附錄B3 高效率建模方法

1、 September 30, 1998B-58Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 與其它單個(gè)分析因素相比，選擇合適的載荷對你的分析結(jié)果影響更大。與其它單個(gè)分析因素相比，選擇合適的載荷對你的分析結(jié)果影響更大。 將載荷添加到模型上一般比確定是什么載荷要簡單的多。將載荷添加到模型上一般比確定是什么載荷要簡單的多。 September 30, 1998B-59Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 載荷載荷 包括邊界條件和內(nèi)外環(huán)境對物體的作用?？梢苑殖梢韵聨最悾喊ㄟ吔鐥l件和內(nèi)外環(huán)境對物體的作用?？?/p>

2、以分成以下幾類： 定義定義 自由度約束自由度約束 集中載荷集中載荷 面載荷面載荷 體載荷體載荷 慣性載荷慣性載荷 September 30, 1998B-60Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 自由度約束自由度約束就是給某個(gè)自由度就是給某個(gè)自由度(DOF)指定一已知數(shù)值指定一已知數(shù)值 (值不一定值不一定 是零是零)。 定義定義 September 30, 1998B-61Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 結(jié)構(gòu)分析中的固定位移結(jié)構(gòu)分析中的固定位移(零或者非零值零或者非零值) 。大多數(shù)自由

3、度約束用作：。大多數(shù)自由度約束用作： 對稱性邊界條件或者稱作對稱性邊界條件或者稱作“built-in”邊界條件邊界條件 指定剛體位移。指定剛體位移。 熱分析中的指定溫度。熱分析中的指定溫度。 舉例舉例 September 30, 1998B-62Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 對稱性或反對稱邊界對稱性或反對稱邊界 條件可以添加到線、條件可以添加到線、 面或平面的節(jié)點(diǎn)上。面或平面的節(jié)點(diǎn)上。 ( 它們中的每一個(gè)最后它們中的每一個(gè)最后 成為各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的一成為各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的一 組約束。組約束。) 在大多數(shù)情在大多數(shù)情 況下，況下，ANSYS將自動(dòng)

4、將自動(dòng) 確定約束的方向。確定約束的方向。 固定位移約束舉例固定位移約束舉例: 對稱邊界條件的添加對稱邊界條件的添加 September 30, 1998B-63Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 固定位移約束舉例固定位移約束舉例: 剛體位移約束剛體位移約束 1st point pinned- 3 translational constraints 2nd point constrained in both directions normal to line between 1st & 2nd constrained points 3rd p

5、oint constrained normal to plane passing through all 3 constrained points 該方塊上下面受壓。它需該方塊上下面受壓。它需 要仔細(xì)選擇要仔細(xì)選擇6個(gè)平移自由度個(gè)平移自由度 ，并約束它們的剛體運(yùn)動(dòng)，并約束它們的剛體運(yùn)動(dòng) ，但不能引起附加扭曲應(yīng)，但不能引起附加扭曲應(yīng) 力。力。 September 30, 1998B-64Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 集中載荷集中載荷 就是作用在模型的一個(gè)點(diǎn)上的載荷。就是作用在模型的一個(gè)點(diǎn)上的載荷。 定義定義 September 30,

6、1998B-65Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 結(jié)構(gòu)分析中的力和彎矩。結(jié)構(gòu)分析中的力和彎矩。 熱分析中熱流率。熱分析中熱流率。 集中載荷可以添加到節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)上。集中載荷可以添加到節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)上。(添加到關(guān)鍵點(diǎn)上的力將自動(dòng)添加到關(guān)鍵點(diǎn)上的力將自動(dòng) 轉(zhuǎn)化到相連的應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。轉(zhuǎn)化到相連的應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。) 舉例舉例 September 30, 1998B-66Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 集中載荷通常是向由梁集中載荷通常是向由梁(beam)、桿、桿(spars)和彈簧和彈簧(springs

