CN113591353A - 一种基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，包括以下步骤：S1建立基底和多层膜的模型，并指定基底的材料属性、多层膜周期数以及每一层膜的物理参数和材料属性；S2对基底和多层膜的模型进行网格划分，并使多层膜与基底上表面的网格划分保持一致；S3在多层膜模型上施加热流载荷并设置约束方程；S4求解，得到多层膜模型的温度分布。本发明的方法通过壳单元模拟多层膜解决了高纵横比多层膜网格划分和结构物理属性匹配的问题，不仅可以极大程度减少单元数量，优化操作步骤，而且相较于经典版操作界面更具有交互性好，操作简便，处理效率高的优点，同时使用Workbench计算的方法更容易复现和再利用。
Description
技术领域
本发明涉及多层膜有限元分析领域，更具体地涉及一种基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法。
背景技术
与普通单色器相比，多层膜单色器具有大带宽、高反射率、高通光效率的优点，因此在国内外众多同步辐射装置，例如中国的BSRF、NSRL、SSRF,日本的Spring-8，法国的ESRF，美国的APS等均被广泛应用。
为了对多层膜结构的性能以及使用寿命进行预测，可以采用有限元方法进行模拟分析，但是由于多层膜结构的高纵横比，即膜的厚度(nm)与长宽(mm)之间的尺度差异巨大(10^6)，如果以长宽方向尺寸划分网格，厚度方向则会被忽略不计，严重影响计算结果准确性；如果以厚度方向尺寸划分网格，整个单元数量将是一个极其庞大的数字，以现有普通计算机的计算水平无法完成求解，这给有限元网格划分以及仿真分析带来巨大困难。
另外由于有限元软件的功能限制使得多层膜仿真本身就具有相当难度，常需要使用者自行编程扩展方法，现有的多层膜仿真通常是在ANSYS经典环境中通过编写APDL命令流实现，其从建模、网格划分和载荷施加等过程都需要编写大量代码实现，不够直观，人机交互不友好，使用不方便，如果出现问题也很难排查问题所在。
ANSYS Workbench凭借界面直观友好，前后处理效率高、易于实现和操作简便的特点受到众多使用者的欢迎。但是ANSYS Workbench自身并不具有直接对多层膜操作的功能，且由于平台的不同，并不能将ANSYS经典版的APDL命令流直接移植到Workbench中而实现多层膜的分析，导致多层膜结构难以在Workbench中进行有限元分析。因此，如何找到一种基于ANSYS Workbench的操作简便的多层膜热分析方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，以解决多层膜结构难以在ANSYS Workbench中进行有限元分析的问题。
本发明提供一种基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，包括以下步骤：
S1：在ANSYS Workbench中建立基底和多层膜的模型，并指定基底的材料属性、多层膜周期数以及每一层膜的物理参数和材料属性；
S2：对基底和多层膜的模型进行网格划分，并使多层膜与基底上表面的网格划分保持一致；
S3：在多层膜模型上施加热流载荷并设置约束方程；
S4：求解所述约束方程，得到多层膜模型的温度分布。
进一步地，步骤S1中，基底模型的单元类型为实体单元，多层膜模型的单元类型为壳单元。
进一步地，所述基底模型的单元类型为Solid 90单元，所述多层膜模型的单元类型为Shell 132单元。
进一步地，步骤S2包括：
先用四边形网格对基底模型的上表面和多层膜模型进行划分，并将各条对应边尺寸设置为相同，然后以六面体网格对基底模型进行划分。
进一步地，在网格划分时将单元阶数设置为二阶。
进一步地，步骤S3包括：
新建一仅包含热流密度的表面效应单元，然后选择多层膜模型单元所有节点，并将所述表面效应单元覆盖在所述节点上，再向上复制一层表面效应单元并删除原有的表面效应单元，然后设置热流密度并施加在复制后的表面效应单元上，完成热流载荷的施加。
进一步地，步骤S3还包括：
设置约束方程将不同面内对应节点连接起来，保证表面效应单元所在平面与多层膜模型单元最上一层膜对应节点温度和基底模型上表面与多层膜模型单元最下一层膜对应节点温度相等，使得温度的传递与过渡连续。
