基于ansys的復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

基于ansys的復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

在應(yīng)用于金元技術(shù)的結(jié)構(gòu)分析中，不確定性建模消耗了大量的工程技術(shù)人員的時(shí)間和精力。長(zhǎng)期以來,盡管有大量的商用有限元軟件包(如ANSYS、NASTRAN、DYNA3D、ALGOR、ADINA、MAGNA)可供使用,但是如何快速、方便的獲得一個(gè)合理、有效的有限元模型一直被工程界所關(guān)注。與目前科技發(fā)展的精確化、定量化所不相稱的是,有限元建模過程中大量依賴于建模人員的工程經(jīng)驗(yàn)。將這些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來,對(duì)于工程人員之間的相互交流與人員培訓(xùn)都非常有益。本文使用ANSYS5.7建立了某復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型與有限元模型,通過對(duì)完整建模過程的介紹,試圖總結(jié)部分的建模經(jīng)驗(yàn)以供同行參考。本文假設(shè)讀者已經(jīng)具備了ANSYS的初步知識(shí)。1蒙皮模型該結(jié)構(gòu)由三個(gè)肋(左端肋、中間肋與右端肋)、前墻、前梁、后梁以及蒙皮組成。其中蒙皮為整體洗削變厚度蒙皮,共有兩種尺寸:2mm與5mm。前墻、前梁、后梁以及與之連接的蒙皮為模型左件,右端肋為模型右件,兩件之間采用螺栓連接,圖1為連接示意圖。整個(gè)右端肋為一整體機(jī)加件,上面分布有前后兩組耳片,耳片上施加有外部載荷。本文模型即用來分析外載荷的傳遞過程中該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及連接螺栓承受的力。2步驟中的“方便”本文采用如下步驟建立該復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型。在這些步驟中,有些可能顯得“麻煩”,甚至被認(rèn)為是沒有必要的(例如,自行建立實(shí)體模型)。但是,實(shí)踐表明,對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的問題,采用這些步驟可以獲得較高的工作效率。2.1厚蒙皮模型的建立仔細(xì)分析設(shè)計(jì)圖紙后,根據(jù)圣為南原理選取大小合理的分離區(qū)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式與受力特點(diǎn),可以將結(jié)構(gòu)各個(gè)部位簡(jiǎn)化成體、板、梁、桿、集中質(zhì)量以及彈簧等模型。在本文中,考慮到模型的連接特性,將所有的墻、梁、肋以及與之相連的厚蒙皮采用8節(jié)點(diǎn)等參體元模擬,并按照?qǐng)D紙的真實(shí)設(shè)計(jì)尺寸建立模型;而對(duì)于主要承受面內(nèi)載荷,同時(shí)具有少量抗彎能力的薄蒙皮使用4節(jié)點(diǎn)板彎元。在建模初期忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的導(dǎo)角、減重挖削等結(jié)構(gòu)形式。這樣簡(jiǎn)化的結(jié)果,使得模型建立方便且計(jì)算精度較高。模型中同時(shí)存在體元與板彎元兩種有限單元類型。在板與體的交界區(qū)域,由于體元節(jié)點(diǎn)的自由度與板元節(jié)點(diǎn)的自由度不匹配,在此將造成人為的模型應(yīng)力集中。具體的解決方案如圖2所示。在板與體的交界單元增加一大剛度梁,協(xié)調(diào)板與體相鄰節(jié)點(diǎn)的自由度。需要注意的是,該梁的剛度不宜無窮大,否則ANSYS的計(jì)算結(jié)果將帶來一定的計(jì)算誤差。2.2給實(shí)體模型一個(gè)重要的功能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化后,需要建立實(shí)體模型。幾乎所有的商用有限元軟件都提供該功能。在ANSYS中,所謂實(shí)體模型,指關(guān)鍵點(diǎn)、線、面與體,級(jí)別逐次增加。