7、)構(gòu)成的非連續(xù)性構(gòu)成的非連續(xù)性 的模型添加載荷的一種途徑。的模型添加載荷的一種途徑。 對于由殼單元對于由殼單元(shells)、平面單元、平面單元(XY plane elements)或者三維實(shí)體單元或者三維實(shí)體單元 (3-D solids)等組成連續(xù)性模型，集中載荷意味存在應(yīng)力奇異點(diǎn)。等組成連續(xù)性模型，集中載荷意味存在應(yīng)力奇異點(diǎn)。 你可以用等效集中載荷代替靜力分布載荷，并添加到模型上。你可以用等效集中載荷代替靜力分布載荷，并添加到模型上。 如果你不關(guān)心如果你不關(guān)心(集中載荷作用集中載荷作用)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，這樣做是可以接受的。節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，這樣做是可以接受的。 對于結(jié)構(gòu)分析而言對于結(jié)構(gòu)分析而言

8、 September 30, 1998B-67Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 面載荷面載荷 就是作用在單元表面上的分布載荷。就是作用在單元表面上的分布載荷。 定義定義 September 30, 1998B-68Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 結(jié)構(gòu)分析中的壓力。結(jié)構(gòu)分析中的壓力。 熱分析中的對流和熱流密度。熱分析中的對流和熱流密度。 面載荷可以添加到線或面上面載荷可以添加到線或面上 (實(shí)體模型上的實(shí)體實(shí)體模型上的實(shí)體)、以及節(jié)點(diǎn)或單元上、以及節(jié)點(diǎn)或單元上 。 作用在線或面上的面載

9、荷最終會(huì)傳到面內(nèi)各個(gè)單元上。作用在線或面上的面載荷最終會(huì)傳到面內(nèi)各個(gè)單元上。 舉例舉例 September 30, 1998B-69Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 在塊頂面上施加均布?jí)毫υ趬K頂面上施加均布?jí)毫?September 30, 1998B-70Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 變化面載荷情形變化面載荷情形 梯度梯度 在面載荷中可能在面載荷中可能 會(huì)使用到。你可以給一會(huì)使用到。你可以給一 按線性變化的面載荷指按線性變化的面載荷指 定一個(gè)梯度，例如水工定一個(gè)梯度，例如水工 結(jié)

10、構(gòu)在深度方向上受到結(jié)構(gòu)在深度方向上受到 靜水壓靜水壓。 September 30, 1998B-71Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 面載荷不是垂直于表面的情形面載荷不是垂直于表面的情形 某些類型的載荷只能作用在某些類型的載荷只能作用在 面效應(yīng)單元面效應(yīng)單元上，這些單元的作用是將載荷傳遞上，這些單元的作用是將載荷傳遞 到模型的其它單元：到模型的其它單元： 結(jié)構(gòu)實(shí)體單元結(jié)構(gòu)實(shí)體單元 的切向的切向 (或其它或其它 方向方向) 壓力。壓力。 實(shí)體熱單元的實(shí)體熱單元的 輻射描述。輻射描述。 September 30, 1998B-72Introd

11、uction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 體載荷體載荷 是分布于整個(gè)體內(nèi)或場內(nèi)的載荷。是分布于整個(gè)體內(nèi)或場內(nèi)的載荷。 定義定義 September 30, 1998B-73Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 結(jié)構(gòu)分析中的溫度載荷。結(jié)構(gòu)分析中的溫度載荷。 熱分析中生熱率。熱分析中生熱率。 電磁場分析中電流密度。電磁場分析中電流密度。 體載荷可以、添加到關(guān)鍵點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)上。體載荷可以、添加到關(guān)鍵點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)上。 (關(guān)鍵點(diǎn)上的體載荷最終將轉(zhuǎn)化成各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上的體載荷最終將轉(zhuǎn)化成各個(gè) 節(jié)點(diǎn)上的一組組體載荷。節(jié)點(diǎn)上的一組組體

