Ansys Mechanical｜解决温度场-电场耦合问题

一.多物理场耦合分析的必要性

你是否曾经碰到过你的模型受到两个或者更多物理因素影响的情况吗？这些物理因素不仅会相互影响，还会影响计算结果。

这时多物理场分析就有用了。在解决多物理场影响的工程问题时，多物理场耦合分析是必要的。

举个例子:

考虑一个搅拌摩擦焊过程。这是一个瞬态的热-结构过程，具体细节如下：

1.需要预测焊具和工件之间由于摩擦产生的温度上升情况。

2.温度要保持在熔点的70%-90%以下。

3.仿真通过三个步骤进行：插入、停留和横移。

4.当冷却下来以后，会在两个板之间形成一个坚固连接。

5.在接触面指定一个粘合温度，来模拟焊具的焊接过程。(当工件接触地方的温度超过粘合温度，接触状态从“分开”变为“粘合”。)

二. 多物理场耦合分析方法的种类

多物理场耦合分析方法包括所有相关物理场的自由度求解和考虑所有边界条件。

你可以在Ansys Mechanical求解中找到如下耦合物理场：结构、温度、电、磁和计算流体动力学。此外，Mechanical中有两种物理场耦合种类：顺序耦合也称弱耦合、直接耦合也称强耦合。

顺序耦合：

1.将一个分析结果作为另一个分析的边界条件或载荷，以此将两个或者更多分析耦合起来。

2.按照物理场分析顺序求解。

直接耦合：

1.为了求解一个耦合场问题，一个分析包含所有必要的自由度。

2.同时求解所有物理场。

3.需要使用耦合场单元。

三. 温度场和电场属性

四. 总结

1.耦合场可以解决受2个或者更多的物理场影响的工程问题。

2.Mechanical只能进行温度-电场稳态分析，至于瞬态分析，则需要APDL命令。

3.温度和电势的强耦合分析会出现赛贝克效应。

4.温度和电势的弱耦合分析会出现Peltier效应和焦耳效应，因此你需要将其转变为强耦合分析。

五.视频演示

这个视频为电流过载下的稳态分析。视频中，30A的过载电流通过额定电流为10A的保险丝。过载电流会使温度适度升高，该过程是温度场-电场双向耦合的，并最终在Workbench进行温度-应力分析。如果你施加短路电流(1000A)，保险丝的温度很快升高，则会很容易超过保险丝材料的熔点(铜:1034℃)。