samcef多物理场耦合分析实例

tdxm111214

SAMCEF中的多物理场耦合分析求解器OOFELIE可以解决如下问题

　　◎OOFELIE Vibroacoustics：由SamcefFIELD驱动的振动噪声系统模态分析和谐波响应分析。

　　◎OOFELIE Piezoelectric：由SamcefFIELD驱动的压电材料分析。

　　◎Samcef for Multiharmonics：旋转对称结构在三维载荷作用下的线性和非线性分析解决方案。

　　◎Samcef for FractureMechanics：线性和非线性断裂力学解决方案。下面为利用OOFELIE Piezoelectric的一个简单实例，分析压电材料对指定常电压的反应，同时也会得到环形激励控制部件的变形。

1. 模型处理及准备

(1)     打开Samcef Field软件

(2)     在求解模块对话框Solver Driver Setting中进行如下设定：

Domain=PiezeoelectricAnalysis

Solver=oofelie

Analysistype=Linear Static

(3)      点击工具菜单中File\Import geometry，在出现的Input对话框中，直接进入samceffield安装路径下的example文件夹，选择brep\piezoelectrics\Actuator.brep，点击<Open>导入模型。

(4)      点击工具菜单中的File\Save As将文件另存到一新的工作路径中。

2. 建立分析数据

点击按钮<Analysis Data>进入分析数据定义模块。

(1)      几何属性和材料属性

我们先来定义两个非压电部分的属性，对于本例来说就是外部的环和两个压电体中间的连接部分。

1)       在数据树或3D显示区域选择”Actuator”，点击工具栏中的<Behavior>几何属性定义按钮，在几何属性定义对话框中，几何类型(behavior)选择体，对象选择类型(place on)选择<solid>。几何属性(type)选择柔体<Flexible>，在3D显示区域选择以下两个高亮显示部分作为Flexible part（如图18-2）。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

图18-2  非压电部分的选择

2)       点击工具栏中的材料特性定义按钮，Place on仍旧选择上面提到的两个实体，材料特性定义对话框中进行如下定义。

- Type : Isotropic
- Young modulus : 2.1e11 Pa
- Poisson ratio : 0.3
- Mass density : 7800 kg/m³

注：在Oofelie定义材料特性时，和结构分析中定义材料有一定区别，对于一般线弹性本构模型，只需给出弹性模量，柏松比以及材料的密度。

接下来我们来定义压电材料的属性。

3)       仍旧点击工具栏中的<Behavior>几何属性定义按钮，几何类型（Behavior）选择<Oriented Volume>导体，对象选择类型（place on）选择<solid>。导体类型（Type of orientation）选择<Transverse Isotropic>（横向同性）。Transverse isotropic direction选择<x>轴方向，选择图18-中的高亮部分，点击<Apply>确认。如图18-3中a）

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg   file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg

                a）                                  b）

图18-3 压电部分的选择

4)       保持其它不变，再选择图18-3中b）中高亮部分，点击<Transverse isotropic direction>后的反向控制按钮file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg，点击<Apply>确认操作。

注：在定义压电体几何特性时，需确定导体几何类型，其电势方向一般为横向同性面的法向。当向给定反向导电方向，可以选择反向按钮进行操作。

5)       选择主菜单File\Importdata，进入samceffield的安装目录，选择data文件夹，找到PZT4材料数据（如图18-4）。点击<Apply>确认。此时，数据树中的Data Library中可以双击PZT4查看材料数据。此时，可以对材料数据进行相应的修改，在”data library”中的材料数据可被模型中的任意”part”引用。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg

图18-4 导入的材料数据

6)       选择部件，并进入材料特性定义模块，选择两块导体。并在材料特性定义窗口选择Bound to。选择<PZT4>，点击<Apply>确认定义。

注：<Bound to>可以有效灵活的管理材料特性，当在数据树中”Data library”的材料数据改变时，所有赋予了该材料特性的对象的材料特性也随之改变。

(2)      边界条件的加载

1)       选择部件，并点击<Constrain>进行边界条件的加载，将边界条件类型Constraint设定为全约束<Clamp>，将施加对象Place on设定为<face>。在3D显示区域选择图18-5中高亮显示的面，点击<Apply>确认选择。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg

图18-5 约束类型为Clamp的面

2)       选择模型，仍旧点击<Constraint>定义边界条件。在边界条件定义对话框中选择，约束类型为<Null Potential>，选择图18-6中高亮显示的面，并点击<Apply>确定。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg

图18-6 约束类型为Null Potential的面

注：可以按住Ctrl与鼠标组合进行旋转、放大/缩小操作，并将鼠标放置于面的几何中心附近更容易找到要选择面。

3)       选择模型，再次并点击<Constraint>。在边界条件定义对话框中，将边界条件类型设定为电势差< PrescribedPotential>，电势差值输入110V，选择图18-7中高亮显示的面。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.jpg

图18-7 约束类型为Prescribed Potential的面

3. 网格划分

选择<Mesh>按钮进入网格划分模块

(1)      在数据树中或在3D显示区域选择模型，点击工具栏中的网格尺寸定义按钮<Length>。在网格定义菜单内，将网格平均尺寸定义为0.5mm，点击<Apply>确定网格尺寸定义。