12、載荷。) 舉例舉例 September 30, 1998B-74Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 體載荷分布復(fù)雜情形體載荷分布復(fù)雜情形 體載荷分布一般都很復(fù)雜，必體載荷分布一般都很復(fù)雜，必 須通過其它分析才能得到，例須通過其它分析才能得到，例 如通過熱應(yīng)力分析獲得溫度分如通過熱應(yīng)力分析獲得溫度分 布。在某些情況下，體載荷是布。在某些情況下，體載荷是 由當(dāng)前分析結(jié)果決定，這就需由當(dāng)前分析結(jié)果決定，這就需 要進(jìn)行耦合場分析。要進(jìn)行耦合場分析。 結(jié)構(gòu)分析模型上溫度分布結(jié)構(gòu)分析模型上溫度分布 September 30, 1998B-75Intro

13、duction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 慣性載荷慣性載荷 是由物體的慣性（質(zhì)量矩陣）引起的載荷，例如是由物體的慣性（質(zhì)量矩陣）引起的載荷，例如 重力加速度，加速度，以及角加速度。重力加速度，加速度，以及角加速度。 定義定義 September 30, 1998B-76Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 特點(diǎn)特點(diǎn) 慣性載荷只有結(jié)構(gòu)分析中有。慣性載荷只有結(jié)構(gòu)分析中有。 慣性載荷是對整個(gè)結(jié)構(gòu)定義的，是慣性載荷是對整個(gè)結(jié)構(gòu)定義的，是 獨(dú)立于實(shí)體模型和有限元模型的。獨(dú)立于實(shí)體模型和有限元模型的。 考慮慣性載荷就

14、必須定義材料密度考慮慣性載荷就必須定義材料密度 (材料特性材料特性DENS)。 繞繞Y軸的角速度軸的角速度 September 30, 1998B-77Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 簡化假定越少越好。簡化假定越少越好。 使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)保持吻合。使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)保持吻合。 準(zhǔn)則準(zhǔn)則 September 30, 1998B-78Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 分析一受垂直載荷的托架。分析一受垂直載荷的托架。 怎樣才能使模型左邊邊界在垂怎樣才能使模型

15、左邊邊界在垂 直方向上不存在運(yùn)動(dòng)？直方向上不存在運(yùn)動(dòng)？ 舉例舉例: 向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷 September 30, 1998B-79Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 你你可能可能 需要約束需要約束Y方向上的一個(gè)點(diǎn)方向上的一個(gè)點(diǎn) - 但這樣做會(huì)在約束點(diǎn)位置產(chǎn)生應(yīng)力奇但這樣做會(huì)在約束點(diǎn)位置產(chǎn)生應(yīng)力奇 異異. constrained point stress singularity 舉例舉例: 向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷 September 30, 1998B-80Introduction to ANSYS - Re

16、lease 5.5 (001128) 如果你將整個(gè)左邊邊界的垂直自由度全部約束，可能會(huì)更好些，但人為阻礙如果你將整個(gè)左邊邊界的垂直自由度全部約束，可能會(huì)更好些，但人為阻礙“ 泊松效應(yīng)泊松效應(yīng)”（即，一個(gè)方向上的應(yīng)力引起其它方向上的應(yīng)變），造成應(yīng)力場局（即，一個(gè)方向上的應(yīng)力引起其它方向上的應(yīng)變），造成應(yīng)力場局 部失真。部失真。 constrained edge 舉例舉例: 向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷 September 30, 1998B-81Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 事實(shí)上，并沒有很好的方法向該結(jié)構(gòu)上添加垂直約束。如果希

