ANSYS-Workbench-后處理.ppt

1、ANSYS Workbench靜力學有限元分析前、后處理技術,主講人：張兵 2014年12月12日,ANSYS Workbench有限元分析流程：,確定分析類型,導入CAD模型,設置材料屬性,設置接觸關系,劃分網格,添加載荷以及約束,求解選項定義,分析求解,結果后處理,生成有限元分析報告,主要內容,一、靜力學有限元分析的前處理技術 材料屬性 載荷及約束的施加 單/多載荷步靜力求解 二、靜力學有限元分析的后處理技術 分析求解方法 結果查看 分析結果處理 實例操作講解 三、練習,一、前處理技術,前處理是創(chuàng)建分析模型的階段，也是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數(shù)來分片

2、地表示求解域上待求的未知場函數(shù)的過程。 在正確建立單元類型、施加載荷及邊界條件的材料類型、定義求解器所需的控制卡片等各類滿足求解所需的必要信息后，即可得到求解器可以識別的模型文件，然后提交求解器進行解算。,一、前處理技術,在工具箱中的Analysis SystemStatic Structural上按住鼠標左鍵拖曳到項目管理區(qū)中，當項目A的Symmetry紅色高亮顯示時，放開鼠標創(chuàng)建項目B，此時相關聯(lián)的項數(shù)據(jù)可共享，如下圖所示。,建立分析項目,一、前處理技術,1.1材料屬性定義,一、前處理技術,添加材料庫,(1)雙擊項目A中的A2欄Engineering Data項，進入下圖所示的材料參數(shù)設置

3、界面，在該界面下即可進行材料參數(shù)設置。,一、前處理技術,添加材料庫,(2)在界面的空白處單擊鼠標右鍵，彈出快捷菜單中選擇Engineering Data Sources（工程數(shù)據(jù)源），此時的界面會變?yōu)槿缦聢D所示的界面。,一、前處理技術,添加材料庫,(3)在Engineering Data Sources表中選擇A3欄General Materials，然后單擊Outline of Favorites表中A11欄Stainless Steel（不銹鋼）后的B11欄的（添加），此時在C11欄中會顯示（使用中的）標識，如下圖左所示，標識材料添加成功。 (4)在Properties of Outlin

4、e Row 11:Stainless Steel表中顯示出材料的特性，如下圖右所示。 (5)單擊工具欄中的按鈕，返回到Workbench主界面，材料庫添加完畢。,添加材料圖,材料參數(shù)窗口,一、前處理技術,由于慣性載荷作用在整個系統(tǒng)中，常常與結構的質量有關，因此材料屬性中必須有密度！,一、前處理技術,添加模型材料屬性,添加材料圖,添加材料后的分析樹,一、前處理技術,1.2 載荷施加與約束, 慣性載荷 這些載荷作用在整個系統(tǒng)中 需要用到質量的時候密度是必須的 結構載荷 這種載荷是作用在系統(tǒng)部分結構上的力或者力矩 結構約束 這些是利用約束來限制結構部件在一定范圍內的移動，也就是限制結構的自由度 熱載

5、荷 從結構上講，熱載荷會產生溫度區(qū)域并且在整個模型上引起熱擴散。,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,慣性載荷（Inertial） 是通過施加加速度實現(xiàn)的，在程序內部加速度是通過慣性力施加到結構上的，而慣性力的方向與所施加的加速度方向恰好相反，因為慣性力是阻止加速度所產生的變化的，一定要牢記這一點！,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,結構載荷（Inertial） 是作用在系統(tǒng)或部件結構上的力或力矩。力載荷集成到了結構分析的Loads子菜單中。,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,力和壓力載荷 力載荷（Force

6、） 力可以施加在結構頂點、邊緣或者表面等位置，且施加的力將分布到整個結構中去，當一個力施加到兩個同樣的表面上時，每個表面將承受這個力的一半，可以定義矢量、大小以及分量來施加。 壓力載荷（Pressure） 壓力載荷只能施加在表面，并且方向通常與表面的法向方向一致，正值代表進入表面，負值代表從表面出來。,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,遠端載荷（Remote Force）,遠端載荷是在幾何模型的表面或邊上施加偏置的力，并設定力的初始位置，力可以通過矢量和大小或分量來定義。若在某面上施加一遠端載荷后，則相當于在這個面上得到一個等效力和偏置所引起的力矩，而這個力分布在表面上，但是包括由于力偏置