进一步地，步骤S3中的约束方程为：分别取相邻两个面的所有节点，通过循环依次使对应节点的温度相等。
进一步地，所述基底的材料为Si，所述多层膜的材料包括B4C和Pd。
进一步地，步骤S4还包括：将多层膜节点温度以数组形式保存在外部文件中。
本发明的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，通过Shell132单元模拟多层膜解决了高纵横比多层膜网格划分和结构物理属性匹配的问题；通过建立使用表面效应单元SURF152解决了在Workbench中无法直接准确施加热流的问题，同时通过建立表面效应单元不仅可以施加均匀载荷，还允许施加不同分布的热流密度，扩大了热载的范围；结合Workbench自身优势快速直观的完成建模和网格划分，通过在合适的地方使用Commands命令将所需实现功能有机融入Workbench架构中，解决了将以往只能依靠APDL复杂编程处理的多层膜分析移植到Workbench中得以简单直观实现的问题，从而解决了有限元经典版交互性差，难以复现的问题并提高了操作效率，使得整个操作流程直观易懂。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的基于ANSYS Workbench的多层膜模型的温度分布图；
图3A和3B分别为本发明实施例提供的Shell单元上(0，0，10)点和(0，0，80)点在10层膜中的温度分布。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，包括以下步骤：
S1：在ANSYS Workbench中建立基底和多层膜的模型，并指定基底的材料属性、多层膜周期数以及每一层膜的物理参数和材料属性。
其中，S1具体包括：
S11：进入ANSYS Workbench界面选定Steady-state Thermal模块进行稳态热分析，在Engineering Data新建所需材料并设置其属性，这些操作相较于ANSYS经典界面下更加简单直观。
具体地，打开Workbench软件选择Steady-state Thermal模块进行多层膜的稳态热分析，将文件命名为Multilayer FE；在Engineering Data中新建基底和多层膜的材料并编辑其属性，其中基底材料为Si，多层膜材料包括B4C(碳化硼)和Pd(钯)，各材料的属性和参数如表1所示。
表1材料属性和参数
S12：在Geometry使用Design Modeler工具建立基底和多层膜模型，其中基底为Solid，多层膜为Surface Body，单元类型设置基底为Solid90实体单元；多层膜为带中间节点的Shell132单元；其中每个Shell单元包含多个具有物理意义的子层，利用Shell单元模拟多层膜解决了高纵横比问题，而且建模直观快捷，避免了大量代码用于建模的操作。在本实施例中，建立1/4模型，基底单元的尺寸为长*宽*高＝50*30*60mm，多层膜单元的尺寸为长*宽＝50*30mm，共采用8个Shell单元，每个Shell单元中含有10层膜，共80层膜。
S13：为了能够指定多层膜周期数以及每一层膜的物理参数和材料属性，在树形分类菜单里Geometry中的多层膜模型下插入Commands代码，用于定义多层膜单元和Shell结构，最后基底材料的属性指定仍为常规操作。
具体地，在本实施例中，先在模型树几何中通过常规方法指定基底Solid的材料为Si，然后在Surface Body下编辑Commands命令，首先定义多层膜的数据，包括单层Pd层的厚度为10-6mm，单层B4C层的厚度为10-6mm，以及多层膜的周期数为5，每个周期包含2层膜，即B4C层和Pd层，然后定义多层膜单元和Shell结构，先定义B4C和Pd的材料号，定义Shell132的单元号，定义截面类型号，再针对每一层添加膜的属性，包括厚度和材料。
S2：对基底和多层膜的模型进行网格划分，并使多层膜与基底上表面的网格划分保持一致。
为了计算结果准确，还需保证多层膜网格划分与基底上表面保持一致，在APDL中是通过将划分好网格的基底上表面复制给多层膜，这种方法在Workbench无法实现。为此，在Workbench中先用Face Meshing以四边形网格对多层膜和基底上表面划分，然后通过Edge Sizing控制各条对应边尺寸相同，最后使用Multizone以六面体网格对基底划分，通过这种方法可以很好保证多层膜和基底上表面网格节点、尺寸对应一致。网格划分还需使单元阶数为二阶以确保膜单元是包含中间节点的Shell132，这样才能保证计算结果的准确。在本实施例中，短边网格尺寸为0.5mm，长边网格尺寸为1mm。
