Ansys 準備工作

1、準備工作,第 5 章,January 30, 2001 Inventory #001441 5-2,準備工作概述,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，我們將討論這一過程的決策。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。 標題如下： A. 哪一種分析類型？ B. 模擬什么？ C. 采用哪一種單元類型？,January 30, 2001 Inventory #001441 5-3,準備工作A. 哪種分析類型？,分析類型通常遵循以下原則： 結(jié)構(gòu)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 裝置承受電流（交流或直流

2、）、電磁波、電壓或電荷激勵 流體分析： 氣體或液體的運動，或包容的氣體/流體 耦合場： 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,準備工作A. 哪種分析類型？,當您選擇了結(jié)構(gòu)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（載荷），因為下述三種類型的力決定了它的響應 靜力（剛度） 慣性力（質(zhì)量） 阻尼力,January 30, 2001 Inventory #001441 5-5,準備工作A. 哪種分析類型？,靜力與動力分析的區(qū)別 靜力分析假定

3、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：考慮跳水板的分析 如果潛水者靜止地站在跳水板上，做一個靜力分析已經(jīng)足夠了。 但是如果潛水者在跳水板上下跳動，必須進行動力分析,January 30, 2001 Inventory #001441 5-6,準備工作A. 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常是重要的 因此可以通過載荷是否是時間相關(guān)來選擇是靜力還是動力分析 如果在相對較長的時間內(nèi)載荷是一個常數(shù)，請選擇靜態(tài)分析。 否則，選擇動態(tài)分析 總之，如果激勵頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3，則可以進行靜力分析。,January 30, 2001 Inve

4、ntory #001441 5-7,準備工作A. 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(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)的應變和應力 沒有諸如兩物體接觸或分離時的剛度突變。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-8,準備工作A. 哪種分析類型？,如果加載引起結(jié)構(gòu)剛度的顯著變化，必須進行非線性分析。引起結(jié)構(gòu)剛度顯著變化的典型因素有： 應變超過彈性范圍（塑性） 大變形，例如承載的魚竿 兩體之間的接觸,January 30, 2001 Inventory #001441 5-9,準備工作B. 模擬什么?,在建立一個分析

5、模型之前，必須進行許多建模的決策： 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？,January 30, 2001 Inventory #001441 5-10,準備工作 . 模擬什么?,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，可以抑制這些細節(jié)。 但是，對一些結(jié)構(gòu)的“細節(jié)”可能很重要，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)取決于你的分析目標。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-11,準備工作 . 模擬什么?,對稱性 許多結(jié)構(gòu)在形狀上是對稱的，這就允許只取其中有代表性的部分或截面

6、去建立模型。 應用對稱模型的主要優(yōu)點是： 通常更易于建立模型 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(jié)果,January 30, 2001 Inventory #001441 5-12,準備工作 . 模擬什么?,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 幾種不同類型的對稱： 軸對稱 旋轉(zhuǎn)對稱 平面或鏡面對稱 重復或平移對稱,January 30, 2001 Inventory #001441 5-13,準備工作 . 模擬什么?,軸對稱 沿一中心軸存在對稱性，這類結(jié)構(gòu)有：電燈泡，直管，圓錐體，圓盤和圓屋頂。 對稱面就是旋轉(zhuǎn)形成結(jié)構(gòu)的橫截面，它可以在任何位置

7、。因此你可以用一個二維“薄片”（旋轉(zhuǎn)360）代表一個真實的模型形狀。,在多數(shù)情況下載荷被假定為軸對稱。然而，如果荷載不存在軸對稱性，并且是線性分析，可以將荷載分解為簡諧分量進行獨立求解，然后進行疊加。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-14,準備工作 . 模擬什么?,旋轉(zhuǎn)對稱 結(jié)構(gòu)由繞軸分布的幾個重復部分組成，諸如渦輪轉(zhuǎn)子。 只須對結(jié)構(gòu)的一個部分建立模型。 載荷也被假定為沿軸是對稱的。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-15,該模型表明反射及旋轉(zhuǎn)對稱,準備工作 . 模擬什么?,平面或反射對稱 結(jié)構(gòu)的一半與另一半成鏡

8、面映射關(guān)系，鏡面稱為對稱平面 加載可以是關(guān)于對稱面對稱或反對稱,January 30, 2001 Inventory #001441 5-16,該模型同時表明重復及反射對稱,準備工作 . 模擬什么?,重復或平移對稱 重復部分沿一直線排列，帶有均勻分布冷卻節(jié)的長管等結(jié)構(gòu) 載荷也被假定為沿模型長度方向“重復“。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-17,準備工作 . 模擬什么?,在某些情況下，僅僅是那些較次要的結(jié)構(gòu)細節(jié)破壞了結(jié)構(gòu)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。這樣，計算結(jié)果的精度損失可能是難于估計的。

