ANSYS學(xué)習(xí)-第04講-基本規(guī)劃

1、基本規(guī)劃第四講基本規(guī)劃概述在開始ANSYS分析之前，您需要作一些決定，諸如分析類型及所要?jiǎng)?chuàng)建模型的類型。在這一章，我們將討論一些有關(guān)這一決策過程的問題，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。有關(guān)這一決策過程的問題如下：A. 選擇哪種分析類型? B. 如何處理模型?C. 選擇哪種單元類型?2003年5月基本規(guī)劃A. 選擇哪種分析類型？分析類型包括以下類型：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。電磁場分析：承受電流(交流或直流)、電磁波以及電壓或電荷作用的裝置。 流體分析： 氣體或液體的運(yùn)動(dòng)。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。20

2、03年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?當(dāng)您選擇了結(jié)構(gòu)分析，接下來的問題是：靜力還是動(dòng)力分析？線性還是非線性分析？要回答這些問題，先要知道物體承受什么樣的激勵(lì)（荷載），因?yàn)橄率鋈N類型的力決定了它的反應(yīng)靜力（由剛度產(chǎn)生）慣性力（由質(zhì)量產(chǎn)生）阻尼力2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?靜力與動(dòng)力分析的區(qū)別靜力分析假定只有剛度力是重要的。動(dòng)力分析考慮所有三種類型的力。例如：考慮跳板的分析如果跳水運(yùn)動(dòng)員靜止地站在跳板上，我們可以充分認(rèn)為這是一個(gè)靜態(tài)分析。但是如果跳水運(yùn)動(dòng)員在跳板上上下跳動(dòng)，您必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?如果施加的荷載隨時(shí)間快速變化，則慣性力和阻尼力通

3、常是重要的。因此你可以通過使用是否隨時(shí)間變化的荷載在靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析之間進(jìn)行選擇。如果在相對較長的時(shí)間內(nèi)荷載是一個(gè)常數(shù)，請選擇靜態(tài)分析。否則，選擇動(dòng)態(tài)分析如果激勵(lì)頻率小于結(jié)構(gòu)基頻的1/3，則進(jìn)行靜態(tài)分析。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?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)力剛度無突然變化，例如在兩物體接觸或分離時(shí)。StrainStressElastic modulus(EX)2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種分析類型?如果加載引起結(jié)構(gòu)剛度的顯著變化，必須進(jìn)行非線性分析。剛度顯著變化的典型原因有：應(yīng)變超出彈性范圍（塑性

4、）大變形，例如承載的魚竿兩物體之間的接觸StrainStress2003年5月基本規(guī)劃B. 如何處理模型?在建立一個(gè)分析模型之前，必須對模型進(jìn)行規(guī)劃。應(yīng)該考慮多少細(xì)節(jié)？是否應(yīng)用對稱性？模型中是否有應(yīng)力奇異點(diǎn)？2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?細(xì)節(jié)在分析模型中不應(yīng)該包括對分析無足輕重的細(xì)節(jié)。從CAD系統(tǒng)讀取模型到ANSYS之前，你可以取消一些特性。但是，在一些結(jié)構(gòu)的“細(xì)節(jié)”如倒角或孔洞處，將會出現(xiàn)最大應(yīng)力，是否保留這些細(xì)節(jié)取決于你所分析的目標(biāo)，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?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斷面去建立模型。應(yīng)用對稱模型的主

5、要優(yōu)點(diǎn)是：通常更容易建立模型允許你創(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。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?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對稱的不同類型：軸對稱旋轉(zhuǎn)對稱平面或鏡面對稱重復(fù)或平移對稱2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?軸對稱繞某一軸線存在對稱性，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。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)情況下加載被假定為軸對稱。然而，如果荷載不存在軸對稱性，并且是線性分析，可以將荷載分成簡諧成分進(jìn)行獨(dú)立求解，然后進(jìn)行疊加。

6、2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)由繞軸分布的幾個(gè)重復(fù)部分組成，例如渦輪葉片這類物體。只須結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分建立模型。加載也被假定為軸對稱的。2003年5月這一模型同時(shí)具有鏡面對稱和旋轉(zhuǎn)對稱基本規(guī)劃.如何處理模型?平面或鏡面對稱結(jié)構(gòu)的一半與另一半成鏡面映射關(guān)系，鏡面稱為對稱平面載荷可以是關(guān)于對稱面對稱的或反對稱的。2003年5月這一模型同時(shí)具有重復(fù)和鏡面對稱基本規(guī)劃.如何處理模型?重復(fù)或平移對稱結(jié)構(gòu)是由沿一直線分布的重復(fù)部分組成，例如，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(fù)”。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?在某些情況下，僅僅是那些較次要的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

7、破壞了結(jié)構(gòu)對稱性。有時(shí)這些細(xì)節(jié)可以忽略（或認(rèn)為它們是對稱的），進(jìn)而利用對稱性的優(yōu)點(diǎn)建立更小的分析模型。不過這樣計(jì)算獲得結(jié)果的精度損失是很難估計(jì)的。2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?應(yīng)力奇異應(yīng)力奇異是指在有限元模型中的某些點(diǎn)，應(yīng)力值無限大。例如：點(diǎn)荷載，如集中力或集中力矩作用處。離散約束點(diǎn)導(dǎo)致非零反力如同點(diǎn)荷載。尖角（零半徑倒角）處。當(dāng)在應(yīng)力奇異處網(wǎng)格劃分足夠細(xì)時(shí)，該處應(yīng)力值增大并且不收斂。Ps = P/AAs A 0, s 2003年5月基本規(guī)劃.如何處理模型?實(shí)際結(jié)構(gòu)并不包含應(yīng)力奇異問題，它們是由于模型簡化所產(chǎn)生的一種假象。如何處理應(yīng)力奇異問題呢?如果應(yīng)力奇異點(diǎn)遠(yuǎn)離我們所需要分析的區(qū)域，

