基于ug的有限元模型導(dǎo)入ansys軟件的研究

基于ug的有限元模型導(dǎo)入ansys軟件的研究

有限分析軟件（fea）具有強(qiáng)大的解算器，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)、加熱、聲音、水流、磁體和其他學(xué)科。這是目前國(guó)際上最流行的有限分析軟件之一。然而,美中不足的是,ANSYS軟件的實(shí)體建模功能相對(duì)薄弱。如果分析對(duì)象規(guī)模龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尤其是包含大量不規(guī)則的曲線和曲面時(shí),使用ANSYS建立實(shí)體模型比較麻煩,往往需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。同時(shí),這種情況下網(wǎng)格劃分常常需要借助布爾操作將整體模型進(jìn)行分割,而此時(shí)ANSYS中分析對(duì)象往往不支持布爾操作,從而使得有限元模型的生成比較困難。為彌補(bǔ)這方面的缺憾,ANSYS為目前流行的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件預(yù)留了接口,可以輸入CAD軟件生成的實(shí)體或有限元模型,UG就包含在其中。UG作為當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件之一,具有強(qiáng)大的實(shí)體造型和曲面造型功能。雖然UG也具有自己的CAE模塊,但主要應(yīng)用于模型的動(dòng)力學(xué)仿真,而且所能提供的解算器類型和結(jié)果數(shù)據(jù)都不是很充分。然而如果利用UG和ANSYS良好的兼容性,將它們聯(lián)合起來(lái),充分發(fā)揮UG功能完備的CAD模塊和ANSYS強(qiáng)大的FEA功能,將為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析開(kāi)辟一條新的途徑。1ug預(yù)處理1.1建立ug自身組圖利用UG的NX功能模塊,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,運(yùn)用從底而上或自頂向下的建模方法,通過(guò)建立新組件或者建立并編輯UG自身的引用集,利用樣條、橋接、偏置、投影、交叉等特性以及建立和編輯曲線、生成主片體等方法,逐步建立并修改組圖,最終完成研究對(duì)象完整準(zhǔn)確的實(shí)體模型。1.2對(duì)求解對(duì)象的制度設(shè)置和加載實(shí)體模型建立完畢后,即可進(jìn)入U(xiǎn)G的結(jié)構(gòu)分析模塊。在結(jié)構(gòu)分析模塊中,首先將解算器設(shè)定為ANSYS,并按需要設(shè)定分析類型和解法類型。UG為ANSYS設(shè)定的接口共預(yù)留了結(jié)構(gòu)、熱、軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)和軸對(duì)稱熱4種分析類型以及線性靜態(tài)、模態(tài)、屈曲和非線性靜態(tài)4種解法類型。其次進(jìn)行研究對(duì)象材料特性設(shè)置。在設(shè)置材料屬性時(shí),要注意各個(gè)量的單位,使用同一單位制,和ANSYS統(tǒng)一起來(lái),因?yàn)樵贏NSYS中沒(méi)有顯式單位,只是使用封閉的隱式單位制。材料屬性的加載有2種方式,一種是在加載對(duì)話框中直接加載,另一種是通過(guò)文件修改來(lái)完成。第2種方法對(duì)于一些變化的材料屬性尤其有效,比如材料非線性分析中的應(yīng)力-應(yīng)變。輸入材料的應(yīng)力-應(yīng)變時(shí)還要注意,所輸入的最大應(yīng)力-應(yīng)變值一定要含蓋求解對(duì)象的整個(gè)響應(yīng)范圍,否則程序?qū)o(wú)法處理超過(guò)所輸入最大應(yīng)力-應(yīng)變的響應(yīng),計(jì)算結(jié)果將以輸入的最大值代替超過(guò)它的響應(yīng)值。再次進(jìn)行載荷加載。在UG中施加載荷時(shí),可在點(diǎn)、線、面、體及邊緣上加載包括重力、離心力和溫度載荷在內(nèi)的各種外加載荷。最后對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行約束。定義約束時(shí),可在點(diǎn)、線、面及邊緣的各個(gè)方向上定義各種類型的平移和旋轉(zhuǎn)約束,包括固支、簡(jiǎn)支、對(duì)稱及自定義的活動(dòng)范圍。1.3網(wǎng)格化單元的設(shè)置在UG中,提供了零維的點(diǎn)單元,一維的線單元,二維的面單元及三維體單元,其中三維體單元又包括8節(jié)點(diǎn)的SOLID45六面體單元和10節(jié)點(diǎn)SOLID92四面體單元。