ansys140培訓(xùn)系統(tǒng)手冊第五章

1、準(zhǔn)備工作第 5 章January 30, 2006準(zhǔn)備工作概述在開始ANSYS分析之前，您需要作一些決定，諸如分析類型及所要創(chuàng)建模型的種類。在這一章，我們將討論這一過程的決策。目的是在您徹底進(jìn)入分析之前給您一個理想的總體規(guī)劃。標(biāo)題如下： A. 哪一種分析類型？ B. 模擬什么？ C. 采用哪一種單元類型？January 30, 2006準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類型？ 分析類型通常遵循以下原則：結(jié)構(gòu)分析 實體的運動、壓力、接觸熱分析 熱、高溫及溫度變化。電磁場分析 裝置承受電流（交流或直流）、電磁波、電壓或電荷激勵 流體分析： 氣體或液體的運動，或包容的氣體/流體耦合場： 上述分析的任意組合 在這

2、里，我們將集中討論結(jié)構(gòu)分析。January 30, 2006準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類型？當(dāng)您選擇了結(jié)構(gòu)分析，接下來的問題是： 靜力還是動力分析？ 線性還是非線性分析？要回答這些問題，先要知道物體承受什么樣的激勵 (載荷)，因為下述三種類型的力決定了它的響應(yīng) 靜力 (剛度) 慣性力 (質(zhì)量) 阻尼力January 30, 2006準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類型？靜力與動力分析的區(qū)別靜力分析假定只有剛度力是重要的。動力分析考慮所有三種類型的力。例如：考慮跳水板的分析 如果潛水者靜止地站在跳水板上，做一個靜力分析已經(jīng)足夠了。 但是如果潛水者在跳水板上下跳動，必須進(jìn)行動力分析January 30, 200

3、6準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類型？如果施加的荷載隨時間快速變化，則慣性力和阻尼力通常是重要的因此可以通過載荷是否是時間相關(guān)，來選擇是靜力還是動力分析 如果在相對較長的時間內(nèi)載荷基本是一個常數(shù)，或者變化很緩慢，請選擇靜態(tài)分析。 否則，選擇動態(tài)分析總之，如果激勵頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3，則可以進(jìn)行靜力分析。January 30, 2006準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類型？線性與非線性分析的區(qū)別線性分析假設(shè)忽略荷載對結(jié)構(gòu)剛度變化的影響。典型的特征是： 小變形 彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力 沒有諸如兩物體接觸或分離時的剛度突變。應(yīng)變應(yīng)力彈性模量(EX)January 30, 2006準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類

4、型？如果加載引起結(jié)構(gòu)剛度的顯著變化，必須進(jìn)行非線性分析。引起結(jié)構(gòu)剛度顯著變化的典型因素有： 應(yīng)變超過彈性范圍（塑性） 大變形，例如承載的魚竿，拉緊的琴弦等 兩體之間的接觸應(yīng)變應(yīng)力January 30, 2006準(zhǔn)備工作B. 模擬什么?在建立一個分析模型之前，必須進(jìn)行許多建模的決策： 應(yīng)該考慮多少細(xì)節(jié)？ 是否應(yīng)用對稱性？ 模型中是否有應(yīng)力奇異點？January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?細(xì)節(jié)在分析模型中不應(yīng)該包括對分析無足輕重的細(xì)節(jié)。從CAD系統(tǒng)讀取模型到ANSYS之前，可以抑制這些細(xì)節(jié)。但是，某些結(jié)構(gòu)的 “細(xì)節(jié)” 可能很重要，如內(nèi)角或孔洞處，將會出現(xiàn)最大應(yīng)力。是否保留這些細(xì)節(jié)取決

5、于你的分析目標(biāo)。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?對稱性許多結(jié)構(gòu)在形狀上是對稱的，這就允許只取其中有代表性的部分或截面去建立模型。應(yīng)用對稱模型的主要優(yōu)點是： 通常更易于建立模型 允許你創(chuàng)建一個更好更細(xì)的模型，以便獲得比全模型可能更好的結(jié)果January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?要利用對稱性，下列因素必須對稱： 幾何形狀 材料屬性 荷載工況幾種不同類型的對稱： 軸對稱 旋轉(zhuǎn)對稱 平面或鏡面對稱 重復(fù)或平移對稱January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?軸對稱沿一中心軸存在對稱性，這類結(jié)構(gòu)有：電燈泡，直管，圓錐體，圓盤和圓屋頂。對稱面就是旋轉(zhuǎn)形成結(jié)