(2)      点击工具栏中的网格类型定义按钮<Element Type>，在网格类型定义菜单中将单元形状Shape设定为四面体<tretahedron>，将单元规格Order设定为二次单元<parabolic>，生成法则设为自动生成<Automatic choice>，如图18-8，点击<Apply>确认。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.jpg

图18-8 定义网格类型

注：Samcef可以根据模型的几何情况，生成六面体，五面体，四面体，四边形，三角形，梁单元，点单元等不同类型的网格，这些网格均与体相关。

(3)      点击工具栏中的生成按钮<Generate>，在生成网格对话框中直接点击<Apply>生成有限元网格。如图18-9所示

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.jpg

图18-9 网格图

4. 提交计算

(1)     点击<Solver>按钮进入求解模块。

(2)     点击工具栏中的提交按钮<Convert and Launch>进行作业提交，在作业提交窗口设定求解路径，作业名称以及求解器路径。

(3)     提交进行计算。

5. 后处理

(1)      点击后处理按钮<Result>进入后处理模块。

(2)      在数据树中选择”Results”子目录，并选择” Nodel displacement”，可以看到如图18-9所示结果。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.jpg

图18-10 节点位移

在查看结果以前，可以先将网格数据或几何数据隐藏，以便更好的观察结果云图。

(3)      在数据树中，会有各种结果数据，进行相应选择可以得到不同的结果。保存结果以便下节利用。

18.1.4 模态分析

1.建立新的分析数据

(1)      继续上面的操作，在数据定义模块改变分析类型和物理数据。在工具栏中点击按钮file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg，在对话框Solver Driver Setting中更改Analysis Type为<modal>。

注：这时会弹出一个警告对话框提示你”Prescribed potential”约束条件已经不可用，可以关闭它。当求解器设置已经改变后，你会看到"Prescribed_Potential_on_2_faces_of_Actuator"约束条件变成了橙色，意思就是说不再可用了，我们可以把它修改成本分析可用的约束。

(2)      双击约束"Prescribed_Potential_on_2_faces_of_Actuator"，会弹出对话框提示你可以改成其它约束，点击<OK>   ，约束类型改成<Isopotential>。

2.求解模态

进入求解模块，在求解设置时选择模态阶数时输入20，提交计算。

(1)      进入后处理模块，在数据树中点击"nodaldisplacements"，将会显示第一阶模态的节点位移，点击工具栏中file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.jpg按钮，你可以查看任意阶模态。下图18-10为第19阶模态。

(2)      查看电势，在数据树中选择"Electricpotential"，同样也可以查看各阶模态下设备的电压和变形。下图18-11为第11阶模态下的结果。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.jpg

图18-10 第19阶模态

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.jpg

      图18-11 第11阶模态下的电压和变形

18.1.5 谐响应分析

这个阶段我们来分析设备在频率范围的真实情况，它作为传感器而不是激励器，主要的激励是指定的位移而不是电压（即相当于已知位移求它的电压值）。这里仍旧使用上节的模型，我们只需要重新定义分析数据。

1. 建立新的分析数据

(1)     更改分析类型。继续上面的操作，在数据定义模块改变分析类型和物理数据。在工具栏中点击按钮file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg，在对话框Solver Driver Setting中更改Analysis Type为<Harmonic response>。

(2)   设置阻尼。双击数据树中材料属性"Elastic on 2 solids of Actuator"，在阻尼选项中选择结构阻尼（Structuraldamping），输入值为0.01.

(3)      设置激励。点击约束按钮<Constraint>，约束类型选择指定位移（Prescribed Displacement），在Displacement Value实部填入1mm，虚部填入0mm。选择Z方向作为施加方向，选择图18-12中高亮部分作为施加面。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.jpg

图18-12 激励作用面的选择

2.求解模态

在求解模块，在求解设置中Harmonic data面板输入如下参数并提交计算。

-Initial Frequency : 10000 Hz
- End Frequency : 20000 Hz
- Frequency Step : 400 Hz
- Resolution Technique : Coupled Modal Superposition
- Type of Solver : Upper Frequency
- Upper Frequency : 50000 Hz

注：在此我们使用的是耦合模型混合技术，主要是加速了计算过程。这种计算方法不是最精确的，但是在以上这种低阻尼的情况下已经足够了。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.jpg

3.查看结果

进入后处理模块，在数据树中点击"Electric Potential"，点击file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.jpg按钮，进行如下设置：

- Complex result : Complex toReal
- Complex Criteria : Magnitude
- Criteria result : Scalar
- Predefine Criteria : Value by node

显示网格，然后点击file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.jpg，在3D显示区域点击一个节点，如图18-13中的点，在Function Dialog窗口里点击<Compute functions>，可以显示相应频率的电压曲线（如图18-14）。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image040.jpg  

图18-13 选择节点

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image042.jpg

图18-14 相应频率的电压曲线

当执行器以有关的模态被激励时，可以看到在一些频段范围内有一些电压峰值。当只描述设备的轴向位移时，可以看到设备的电压敏感位置，同时它作为位移传感器也可以观察到横向位移。