通過IGES,也可以使用其它的CAD/CAE軟件建立實(shí)體模型,然后導(dǎo)入到ANSYS中。本文推薦建模人員自行建立實(shí)體模型,原因有以下三點(diǎn):(1)目前各個(gè)CAD/CAE軟件彼此之間的模型通用型較差。在導(dǎo)入中經(jīng)常發(fā)生部分模型數(shù)據(jù)丟失的情況,即便是使用著名的CATIA與UG建立的模型在導(dǎo)入到ANSYS中也發(fā)生過這種情況。(2)建模人員自己建立實(shí)體模型,可以加深對(duì)設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)思想的理解,可以在最大的范圍內(nèi)控制模型的生成,賦給模型合理的編號(hào)順序,利于有限元網(wǎng)格的劃分。(3)ANSYS中提供了賦給實(shí)體模型有限元模型屬性的功能。應(yīng)用XATT與LESIZE等命令,可以方便的在建模的同時(shí)將材料特性、單元類型、實(shí)常數(shù)、預(yù)計(jì)劃分的網(wǎng)格密度以及載荷與約束等有限元模型屬性“施加”到實(shí)體模型上,這樣可大大方便后續(xù)的建模工作。而在由其它軟件生成的實(shí)體模型中,由于實(shí)體編號(hào)的混亂性,很難應(yīng)用該功能。在建立實(shí)體模型的過程中,ANSYS提供了兩種建模方法:應(yīng)用APDL語(yǔ)言編程;操作ANSYSGUID(圖形用戶界面)進(jìn)行建模。APDL是ANSYS內(nèi)部的編程語(yǔ)言,與FORTRAN語(yǔ)言極為相似,具有變量定義、數(shù)學(xué)計(jì)算、DO循環(huán)、使用子函數(shù)等功能。應(yīng)用APDL語(yǔ)言建立模型非常方便,例如,定義一個(gè)點(diǎn)只需要如下一條程序:K,NPT,X,Y,Z在ANSYS的GUID中,所有的程序都可以當(dāng)作“命令”進(jìn)行輸入,幾乎所有的GUID操作都有相對(duì)應(yīng)的命令。本文推薦的建模方式是采用APDL編程,主要有以下一些優(yōu)點(diǎn):(1)應(yīng)用APDL建模,使得整個(gè)建模的過程具有理想的重復(fù)性、開放性與良好的修改性。(2)利用APDL有時(shí)可以大大簡(jiǎn)化建模過程,例如利用*REPEAT命令可以重復(fù)執(zhí)行任意次前一個(gè)命令。(3)利用APDL可以方便的實(shí)現(xiàn)多人聯(lián)合建模。(4)APDL建立的模型為文本文件,文件長(zhǎng)度小,非常利于交流拷貝與模型備份。(5)已有的APDL命令不會(huì)因?yàn)榘姹镜母l(fā)生變化,在ANSYS軟件升級(jí)后,可以較容易的掌握。(6)有些功能使用GUID不可能實(shí)現(xiàn)。圖3顯示了本文建立的該結(jié)構(gòu)左右兩件的實(shí)體模型圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn):右端肋耳片并未建立實(shí)體模型,這是因?yàn)檫@部分區(qū)域模型比較復(fù)雜,需要其它的一些建模手段,這些建模方法將在本文的后面給予介紹。2.3anasas實(shí)體模型在實(shí)體模型建立后,建立有限元模型就非常容易了。如果前面在建立實(shí)體模型時(shí)已將材料等有限元模型屬性施加到實(shí)體模型上,只需要根據(jù)單元類型的不同,應(yīng)用LMESH、AMESH、VMESH等命令即可將所有的實(shí)體模型有限元網(wǎng)格化。ANSYS自動(dòng)判斷網(wǎng)格的合理性,如果存在不合適的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比、內(nèi)角以及過大的平面翹曲,ANSYS將提出警告。大多數(shù)的ANSYS警告不會(huì)阻止下一步計(jì)算,所以在計(jì)算前沒有必要消除全部的警告,需要工程人員判斷的是:對(duì)于關(guān)鍵、關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格盡量控制規(guī)則化,而其它不關(guān)心的或低應(yīng)力區(qū)域即便有一些警告也可以接受。在ANSYS中,提供了多種網(wǎng)格劃分方法。許多人貪圖方便,經(jīng)常使用自由網(wǎng)格劃分方法,這種方法對(duì)于簡(jiǎn)單的模型勉強(qiáng)可以接受,但是對(duì)于復(fù)雜的模型建議不要采用。