一    前言

       耦合場分析，也稱為多物理場分析，分析不同的物理場的相互作用以解決一個全局性的工程問題。例如，當一個場分析的輸入依賴于從另一個分析的結(jié)果，那么分析就會被耦合。耦合方式有：

       1.單向耦合---前一個分析的結(jié)果作為載荷施加給下一個分析，而下一個分析的結(jié)果不會影響前一個場的分析結(jié)果；

例如，在熱應力問題中，溫度場會在結(jié)構(gòu)場中引入熱應變，但是結(jié)構(gòu)應變通常不會影響溫度分布。因此，無需在兩個現(xiàn)場解決方案之間進行迭代。

       2.雙向耦合---兩個物理場的結(jié)果會相互影響。

例如，非線性材料的感應加熱中，諧波電磁分析計算出焦耳熱，該熱在瞬態(tài)熱分析中用于隨時間變化的溫度解，而溫度的變化會反過來影響電磁場材料屬性的變化，從而改變電磁分析結(jié)果。

二    耦合場分析類型

1.直接耦合場分析

       直接方法通常只包含一個分析，它使用一個包含所有必需自由度的耦合單元類型，通過計算包含所需物理量的單元矩陣或單元載荷向量的方式進行耦合。具有直接耦合功能的單元有：

==SOLID5== ---------3-D 耦合場實體單元 (電磁矩陣的推導，耦合效應)

==PLANE13==---------二維耦合場實體單元 (電磁矩陣的推導，耦合效應)

 ==FLUID29==     ---------二維聲學流體 單元(聲學矩陣的推導)

 ==FLUID30==     ---------3-D 8 節(jié)點聲學流體單元 (聲學矩陣的推導)

 ==LINK68==------------熱電耦合桿單元 

 ==SOLID98==----------四面體耦合場實體單元 (電磁矩陣的推導，耦合效應)

 ==FLUID116==---------熱流體耦合管單元

 ==CIRCU124==--------電路單元

 ==TRANS126==-------機電轉(zhuǎn)換器單元(電容計算，耦合機電方法)

 ==SHELL157==--------熱電耦合殼單元

 ==FLUID220==---------3-D 20 節(jié)點聲學流體單元

 ==FLUID221==---------3-D 10 節(jié)點聲學流體單元

 ==PLANE222==--------二維 4 節(jié)點耦合場實體單元

 ==PLANE223==--------二維 8 節(jié)點耦合場實體單元

 ==SOLID226==---------3-D 20 節(jié)點耦合場實體單元

 ==SOLID227==---------3-D 10 節(jié)點耦合場實體單元

 ==PLANE233==--------二維 8 節(jié)點電磁耦合單元(電磁矩陣的推導，電磁場評估)

 ==SOLID236==--------3-D 20 節(jié)點電磁耦合單元(電磁矩陣的推導，電磁場評估)

 ==SOLID237==--------3-D 10 節(jié)點電磁耦合單元(電磁矩陣的推導，電磁場評估)

優(yōu)點：

      1.允許解決通常的有限元無法解決的問題。

      2.通過允許在單個分析通道中使用一種元素類型來簡化耦合場問題的建模。

缺點：

      1.增加問題規(guī)模（除非使用分離求解器）

      2.低效的矩陣重構(gòu)（如果與一個現(xiàn)象相關(guān)的矩陣的一部分被重構(gòu)，整個矩陣將被重構(gòu)）。

      3.更大的存儲需求。

2.載荷傳遞耦合物理場分析

      載荷傳遞方法包含了兩個或多個分析，每一個分析都屬于一個不同的場，通過將一個分析的結(jié)果作為載荷施加到另一個分析中的方式耦合兩個場。載荷分析有不同的類型。

（1）載荷傳遞耦合分析——物理文件

       物理文件的載荷傳遞，必須使用物理環(huán)境明確地傳遞載荷。這類分析的一個例子是順序熱─應力分析，其中熱分析中的節(jié)點溫度作為“體力”施加到隨后的應力分析中。物理分析基于一個物理場中的有限元網(wǎng)格之上。要創(chuàng)建用于定義物理環(huán)境的物理文件，這些文件形成數(shù)據(jù)庫，并為一個給定的物理模擬提供單一網(wǎng)格。

