耦合場的案例
ansys apdl 耦合物理場命令流分析概述
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---前一個分析的結果作為載荷施加給下一個分析，而下一個分析的結果不會影響前一個場的分析結果；
例如，在熱應力問題中，溫度場會在結構場中引入熱應變，但是結構應變通常不會影響溫度分布。因此，無需在兩個現場解決方案之間進行迭代。
2.雙向耦合---兩個物理場的結果會相互影響。
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。
展開 ANSYS 12.0多物理耦合場有限元分析從入門到精通
ANSYS12.0多物理耦合場有限元分析從入門到精通》共10章。第1章全面介紹了ANSYS禍合場的基本概念、分析類型及單位制, 使讀者對ANSYS禍合場有初步的了解；第2章介紹了直接禍合場分析：第3章介紹了多場((TM)求解器-MFS單代碼禍合分析；第4章介紹了使用代碼禍合的多場求解器, 包括MFX工作原理、MFX求解過程以及啟動和停止MFX分析：第5章介紹了載荷傳遞禍合場物理分析, 第6章介紹了藕合物理電路分析, 主要包括電磁-電路分析、電子機械-電路分析以及壓電-電路分析：第7章介紹了直接禍合場實例分析；第8章介紹了多場求解-MFS單碼的禍合實例分析；第9章介紹了載荷傳遞禍合場物理實例分析：第10章介紹了禍合物理電路模擬實例分析。
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展開 基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計算結構體的變形、應力、應變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導致盤片變形，變形的盤片進一步影響盤片和摩擦片的接觸關系，又進一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合。
隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態模塊進行完全熱-力耦合分析。
圖1 WB耦合場模塊
2、三維模型搭建與網格劃分
利用solidworks對剎車盤進行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預定距離為1mm，如圖2所示，導入Hypermesh中進行幾何清理（將小孔、窄邊等進行優化）和網格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網格兼容性較好，因此Hypermesh導出網格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。
圖2剎車盤三維模型
圖3 剎車盤網格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導入.inp網格文件，搭建分析流程，如圖4所示。
圖4 分析流程搭建
3.1 材料定義
材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數、熱傳導系數是三個必要的熱力學參數。
展開 Workbench之21 Coupled Field Transient 耦合場瞬態分析
Workbench之21 Coupled Field Transient 耦合場瞬態分析
耦合場瞬態分析系統，計算瞬態載荷下隨時間變化的位移、應變、應力和反作用力，本系統支持2D和結構-熱耦合物理場。
本系統在Mechanical中配置，使用Mechanical APDL求解器計算
要使用耦合場瞬態分析：
1） 添加耦合場瞬態分析系統，從工具箱拖拽該系統至項目圖，或在工具箱雙擊該系統
一旦選定該系統，顯示下述提示：
該信息告知，通過在Setup單元的屬性頁選擇物理類型，將在隨后的Mechanical程序中自動創建物理域（對象）；Structural（結構）、Thermal（熱）是只讀活動屬性，Acoustics（聲）是只讀非活動屬性見下圖
2） 若無需顯示提示信息框，勾選“Do not show me this again”
3） 點擊OK關閉提示框
4） 載入幾何體，右擊Geometry單元，快捷菜單選擇Import Geometry（導入幾何）
5） 導入模型，雙擊Setup單元，或右鍵快捷菜單選擇Edit（編輯）
6） 在Mechanical窗口，使用工具和特征完成分析
展開 
Workbench之19 Coupled Field Modal 耦合場模態分析
Workbench之19 Coupled Field Modal 耦合場模態分析