6、構(gòu)的橫截面，它可以在任何位置。因此你可以用一個二維“薄片”（旋轉(zhuǎn)360）代表一個真實的模型形狀。在多數(shù)情況下載荷被假定為軸對稱。但是，如果是線性分析，但荷載不存在軸對稱性，對此，可以將荷載分解為簡諧分量進(jìn)行獨立求解，然后進(jìn)行疊加。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)由繞軸分布的幾個重復(fù)部分組成，諸如渦輪轉(zhuǎn)子。只須對結(jié)構(gòu)的一個部分建立模型。載荷也被假定為沿軸是對稱的。January 30, 2006該模型表明反射及旋轉(zhuǎn)對稱準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?平面或反射對稱結(jié)構(gòu)的一半與另一半成鏡面映射關(guān)系，鏡面稱為對稱平面加載可以是關(guān)于對稱面對稱或反對稱January 30,

7、2006該模型同時表明重復(fù)及反射對稱準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?重復(fù)或平移對稱重復(fù)部分沿一直線排列，帶有均勻分布冷卻節(jié)的長管等結(jié)構(gòu)載荷也被假定為沿模型長度方向“重復(fù)“。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?在某些情況下，僅僅是那些較次要的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)破壞了結(jié)構(gòu)對稱性。有時這些細(xì)節(jié)可以忽略（或認(rèn)為它們是對稱的），進(jìn)而利用對稱性的優(yōu)點建立更小的分析模型。這樣，計算結(jié)果的精度損失可能是難于估計的。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?應(yīng)力奇異應(yīng)力奇異是指在有限元模型中那些應(yīng)力值無限大的點處。例如： 點荷載，如集中力或力矩作用處 孤立的約束點導(dǎo)致支反力如同點荷載。 尖角（零

8、倒角半徑）處在應(yīng)力奇異點處網(wǎng)格越細(xì)化，應(yīng)力值也隨之增加且不收斂Ps = P/AAs A 0, s January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?真實結(jié)構(gòu)不包含應(yīng)力奇異。是對模型的簡化假定虛構(gòu)的如何處理應(yīng)力奇異? 如果離感興趣區(qū)域較遠(yuǎn)，可以在查看結(jié)果時通過不激活受影響的區(qū)域忽略它的影響 如果位于感興趣區(qū)域，需要如下糾正: 在尖角處增加圓角重新進(jìn)行分析 代替點力載荷為等效壓力載荷 “散布” 位移約束至一個節(jié)點集January 30, 2006準(zhǔn)備工作 C. 何種單元類型?在開始分析之前，確定單元類型通常是很重要的。典型問題有： 哪種單元類型？實體單元、殼單元、梁單元等。 單元階次。線性或

9、二次單元。 網(wǎng)格密度。通常由分析目標(biāo)決定。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?單元類別ANSYS提供許多不同類型的單元。經(jīng)常采用的單元有： 線單元 殼單元 二維實體單元 三維實體單元January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?線單元: 梁單元是用于螺栓，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或細(xì)長薄膜構(gòu)件（只需膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的情況）等模型。 桿單元是用于彈簧、螺桿、預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型。 彈簧單元是用于彈簧螺桿、或細(xì)長構(gòu)件，或通過剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?殼單元: 殼單元用于薄板或曲面模型 殼單

10、元分析應(yīng)用的基本原則是每塊面板的主尺寸不低于其厚度的十倍January 30, 2006二維 2-D 實體單元: 二維實體單元是用于模擬實體的截面 必須在整體笛卡爾 X-Y 平面內(nèi)建立模型 所有的荷載均作用在 X-Y 平面內(nèi)，并且其響應(yīng)（位移）也在 X-Y 平面內(nèi) 單元特性如下： 平面應(yīng)力 平面應(yīng)變 軸對稱 軸對稱簡諧準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?Y X Z January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?平面應(yīng)力假定沿 Z 方向的應(yīng)力等于零 當(dāng) Z 方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 X 和 Y 方向上的尺寸才有效。 沿 Z 方向的應(yīng)變不為零 沿 Z 方向允許選擇厚度。 平面應(yīng)力分析是用來分