S3：在多层膜模型上施加热流载荷并设置约束方程。
由于不能像在ANSYS经典环境中直接在多层膜上添加热流密度，在Workbench中直接在单元表面施加热流密度时，热流密度作用在TBOT层，与实际情况作用于TTOP层，并不相符，因此为了完成热流密度的准确施加，引入了表面效应单元，新建的表面效应单元对原有的多层膜分析不会产生任何影响，引入后在解决热流密度施加问题的同时，还能解除均匀热流密度的限制，从而允许施加不同分布密度的热流。具体实现方法是在Steady-StateThermal下插入Commands命令，先定义一个仅包含热流密度的表面效应单元SURF152，然后选择最上层Shell单元所有节点，并在其节点上新覆盖一层表面效应单元SURF152，再向上复制一层表面效应平面并删除原有的表面效应平面，这是为了能够在选择平面时区分Shell单元所在平面与表面效应单元所在平面，然后设置热流密度施加在复制后的表面效应平面，完成热载施加。
之后再设置约束方程用于将不同面内对应节点连接起来，保证表面效应单元所在平面与Shell单元最上一层膜对应节点温度和基底上表面与Shell单元最下一层膜对应节点温度相等，使得温度的传递与过渡是连续的，如果多层膜层数超过31层，则可用多套Shell单元实现，同样的，约束方程还需保证每一套Shell单元的连接，即上一个面内最下一层膜的节点温度与下一个面内最上一层膜的对应节点温度相等。具体地，选择Convection，施加在基底右侧面，设置对流系数0.005W/mm2/K，环境温度293K，然后通过Commands命令加载在表面效应单元上X方向0到1，Y方向0到38.2指定区域，热流密度为5235W/mm2，再通过约束方程将表面效应单元和最上层膜，基底和最下层膜以及不同的膜层之间连接起来，保证表面效应单元所在平面与Shell单元最上一层膜对应节点温度，基底上表面与Shell单元最下一层膜对应节点温度和上一个Shell单元最下一层膜与下一个Shell单元最上一层膜对应节点温度相等。
具体来说，约束方程就是分别取相邻两个面的所有节点，通过循环依次使对应节点的温度相等，最后的方程实际上是这样一段代码(代码均为ansys编程语言)，CE,NEXT,0,ncoin1,TTOP,1,ncoin2,TEMP,-1(ncoin1是下一个面内的一个节点，TTOP是下面一套Shell单元的最上层膜的温度，对于下一层是基底的，此处的TTOP应改为TEMP,实质就是那个面的温度，ncoin2是上一个面内的一个节点，TEMP是上一个面的温度)相邻两个面中对于每一套shell单元应当看作成是有10个面的(因为本实施例中每一套shell单元包含10层膜)，所以对于上一条如果每套Shell单元包含的多层膜层数超过31层，则约束方程还需保证每一套Shell单元的连接，即上一个面内最下一层膜的节点温度与下一个面内最上一层膜的对应节点温度相等。
S4：求解，得到多层膜模型的温度分布。
为了方便后处理，可以在Solution下插入Commands命令，查看多层膜内各膜层的温度分布，并可以以数组形式将多层膜节点温度保存在外部文件用于接下来的结构分析。
如果不引入表面效应单元而直接加热载的话，10层膜之间的温度将是相同的，且计算结果与实际相差很大，因此必须将膜与膜之间的温度区分开。如图2所示为本实施例的多层膜模型的温度分布图。为了验证Shell单元内定义的10层膜的温度分布是有差异的，选择了Shell单元上(0，0，10)点和(0，0，80)点在10层膜中的温度分布(单位：℃)，结果分别如图3A和3B所示，从中可以看出各层膜的温度分布是不同的。
进一步的为了验证本发明的可行性，本发明将有限元热分析结果与以经典ANSYS界面下的热分析结果进行比较，两者最高温度分别为410.97596K，411.034K温差0.058K，误差万分之一，比较结果表明，本发明基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法与经典ANSYS计算结果基本一致。本发明的方法不仅可以极大程度减少单元数量，优化操作步骤，而且相较于ANSYSAPDL操作界面更具有交互性好，操作简便，处理效率高的优点，同时使用Workbench计算的方法更容易复现和再利用。