耦合場模態分析系統，建立結構及其周圍流體模型，確定結構的頻率及駐波型式。系統支持2D及結構-電場耦合。
本系統在Mechanical中配置，使用Mechanical APDL求解器計算
使用耦合場模態分析系統：
1） 要添加Coupled Field Modal耦合場模態系統，從工具箱拖拽該系統至項目圖，或在工具箱中雙擊該系統
一旦選定該系統，顯示下述提示：
該信息告知，通過在Setup單元的屬性頁選擇物理類型，將在隨后的Mechanical程序中自動創建物理域（對象）；Structural（結構）和Electric（電）是只讀活動屬性，Acoustics（聲）是只讀非活動屬性，見下圖
2） 若無需顯示該提示，勾選“Do not show me this again”
3） 點擊OK關閉該提示框
4） 要載入幾何體，右擊Geometry單元，快捷菜單選擇Import Geometry
5） 要導入模型，雙擊Setup單元，或右鍵快捷菜單選擇Edit
6） 在Mechanical窗口，使用工具和特征完成分析
展開 Workbench之20 Coupled Field Static 耦合場靜力學分析
Workbench之20 Coupled Field Static 耦合場靜力學分析
耦合場靜力學分析系統，計算沒有顯著慣性和阻尼效應的載荷作用下的位移、應力、應變、反作用力。假定載荷和響應是穩態的，隨時間緩慢變化。系統支持2D和結構-熱耦合。
本系統在Mechanical中配置，使用Mechanical APDL求解器計算
要使用耦合場靜力學分析系統：
1） 添加耦合場靜力學系統，從工具箱拖拽該系統至項目圖，或在工具箱雙擊該系統
一旦選定該系統，顯示下述提示：
該信息告知，通過在Setup單元的屬性頁選擇物理類型，將在隨后的Mechanical程序中自動創建物理域（對象）；Structural（結構）、Thermal（熱）是只讀活動屬性，見下圖
2） 若無需顯示該提示，勾選“Do not show me this again”
3） 點擊OK關閉提示框
4） 載入幾何體，右擊Geometry單元，快捷菜單選擇Import Geometry（導入幾何）
5） 導入模型，雙擊Setup單元，或右鍵快捷菜單選擇編輯
在Mechanical窗口，使用工具和特征完成分析
展開 多場耦合算法中的強耦合與弱耦合
多場耦合問題，建立多場之間控制方程和邊界條件后，需要進行多場耦合計算，多場耦合按其求解算法可分兩種：強耦合與弱耦合。（也可以稱之為直接耦合與順序耦合）。強耦合一般是指場與場之間相互作用很強，需要同時求解所推導的多場控制方程組的多個方程，強耦合能夠獲得準確的各場待求變量。而弱耦合解法則是在每個增量步內交替求解單個場的控制方程，即先算一個場，后算另一個場，也就是在單個增量步并未考慮多場耦合作用，從而大大加快計算速度，這種算法相當于在增量步內解耦。
優缺點： 強耦合解法精度高，計算成本大。
弱耦合解法計算效率高，計算精度差。
弱耦合的局限性： 特別是在一個場變量對另一個場影響較大的情況下，比如一個場變化會導致另一個場的變量劇烈變化，在這種情況下可能引起求解的穩定性問題，因為在這種情況下，應該在每步迭代中需要考慮一個場的改變對另一個場的影響，然而在每個增量步內交替計算單個場的時候，是無法考慮這種場與場之間的影響的 。
comsol里面內置了很多模塊，將這些應用模塊聯系起來，可以很容易地耦合各個模塊建立自己想要的多物理場方程，通過不同模塊，選擇方程聯立方程組。然后系統對方程組離散為一個總剛，收集各個場的貢獻，然后對系統離散后的方程組求解，得到各個物理場的待求變量。; Z) q( {. [- s7 ^7 V% o& `
需要指出的是，comsol對每個場或者每個模塊，都存在有限元描述，但這個描述只是象征性的，實際求解的時候并不是用的單個場的有限元描述，而是收集多個場貢獻后，形成總剛而求解。
展開 耦合場分析
耦合場分析是指在有限元分析的過程中考慮了兩種或者多種工程學科物理場的交叉作用和相互影響耦合例如壓電分析考慮了結構和電場的相互作用它主要解決由于所施加的位移載荷引起的電壓分布問題反之亦然其他的耦合場分析還有熱-應力耦合分析熱-電耦合分析流體-結構耦合分析磁-熱耦合分析和磁-結構耦合分析等等
耦合場分析.rar
CAE黑話：耦合場/順序耦合/直接耦合/流固耦合(FSI)
做CAE仿真，理清各類“耦合”概念是跨入多物理場分析的第一步。今天直接拆解4個核心黑話，建議工程師在做復雜系統仿真前明確這些基本定義。
耦合場 (Coupled Field) 真實物理世界中，聲、熱、力、電磁等物理場往往不是孤立存在的，它們相互影響的過程就是耦合。例如電機發熱導致結構熱膨脹，這就涉及到電磁-熱-力多場耦合。