7、而引起的外力偶矩。,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,軸承載荷僅適用于圓柱形表面。其徑向分量將根據(jù)投影面積來分布壓力載荷，而軸向載荷分量則沿著圓周均勻分布。載荷可以通過矢量和幅值來定義。,軸承載荷（Bearing Load）,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,螺栓載荷就是在圓柱截面上施加預緊載荷以模擬螺栓連接，且預緊載荷值只能使用在3D模擬中加載，還需要定義一個以Z軸為主方向的局部坐標系。,螺栓載荷（Bolt Pretension）,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,力矩可以施加在任意模型表面，實體表面的點上或邊緣處。假如選擇了多個表面，那么力矩將分攤在這些表面上?？梢酝ㄟ^矢量及其

8、大小定義，遵守右手螺旋定則。,力矩（Moment）,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,線壓力就是在三維模型中通過載荷密度形式給一邊施加分布載荷，其定義方式有幅值和向量、幅值和分量方向（總體或局部坐標系）、幅值和切向3種。,線壓力（Line Pressure）,一、前處理技術,1.2.1 載荷類型,熱載荷可以施加在模型上，任何溫度載荷都可以施加，但在結構分析中施加一個均勻溫度載荷，必須制定一個參考溫度。 在Mechanical中通常先進行熱分析，然后在結構分析時將計算所得到的溫度作為外載荷輸入。,熱載荷（Thermal Condition）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,固定約束,位

9、移約束,僅壓縮約束,無摩擦支撐約束,遠端位移約束,彈性支撐約束,圓柱面約束,約束方程,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,固定約束可以加載于實體、頂點、邊緣、面、殼或者梁上，從而約束相對應單元的自由度。,固定約束（Fixed Support）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,在加載給定位移時要注意： -可以在頂點、體邊緣或面上加載已知位移 -允許在x、y和z方向給予強制位移 -當輸入“0”值時，代表此方向上被約束 -如果不設定某個方向的值則意味著實體在這個方向上自由運動,位移約束（Displacement）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,遠端位移允許在空間中的任意一個遠程位置應

10、用平動和旋轉位移。需要通過點取或輸入坐標值定義遠端的定位點，默認位置為模型質心，通常用局部坐標施加轉角。,遠端位移約束（Remote Displacement）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,無摩擦約束實際是在面上施加了法向約束。對稱實體受到對稱的外載時，這個約束可以作為對稱面的邊界條件，因為對稱面等同于約束了法向位移。,無摩擦支撐（Frictionless Support）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,僅壓縮約束是指給幾何體表面施加只有方法向壓縮的約束，這個約束僅限制這個表面在法向正方向的約束，在Mechanical內部計算時需要進行迭代求解。,僅壓縮約束（compress

11、ion only support）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,圓柱面約束施加在圓柱表面，可以指定是軸向、徑向或者切向約束，如下圖所示。注意：該約束僅僅適用于小變形（線性）分析。,圓柱面約束（Cylindrical Support）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,彈性支承允許面或邊根據(jù)彈簧行為產生移動或變形。彈性支承基于定義的基礎剛度【Foundation Stiffness】，即產生基礎單位法向變形的壓力值。,彈性支承（Elastic Support）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,簡支約束僅用于面體或線體模型的3D模擬，可以施加在梁或殼體的邊或者頂點上，限制平移，

12、但是所有旋轉都是自由的。,簡支約束（Simply Support）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,可以施加在殼或梁的表面、邊或者頂點上，約束旋轉，但是平移不限制。,固定轉動（Fixed Rotation）,一、前處理技術,1.2.2 約束類型,通常分析模型中，通過建立零件或接觸條件建立不同自由度之間的關系，但有時也需要構造特殊的幾何特征，比如等勢面，此時可以使用耦合邊界條件在一組表面/邊/點上創(chuàng)建耦合自由度，耦合約束組中所有成員的結果是相同的。耦合也可用于熱和電場環(huán)境。同一個幾何實體只能定義一個耦合自由度，耦合約束不能施加在有自由度約束的幾何實體上。,耦合（Coupling）,一、前處

13、理技術,1.2.2 約束類型,約束方程可以建立模型不同部分之間的運動關系，利用方程將一個或多個遠端點自由度聯(lián)系起來。約束方程為自由度值的線性組合，方程中的每一項為系數(shù)與遠端自由度的乘積，線性組合的綜合可以為非零值。,約束方程（Constraint Equation）,一、前處理技術,附: 命名選擇集,命名選擇集允許把點，邊，面或實體組合在一起。 它可用于網格加密控制，施加載荷和約束等。 為需要經常選擇的幾何集提供了一個簡便方法 定義接觸域 指定結果 等,命名選擇集工具欄為組合幾何實體提供了很好的功能：,一、前處理技術,附: 命名選擇集,創(chuàng)建命名選擇集： 選擇感興趣的點、邊、面或實體，然后右擊鼠

