ANSYS學習-第04講-基本規(guī)劃

1、基本規(guī)劃第四講基本規(guī)劃概述在開始ANSYS分析之前，您需要作一些決定，諸如分析類型及所要創(chuàng)建模型的類型。在這一章，我們將討論一些有關這一決策過程的問題，目的是在您徹底進入分析之前給您一個理想的總體規(guī)劃。有關這一決策過程的問題如下：A. 選擇哪種分析類型? B. 如何處理模型?C. 選擇哪種單元類型?2003年5月基本規(guī)劃A. 選擇哪種分析類型？分析類型包括以下類型：結構分析： 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：承受電流(交流或直流)、電磁波以及電壓或電荷作用的裝置。 流體分析： 氣體或液體的運動。耦合場： 上述分析的任意組合。在這里，我們將集中討論結構分析。20

2、03年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?當您選擇了結構分析，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（荷載），因為下述三種類型的力決定了它的反應靜力（由剛度產生）慣性力（由質量產生）阻尼力2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?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：考慮跳板的分析如果跳水運動員靜止地站在跳板上，我們可以充分認為這是一個靜態(tài)分析。但是如果跳水運動員在跳板上上下跳動，您必須進行動態(tài)分析。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?如果施加的荷載隨時間快速變化，則慣性力和阻尼力通

3、常是重要的。因此你可以通過使用是否隨時間變化的荷載在靜態(tài)分析和動態(tài)分析之間進行選擇。如果在相對較長的時間內荷載是一個常數(shù)，請選擇靜態(tài)分析。否則，選擇動態(tài)分析如果激勵頻率小于結構基頻的1/3，則進行靜態(tài)分析。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?線性與非線性分析的區(qū)別線性分析假設忽略荷載對結構剛度變化的影響。典型的特征是：小變形彈性范圍內的應變和應力剛度無突然變化，例如在兩物體接觸或分離時。StrainStressElastic modulus(EX)2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?如果加載引起結構剛度的顯著變化，必須進行非線性分析。剛度顯著變化的典型原因有：應變超出彈性范圍（塑性

4、）大變形，例如承載的魚竿兩物體之間的接觸StrainStress2003年5月基本規(guī)劃B. 如何處理模型?在建立一個分析模型之前，必須對模型進行規(guī)劃。應該考慮多少細節(jié)？是否應用對稱性？模型中是否有應力奇異點？2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?細節(jié)在分析模型中不應該包括對分析無足輕重的細節(jié)。從CAD系統(tǒng)讀取模型到ANSYS之前，你可以取消一些特性。但是，在一些結構的“細節(jié)”如倒角或孔洞處，將會出現(xiàn)最大應力，是否保留這些細節(jié)取決于你所分析的目標，這一點相當重要。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?對稱性許多結構在形狀上是對稱的，這就允許只取其中有代表性的部分或斷面去建立模型。應用對稱模型的主

5、要優(yōu)點是：通常更容易建立模型允許你創(chuàng)建一個更好更細的模型，以便獲得比全模型可能更好的結果。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?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對稱的不同類型：軸對稱旋轉對稱平面或鏡面對稱重復或平移對稱2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?軸對稱繞某一軸線存在對稱性，這類結構有：電燈泡，直管，圓錐體，圓盤和圓屋頂。對稱面就是旋轉形成結構的橫截面，它可以在任何位置。因此你可以用一個二維“薄片”（旋轉360）代表一個真實的模型形狀。在多數(shù)情況下加載被假定為軸對稱。然而，如果荷載不存在軸對稱性，并且是線性分析，可以將荷載分成簡諧成分進行獨立求解，然后進行疊加。

6、2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?旋轉對稱結構由繞軸分布的幾個重復部分組成，例如渦輪葉片這類物體。只須結構的一個部分建立模型。加載也被假定為軸對稱的。2003年5月這一模型同時具有鏡面對稱和旋轉對稱基本規(guī)劃.如何處理模型?平面或鏡面對稱結構的一半與另一半成鏡面映射關系，鏡面稱為對稱平面載荷可以是關于對稱面對稱的或反對稱的。2003年5月這一模型同時具有重復和鏡面對稱基本規(guī)劃.如何處理模型?重復或平移對稱結構是由沿一直線分布的重復部分組成，例如，帶有均勻分布冷卻節(jié)的長管等結構。載荷也被假定為沿模型長度方向“重復”。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?在某些情況下，僅僅是那些較次要的結構細節(jié)

7、破壞了結構對稱性。有時這些細節(jié)可以忽略（或認為它們是對稱的），進而利用對稱性的優(yōu)點建立更小的分析模型。不過這樣計算獲得結果的精度損失是很難估計的。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?應力奇異應力奇異是指在有限元模型中的某些點，應力值無限大。例如：點荷載，如集中力或集中力矩作用處。離散約束點導致非零反力如同點荷載。尖角（零半徑倒角）處。當在應力奇異處網格劃分足夠細時，該處應力值增大并且不收斂。Ps = P/AAs A 0, s 2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?實際結構并不包含應力奇異問題，它們是由于模型簡化所產生的一種假象。如何處理應力奇異問題呢?如果應力奇異點遠離我們所需要分析的區(qū)域，

