Ansys 準(zhǔn)備工作

1、準(zhǔn)備工作,第 5 章,January 30, 2001 Inventory #001441 5-2,準(zhǔn)備工作概述,在開(kāi)始ANSYS分析之前，您需要作一些決定，諸如分析類(lèi)型及所要?jiǎng)?chuàng)建模型的類(lèi)型。 在這一章，我們將討論這一過(guò)程的決策。目的是在您徹底進(jìn)入分析之前給您一個(gè)理想的總體規(guī)劃。 標(biāo)題如下： A. 哪一種分析類(lèi)型？ B. 模擬什么？ C. 采用哪一種單元類(lèi)型？,January 30, 2001 Inventory #001441 5-3,準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類(lèi)型？,分析類(lèi)型通常遵循以下原則： 結(jié)構(gòu)分析 實(shí)體的運(yùn)動(dòng)、壓力、接觸 熱分析 熱、高溫及溫度變化。 電磁場(chǎng)分析 裝置承受電流（交流或直流

2、）、電磁波、電壓或電荷激勵(lì) 流體分析： 氣體或液體的運(yùn)動(dòng)，或包容的氣體/流體 耦合場(chǎng)： 上述分析的任意組合 在這里，我們將集中討論結(jié)構(gòu)分析。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-4,準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類(lèi)型？,當(dāng)您選擇了結(jié)構(gòu)分析，接下來(lái)的問(wèn)題是： 靜力還是動(dòng)力分析？ 線性還是非線性分析？ 要回答這些問(wèn)題，先要知道物體承受什么樣的激勵(lì)（載荷），因?yàn)橄率鋈N類(lèi)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, 2001 Inventory #001441 5-5,準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類(lèi)型？,靜力與動(dòng)力分析的區(qū)別 靜力分析假定

3、只有剛度力是重要的。 動(dòng)力分析考慮所有三種類(lèi)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(gè)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(dòng)，必須進(jìn)行動(dòng)力分析,January 30, 2001 Inventory #001441 5-6,準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類(lèi)型？,如果施加的荷載隨時(shí)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(guò)載荷是否是時(shí)間相關(guān)來(lái)選擇是靜力還是動(dòng)力分析 如果在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)載荷是一個(gè)常數(shù)，請(qǐng)選擇靜態(tài)分析。 否則，選擇動(dòng)態(tài)分析 總之，如果激勵(lì)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, 2001 Inve

4、ntory #001441 5-7,準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類(lèi)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(duì)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(méi)有諸如兩物體接觸或分離時(shí)的剛度突變。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-8,準(zhǔn)備工作A. 哪種分析類(lèi)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(guò)彈性范圍（塑性） 大變形，例如承載的魚(yú)竿 兩體之間的接觸,January 30, 2001 Inventory #001441 5-9,準(zhǔn)備工作B. 模擬什么?,在建立一個(gè)分析

5、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(duì)稱(chēng)性？ 模型中是否有應(yīng)力奇異點(diǎn)？,January 30, 2001 Inventory #001441 5-10,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(duì)分析無(wú)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，對(duì)一些結(jié)構(gòu)的“細(xì)節(jié)”可能很重要，如倒角或孔洞處，將會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力。是否保留這些細(xì)節(jié)取決于你的分析目標(biāo)。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-11,準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,對(duì)稱(chēng)性 許多結(jié)構(gòu)在形狀上是對(duì)稱(chēng)的，這就允許只取其中有代表性的部分或截面

6、去建立模型。 應(yīng)用對(duì)稱(chēng)模型的主要優(yōu)點(diǎn)是： 通常更易于建立模型 允許你創(chuàng)建一個(gè)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, 2001 Inventory #001441 5-12,準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,要利用對(duì)稱(chēng)性，下列因素必須對(duì)稱(chēng)： 幾何形狀 材料屬性 荷載工況 幾種不同類(lèi)型的對(duì)稱(chēng)： 軸對(duì)稱(chēng) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng) 平面或鏡面對(duì)稱(chēng) 重復(fù)或平移對(duì)稱(chēng),January 30, 2001 Inventory #001441 5-13,準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,軸對(duì)稱(chēng) 沿一中心軸存在對(duì)稱(chēng)性，這類(lèi)結(jié)構(gòu)有：電燈泡，直管，圓錐體，圓盤(pán)和圓屋頂。 對(duì)稱(chēng)面就是旋轉(zhuǎn)形成結(jié)構(gòu)的橫截面，它可以在任何位置