17、望得到精確的應(yīng)力事實(shí)上，并沒有很好的方法向該結(jié)構(gòu)上添加垂直約束。如果希望得到精確的應(yīng)力 ，在分析中還應(yīng)當(dāng)將托架的支撐部分考慮進(jìn)來。，在分析中還應(yīng)當(dāng)將托架的支撐部分考慮進(jìn)來。 舉例舉例: 向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷向結(jié)構(gòu)添加匹配載荷 September 30, 1998B-82Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 如果你沒法做得更好，只要其它位置結(jié)果正確也是可以認(rèn)為是正確如果你沒法做得更好，只要其它位置結(jié)果正確也是可以認(rèn)為是正確 的，但是你必須忽略的，但是你必須忽略“不合理不合理”邊界的附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。邊界的附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。 加載時(shí)，你必須

18、十分清楚各個(gè)加載對象。加載時(shí)，你必須十分清楚各個(gè)加載對象。 更小的托架模型能更好地確定更小的托架模型能更好地確定 孔周圍的應(yīng)力。孔周圍的應(yīng)力。 準(zhǔn)則準(zhǔn)則 September 30, 1998B-83Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 除了對稱邊界外，實(shí)際上不存在真正的剛性邊界。除了對稱邊界外，實(shí)際上不存在真正的剛性邊界。 不要忘記泊松效應(yīng)。不要忘記泊松效應(yīng)。 添加剛體運(yùn)動(dòng)約束添加剛體運(yùn)動(dòng)約束, 但不能添加過多的（其它）約束：但不能添加過多的（其它）約束： 一塊二維平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、梁或桿模一塊二維平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、梁或桿模 型至少需要三

19、個(gè)約束。型至少需要三個(gè)約束。 軸對稱模型至少需要一個(gè)（軸向）約束。軸對稱模型至少需要一個(gè)（軸向）約束。 三維實(shí)體或殼模型至少需要六個(gè)約束。三維實(shí)體或殼模型至少需要六個(gè)約束。 準(zhǔn)則準(zhǔn)則 X constraints Bracket 該模型邊界條該模型邊界條 件合理件合理? September 30, 1998B-84Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 實(shí)際上，集中載荷是不存在的。實(shí)際上，集中載荷是不存在的。 然而，只要你不關(guān)心集中載荷作用區(qū)域然而，只要你不關(guān)心集中載荷作用區(qū)域 的應(yīng)力，完全可以以集中載荷添加將載荷添加到模型上。的應(yīng)力，完全可以以

20、集中載荷添加將載荷添加到模型上。 這是一個(gè)帶有切口的受拉板這是一個(gè)帶有切口的受拉板 ，如果你只關(guān)心切口區(qū)域的，如果你只關(guān)心切口區(qū)域的 應(yīng)力，集中載荷加載是完全應(yīng)力，集中載荷加載是完全 可以的可以的。 準(zhǔn)則準(zhǔn)則 September 30, 1998B-85Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 軸對稱模型具有一些獨(dú)一軸對稱模型具有一些獨(dú)一 無二的邊界特性無二的邊界特性 。 在在360度的基礎(chǔ)上輸度的基礎(chǔ)上輸 入集中力和輸出反力入集中力和輸出反力 ，載荷大小等于整個(gè)，載荷大小等于整個(gè) 周向力的總和。周向力的總和。 軸對稱實(shí)體結(jié)構(gòu)，象軸對稱實(shí)體結(jié)構(gòu)，

21、象 實(shí)體桿件，應(yīng)當(dāng)約束實(shí)體桿件，應(yīng)當(dāng)約束 對稱軸方向上的自由對稱軸方向上的自由 度度UX， 限制理論上限制理論上 可能存在的不真實(shí)零可能存在的不真實(shí)零 變形。變形。 總集中力總集中力 = 2p pr = 47,124 lb. 準(zhǔn)則準(zhǔn)則 三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)二維模型二維模型 September 30, 1998B-86Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 簡化假定越少越好。簡化假定越少越好。 使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)保持吻合使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)保持吻合Statically 如果沒法做得更好，只要其它位置結(jié)果正確也是可以認(rèn)為使正確