本发明实施例提供的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，通过Shell132单元模拟多层膜解决了高纵横比多层膜网格划分和结构物理属性匹配的问题；通过建立使用表面效应单元SURF152解决了在Workbench中无法直接准确施加热流的问题，同时通过建立表面效应单元不仅可以施加均匀载荷，还允许施加不同分布的热流密度，扩大了热载的范围；结合Workbench自身优势快速直观的完成建模和网格划分，通过在合适的地方使用Commands命令将所需实现功能有机融入Workbench架构中，解决了将以往只能依靠APDL复杂编程处理的多层膜分析移植到Workbench中得以简单直观实现的问题，从而解决了有限元经典版交互性差，难以复现的问题并提高了操作效率，使得整个操作流程直观易懂。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在ANSYS Workbench中建立基底和多层膜的模型，并指定基底的材料属性、多层膜周期数以及每一层膜的物理参数和材料属性；
S2：对基底和多层膜的模型进行网格划分，并使多层膜与基底上表面的网格划分保持一致；
S3：在多层膜模型上施加热流载荷并设置约束方程；
S4：求解所述约束方程，得到多层膜模型的温度分布。
2.根据权利要求1所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，步骤S1中，基底模型的单元类型为实体单元，多层膜模型的单元类型为壳单元。
3.根据权利要求2所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，所述基底模型的单元类型为Solid 90单元，所述多层膜模型的单元类型为Shell 132单元。
4.根据权利要求1所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，步骤S2包括：
先用四边形网格对基底模型的上表面和多层膜模型进行划分，并将各条对应边尺寸设置为相同，然后以六面体网格对基底模型进行划分。
5.根据权利要求4所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，在网格划分时将单元阶数设置为二阶。
6.根据权利要求1所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，步骤S3包括：
新建一仅包含热流密度的表面效应单元，然后选择多层膜模型单元所有节点，并将所述表面效应单元覆盖在所述节点上，再向上复制一层表面效应单元并删除原有的表面效应单元，然后设置热流密度并施加在复制后的表面效应单元上，完成热流载荷的施加。
7.根据权利要求6所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，步骤S3还包括：
设置约束方程将不同面内对应节点连接起来，保证表面效应单元所在平面与多层膜模型单元最上一层膜对应节点温度和基底模型上表面与多层膜模型单元最下一层膜对应节点温度相等，使得温度的传递与过渡连续。
8.根据权利要求1所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，步骤S3中的约束方程为：分别取相邻两个面的所有节点，通过循环依次使对应节点的温度相等。
9.根据权利要求1所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，所述基底的材料为Si，所述多层膜的材料包括B4C和Pd。
10.根据权利要求1所述的基于ANSYS Workbench的多层膜热分析方法，其特征在于，步骤S4还包括：将多层膜节点温度以数组形式保存在外部文件中。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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