9、,January 30, 2001 Inventory #001441 5-18,準備工作 . 模擬什么?,應力奇異 應力奇異是指在有限元模型中那些應力值無限大的點處。例如： 點荷載，如集中力或力矩作用處 孤立的約束點導致支反力如同點荷載。 尖角（零倒角半徑）處 在應力奇異點處網(wǎng)格越細化，應力值也隨之增加且不收斂,January 30, 2001 Inventory #001441 5-19,準備工作 . 模擬什么?,真實結(jié)構(gòu)不包含應力奇異。是對模型的簡化假定虛構(gòu)的 如何處理應力奇異? 如果離感興趣區(qū)域較遠，可以在查看結(jié)果時通過不激活受影響的區(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行分析 代替點力載荷為等效壓力載荷 “散布” 位移約束至一個節(jié)點集,January 30, 2001 Inventory #001441 5-20,準備工作 C. 何種單元類型?,在開始分析之前，確定單元類型通常是很重要的。 典型問題有： 哪種單元類型？實體單元、殼單元、梁單元等。 單元階次。線性或二次單元。 網(wǎng)格密度。通常由分析目標決定。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-21,準備工作 . 何種單元類型?,單元類別 ANSYS提供許多不同類型的單元。經(jīng)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,January

11、 30, 2001 Inventory #001441 5-22,準備工作 . 何種單元類型?,線單元: 梁單元是用于螺栓，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或細長薄膜構(gòu)件（只需膜應力和彎應力的情況）等模型。 桿單元是用于彈簧、螺桿、預應力螺桿和薄膜桁架等模型。 彈簧單元是用于彈簧螺桿、或細長構(gòu)件，或通過剛度等效替代復雜結(jié)構(gòu)等模型。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-23,準備工作 . 何種單元類型?,殼單元: 殼單元用于薄板或曲面模型 殼單元分析應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 實體單元: 二維實體單元是用于模擬實體的截面 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（位移）也在X-Y平面內(nèi) 單元特性如下： 平面應力 平面應變 軸對稱 軸對稱簡諧,準備工作 . 何種單元類型?,January 30, 2001 Inventory #001441 5-25,準備工作 . 何種單元類型?,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方向允許選擇厚度。 平面應力分析是用來分析諸如承受面內(nèi)荷載的平板，承受壓力或離心載荷的薄盤等結(jié)構(gòu)。,Jan

13、uary 30, 2001 Inventory #001441 5-26,準備工作 . 何種單元類型?,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。 平面應變分析適用于分析等截面細長結(jié)構(gòu)諸如結(jié)構(gòu)梁,January 30, 2001 Inventory #001441 5-27,準備工作 . 何種單元類型?,軸對稱假定三維實體模型及其載荷是由二維橫截面繞Y軸旋轉(zhuǎn)360 形成的。 對稱軸必須和整體Y軸重合 不允許有負的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

14、容器、直管道、桿等結(jié)構(gòu)。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-28,準備工作 . 何種單元類型?,諧單元是一種特殊情形的軸對稱因為荷載不是軸對稱的。 將軸對稱結(jié)構(gòu)承受的非對稱載荷分解成傅立葉級數(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！ 諧單元分析用于非對稱的荷載結(jié)構(gòu)如承受扭矩的桿件。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-29,準備工作 . 何種單元類型?,三維實體單元: 用于那些由于幾何、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(jié)構(gòu)。 也是用于從三

15、維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過來的幾何模型，把它轉(zhuǎn)化成為二維或殼體需要花費大量的時間和精力。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-30,準備工作 . 何種單元類型?,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)？ 它是一個給出單元內(nèi)結(jié)果形態(tài)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(nèi)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,January 30, 2001 Inventory #001441 5-31,準備

16、工作 . 何種單元類型?,January 30, 2001 Inventory #001441 5-32,準備工作 . 何種單元類型?,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。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-33,準備工作 . 何種單元類型?,線單元 線性單元內(nèi)的位移按線性變化，因此（大多數(shù)時）單個單元上的應力是不變的。 線性單元對單元扭曲變形很敏感。 如果你只想得到名義應力結(jié)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

17、單元,二次單元 二次單元內(nèi)的位移是二次變化的，因此單個單元上的應力狀態(tài)是線性變化的。 二次單元在描述曲線邊界或曲面時，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(jié)果精度較高。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-34,準備工作 . 何種單元類型?,注意: 對于殼模型，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(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控制功能。,January 30, 2001 Inventory #001441 5-35,準備工作 . 何種單元類型?,網(wǎng)格密度 有限元分析的基本原則是：單元的數(shù)目（單元密度）越多，所得解答越逼近真實解答。 然而，隨著單元數(shù)目增加的同時，求解時間和所需計算機資源也急劇增加。 The objectives of the analysis usually decide which way the slider bar below should be moved. 有限元分析的目標決定了下面的滑桿應該如何移動,January 30, 2001 Inventory #001441 5-36,準備工作 . 何種單元類型?,如果你想得到高精度的應力，你應考慮： 在結(jié)構(gòu)上有精度要求的位置不能忽略幾何細節(jié)，此時應細分網(wǎng)格 應先論證應力集中 模型中的任