0722e-004 -1.7434e-004
11
6.2586e-005 -3.0395e-004 -2.7434e-004
12 -1.0345e-004
-5.2929e-004 -2.9952e-004
應力
第一個單元
1 -4.1034e+003 -2.1375e-010 -6.1967e-011
-1.4655e+003 1.4655e+003 -1.4655e+003
1 -4.1034e+003 8.4122e-011
2.5893e-012 -1.4655e+003 -1.4655e+003
-1.4655e+003
1 1.7000e+004
1.0338e-010 3.1755e-011
-1.4655e+003 -1.4655e+003 1.4655e+003
1 1.7000e+004 -2.1451e-010
3.9024e-011 -1.4655e+003
1.4655e+003 1.4655e+003
1 -2.3448e+003 1.2175e-010
-7.6682e-011 1.4655e+003
1.4655e+003 -1.4655e+003
1 -2.3448e+003 -7.8604e-011
2.3368e-012 1.4655e+003
-1.4655e+003 -1.4655e+003
1 -4.1034e+003 -1.1741e-010 -2.7298e-011
1.4655e+003 -1.4655e+003
1.4655e+003
1 -4.1034e+003 1.8366e-010
8.8012e-011 1.4655e+003
1.4655e+003 1.4655e+003
第二個單元
2 -4.1034e+003 1.3383e-010
6.0305e-011 1.4655e+003
-1.4655e+003 1.4655e+003
2 -4.1034e+003 -1.2449e-010 -4.3924e-011
1.4655e+003 1.4655e+003
1.4655e+003
2 1.7000e+004 -9.8414e-011
-9.2765e-012 1.4655e+003
1.4655e+003 -1.4655e+003
2 1.7000e+004
8.6481e-011 -1.3998e-012
1.4655e+003 -1.4655e+003 -1.4655e+003
2 -2.3448e+003 -1.1523e-010 -9.6950e-012
-1.4655e+003 -1.4655e+003 1.4655e+003
2 -2.3448e+003 1.0694e-010
3.9385e-011 -1.4655e+003
1.4655e+003 1.4655e+003
2 -4.1034e+003 7.0780e-011
-4.6267e-012 -1.4655e+003 1.4655e+003
-1.4655e+003
2 -4.1034e+003 -5.2460e-011
1.1950e-011 -1.4655e+003 -1.4655e+003
-1.4655e+003
本例中使用間接耦合方法,并無新的求解器,只是調用了熱,結構兩個求解器。
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