網(wǎng)格劃分時(shí),可以先利用UG的自動(dòng)判斷功能,得到系統(tǒng)建議的網(wǎng)格尺寸,并以此尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如果網(wǎng)格太疏或太密時(shí),再改變網(wǎng)格尺寸。在劃分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)體模型時(shí),系統(tǒng)建議的網(wǎng)格尺寸也不一定可行,需要對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行微調(diào)。此時(shí)如果要加密或減少網(wǎng)格,建議以劃分成功的網(wǎng)格尺寸的半數(shù)或倍數(shù)為新的網(wǎng)格尺寸。劃分完畢后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢測(cè),指出超出90%和100%閾值的單元。有時(shí)這些單元的存在會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格在ANSYS中不被接受,需要重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分。重新分網(wǎng)時(shí),一方面可以調(diào)整網(wǎng)格尺寸,另一方面也可以對(duì)模型中線條尺寸對(duì)比懸殊部位及雅可比閾值較大部位的線/面先分網(wǎng),然后再整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,或者對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分完畢后,要給網(wǎng)格分配其對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)——這一點(diǎn)不同于ANSYS,在ANSYS中劃分網(wǎng)格之前先將材料參數(shù)分配給對(duì)應(yīng)的實(shí)體模型。2inp文件解算預(yù)處理工作完成后,就可執(zhí)行分析菜單中的解算命令。此時(shí),如果UG和ANSYS成功鏈接,則直接進(jìn)入解算過(guò)程;如果二者沒(méi)有成功鏈接,則會(huì)跳出“找不到解算器可執(zhí)行文件”的信息。這時(shí),只要在工作目錄下找到解算器執(zhí)行文件——.inp文件,將其導(dǎo)入ANSYS,解算工作就會(huì)開(kāi)始。將解算器執(zhí)行文件導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行求解的好處在于:可以對(duì)解算器執(zhí)行文件進(jìn)行檢查,并做必要的修改。解算器執(zhí)行文件依次包括起始命令、節(jié)點(diǎn)描述、材料屬性、網(wǎng)格及其類型、約束點(diǎn)及類型,載荷點(diǎn)及類型和求解命令。節(jié)點(diǎn)描述包括節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和三維坐標(biāo)。要注意的是同一個(gè)問(wèn)題每次生成的解算器執(zhí)行文件的節(jié)點(diǎn)編號(hào)并不相同,因?yàn)槠鹗键c(diǎn)的選取是隨機(jī)的,所以文件中凡是涉及到節(jié)點(diǎn)的地方,編號(hào)都有可能不同。對(duì)于材料常數(shù),要仔細(xì)檢查它們的單位是否和初始輸入時(shí)一致,是否同屬一個(gè)封閉的單位制,以免在ANSYS中出錯(cuò)。同時(shí)也可以根據(jù)需要進(jìn)行修改,在后面的例子中可以看到加入應(yīng)力-應(yīng)變曲線的程序段。3解算和處理3.1ug應(yīng)用的救濟(jì)通常,將UG文件導(dǎo)入到ANSYS中,包括下述2種不同的類型:1)實(shí)體模型的導(dǎo)入。在UG中生成研究對(duì)象的實(shí)體模型后,利用ANSYS的導(dǎo)入功能直接將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS。這是目前有限元分析中最常用的方式,它充分利用了UG強(qiáng)大的實(shí)體建模功能,但沒(méi)能利用UG靈活的有限元建模功能,不能克服大型復(fù)雜構(gòu)件在ANSYS中分網(wǎng)困難的缺點(diǎn)。2)有限元模型的導(dǎo)入。在UG中生成研究對(duì)象的實(shí)體模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后將其導(dǎo)入ANSYS。