1、ANSY S 軟件中耦合場分析方法及應用王永新 (黃河勘測規劃設計有限公司 , 河南 鄭州 450003摘 要 :在水工結構計算中 , 大型通用商務有限元軟件 ANSY S 得到了廣泛應用。文章主要是介紹 ANSY S 耦合場分析方法 , 以實 例介紹耦合場分析的基本過程 , 并對不同的耦合方法進行比較 , 說明其各自適用的范圍和特點。 關鍵詞 :ANSY S , 有限元 , 耦合場中圖分類號 :TP39117 文獻標識碼 :B 文章編號 :1006-3951(2006 04-0032-03 隨著計算機軟硬件技術的迅速發展 , 大型通用商務 ANSY S 在水工結構計算中應用的比較多 , 該軟

2、 件不僅可進行靜力 、 動力 、 流體 、 溫度 、 結構優化等有 限元計算 , 還可對不同的物理場進行耦合分析 。下 面介紹使用 ANSY S 耦合場方法對大壩進行溫度應 力場的仿真分析及一個流 固耦合的實例 , 簡述耦 合場分析方法的基本過程 , 與大家共同學習 。1 耦合場分析概述, 。 例如 混凝土壩 , 計算其由于溫度荷載等產生的應力場 , 在運行期還 要考慮水流對大壩產生的作用 。 因此要進行熱 應 力耦合分析 、 流體 結構耦合分析等 。耦合場分析依賴于所耦合的物理場 , 具體有兩 大類 , 即順序耦合和直接耦合 。順序耦合包括兩個 或多個按一定順序排列的進行分析 , 為每一種屬

3、于 某一物理場分析 。 即通過將前一個物理場分析的結 果作為載荷施加到第二個物理場分析中的方式進行 耦合 , 適用于多場的非線性程度不是很高的情況 ; 直 接耦合只包含一個分析 , 它使用包含多場自由度的 耦合單元進行直接計算 , 適用于耦合場之間具有高 度非線性的相互作用時 。 由于順序耦合中每種分析 是相互獨立的 , 其應用更有效也更靈活 , 如在熱 應 力耦合分析中 , 可以先進行瞬態或穩態熱分析 , 然后 進行結構應力分析 。 可以將熱分析中任一載荷步或 時間的節點溫度作為體載荷施加到結構應力分析 中 。 順序耦合可以是雙向的不同物理場之間進行相互耦合分析 , 直到收斂到一定精度 。2

4、 順序耦合場分析的兩種方法在 ANSY S 建模 、 求解及后處理過程中可以采用 G UI 方式 (交互操作 。命令流 , 通過形成 , , 方便 , 易于修改和保存 。 , 本文主要采 用命令流的方式介紹順序耦合場分析方法 。我們把有關一個工程學科的求解分析過程叫做 一個物理分析 。 ANSY S 可以將一個物理分析所有 的操作參數及選項全部寫入一個物理環境文件 。 它 是一個 ASCII 碼文件 , 通過 PHY SICS ,WRITE 命令 創建和 PHY SICS ,READ 命令讀取 。針對一個工作 數據庫文件可以創建多達 9個物理環境 。 在讀入物 理環境以前 ,ANSY S 將清

5、除數據庫中所有的邊界條 件 , 載荷 , 節點耦合 , 材料屬性 , 分析選項 , 約束方程 等而代之以新的物理環境的信息 。 2. 1 間接法和物理環境法順序耦合場分析主要分為間接法和物理環境 法 。 對于間接法 , 計算使用不同的數據庫和結果文 件 , 圖 1為使用間接方法的數據庫流程圖 。每個數 據庫包含合適的實體模型 、 單元 、 載荷等 。 可以把一 個結果文件讀入到另一個物理分析中 , 但單元和節 點數量編號在數據庫和結果文件中必須是相同的 。 對于物理環境方法 , 整個分析使用同一個數據庫 。 圖 2為物理環境方法數據流程圖 。 數據庫中必須包 含所有的物理分析所需的節點和單元

6、。 對于每個單23云南水力發電Y UNNAN WATER POWER第 22卷第 4期收稿日期 :2006-05-25 作者簡介 :王永新 (1972- , 男 , 河南長垣人 , 碩士 , 工程師 , 從事水電工程設計工作。元或實體模型圖元 , 必須定義一套屬性編號 , 包括單 元類型號 , 材料編號 , 實常數編號及單元坐標編號 。 所有這些編號在所有物理分析中是不變的 , 但在每 個物理環境中 , 每個編號對應的實際屬性是不同的 , 例如實常數和單元類型等 。圖 1 間接法順序耦合分析數據流程圖圖 2 物理環境順序耦合場分析數據流程圖2. 2 在物理分析之間傳遞荷載多個物理分析進行順序耦

7、合 , 前一個分析的結 果作為下一個物理分析的載荷 。在 ANSY S 中使用 LDREAD 命令來聯系不同的物理環境 , 使得在第一個物理環境中的分析結果作為載荷傳遞到下一個物 理環境中求解 。要使數據能順利傳遞 , 要保證在不同物理環境中的單元是兼容的 。 如果物理環境轉換 時 , 需要更改單元階級 , 在劃分單元時應使用高階單 元 。 在順序耦合分析中 , 可以使用的結果文件類型 有 Jobname. RF L , 流 場 分 析 結 果 文 件 ; Jobname. RTH , 熱分析結果文件 ;Jobname. RST , 結構分析結果文件 。2. 3 兩種分析方法的對比(1 間接法

