雙向耦合的案例
葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
Ansys基于雙向隱式耦合方法進行雙向流固耦合求解，在每個時間步內CFX和Mechanical分別對流場和結構場進行隱式迭代求解，并通過預先設定的流固耦合交界面傳遞數據，待流固耦合交界面傳遞數據收斂后，進行下一個時間步計算直至最終計算完成，該方法在保證求解精度的同時極大提高了求解速度和收斂性，適合于工程應用。
Ansys 雙向隱式流固耦合仿真分析數據流程
Ansys雙向流固耦合解決方案具有如下優勢：
1、多重嵌套隱式迭代求解技術
Ansys雙向流固耦合求解方法基于雙向隱式流固耦合算法發展而來，按迭代順序形成三重嵌套迭代求解：
單物理場迭代求解Field Loop：對單一流場、溫度場、結構場進行隱式迭代求解，獲得收斂后單物理場結果；
耦合多物理場迭代求解Coupling Loop：在預先設定的流固耦合交界面上，將氣動載荷/溫度場傳輸給結構場、幾何變形/固體溫度傳輸給流場，迭代求解獲得收斂后耦合多物理場結果；
瞬態時間步迭代求解Time Loop：流場和結構場按照預先設定的總時長和時間步長進行時域迭代求解，獲得最終收斂后隨時域變化的雙向流固耦合求解結果。
Ansys 流固耦合三重嵌套隱式迭代求解循環結構
以上三重嵌套迭代求解方式在保證雙向耦合計算結果精度的同時，極大提升了求解速度和收斂性，在遭遇收斂性或求解精度問題時，工程師也可方便的進行問題剖析和排查。
展開 葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 CFX_流固雙向耦合的實現
CFX_流固雙向耦合的實現流固耦合問題一般分為兩類,一類是流‐固單向耦合,一類是流‐固雙向耦合。單向耦合應用于流暢對固體最用后,固體變形不大,即流暢的邊界形貌改變很小,不影響流暢分布的,可以使用流固單向耦合。
CFX_流固雙向耦合的實現.pdf
Workbench雙向流固耦合分析案例
流固耦合（fluid solid interaction，簡稱FSI)，是將計算流體力學（CFD）與計算固體力學（CSM）結合在一起計算固體在流體作用下應力應變及流體在固體變形影響下的流場改變。
1、流固耦合模型和網格劃分
建立計算模型時，需要同時創建固體模型與流體模型。有問題可以交流，QQ:1036022080。
固體模型：
1、上邊矩形框：中心矩形孔為20mm*10mm，方框邊界為2mm，也就是說整體矩形框尺寸為24mm*14mm。矩形框厚度為1mm。
2、下邊薄膜尺寸為24mm*14mm，與矩形框正好貼合，其中薄膜一側與矩形框一側有粘貼在一起的約束。薄膜厚度為60μm。
2、流固耦合計算類型
從耦合松緊來說，分為強耦合與弱耦合；從數據流動方向來分，可分為單向耦合與雙向耦合。目前絕大部分流固耦合計算軟件，都是弱耦合；很多軟件可以做雙向流固耦合，如fluent+mechanical，CFX+ mechanical等，通常能做雙向耦合的軟件組合都可以做單向耦合。本次采用fluent+mechanical的耦合計算方式。數據流如下：
3、耦合計算中數據的流向
數據可以從CSM流向CFD，也可以從CFD流入CSM，但是在計算中，會存在一個時間步的時滯。
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葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 液體靜壓導軌雙向流固耦合-關于時間步長的疑問
然而，在雙向流固耦合時，卻出現了問題。雙向耦合時采用的時間步為0.0001s。剛開始運行計算時，fluent求解正常，進行數據交換后，流場網格進行了更新，fluent求解就開始出現異常，監測的耦合面壓力積分呈負值，然后就報錯了。僅進行一次迭代得到的流場壓力云圖和結構件變形如圖所示。從圖中可以看出流場呈負壓，結構件向上凸起
我嘗試了改變時間步長，發現步0.05s時沒有出現上述狀況，可以完成迭代。而時間步長設置為0.01、0.001、0.0001、0.00001等均會出現上述問題。
我的疑問：
1.一般雙向耦合，不是時間步越小越好么，為什么這里采用0.0001s步長會出現上述問題，而0.05s卻能正確計算？
2. 我想模擬液壓油逐漸上升，止推板在油膜力的作用下逐漸彎曲的過程，是否應該考慮液壓油的可壓縮性？
因為在模擬中我發現，若將液壓油密度設置為定值，則無論時間步長多小（e-5s或e-6s），耦合面的面壓力積分總是在兩三個迭代步內就達到最大值。而若將液壓油密度設置為compressible liquid，則耦合面的面壓力積分會隨著時間逐步增大，大概在0.005s內達到最大值。
請論壇里的前輩不吝賜教~
展開 雙向流固耦合分析案例二
流固耦合（fluid solid interaction，簡稱FSI)，是將計算流體力學（CFD）與計算固體力學（CSM）結合在一起計算固體在流體作用下應力應變及流體在固體變形影響下的流場改變。有問題可以交流，qq：1036022080.