8、可以忽略它們，簡單的方法是在觀察結果時不激活應力奇異點的影響區(qū)域。如果應力奇異點位于我們所需要分析的區(qū)域，則需要采取正確的處理方式，例如：在凹角處增加一倒角，重新進行分析。用等效壓力載荷代替一個點載荷。將一個節(jié)點的位移約束分布到一組節(jié)點上。2003年5月基本規(guī)劃C. 選擇哪種單元類型?在您開始分析之前，確定單元類型通常是很重要的。典型問題有：選擇哪種單元類型？實體單元、殼體單元、梁單元等。單元位移階次。線性或二次單元。網格密度，通常由分析目標決定。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?單元類型ANSYS提供許多不同類型的單元。經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2003年5

9、月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?線單元：梁單元用于螺栓，薄壁管件，C型截面構件，角鋼或狹長薄膜構件（只有膜應力和彎應力的情況）等模型。桿單元用于彈簧、螺桿、預應力螺桿和薄膜桁架等模型。彈簧單元用于彈簧螺桿、或細長構件，或通過剛度等效替代復雜結構等模型。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?殼單元：殼單元用于薄面板或曲面模型“薄”與實際問題有關，但作為一個基本準則，殼單元每塊面板的主尺寸不低于其厚度的十倍。2003年5月二維實體單元：二維實體單元用于實體斷面的模型。必須在整體笛卡兒坐標X-Y平面內建立模型。所有的荷載均作用在X-Y平面內，并且其響應（位移）也在X-Y平面內。單元特性應為以下類型

10、中的一種：平面應力平面應變軸對稱諧結構和軸對稱基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?Y X Z 2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?平面應力假定沿Z方向的應力等于零當Z方向上的幾何尺寸遠遠小于X和Y方向上的尺寸才有效。沿Z方向的應變不為零沿Z方向允許具有任意厚度。平面應力分析是用來分析諸如承受面內荷載的平板，承受壓力或遠離中心荷載的薄圓盤等結構。Y X Z 2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?平面應變假設沿Z方向的應變等于零。當Z方向上的幾何尺寸遠遠大于X和Y方向上的尺寸才有效。沿Z方向的應力不為零。平面應變分析是用于分析狹長等截面結構諸如建筑中的梁。Y X Z 2003年5月基本規(guī)劃.選擇

11、哪種單元類型?軸對稱假定三維實體模型是由X-Y面內的橫截面繞Y軸旋轉360形成的。對稱軸必須和整體Y軸重合不允許有負X坐標。Y方向是軸向，X方向是徑向，Z方向是周向。周向位移是零，周向應力和應變十分明顯。軸對稱分析用于壓力容器、直管道、軸等結構。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?軸對稱諧單元是一種特殊情形的軸對稱，其荷載可以不是軸對稱的。將軸對稱結構承受的非對稱荷載分解成傅立葉級數(shù)，傅立葉級數(shù)的每一部分獨立進行求解，然后再合并到一起。這種簡化處理本身不具有任何近似性。軸對稱諧單元分析用于承受非對稱荷載的結構，例如扭矩的桿件。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?三維實體單元：用于那

12、些由于幾何、材料、荷載或分析要求考慮細節(jié)等原因造成無法采用更簡單單元進行建模的結構。也適用于從三維CAD系統(tǒng)轉化過來的幾何模型，把它轉化成為二維或殼體需要花費大量的時間和精力。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?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)？它是一個給出單元形態(tài)結果的數(shù)學函數(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任意點的值。形函數(shù)總是根據(jù)給定的單元特性來設定。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說明2003年5月自由度按拋物線分布實際的拋物線曲線線性近似(不好的結果)

13、基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?拋物線近似 (最好的結果)多單元的線性近似 (較好的結果)2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?當您選擇了單元類型，您就選擇并接受了相應單元類型的單元形函數(shù)。所以在您選擇單元類型之前應查看單元形函數(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。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?線性單元線性單元內的位移按線性變化，因此（大多數(shù)時）單個單元上的應力是不變的。線性單元對扭曲變形很敏感。如果你只想得到名義應力結果，這是可以采用的。應該在應力梯度較大的地方劃分大量的單元二次單元二次單元內的位移是二次變化的，因此單個單元上的應力狀態(tài)是線性變化的。二次單元在

14、描述曲線邊界或曲面時，要比線性單元更精確。而對單元扭曲變形不敏感。如果您想得到高精度的應力，請采用二次單元。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，而得到的結果精度較高。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?注意：對于殼體模型，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常被采用。除了線性單元和二次單元以外，第三種單元（ P-單元）也是有用的。P-單元內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，各位置分析自動采用應當采用的階數(shù)。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?網格密度有限元分析的基本原則是：單元的數(shù)目越多（單元密度），所得解答越逼近真實解答。然而，當你增加單元數(shù)目的同時，求解時間和所需計算機資源也急劇增加。有限元分析的目標決定了你應該采用那種網格密度。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?如果你想得到高精度的應力：在結構上有精度要求的位置不能忽略幾何細節(jié)，此時應采用細分網格。應先考慮應力集中。模型中的任何簡化都有可能導致明顯的誤差。如果你考慮變形或名義應