順序耦合 (Sequential Coupling) “串聯”解法。先計算物理場A，將A的結果（如溫度分布）作為外部載荷提取出來，單向傳遞給物理場B（如結構場）進行求解。優點是計算成本低，適用于單向影響主導的場景。
直接耦合 (Direct Coupling) “并聯”解法。將多個物理場的自由度放在同一個大型剛度矩陣中，在一個求解器里同步迭代求解。適用于物理場之間相互作用強、必須實時反饋的場景（如壓電效應）。精度極高，但極度消耗計算資源。
流固耦合 FSI (Fluid-Structure Interaction) 工程中最常見的一類耦合。流體的流動產生壓力使固體發生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風機葉片形變、橋梁風振）。按反饋程度也分為單向FSI和雙向FSI。
展開 Comsol基于場路耦合的三相電力變壓器電磁場計算
1.2 場路耦合電路方程
如圖1所示等效電路模型即為用于場路耦合計算的繞組回路的等效電路。
圖1. 場路耦合的等效電路模型
電路分析中，因為繞組中渦流的影響很小，可將其忽略，則等效電路的電路方程可表示為：
為建立電路和場耦合的聯系，根據電磁感應定律，可以用繞組所交鏈的磁鏈的變化率來表示繞組所產生的感應電動勢：
渦流計算中，繞組的磁鏈可表示為：
將上面2個公式并進行離散，得到：
Ps:因不法商家瘋狂盜取本公眾號截圖，對工作室造成了不良影響，因此文章選圖皆做水印處理，為此給大家帶來不便敬請諒解。
2. 物理模型
由于變壓器內部幾何結構復雜，各部分結構尺寸相差懸殊，在滿足電磁場求解精度的前提下，為了合理簡化求解過程，以滿足計算機工作限度，在場路耦合的電磁計算中對變壓器模型作出以下基本假設：
（1）由于計算條件的限制，近似認為變壓器結構件的材料均勻，各向同性；
（2）將變壓器原邊繞組和副邊繞組等效為圓筒狀；
（3）變壓器三相鐵芯繞組完全對稱，變壓器內部繞組中心處連線縱向軸面前后對稱，左右對稱；
（4）基于電磁感應原理工作的變壓器，其電磁關系主要由鐵芯和繞組決定，忽略變壓器內夾件、拉板等其他結構件的影響，只保留變壓器的鐵芯和繞組。具體計算模型和材料參數如圖2和3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數設置
3. 物理場邊界條件
基于場路耦合數學模型對變壓器運行在額定工況時的內部電氣量變化和內部磁場分布情況進行仿真計算，分析變壓器內部電磁性能規律。物理場邊界條件及場路耦合模型設置如圖4所示，網格剖分及質量分布如圖5所示。
圖4. 物理場邊界條件及場路耦合模型
圖5.
展開 CAE黑話：耦合場/順序/直接/流固耦合
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在解決復雜的工程問題時，單一物理場分析往往力不從心。耦合場分析是高階工程師必須掌握的核心技能。
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1?? 耦合場 (Coupled Field) 兩個或多個物理場（如：熱-結構、流-固、電-磁-熱）相互影響、共同作用。一個場的計算結果直接影響另一個場的輸入條件或系統屬性。
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2?? 順序耦合 (Sequential Coupled Solving) 按順序一個接一個地求解物理場。例如：先計算溫度場，將溫度場結果（節點溫度）作為熱載荷施加到結構場上進行應力分析。
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特點： 計算簡單，收斂性好，但僅考慮單向影響，精度受限。
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3?? 直接耦合 (Direct Coupled Solving) 將不同物理場的控制方程合并成一個單一的、更大的方程組同時求解。方程組中包含耦合項。
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特點： 考慮完全的雙向耦合，精度最高。但計算量大，收斂非常困難，對網格質量要求極高。
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4?? 流固耦合 (FSI) 一種非常典型的直接耦合。
展開 
軌道電磁炮技術的多場耦合仿真----電熱 結構 溫度耦合
電流密度移動過程
局部電流密度
5.3發熱功率密度
根據以上的電流密度結果可以獲取相應的導體的發熱功率，結果如圖所示，根據結果可以看到，導軌部分電流均勻，發熱功率也較為均勻.而炮彈的后側導體部分由于橫截面積較小，發熱功率較大，相應的根據電流密度在其拐角處電流密度也較大.