主要的原因在于,自由化網(wǎng)格的網(wǎng)格形狀操作人員難以控制,出現(xiàn)畸形網(wǎng)格的比率較高,如果在高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)格畸形警告,還需要局部的網(wǎng)格調(diào)整,比較繁瑣。解決這類問題最簡(jiǎn)單方法就是使用LESIZE、KESIZE等命令,明確定義每一條線上預(yù)計(jì)劃分的網(wǎng)格數(shù)量。顯而易見,如果這時(shí)實(shí)體模型上各條曲線的編號(hào)比較規(guī)則,則可以大大縮減工作強(qiáng)度。應(yīng)用上述方法,本文劃分了該復(fù)雜結(jié)構(gòu)左右兩件的有限元網(wǎng)格。圖4a顯示了有限元模型左件(為方便查看,除去了蒙皮網(wǎng)格),圖4b顯示了有限元模型右件。2.4典型截面模型的網(wǎng)格融合由于右端肋耳片區(qū)域的形狀比較復(fù)雜,因此本文在最初并未建立耳片的實(shí)體模型,而是在其它網(wǎng)格劃分結(jié)束后,編寫一個(gè)耳片子函數(shù),形成單獨(dú)的耳片有限元模型,然后應(yīng)用網(wǎng)格融合技術(shù),將耳片與右端肋的網(wǎng)格融為一體。重復(fù)2.1～2.3節(jié)操作即可建立耳片的有限元模型。為了方便建模,本文首先建立耳片的典型截面實(shí)體模型,使用平面板彎元將其有限元網(wǎng)格化,然后應(yīng)用模型拉伸技術(shù)(ANSYS命令為:VDRAG),將實(shí)體板拉伸成實(shí)體體積,同時(shí)將平面板彎元拉伸成8節(jié)點(diǎn)體元。在提供一個(gè)范圍尺寸后,ANSYS的自動(dòng)網(wǎng)格融合技術(shù)可以將相鄰兩節(jié)點(diǎn)合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這一步的操作需要十分的小心,如果尺寸給得較小,則有可能有一些節(jié)點(diǎn)沒有按照操作者的意愿融合,這樣,該處就有可能造成了一個(gè)人為的應(yīng)力集中;如果尺寸給得較大,又有可能將一些不需要融合的區(qū)域進(jìn)行了融合操作,甚至發(fā)生將一個(gè)完好單元的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)融為一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況。解決該問題有兩種方法:(1)應(yīng)用ANSYS提供的單元、節(jié)點(diǎn)選擇功能(ANSYS命令為:ESEL、NSEL),將需要融合的一小塊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)與單元激活,其它區(qū)域的節(jié)點(diǎn)與單元為不可操作單元。這樣即可避免大面積的融合操作;(2)使用本文下面將要講述的網(wǎng)格細(xì)修方法,由操作者手工將需要融合的節(jié)點(diǎn)融合。本文主要采用第一種方法。圖5顯示了融合后的模型局部。2.5實(shí)體模型不得單獨(dú)體制為了方便建模,在建模初期不可避免的有一些簡(jiǎn)化工作,例如過渡導(dǎo)角、減重挖削以及結(jié)構(gòu)的細(xì)小變化等在初期都被忽略了。需要將已經(jīng)建立好的網(wǎng)格進(jìn)行局部的修改以符合實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)。在ANSYS中,有限元網(wǎng)格與實(shí)體網(wǎng)格是完全一體不可分割的,也就是說,不可能單獨(dú)刪掉一個(gè)實(shí)體板上的某一個(gè)單元而其它單元保持不變。這一點(diǎn)與其它的商用有限元軟件(例如PATRAN)有很大的差別。因此在網(wǎng)格細(xì)修前,需要將實(shí)體模型全部刪除,保留“純粹”的有限元模型。由于實(shí)體模型并不參與計(jì)算,所以這樣做不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生任何影響。ANSYS提供了多種方法可以實(shí)現(xiàn)上述操作。