7、。因此你可以用一個(gè)二維“薄片”（旋轉(zhuǎn)360）代表一個(gè)真實(shí)的模型形狀。,在多數(shù)情況下載荷被假定為軸對(duì)稱(chēng)。然而，如果荷載不存在軸對(duì)稱(chēng)性，并且是線性分析，可以將荷載分解為簡(jiǎn)諧分量進(jìn)行獨(dú)立求解，然后進(jìn)行疊加。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-14,準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng) 結(jié)構(gòu)由繞軸分布的幾個(gè)重復(fù)部分組成，諸如渦輪轉(zhuǎn)子。 只須對(duì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分建立模型。 載荷也被假定為沿軸是對(duì)稱(chēng)的。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-15,該模型表明反射及旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng),準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,平面或反射對(duì)稱(chēng) 結(jié)構(gòu)的一半與另一半成鏡

8、面映射關(guān)系，鏡面稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)平面 加載可以是關(guān)于對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng)或反對(duì)稱(chēng),January 30, 2001 Inventory #001441 5-16,該模型同時(shí)表明重復(fù)及反射對(duì)稱(chēng),準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,重復(fù)或平移對(duì)稱(chēng) 重復(fù)部分沿一直線排列，帶有均勻分布冷卻節(jié)的長(zhǎng)管等結(jié)構(gòu) 載荷也被假定為沿模型長(zhǎng)度方向“重復(fù)“。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-17,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(duì)稱(chēng)性。有時(shí)這些細(xì)節(jié)可以忽略（或認(rèn)為它們是對(duì)稱(chēng)的），進(jìn)而利用對(duì)稱(chēng)性的優(yōu)點(diǎn)建立更小的分析模型。這樣，計(jì)算結(jié)果的精度損失可能是難于估計(jì)的。

9、,January 30, 2001 Inventory #001441 5-18,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(wú)限大的點(diǎn)處。例如： 點(diǎn)荷載，如集中力或力矩作用處 孤立的約束點(diǎn)導(dǎo)致支反力如同點(diǎn)荷載。 尖角（零倒角半徑）處 在應(yīng)力奇異點(diǎn)處網(wǎng)格越細(xì)化，應(yīng)力值也隨之增加且不收斂,January 30, 2001 Inventory #001441 5-19,準(zhǔn)備工作 . 模擬什么?,真實(shí)結(jié)構(gòu)不包含應(yīng)力奇異。是對(duì)模型的簡(jiǎn)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(shí)通過(guò)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:

10、 在尖角處增加倒角重新進(jìn)行分析 代替點(diǎn)力載荷為等效壓力載荷 “散布” 位移約束至一個(gè)節(jié)點(diǎn)集,January 30, 2001 Inventory #001441 5-20,準(zhǔn)備工作 C. 何種單元類(lèi)型?,在開(kāi)始分析之前，確定單元類(lèi)型通常是很重要的。 典型問(wèn)題有： 哪種單元類(lèi)型？實(shí)體單元、殼單元、梁?jiǎn)卧取?單元階次。線性或二次單元。 網(wǎng)格密度。通常由分析目標(biāo)決定。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-21,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,單元類(lèi)別 ANSYS提供許多不同類(lèi)型的單元。經(jīng)常采用的單元有： 線單元 殼單元 二維實(shí)體單元 三維實(shí)體單元,January

11、 30, 2001 Inventory #001441 5-22,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,線單元: 梁?jiǎn)卧怯糜诼菟?，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或細(xì)長(zhǎng)薄膜構(gòu)件（只需膜應(yīng)力和彎應(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(zhǎng)構(gòu)件，或通過(guò)剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-23,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,殼單元: 殼單元用于薄板或曲面模型 殼單元分析應(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, 2001 Inventory #001