8、可以忽略它們，簡單的方法是在觀察結(jié)果時(shí)不激活應(yīng)力奇異點(diǎn)的影響區(qū)域。如果應(yīng)力奇異點(diǎn)位于我們所需要分析的區(qū)域，則需要采取正確的處理方式，例如：在凹角處增加一倒角，重新進(jìn)行分析。用等效壓力載荷代替一個(gè)點(diǎn)載荷。將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移約束分布到一組節(jié)點(diǎn)上。2003年5月基本規(guī)劃C. 選擇哪種單元類型?在您開始分析之前，確定單元類型通常是很重要的。典型問題有：選擇哪種單元類型？實(shí)體單元、殼體單元、梁單元等。單元位移階次。線性或二次單元。網(wǎng)格密度，通常由分析目標(biāo)決定。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?單元類型ANSYS提供許多不同類型的單元。經(jīng)常采用的單元有線單元?dú)卧S實(shí)體單元三維實(shí)體單元2003年5

9、月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?線單元：梁單元用于螺栓，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或狹長薄膜構(gòu)件（只有膜應(yīng)力和彎應(yīng)力的情況）等模型。桿單元用于彈簧、螺桿、預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型。彈簧單元用于彈簧螺桿、或細(xì)長構(gòu)件，或通過剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?殼單元：殼單元用于薄面板或曲面模型“薄”與實(shí)際問題有關(guān)，但作為一個(gè)基本準(zhǔn)則，殼單元每塊面板的主尺寸不低于其厚度的十倍。2003年5月二維實(shí)體單元：二維實(shí)體單元用于實(shí)體斷面的模型。必須在整體笛卡兒坐標(biāo)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)。單元特性應(yīng)為以下類型

10、中的一種：平面應(yīng)力平面應(yīng)變軸對稱諧結(jié)構(gòu)和軸對稱基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?Y X Z 2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?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方向允許具有任意厚度。平面應(yīng)力分析是用來分析諸如承受面內(nèi)荷載的平板，承受壓力或遠(yuǎn)離中心荷載的薄圓盤等結(jié)構(gòu)。Y X Z 2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?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)變分析是用于分析狹長等截面結(jié)構(gòu)諸如建筑中的梁。Y X Z 2003年5月基本規(guī)劃.選擇

11、哪種單元類型?軸對稱假定三維實(shí)體模型是由X-Y面內(nèi)的橫截面繞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(fù)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。軸對稱分析用于壓力容器、直管道、軸等結(jié)構(gòu)。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?軸對稱諧單元是一種特殊情形的軸對稱，其荷載可以不是軸對稱的。將軸對稱結(jié)構(gòu)承受的非對稱荷載分解成傅立葉級數(shù)，傅立葉級數(shù)的每一部分獨(dú)立進(jìn)行求解，然后再合并到一起。這種簡化處理本身不具有任何近似性。軸對稱諧單元分析用于承受非對稱荷載的結(jié)構(gòu)，例如扭矩的桿件。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?三維實(shí)體單元：用于那

12、些由于幾何、材料、荷載或分析要求考慮細(xì)節(jié)等原因造成無法采用更簡單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu)。也適用于從三維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(fèi)大量的時(shí)間和精力。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?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)給出單元形態(tài)結(jié)果的數(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。所以我們要通過形函數(shù)用節(jié)點(diǎn)自由度的值來描述單元內(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)說明2003年5月自由度按拋物線分布實(shí)際的拋物線曲線線性近似(不好的結(jié)果)

13、基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?拋物線近似 (最好的結(jié)果)多單元的線性近似 (較好的結(jié)果)2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?當(dāng)您選擇了單元類型，您就選擇并接受了相應(yīng)單元類型的單元形函數(shù)。所以在您選擇單元類型之前應(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)。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?線性單元線性單元內(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

14、描述曲線邊界或曲面時(shí)，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(yīng)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(gè)數(shù)和自由度個(gè)數(shù)較少，而得到的結(jié)果精度較高。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?注意：對于殼體模型，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)常被采用。除了線性單元和二次單元以外，第三種單元（ P-單元）也是有用的。P-單元內(nèi)的位移是從二階到八階變化的，而且具有求解收斂自動(dòng)控制功能，各位置分析自動(dòng)采用應(yīng)當(dāng)采用的階數(shù)。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?網(wǎng)格密度有限元分析的基本原則是：單元的數(shù)目越多（單元密度），所得解答越逼近真實(shí)解答。然而，當(dāng)你增加單元數(shù)目的同時(shí)，求解時(shí)間和所需計(jì)算機(jī)資源也急劇增加。有限元分析的目標(biāo)決定了你應(yīng)該采用那種網(wǎng)格密度。2003年5月基本規(guī)劃.選擇哪種單元類型?如果你想得到高精度的應(yīng)力：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)采用細(xì)分網(wǎng)格。應(yīng)先考慮應(yīng)力集中。模型中的任何簡化都有可能導(dǎo)致明顯的誤差。如果你考慮變形或名義應(yīng)