14、標選擇Create Named Selection 圖標 新的命名集將出現(xiàn)在Outline Tree（大綱樹）下。 提示： 在一個指定的命名選擇集里只允許出現(xiàn)一種實體類型。例如，在相同的命名集里就不能同時出現(xiàn)點和邊。,一、前處理技術,附: 命名選擇集,在很多細節(jié)窗口中可以直接引用命名選擇集： 示例（壓載荷）： 在Details of Pressure中，把Method由Geometry Selection換成Named Selection 從下拉菜單中選擇Named Selection 模擬時會過濾掉不能使用的命名選擇集類型,一、前處理技術,附: 坐標系,Coordinate Systems通

15、常默認的是不顯示，但是可以進行添加得到。,Coordinate systems 可用于網格控制、質量點、指定方向的載荷和結果。 基于CAD原始模型，開始就添加了Global Coordinate System（整體坐標系）。 ？ 可以從CAD系統(tǒng)中導入Local Coordinate Systems（局部坐標系）,一、前處理技術,附: 坐標系,坐標系可以通過點擊環(huán)境工具欄上的Coordinate System圖標 可以是直角坐標或柱坐標 在定義了坐標系以后，就會出現(xiàn)相應的工具欄。,可以通過下面任意一種方式定義局部坐標系： 選擇幾何（結合坐標系Associative Coordinate Sys

16、tem）。坐標系會移動到幾何上，它的平移和旋轉都依賴于幾何模型。 指定坐標（沒有結合坐標系Non-Associative Coordinate System）。坐標系將保持原有的定義：它獨立于幾何模型.,一、前處理技術,附: 坐標系,在各種應用中的細節(jié)窗口的下拉菜單中都可以使用坐標系（見下面例子）：,指定方向,影響球尺寸,質量點,指定方向載荷,指定方向位移,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,存在多個部件時，需要確定部分之間的相互關系。 接觸區(qū)域定義部件是如何相互作用的。 若不進行接觸或點焊設置，部件將不會相互影響： 在結構分析，接觸和點焊防止部件防止部件的相互滲透，同時也提供了

17、部件之間荷載傳遞的方法。 在熱分析，接觸和點焊允許部件之間的熱傳遞。 多體部件不需要接觸或點焊。,表面接觸單元可以看作是“皮膚”，它覆蓋的地區(qū)將發(fā)生接觸。,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,接觸【Contacts】包括面/面、面/邊、邊/邊之間的接觸【Contact】和點焊接觸【Spot Weld】。當裝配體輸入時，兩個零件之間自動形成接觸，接觸連接可以傳遞結構載荷和熱流，根據(jù)接觸類型，分析可以是線性或非線性的。,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,接觸區(qū)域控制,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,Bonded（綁定）: 這是AWE中關于接觸的默認設

18、置。如果接觸區(qū)域被設置為綁定，不允許面或線間有相對滑動或分離?？梢詫⒋藚^(qū)域看做被連接在一起。因為接觸長度/面積是保持不變的，所以這種接觸可以用作線性求解。如果接觸是從數(shù)學模型中設定的，程序將填充所有的間隙，忽略所有的初始滲透。,Frictionless（無摩擦）: 這種接觸類型代表單邊接觸，即，如果出現(xiàn)分離則法向壓力為零。只適用于面接觸。因此，根據(jù)不同的載荷，模型間可以出現(xiàn)間隙。它是非線性求解，因為在載荷施加過程中接觸面積可能會發(fā)生改變。假設摩擦系數(shù)為零，因此允許自由滑動。使用這種接觸方式時，需注意模型約束的定義，防止出現(xiàn)欠約束。程序會給裝配體加上弱彈簧，幫助固定模型，以得到合理的解。,一、前