12、441 5-24,二維2-D 實(shí)體單元: 二維實(shí)體單元是用于模擬實(shí)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(duì)稱(chēng) 軸對(duì)稱(chēng)簡(jiǎn)諧,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,January 30, 2001 Inventory #001441 5-25,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)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(lái)分析諸如承受面內(nèi)荷載的平板，承受壓力或離心載荷的薄盤(pán)等結(jié)構(gòu)。,Jan

13、uary 30, 2001 Inventory #001441 5-26,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)諸如結(jié)構(gòu)梁,January 30, 2001 Inventory #001441 5-27,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,軸對(duì)稱(chēng)假定三維實(shí)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(duì)稱(chēng)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)變十分明顯。 軸對(duì)稱(chēng)分析用于壓力

14、容器、直管道、桿等結(jié)構(gòu)。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-28,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,諧單元是一種特殊情形的軸對(duì)稱(chēng)因?yàn)楹奢d不是軸對(duì)稱(chēng)的。 將軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)承受的非對(duì)稱(chēng)載荷分解成傅立葉級(jí)數(shù)，傅立葉級(jí)數(shù)的每一部分獨(dú)立進(jìn)行求解，然后再合并到一起。這種簡(jiǎn)化處理本身不具有任何近似！ 諧單元分析用于非對(duì)稱(chēng)的荷載結(jié)構(gòu)如承受扭矩的桿件。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-29,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,三維實(shí)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(wú)法采用更簡(jiǎn)單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu)。 也是用于從三

15、維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的幾何模型，把它轉(zhuǎn)化成為二維或殼體需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-30,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,單元階次 單元階次是指單元形函數(shù)的多項(xiàng)式階次 什么是形函數(shù)？ 它是一個(gè)給出單元內(nèi)結(jié)果形態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)。因?yàn)镕EA的解答只是求解節(jié)點(diǎn)自由度值。所以我們要通過(guò)形函數(shù)用節(jié)點(diǎn)自由度的值來(lái)描述單元內(nèi)任意點(diǎn)的值。 形函數(shù)總是根據(jù)給定的單元特性來(lái)設(shè)定。 每一個(gè)單元形函數(shù)反映單元真實(shí)特性的程度直接影響求解精度。這一點(diǎn)在下一幻燈片中詳細(xì)說(shuō)明,January 30, 2001 Inventory #001441 5-31,準(zhǔn)備

16、工作 . 何種單元類(lèi)型?,January 30, 2001 Inventory #001441 5-32,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,當(dāng)您選擇了單元類(lèi)型，您就選擇并接受了相應(yīng)單元類(lèi)型的單元形函數(shù)。所以在您選擇單元類(lèi)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(diǎn)，而二次單元還存在中節(jié)點(diǎn)。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-33,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,線單元 線性單元內(nèi)的位移按線性變化，因此（大多數(shù)時(shí)）單個(gè)單元上的應(yīng)力是不變的。 線性單元對(duì)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

17、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(gè)單元上的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的。 二次單元在描述曲線邊界或曲面時(shí)，要比線性單元更精確。而對(duì)單元扭曲變形不敏感。 如果您想得到高精度的應(yīng)力，請(qǐng)采用二次單元。 通常情況，它與線性單元相比，采用的單元個(gè)數(shù)和自由度個(gè)數(shù)較少，而得到的結(jié)果精度較高。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-34,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,注意: 對(duì)于殼模型，線性單元與二次單元的區(qū)別不如實(shí)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，

18、而且具有求解收斂自動(dòng)控制功能。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-35,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)型?,網(wǎng)格密度 有限元分析的基本原則是：?jiǎn)卧臄?shù)目（單元密度）越多，所得解答越逼近真實(shí)解答。 然而，隨著單元數(shù)目增加的同時(shí)，求解時(shí)間和所需計(jì)算機(jī)資源也急劇增加。 The objectives of the analysis usually decide which way the slider bar below should be moved. 有限元分析的目標(biāo)決定了下面的滑桿應(yīng)該如何移動(dòng),January 30, 2001 Inventory #001441 5-36,準(zhǔn)備工作 . 何種單元類(lèi)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(shí)應(yīng)細(xì)分網(wǎng)格 應(yīng)先論證應(yīng)力集中 模型中的任