此方法充分利用了UG強(qiáng)大的建模功能,但這種方法導(dǎo)入ANSYS的文件存在一個(gè)缺點(diǎn),就是導(dǎo)入的模型只有網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn),而沒(méi)有實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體,使得材料屬性分配、邊界條件設(shè)置、載荷加載等前期處理工作無(wú)法開(kāi)展。為克服上述2種方法的缺陷,充分發(fā)揮UG功能完備的建模優(yōu)勢(shì)及ANSYS強(qiáng)大的解算器功能,本文采用一種新方法——解算器執(zhí)行文件的導(dǎo)入。其特點(diǎn)在于:完全在UG中進(jìn)行預(yù)處理,然后利用ANSYS軟件file菜單中的“readinputfrom”命令,將在UG中生成的解算文件(.inp文件)直接讀入ANSYS,利用ANSYS的解算器進(jìn)行求解。3.2啟動(dòng)求解命令后至終身性業(yè)務(wù)將解算器文件讀入后,ANSYS即開(kāi)始求解。此時(shí),如果要對(duì)ANSYS進(jìn)行設(shè)置,也可終止求解,設(shè)置完畢后再次啟動(dòng)求解命令。例如在進(jìn)行彈塑性分析時(shí),可能就會(huì)對(duì)ANSYS的非線性等求解控制選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。求解完畢之后,根據(jù)需要,可在ANSYS的后處理模塊中提取各種數(shù)據(jù)結(jié)果,并進(jìn)行分析處理。4計(jì)算4.1不同材料的彈性模量某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中介機(jī)匣的應(yīng)力場(chǎng)分析。中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,材料為低碳12%鉻鋼,20℃時(shí)材料的彈性模量E=216.53GPa,泊松比v=0.3,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)表1,所受的外加載荷見(jiàn)表2。4.2gmms單位制根據(jù)中介機(jī)匣的設(shè)計(jì)圖紙,在UG中建立中介機(jī)匣的實(shí)體模型,見(jiàn)圖1。注意到實(shí)體模型的長(zhǎng)度單位為mm,輸入g·mm·s單位制下的材料參數(shù)。根據(jù)實(shí)際安裝,對(duì)中介機(jī)匣主安裝節(jié)、后安裝邊和吊耳中間分別在X、Y、Z進(jìn)行固支。并將表2各載荷量值乘以106后加載于相應(yīng)的表面——將力的單位牛頓轉(zhuǎn)換為g·mm·s單位制下的量值。最后以系統(tǒng)建議尺寸8.89mm,用10節(jié)點(diǎn)SOLID92單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,見(jiàn)圖2。4.3曲線的輸入預(yù)處理工作完成后,即可執(zhí)行分析菜單中的解算命令,生成解算文件。然后回到工作文件夾,用記事本打開(kāi)解算文件,進(jìn)行檢查,并加入下面的程序段,確保各個(gè)參數(shù)均設(shè)置為g·mm·s單位制下的量值,并實(shí)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的輸入。MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,2.1645E11MPDATA,PRXY,1,,0.3MPTEMP,1,20MPDATA,DENS,1,,7.760E-3TB,MISO,1,1,9,TBTEMP,20TBPT,,0.001848,400000000TBPT,,0.003518,700000000TBPT,,0.004785,800000000TBPT,,0.007711,900000000TBPT,,0.031708,1100000000TBPT,,0.148365,1300000000TBPT,,0.6054154生成anasas反應(yīng)軟件完成對(duì)解算文件的檢查修改后,通過(guò)ANSYS軟件file菜單中的“readinputfrom”命令將其讀入ANSYS進(jìn)行求解。求解完成后,提取的應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3。5ug在有限元分析中的應(yīng)用文章提出的基于UG預(yù)處理的ANSYS有限元分析方法,將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件UG與有限元分析軟件ANSYS結(jié)合起來(lái),在UG中完成實(shí)體模型的創(chuàng)建、有限元模型的生成、材料屬性的設(shè)置以及邊界條件和載荷的加載等預(yù)處理工作,并生成解算文件,將解算文件導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解。充分發(fā)