11、析諸如承受面內(nèi)荷載的平板，承受壓力或離心載荷的薄盤等結(jié)構(gòu)。Y X Z January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?平面應(yīng)變 假設(shè)沿 Z 方向的應(yīng)變等于零。 當(dāng) Z 方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 X 和 Y方向上的尺寸才有效。 沿 Z 方向的應(yīng)力不為零。 平面應(yīng)變分析適用于分析等截面細(xì)長結(jié)構(gòu)諸如結(jié)構(gòu)梁Y X Z January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?軸對稱假定三維實體模型及其載荷是由二維橫截面繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) 360 形成的。 對稱軸必須和整體 Y 軸重合 不允許有負(fù)的 X 坐標(biāo) Y 方向是軸向，X 方向是徑向，Z 方向是周向。 周向位移是零，周向應(yīng)力和應(yīng)變十分明

12、顯。 軸對稱分析用于壓力容器、直管道、桿等結(jié)構(gòu)。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?諧單元是一種特殊情形的軸對稱單元，因為荷載不是軸對稱的。 將軸對稱結(jié)構(gòu)承受的非對稱載荷分解成傅立葉級數(shù)，傅立葉級數(shù)的每一部分獨立進(jìn)行求解，然后再合并到一起。這種簡化處理本身不具有任何近似！ 諧單元分析用于非對稱的荷載結(jié)構(gòu)如承受扭矩的桿件。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?三維實體單元: 用于那些由于幾何、材料、荷載或分析要求考慮細(xì)節(jié)等原因，造成無法采用更簡單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu)。 也是用于從三維 CAD 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過來的幾何模型，把它轉(zhuǎn)化成為二維或殼體需要花費大量的

13、時間和精力。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?單元階次單元階次是指單元形函數(shù)的多項式階次什么是形函數(shù)？ 它是一個給出單元內(nèi)結(jié)果形態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)。因為 FEA 的解答只是求解節(jié)點自由度值。所以我們要通過形函數(shù)用節(jié)點自由度的值來描述單元內(nèi)任意點的值。 形函數(shù)總是根據(jù)給定的單元特性來設(shè)定。 每一個單元形函數(shù)反映單元真實特性的程度直接影響求解精度。這一點在下一幻燈片中詳細(xì)說明January 30, 2006自由度值的二次分布真實二次曲線線性近似(差結(jié)果)準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?二次近似 (最好的結(jié)果)多個單元的線性近似 (好結(jié)果)January 30, 2006準(zhǔn)備工作 .

14、 何種單元類型?當(dāng)您選擇了單元類型，您就選擇并接受了相應(yīng)單元類型的單元形函數(shù)。所以在您選擇單元類型之前應(yīng)查看單元形函數(shù)信息。例如，線性單元只有端節(jié)點，而二次單元還存在中節(jié)點。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?線性單元線性單元內(nèi)的位移按線性變化，因此（大多數(shù)時）單個單元上的應(yīng)力是不變的。線性單元對單元扭曲變形很敏感。如果你只想得到名義應(yīng)力結(jié)果，這是可以采用的。應(yīng)該在應(yīng)力梯度較大的地方劃分大量的單元二次單元二次單元內(nèi)的位移是二次變化的，因此單個單元上的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的。二次單元描述曲線邊界或曲面時，比線性單元更精確。而對單元扭曲變形不敏感。如果您想得到高精度的應(yīng)力，請

15、采用二次單元。通常情況，它與線性單元相比，采用的單元個數(shù)和自由度個數(shù)較少，而得到的結(jié)果精度較高。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?注意: 對于殼模型，線性單元與二次單元的區(qū)別不如實體模型那么明顯。所以線性殼體單元經(jīng)常被優(yōu)先采用。 除了線性單元和二次單元以外，可以采用第三種單元，即P-單元。P-單元內(nèi)的位移是從二階到八階變化的，而且具有求解收斂自動控制功能。January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?網(wǎng)格密度有限元分析的基本原則是：單元的數(shù)目（單元密度）越多，所得解答越逼近真實解答。然而，隨著單元數(shù)目增加的同時，求解時間和所需計算機資源也急劇增加。綜合考慮求解的速度和精度，有限元分析的目標(biāo)決定了下面的滑桿應(yīng)該如何移動：January 30, 2006準(zhǔn)備工作 . 何種單元類型?如果你想得到高精度的應(yīng)力，你應(yīng)考慮： 在結(jié)構(gòu)上有精度要求的位置不能忽略幾何細(xì)節(jié)，此時應(yīng)細(xì)分網(wǎng)格 應(yīng)先論證應(yīng)力集中 模型中的任何簡化都有可能導(dǎo)致明顯的誤差。