22、的，但如果沒法做得更好，只要其它位置結(jié)果正確也是可以認(rèn)為使正確的，但 是你必須忽略是你必須忽略“不合理不合理”邊界的附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。邊界的附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。 加載時(shí)，必須十分清楚各個(gè)載荷的施加對象。加載時(shí)，必須十分清楚各個(gè)載荷的施加對象。 除了對稱邊界外，實(shí)際上不存在真正的剛性邊界。除了對稱邊界外，實(shí)際上不存在真正的剛性邊界。 不要忘記泊松效應(yīng)。不要忘記泊松效應(yīng)。 添加剛體運(yùn)動(dòng)約束添加剛體運(yùn)動(dòng)約束, 但不能添加過多的（其它）約束。但不能添加過多的（其它）約束。 實(shí)際上，集中載荷是不存在的。實(shí)際上，集中載荷是不存在的。 軸對稱模型具有一些獨(dú)一無二的邊界特性軸對稱模型具有一些獨(dú)一無二的邊

23、界特性 。 總結(jié)總結(jié) . 準(zhǔn)則準(zhǔn)則 September 30, 1998B-87Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128) 求解器求解器 的功能是求解關(guān)于結(jié)構(gòu)自由度的聯(lián)立線性方程組的功能是求解關(guān)于結(jié)構(gòu)自由度的聯(lián)立線性方程組 - 這個(gè)過程可能需這個(gè)過程可能需 要花費(fèi)幾分鐘要花費(fèi)幾分鐘(1,000個(gè)自由度個(gè)自由度)到幾個(gè)小時(shí)或者幾天到幾個(gè)小時(shí)或者幾天 (100,000 - 1,000,000 自由度自由度)，基本上取決于你所用計(jì)算機(jī)的速度。對于簡單分析，基本上取決于你所用計(jì)算機(jī)的速度。對于簡單分析 ，可能需要一、兩次求解。對于復(fù)雜的瞬態(tài)或非線性分析，可

24、能需要進(jìn)，可能需要一、兩次求解。對于復(fù)雜的瞬態(tài)或非線性分析，可能需要進(jìn) 行幾十次、幾百次、或者甚至幾千次求解。行幾十次、幾百次、或者甚至幾千次求解。 ANSYS提供了三個(gè)求解器用于一般求解：提供了三個(gè)求解器用于一般求解：波前求解器波前求解器（Frontal solver）和）和 PCG求解器（求解器（ PCG solver）（預(yù)條件預(yù)條件共扼梯度共扼梯度, 或者或者 “Power求解器求解器” ）。稀疏矩陣求解器（）。稀疏矩陣求解器（Sparse solver） 也可以使用，主要用于非線性也可以使用，主要用于非線性 問題。問題。 September 30, 1998B-88Introducti

25、on to ANSYS - Release 5.5 (001128) 下面是二者的差別對比表：下面是二者的差別對比表： CharacteristicFrontal SolverPCG Solver ANSYS “status”user choosesuser chooses year introduced in ANSYS19701994 method of solutionGaussian eliminationiterative will you get an answer?yes, if stiffness matrix is not singular yes, if stiffness

26、 matrix is not too badly conditioned behavior with poorly posed problem might solve, abort, and/or give useful info about difficulty might solve, might fail to converge accuracy of solutionwell beyond needs of FEA (other assumptions affect results more) any solution obtained meets specified input to

27、lerance on residual force typical demonstrated speed- 1,000 DOF -similar to frontal solver speed- 10,000 DOF- 3 times faster than frontal speed- 100,000 DOF- 10 times faster than frontal speed- 200,000 DOF- 50 times faster than frontal disk used- 10,000 DOFnot an issue- disk used- 100,000 DOF1,000 - 2,000 MB200 - 300 MB disk used- 200,000 DOF5,000 - 10,000 MB700 - 1,000 MB memory required for maximum speed not an issueconservative guideline is 100 MB available RAM per 100,000 DOF (if not enough RAM, so