1、流固耦合模型和網格劃分
建立計算模型時，需要同時創建固體模型與流體模型。
固體模型：
模型分為懸臂梁和端點圓柱兩部分，懸臂梁為長200mm*寬0.6mm*高30mm的長方體，材料為鋁，端點圓柱為直徑30mm*高30mm的圓柱。
2、流固耦合計算類型
從耦合松緊來說，分為強耦合與弱耦合；從數據流動方向來分，可分為單向耦合與雙向耦合。目前絕大部分流固耦合計算軟件，都是弱耦合；很多軟件可以做雙向流固耦合，如fluent+mechanical，CFX+ mechanical等，通常能做雙向耦合的軟件組合都可以做單向耦合。本次采用fluent+mechanical的耦合計算方式。
3、耦合計算中數據的流向
數據可以從CSM流向CFD，也可以從CFD流入CSM，但是在計算中，會存在一個時間步的時滯。單向耦合數據流向，流體分析將壓力分布結果傳輸給固體計算，固體計算結果并不返回任何數據給流體程序。雙向耦合數據流向，流體計算將壓力傳遞給固體計算，固體計算程序將節點位移返回給流體程序以更新流場。
4、設置數據傳遞方式
通過設置流體和結構的FSI的形式，所有需要傳遞的數據均在此交界面上進行插值傳遞。
5、流固耦合計算類型
單向計算可以使用瞬態或穩態，雙向計算通常為瞬態計算。注意固體，流體和耦合計算的時間步長必須保持一致。同時需要關閉結構的auto time stepping。
展開 THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
不依賴于第三方軟件，Coupler可實現THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結構的對流效應和結構溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯合求解工作流程。
1、
計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側受10W/m2的熱源，右側與邊長為1m的流體區域連接，流體區域左側受測試盒加熱，右側固定溫度為0℃，流體區域初始溫度為0℃。計算最終狀態溫度。
2、
計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯合仿真，進行穩態計算。
在THESEUS-FE的GUI中進行固體區域邊界條件設置。對于與流體區域連接的一側，設置如下所示邊界條件：
在后續的聯合仿真中，流體溫度和換熱系數會根據流體計算結果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯合計算。
3、
聯合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯合仿真設置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數和流體溫度，如下圖所示：
4、
聯合仿真結果
測試盒最終計算結果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術可得到高精度的熱分析結果，應用快捷簡便。Coupler tigong了友好的用戶界面，通過圖形界面引導用戶逐步完成耦合設置，基本實現完全自動化設置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
不依賴于第三方軟件，Coupler可實現THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結構的對流效應和結構溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯合求解工作流程。
1、 計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側受10W/m2的熱源，右側與邊長為1m的流體區域連接，流體區域左側受測試盒加熱，右側固定溫度為0℃，流體區域初始溫度為0℃。計算最終狀態溫度。
2、 計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯合仿真，進行穩態計算。在THESEUS-FE的GUI中進行固體區域邊界條件設置。對于與流體區域連接的一側，設置如下所示邊界條件：
在后續的聯合仿真中，流體溫度和換熱系數會根據流體計算結果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯合計算。
