Simceter 3D Multiphysics Structural Solution Using One-Way Coupling of Temperature Loads Part I

1. Simcenter 3D Multiphysics介绍

Simcenter 3D提供四种主要类型的多物理场耦合仿真功能。

1. 多物理场耦合仿真功能是热/流耦合仿真，它结合了传热和CFD分析。热分析通过传导和辐射对固体材料之间的传热进行建模。CFD 分析通过模拟流体传输和从固体到流体材料的热传递。这种类型的多物理模拟通常用于分析电子设备的散热。
2. 在热/结构耦合仿真中，传热分析与结构分析相结合。热分析对热传递和热负荷产生的温度进行建模。由此产生的温度会产生热应变和应力，并通过结构分析进行模拟。当温度使结构发生变形，从而导致传热发生变化时，就会发生不同物理场之间的耦合，例如当结构之间发生接触时，也会导致热接触。热/结构耦合仿真通常用于具有高热负荷的系统，这些热载荷会导致显著的变形和应力。航空发动机就是这样一个例子。
3. 流体/结构耦合仿真（通常称为流体-结构相互作用的FSI）将CFD与结构分析相结合。CFD 仿真分析模拟流体材料的输送，并预测产生的流体压力。该压力会产生导致变形和应力的载荷，并通过结构分析进行模拟。当流场压力使结构变形，从而改变流场时，会发生双向耦合。流体/结构模拟通常用于引导流体流动的机械系统，例如叶轮。
4. 声结构耦合仿真分析结合了结构分析和声学分析。它用于预测当结构上的动态载荷诱发振动，进而激发结构周围的流体发生压力变化所产生的噪声。流体中产生的压力变化称为噪音。声结构耦合仿真通常用于汽车等产品的NVH分析，以评估道路或发动机输入产生的噪声。

值得注意的是，如前所述，多物理场耦合仅指两种物理类型的耦合。这通常是指多物理仿真的情况。但在未来，可能需要更多物理场的耦合分析来满足实际工作的需求。

1. 使用温度载荷的单路耦合结构仿真介绍

在电子设备、压力容器等产品的设计与分析工作中，需要考虑由于结构上温度分布不均所产生的应力对结构产生的影响，包括强度与耐久性方面。在实际的仿真分析工作中，通常需要将温度分布作为一种载荷施加到结构模型中来计算结构在该温度场下所产生的温度应力，在这个基于温度载荷的结构仿真的基础上还可以进一步计算结构在温度载荷下的耐久性与使用寿命。
在Simcenter 3D 中，可以使用Multiphysics解决方案中的单路热结构耦合仿真方法对以上所描述的问题展开分析工作，并可以使用Simcenter 3D Durability解决方案开展基于温度载荷的结构热疲劳与耐久性分析。

2. 使用温度载荷的单路耦合结构仿真工作流程

步骤		汇总
1.	创建热仿真文件和解算方案	使用 Simcenter 3D Multiphysics Sim 模板创建热仿真文件和解算方案。将求解器设为 Simcenter 3D Multiphysics，并将分析类型设为热。
2.	求解热模型	求解热解算方案，输出包含温度结果的 .bun 文件。
3.	打开或创建结构模型	使用 Simcenter 3D Multiphysics Sim 模板创建结构 FEM 和仿真文件。将求解器设为 Simcenter 3D Multiphysics，并将分析类型设为结构。
4.	指定最大迭代次数和其他控制参数（备选）	在解算方案对话框的解算控制页面上，创建非线性控制参数建模对象。您可以指定选项，例如每个时间步的最大迭代次数，是否使用单元迭代求解器，是否包含蠕变效应等。这些参数与结构求解器的 NLCNTL 模型输入项相对应。
5.	设置结构解算参数（备选）	在解算方案对话框的解算控制页面上，创建结构解算参数建模对象。这些参数与结构求解器的 PARAM 模型输入项相对应。
6.	启用几何或材料非线性效应（备选）	要对热-结构解算步骤的几何非线性效应建模，在解算方案对话框的解算控制页面上，选择大位移。 如果在模型中定义了蠕变或塑性，则必须选择材料非线性才能在解算方案中启用它（此选项与 MATNL 参数相对应）。
7.	为结构求解器指定无应力参考温度	您必须为结构解算方案指定无应力参考温度。要指定此参考温度，创建初始/零应力温度类型的温度集，然后选择创建温度载荷。
8.	请求要输出的结果类型	结构输出请求建模对象指定从解算方案恢复的结果的类型（例如位移、应力等）。 您可以为解算方案和单个解算步骤指定结构输出请求。
9.	创建结构解算步骤	根据需要创建解算步骤。解算步骤的结束时间应与热解算结果中的时间步相对应。 对于时间相关温度数据，Simcenter Nastran 将在您定义热解算结果中时间点之间的温度时插补节点温度。但是，如果解算步骤时间不在热解算时间数据范围内，则求解器将使用最近时间点的数据，并将向 f06 文件中写入警告。
10.	创建附加时间步以匹配热解算方案（备选）	您可以创建一个增广时间步列表建模对象来引用包含热结果的 .bun 文件，自动将附加时间点添加到解算方案中。可以在解算方案对话框中的解算控制页上创建此建模对象。
11.	从结构分析中排除单元（备选）	使用停用集来排除您不希望在结构分析中包含的任意单元。
12.	创建结构解算方案中的温度载荷	在结构解算方案中，创建一个温度载荷类型的温度集。在温度集中，创建一个外部时间相关类型的温度载荷，引用您从热解算方案生成的 .bun 文件。
13.	添加约束、载荷、粘连和接触	在仿真文件中添加热和结构约束以及载荷。载荷可以是静态的或与时间相关。
14.	添加接触和粘连条件（备选）	根据需要，向模型添加粘连和接触条件。
15.	对结构解算方案求解	求解结构解算方案，计算热膨胀和温度相关材料属性之类的项。