8、比較適用于單向順序耦合 , 而物理環境法 , 由于在物理環境之間可迅速切換 , 對于在多個物理分析間需要雙向或迭代耦合非常適用 。(2 使用間接法 , 不同的物理分析最好使用不同 的文件名以方便進行后處理 。使用物理環境法 , 在 同一個文件名中通過讀入不同的物理環境文件便可 對每一個物理分析進行后處理 。(3 在間接法中 , 運算過程需要人為對其干涉 。 在兩個物理分析之間改變模型及其它參數才能進行 下一步運算 。 而在物理環境法中 , 可以一次性將運 算過程中需要的物理環境文件設置好 , 開始求解后 機器自動運行 , 直到全部求解完成 。3 使用間接法進行溫度應力仿真分析實例問題描述 :龍

9、灘水電站攔河大壩最大壩高 216. 5m , 是目前世界上最高的碾壓混凝土重力壩 。在仿 真計算中 , 混凝土的澆筑溫度及壩體周邊的氣溫取 為多年平均旬氣溫 , 壩體表面與氣體的接觸邊界按 第三類邊界考慮 , 溫 , 使用 : , 建模并定義熱分析問 ; 進行溫度場后處理 ; 回 到前處理 , 轉換單元類型 , 更改材料屬性 , 設定結構 邊界條件 ; 從熱分析結果文件中讀入溫度荷載 ; 求解結構問題 ; 進行應力場后處理 。使用間接法進行上述問題分析的命令流基本過 程如下 :Prep7! 進入前處理et ,1, ! 定義熱分析單元 mp , , , ! 定義材料熱分析特性solu ! 進入求

10、解器 solve ! 進行溫度場計算 Finish ! 計算完成post ! 進行溫度場后處理Resume ,jobname ,db , ,0,0! 恢復模型Prep7! 重新進入前處理ETCHG ,TTS ! 改變為結構單元 mp , , , ! 定義材料結構分析特性solu ! 重新進入求解器LDREAD ,TEMP , , , ,2, ,rth ! 讀入節點溫度 solve ! 進行應力場計算 Finish ! 計算完成Post ! 進行應力場后處理使用間接方法進行仿真分析 , 溫度場和應力場 以不同的文件名進行計算 , 可以對計算結果分別進33 王永新 ANSY S 軟件中耦合場分析方

11、法及應用行處理 。 圖 3給出了大壩澆注完成后某天的溫度場 分布圖 。 在順序耦合分析計算過程中需要注意的 是 , 不同物理場分析所使用的模型應該是相同的 , 即 模型尺寸 、 單元劃分 、 節點編號 、 時間步控制等信息 應該一致 , 否則計算無法進行下去 。圖 3 大壩澆注完成后某天的溫度場分布圖4 物理環境法進行流 例 , 問題描述 , 入 口流速為 2. 0m s 。該問題主要是求解水流通過此 流道的壓力降低 , 以及穩態條件下橡膠墊的變形 。 求解過程中應允許由于橡膠墊變形引起的網格變 形 。 創建的模型主要分為三個區域 :一是橡膠墊區 ; 二是橡膠墊附近具有固體屬性的流固區 , 此

12、區域用 于記錄橡膠墊變形對流體網格的變化 ; 三是純流體 區域 。 由于該問題涉及到迭代耦合 , 需要在兩個物 理環境中來回切換 , 應該使用物理環境法進行分析 , 其基本步驟如下 : 進入前處理 (PREP7 , 建立模 型 ; 定義流場分析問題 , 寫流場分析物理環境文 件 ; 清除流場分析物理環境 , 定義結構分析問題 , 寫結構分析物理環境文件 ; 開始迭代循環求解 ; 讀入流場分析物理環境文件 , 進行流場分析求解 ; 讀入結構分析物理環境文件并從流場分析結果文件 中讀入水壓 ; 結構問題求解 ; 更新有限元網格 , 進入下一循環求解 ; 循環求解結束 ; 進行流場及 應力場后處理

13、。使用物理環境法進行上述問題分析的命令流基 本過程如下 :Prep7! 進入前處理 physics ,write ,fluid ,fluid ! 寫流場分析的物理環境 physics ,clear ! 清除流場分析的物理環境physics ,write ,struc ,struc ! 寫結構場分析的物理環境 physics ,clear ! 清除結構分析的物理環境 save ! 保存數據文件3do ,i ,1,5! 流體 -結構迭代循環 solu ! 進入求解器physics ,read ,fluid ! 讀流場物理環境 solve ! 進行流場求解physics ,read ,struc !

14、 讀結構物理環境 finish ! 退出求解器ASSIG N ,ESAVE ,STRUC ,ESAV! 制定結構分析重啟動文件solu ! 重新進入求解器Lsel ,s , , ,1,3,2 ! 選擇要施加載荷的節點和單元ldread ,pres , , , , , ,rfl ! ! ! , -1! 設置原始節點坐標用于重啟 S olve ! 進行結構重啟求解Upcoord , -1! 更新網格坐標用于流體分析 Finish ! 退出求解器3enddo ! 結束求解循環post ! 進行流場及應力場后處理器通過對以上問題的計算 , 可以求解出橡膠墊附 近的流體流線 , 橡膠墊附近和底部的壓力分布以及 橡膠墊的 VonMises 應力等所需要的結果 , 具體計算 結果不再列出 。5 結 語本文主要是介紹 ANSY S 耦合場的分析方法 , 在 水工結構計算中諸如混凝土溫度應力的仿真計算 , 流場對結構的相互作用等都要使用到耦合場分析 。 對于不同的問題 , 選取合適的耦合分析方法 , 再加上 其它的有限元分析技術 (如子結構法 、 單元生死技術