3、 聯合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯合仿真設置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數和流體溫度，如下圖所示：
4、 聯合仿真結果
測試盒最終計算結果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術可得到高精度的熱分析結果，應用快捷簡便。Coupler提供了友好的用戶界面，通過圖形界面引導用戶逐步完成耦合設置，基本實現完全自動化設置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 Fluent 內置雙向流固耦合FSI 液艙晃蕩仿真計算（一）
為進行流固耦合計算，需要進一步打開結構模型，具體設置如下：
3.5 初始化設置
此處需要進行動網格設置，首先打開光順和重構，并進行高級設置。
對流固耦合交界面進行耦合設置：
整體設置如下：
5.6 初始化設置
此處對雙向流固耦合的另一個面進行耦合設置，并將柔性構件底部邊設置為固定邊界。具體設置如下圖：
5.6 初始化設置
VOF初始化設置一般采用標準初始化，需要對不同的區域展開初始化。分配不同的材料。
此處按照幾何圖對不同區域進行初始化。
相關初始化設置如下圖。
5.4 計算設置
此處進行的計算設置如下：
6 后處理結果
6.1 后處理云圖結果
此處對不同模量的方案進行了耦合計算，相關動畫結果如下圖所示。
不同模量雙向耦合后水平方向位移運動結果云圖：
不同模量雙向耦合后液艙運動結果云圖：
展開 報名抽華為MATE30：ANSYS官方封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析課程
本期研討會：《封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析（R3新功能）》將于11月5日 20:00-21:00舉辦。
封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析課程
日期/時間
2019年11月5日 下周二
20:00 – 21:00
課程受眾
電子產品散熱設計的企業, 尤其是涉及封裝基板和PCB板
講師簡介
柴輝生
ANSYS Icepak 高級應用工程師
2018年底加入ANSYS公司, 具有多年的電子產品熱仿真和熱設計工作經歷, 涉及的產品包括逆變器, APF, SVF, 電機控制器, 鋰電池包, 雷達, HUD (汽車抬頭顯示器), 電源模塊, 通信機箱, 交換機等.
課程簡介
作為新一代的電子散熱仿真工具, AEDT-Icepak更加偏重于電和熱的耦合, 也更加適合于電工程師的操作習慣, 產品一經推出, 便得到了廣大電/熱工程師的歡迎. AEDT-Icepak 2019R1增加了與HFSS, Q3D和Maxwell的雙向電熱耦合仿真功能, 最新版的2019R3又增加了與3D Layout的雙向電熱耦合. 同時, AEDT-Icepak 2019R3 還增加了順態熱仿真功能[Beta], 多頻段的EM Loss耦合功能(HFSS, Maxwell), EM Loss可視化, 及純導熱熱仿真情況下的網格增強功能等。新版本亮點多多，值得期待。
本直播將以講解結合實際操作的方式，介紹AEDT-Icepak 2019R3的主要新功能, 并以實際操作的形式演示PCB板的電熱雙向耦合。
展開 
STAR-CCM+流固模態-雙向流固耦合案例
一.流固耦合面臨的挑戰
結構設計的高度專業化。在結構設計上，不確定性越高，設計就會越保守。要開發安全產品又不過于保守就要消除這種不確定性，因此有必要準確地知道結構在工作中負載對它起到的作用，流固耦合是精確預測流動載荷的關鍵技術。比如著名的塔科馬海峽大橋，設計師兼顧了觀賞性和建造成本，但微風就能引氣橋面劇烈晃動，最終僅建成四個月就被摧毀，這是典型的流固耦合問題。
結構的輕量化趨勢。輕量型結構與傳統結構相比具有更小的重量，剛度也是如此，這反過來又增加了結構和流體之間的物理耦合程度。
創新需求。對于輪機、管路、翼型等，預測系統或部件在流體流動下的性能是此類產品創新的關鍵。比如風機葉片，長達數十米，工作狀態時必然存在葉片變形，有必要分析風載荷對結構強度的影響，葉片變形對發電效率的影響，這樣才能更好的指導葉片設計的改進。
二.流固耦合技術需求
按照結構與流體間相互影響的程度，可以把流固耦合分為單向耦合和雙向耦。
單向耦合是一種弱耦合，通常結構小變形、振動時，只需考慮流動載荷對結構變形的單向影響；雙向耦合是強耦合，當流動引起結構的加大變形，同樣結構的變化對流動的影響也不能忽視。
關鍵技術需求