5.4溫度結果
根據以上的邊界條件，考慮電流發熱、摩擦生熱、高溫熱傳導和位移等結果，獲取相應的溫度結果如下圖所示，根據局部發達圖可以看到，最高溫度發生在炮彈的后方和導軌的接觸位置，由于該位置是電流集中，熱量集中，摩擦生熱集中的位置，而導軌又是可以相對位置變化的，而炮彈是持續加熱的，故該位置溫度最大
溫度隨時間變化的過程
局部放大圖
5.總結
在ANSYS中可以采用以上方法計算電磁力獲取相應的動力學特性，再根據直接耦合方法獲取相應的溫度場分布，獲取動態效果，查看溫度的傳遞運動過程。
該方法可以較好的展示移動熱源或恒定溫度沿著另一物體移動，電流接觸是變化的移動過程，查看這幾種場的耦合分析效果。
作者：大龍貓-范文哲（fwz0703@163.com，公眾號：CAE_ANSYS)
碩士，從事電氣行業耦合場仿真，個人微信號 fwz0703 ，
主要應用為ANSYS Workbench界面下的各個模塊的使用，包括靜力學分析，動力學分析，電磁場分析, 溫度場分析，以及電磁-熱-結構-流體 耦合場分析等；主要涉及到的仿真為電氣或汽車等通用零產品的分析計算，包括剛度，熱應力，電磁力，拓撲優化等
主要使用軟件：ANSYS Workbench，Emag，Maxwell，Fluent，CFX， DM，Ls-dyna等
專注于仿真分析，歡迎大家共同討論學習，如有問題請回復郵件 fwz0703@163.com。
展開 ansys耦合場分析指南
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耦合場分析指南[1].part1.rar
耦合場分析指南[1].part2.rar
comsol電磁場與多物理場耦合專題線上培訓班
基礎的都會想解決自己的模型問題 （4）想系統性培訓學習comsol軟件
四、培訓講師
授課老師閻老師，來自國內知名科研院校，國家重點實驗室成員，有將近十年的comsol仿真經驗，主要擅長電磁、電磁熱、電磁熱流、磁流體、電磁結構、等離子體、激光、聲場等多物理場耦合建模仿真，歡迎廣大學員帶著自己的科研問題一起探討解決
五、 COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真課表內容
一、多物理場耦合仿真及COMSOL軟件介紹
1、多物理場仿真的發展簡況。
2、操作界面介紹及操作技巧。
3、多物理場耦合的預定模式與耦合操作。
4、多物理場仿真軟件的關鍵特性
5、COMSOL軟件介紹
二，COMSOL軟件基礎操作
1、幾何建模：
COMSOL自帶幾何文件創建詳解， 幾何建模注意事項和建議，特殊幾何體建模，組合體和裝配體的異同
2、網格剖分：
網格劃分及各項功能詳解，網格剖分注意事項和網格收斂性判定，不同物理場的網格選擇與優化，網格質量判定與估計，自適應網格用法詳解。
3、后處理：
數據集處理以及求解數據的選擇，數據的二次處理繪圖
4、求解器：
直接求解器和迭代求解器的使用，從方程上求解上展示全耦合求解和分離式求解的異同，針對物理場如何選取和優化求解器。
5、參數、變量、函數、探針的作用及其使用方法，參數化掃描和助掃描的作用和使用。
三、低頻電磁場（ACDC）物理場技術詳解
1、麥克斯韋方程組微分形式講解和推導
2、電容、電感、電阻的控制方程和邊界條件設置，提取集總參數得到電容值，電感值。
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