       一般過程為讀入第一個物理文件并求解，然后讀入下一個物理場，確定將要傳遞的載荷并求解第二個物理場。使用LDREAD命令連接不同的物理環(huán)境，并將第一個物理環(huán)境中得到的結(jié)果數(shù)據(jù)作為載荷，通過節(jié)點─節(jié)點相似網(wǎng)格界面?zhèn)鬟f到下一個物理環(huán)境中求解。也可以使用LDREAD 從一個分析中讀取結(jié)果并作為載荷施加到隨后的分析中，而不必使用物理文件。

 （2）載荷傳遞耦合分析——單向載荷傳遞

        可以通過單向載荷傳遞的方法耦合流—固相互作用的分析,這種方法要求確定流體分析結(jié)果并沒有嚴重影響固體載荷,反之亦然。 ANSYS 多物理分析中的載荷可以單向地傳遞到CFX流體分析中，或者CFX流體分析中的載荷可以傳遞到ANSYS多物理分析中。載荷傳遞發(fā)生在分析的外部。

（3）載荷傳遞耦合分析———ANSYS多場求解器

       ANSYS多場求解器可用于多類耦合分析問題，它是一個求解載荷傳遞耦合場問題的自動化工具，取代了基于物理文件的過程，并為求解載荷傳遞耦合物理問題提供了一個強大、精確、易于使用的工具。每一個物理場都可視為一個包含獨立實體模型和網(wǎng)格的場。耦合載荷傳遞要確定面或體。

      多場求解器命令集使問題成形，并定義了求解先后順序。通過使用求解器，耦合載荷會自動地在不同的網(wǎng)格中傳遞。求解器適用于穩(wěn)態(tài)、諧波以及瞬態(tài)分析，這要取決于物理需求。以順序（或混合順序同步）方式可以求解許多場。ANSYS 多場求解器的兩種版本是為了不同應用場合而設計的，它們擁有不同的優(yōu)點及程序。

==MFS—單代碼：基本的ANSYS 多場求解器==，如果模擬包含帶有所有物理場的小模型時就可以使用它。這些物理場包含在一個軟件包內(nèi)（如 ANSYS 多場)。MFS—單代碼求解器使用迭代耦合，其中每一個物理場要順序求解，并且每一個矩陣方程要分別求解。求解器在每個物理場之間迭代，直到通過物理界面?zhèn)鬟f的載荷收斂為止。

==MFX一多代碼:高級ANSYS 多場求解器==，用于模擬分布在多個軟件包之間的物理場(如在ANSYS 多場和 ANSYS CFX之間)。MFX求解器比MFS版本提供了更多的模型。MFX一多代碼求解器使用迭代耦合，其中每一個物理場可以同時求解，也可以順序求解，而每一個矩陣方程要分別求解。求解器在每一個物理場之間迭代，直到通過物理界面?zhèn)鬟f的載荷收斂為止。

 三    總結(jié)

      1.當耦合場之間的相互作用包括強烈耦合的物理場，或者是高度非線性的，直接耦合較具優(yōu)勢，它使用耦合變量一次求解得到結(jié)果。直接耦合的例子有壓電分析，流體流動的共輒傳熱分析，電路—電磁分析。這些分析中使用了特殊的耦合單元直接求解耦合場的相互作用。

      2. 對于多場的相互作用非線性程度不是很高的情況，載荷傳遞方法更有效，也更靈活。因為每種分析是相對獨立的。耦合可以是雙向的，不同物理場之間進行相互耦合分析，直到收斂到達一定精度。例如在一個載荷傳遞熱─應力分析中，可以先進行非線性瞬態(tài)分析，接著再進行線性靜力分析。可以將熱分析中任一載荷步或時間點的節(jié)點溫度作為載荷施加到應力分析中。