1）求解器離散方式的選擇，這會影響到流固耦合模擬的精度；
2）流體求解器和固體求解器間的數據交互；
3）流固耦合交界面上非共性網格的數據傳遞問題；
4）流體域中要反映結構的變形，需要流體網格變形模型。
三.STAR-CCM+中的流固耦合
1、流固耦合實現方式
STAR-CCM+中流固耦合實現方式大概為三種，基于文件的耦合、協同仿真和軟件內的耦合。
展開 Ansys 電磁溫度雙向耦合避坑指南，解決你的 “場域協同” 難題
ANSYS集合了電磁、溫度、結構場的耦合分析，所以被廣大同學使用，那么就經常遇到耦合場的問題。
首先要明確耦合場是什么？
其實就是由于物理理論算法的原因，導致軟件不能計算電磁和溫度的協同關系，因為這是不同的理論系統，不能混為一談，所以就使軟件分為了電磁軟件，溫度場軟件將不同的領域進行相互關系合并計算的方法就是耦合場計算。
很多同學會遇到電磁和溫度場的耦合，在此強調一點，軟件之間的耦合都是結果的耦合，并非時間上的交互耦合。
單向耦合：電磁計算完畢后傳到到溫度場作為功率載荷來計算溫度結果，缺點是沒有考慮溫度會導致材料電阻率的變化。
雙向耦合：時間上交互式耦合，單向耦合后再將溫度改變的材料屬性傳遞到電磁，再進行下一次計算。
網上搜索發現很多雙向耦合，遺憾的是這些全部都不是實時的交互式耦合
雙向耦合都是結果的耦合，將電磁的結果傳遞到溫度場之后，計算完畢；溫度場返回到電磁場改變電阻率，重新計算
無論電磁分析是靜態、瞬態，都是將最后的電磁結果傳遞給溫度場，同樣，溫度場物理是穩態還是瞬態都是將最后一步的結果傳遞給電磁場，所以是結果的耦合，并非實時交互耦合。
那么怎么辦呢？找到一篇apdl命令，采用ANSYS的經典算法就能實現，感應加熱的案例，參考如下。
展開 【福利】報名抽華為MATE30：ANSYS官方封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析課程
本期研討會：《封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析（R3新功能）》將于11月5日 20:00-21:00舉辦。
直播主題
電子產品散熱設計的企業, 尤其是涉及封裝基板和PCB板
日期/時間
2019年11月5日 明天20:00 正式開講
課程受眾
電子產品散熱設計的企業, 尤其是涉及封裝基板和PCB板
講師簡介
柴輝生
ANSYS Icepak 高級應用工程師
2018年底加入ANSYS公司, 具有多年的電子產品熱仿真和熱設計工作經歷, 涉及的產品包括逆變器, APF, SVF, 電機控制器, 鋰電池包, 雷達, HUD (汽車抬頭顯示器), 電源模塊, 通信機箱, 交換機等.
課程簡介
作為新一代的電子散熱仿真工具, AEDT-Icepak更加偏重于電和熱的耦合, 也更加適合于電工程師的操作習慣, 產品一經推出, 便得到了廣大電/熱工程師的歡迎. AEDT-Icepak 2019R1增加了與HFSS, Q3D和Maxwell的雙向電熱耦合仿真功能, 最新版的2019R3又增加了與3D Layout的雙向電熱耦合.
展開 2025大賽優秀作品 | 基于Ansys Mechanical-CFD雙向耦合的OLED屏幕孔區封裝不良改善及極限窄邊框設計
作品名稱：基于Ansys Mechanical-CFD雙向耦合的OLED屏幕孔區封裝不良改善及極限窄邊框設計
作者： 黃世雄 | 綿陽京東方光電科技有限公司
關鍵詞：內應力，Ansys Mechanical-CFD雙向耦合，內聚力，封裝失效，牛角PS
作者說
利用Ansys工具，可做多項耦合設置條件，以符合實際多種不同狀況，此設置包含熱/內聚力/內應力/結構耦合，同類型不同的封裝不良可使用相同仿真方式，使用相同外力與內應力，優化仿真方法。此仿真結果可以有效指導工程設計優化、性能提升，成本控制等作用，具備推廣性形成的仿真方法論體系，具備知識封裝及集成性。
OLED屏在信賴性高溫高濕作用下，孔區封裝失效水氣進入屏內部造成屏顯示異常高發，懷疑應力對孔區影響，應力集中使其發生GDSH不良，此應力為破壞應力，其中另一模型無封裝不良，以此應力值為安全應力值。利用Ansys Mechanical-CFD雙向熱固耦合仿真，配合Command方式寫入內應力及導入測試內聚力方式，在有效時間內測試多組設計方案，最終優化方案條件較安全應力值低，后續可作為設計參考依據，大幅節約了評估時間和成本。
挑戰/需求
期望借由仿真工具在短時間內評估設計，找出最優化條件分成設計及工藝，設計條件可透過變更mask設計，工藝條件可能搭機臺極限或材料本身無法變更之應力條件，因此整合最優化條件，仿真結果可以有效指導工程設計優化、性能提升、成本控制等作用。
展開 