19、處理技術,1.3 接觸（Contacts）,Rough（粗糙的）: 這種接觸方式和無摩擦類似。但表現(xiàn)為完全的摩擦接觸，即沒有相對滑動。只適用于面接觸。默認情況下，不自動消除間隙。這種情況相當于接觸體間的摩擦系數(shù)為無窮大。,Frictional（有摩擦）: 這種情況下，在發(fā)生相對滑動前，兩接觸面可以通過接觸區(qū)域傳遞一定數(shù)量的剪應力。有點像膠水。模型在滑動發(fā)生前定義一個等效的剪應力，作為接觸壓力的一部分。一旦剪應力超過此值，兩面將發(fā)生相對滑動。只適用于面接觸。摩擦系數(shù)可以是任意非負值。,No Separation（不分離）: 這種接觸方式和綁定類似。它只適用于面。不允許接觸區(qū)域的面分離，但是沿著接

20、觸面可以有小的無摩擦滑動。（不支持顯示動力學）,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,輸入裝配體，自動檢測接觸面并生成接觸對: 臨近面用于檢測接觸狀態(tài)。接觸探測公差在“Connections”分支細節(jié)可以看到。 接觸也是使用的二維幾何體。接觸“面”是指的邊界。 某些許可允許表面到邊緣，邊緣到邊緣和混合體/面接觸。,請注意，需要在進行分析之前檢查自動生成的接觸對。,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,在“contact”分支點擊某個接觸對，構成這個接觸對的部件就會變成透明的，以便觀察。 選取一個接觸對，與該接觸對無關的部件變成透明的。 透明度可以通過“Tools Opt

21、ions Simulation:Contact: Transparency”控制.,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,選擇“contact”和“target”面手動定義接觸對。,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,高級接觸： 對ANSYS Professional許可和以上，高級接觸操作是可行的： 自動檢測尺寸和滑動 不對稱接觸 接觸結果工具 更多接觸可用公式 Pinball 控制,一、前處理技術,1.3 接觸（Contacts）,Pinball 區(qū)域表示接觸探測區(qū)域： 當接觸間隙在pinball 半徑內時進行接觸計算/檢測。 可輸入Pinball半徑尺寸，以確保

22、粘性接觸是一個大間隙或裂口問題成立。 Pinball半徑以球形顯示在圖形窗口中。 四種接觸狀態(tài)：近場，遠場，關閉/滑動，關閉/粘著。,一、前處理技術,練習：,目標:研究多種接觸的行為。,一、前處理技術,載荷步設置,1.4 單/多載荷步靜力求解,二、后處理技術,插入結果,2.1分析求解方法,選取應力分支的模板，一些結果已經默認被要求，然而，用戶可以根據(jù)需要要求別的結果 選擇“Insert Results” 插圖顯示出怎樣進行添加,二、后處理技術,結果求解,2.1分析求解方法,定義了材料，施加載荷和約束，添加結果后，模型便做好了求解的準備了 選擇“Solve”后，出現(xiàn)一個插圖，告訴用戶已經開始求解

23、,二、后處理技術,2.2 分析結果查看,求解完成后，用戶可以查看到結果 結果的種類取決于分析的類型 云圖、矢量圖、動畫都可以,二、后處理技術,2.3 分析結果處理,動畫控制,顯示模式,云圖設置,輪廓線顯示,最大/小值顯示,數(shù)值探測工具,輸出AVI,二、后處理技術,位移縮放比例,對于結構分析(靜態(tài)、模態(tài)、屈曲), 模型的變形情況將發(fā)生變化 在默認狀態(tài)下, 為了更清楚的看到結構的變化，比例系數(shù)自動被放大 用戶能夠改變?yōu)閷嶋H變形情況,自動位移縮放系數(shù),無位移縮放系數(shù),二、后處理技術,位移縮放比例,“Geometry” 按鈕控制云圖顯示方法.,Exterior,IsoSurfaces,Capped I

24、soSurfaces,二、后處理技術,云圖設置,“Contours” 按鈕控制控制模型的云圖顯示,Smooth Contours,Contours Bands,Isolines,Solid Fill,二、后處理技術,輪廓顯示,“Contours” 按鈕控制控制模型的云圖顯示,No Wireframe,Show Undeformed Wireframe,Show Undeformed Model,Show Element,二、后處理技術,Probe工具,Probe 工具允許指定特定位置的結果并使其參數(shù)化。 Probe 工具可限定于幾何模型，局部坐標系或使用遠程點來指定。 結果的方向可以以整體或局部坐標系指定。,二、后處理技術,Probe工具,Probe 工具示例： 如圖定義局部坐標系 Probe 設置在局部坐標系上 指定所有應力結果,局部坐標系,Probe位置,二、后處理技術,圖形和表格,把多分析步（靜態(tài)或瞬態(tài)）的結果數(shù)據(jù)聯(lián)合成圖形或表格的形式： 選擇New