最為簡(jiǎn)單的方法為應(yīng)用模型輸出命令:CDWRITE,該命令可以將現(xiàn)有的模型輸出成兩個(gè)不同的文件,一個(gè)為純粹的有限元模型(APDL語(yǔ)言方式,非常容易理解),另一個(gè)為純粹的實(shí)體模型(IGES格式)。在此之后應(yīng)用CDREAD或/INPUT命令將完整而純粹的有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中。2.6螺栓模型的建立2.1～2.5節(jié)的操作建立了該復(fù)雜結(jié)構(gòu)左右兩件的有限元模型,這兩部分使用螺栓連接。螺栓的有限元模型主要有三種:(1)將螺栓連接的兩塊板的相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)融合為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。(2)采用彈簧元模擬螺栓。(3)采用一個(gè)圓柱梁和兩個(gè)與梁的末端固接的兩圓片的集合來模擬螺栓,使用間隙元來連接螺栓和板的邊界接觸區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。第一種模型過于簡(jiǎn)單,且無法考慮螺栓的實(shí)際連接剛度;第三種模型對(duì)于螺栓數(shù)量較多的情況操作過于復(fù)雜,因此本文選擇了第二種模型模擬實(shí)際連接結(jié)構(gòu)。具體模擬方法如圖6所示,點(diǎn)I與點(diǎn)L之間采用桿元連接,桿元的剛度值為:EA/L(參數(shù)分別為螺栓的彈性模量、截面積與長(zhǎng)度),點(diǎn)J與點(diǎn)K之間共有三個(gè)彈簧元,分別模擬兩點(diǎn)之間的X、Y、Z方向的連接剛度,Y、Z方向的彈簧元?jiǎng)偠瓤梢酝ㄟ^查表格獲得,而X方向的連接剛度視實(shí)際連接特性而定:如果所連接的兩塊板在該點(diǎn)為互相壓縮模式,則該點(diǎn)的X方向剛度需要取一個(gè)較大的數(shù)值(例如109)來模擬不可穿透條件;如果為互相拉伸模式,則需要在考慮螺栓的預(yù)緊力后給出較小一點(diǎn)的適當(dāng)?shù)膹椈稍獎(jiǎng)偠?。這里需要注意的是,采用這種方法建立的釘元,在釘元周圍的有限元網(wǎng)格上的應(yīng)力是不準(zhǔn)確的,而且偏大。主要原因是實(shí)際結(jié)構(gòu)中依靠釘孔壓縮面來傳遞釘載,而在本模型中僅僅依靠一個(gè)節(jié)點(diǎn)來傳遞釘載。如果需要詳細(xì)的分析釘孔周圍的應(yīng)力分布,則需要取更小的分離區(qū),按照模型3來建立螺栓模型,同時(shí)將釘孔周圍的有限元網(wǎng)格密化(實(shí)踐表明,釘孔周圍一圈內(nèi)最少要分布64個(gè)單元才可以獲得穩(wěn)定的單元應(yīng)力輸出)。本文最終的有限元模型如圖7所示。3anasas表現(xiàn)為(1)建立實(shí)體模型前,建議先將各個(gè)實(shí)體模型的位置與編號(hào)書寫在圖紙上(可以事先將設(shè)計(jì)圖紙打印出來),這樣非常利于后續(xù)的模型調(diào)整工作,并方便APDL編程。(2)應(yīng)用APDL編制模型程序時(shí),盡量應(yīng)用模塊化編程思想,將不同區(qū)域的模型以及約束、載荷等信息設(shè)計(jì)成不同的子程序,最后設(shè)計(jì)一個(gè)主程序調(diào)用。(3)多使用APDL中的變量設(shè)計(jì)參數(shù),比如板的厚度,某一區(qū)域網(wǎng)格劃分密度等,以利于調(diào)整改動(dòng)。(4)ANSYS中采用APDL語(yǔ)言編輯輸入文件可以獲得最大的方便性,但是諸如模型顯示(PLOT)等工作采用GUID的方法比較方便,所以在具體工作中采用命令輸入方式與GUID相結(jié)合方式可以獲得最大工作效率。(5)多人協(xié)作建?？梢圆捎镁幪?hào)分段劃分方法。因?yàn)樵贏NSYS中任何實(shí)體模型元素與有限元模型元素皆具有編號(hào),且不要求連續(xù)。材料、單元類型、實(shí)常數(shù)特性等可以設(shè)計(jì)成公共函數(shù)供調(diào)用。(6)孔邊載荷的加載方式工程上一般采用余弦分布載荷。但是,對(duì)于本模型,由于耳片設(shè)計(jì)的比較強(qiáng)大,幾乎不可能發(fā)生耳片靜載破壞事件,而且,本文關(guān)注的重點(diǎn)在于