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ANSYS基础-应力分析

作者:管理员    发布于:2019-12-24 08:52:53    文字:【】【】【

应力分析是用来描述包括应力和应变在内的结果量分析的通用术语,也就是结构分析,应力分析包括如下几个类型 : 静态分析瞬态动力分析、模态分析谱分析、谐响应分析显示动力学,本文主要是以线性静态分析为例来描述分析,主要内容有:   分析步骤、几何建模、   网格划分。 

应力分析概述

      应力分析是用来描述包括应力和应变在内的结果量分析的通用术语,也就是结构分析。

ANSYS  的应力分析包括如下几个类型 :

  • 静态分析

  • 瞬态动力分析

  • 模态分析

  • 谱分析

  • 谐响应分析

  • 显示动力学

      本文以一个线性静态分析为例来描述分析步骤 , 只要掌握了这个分析步骤,很快就会作其他分析。

A.  分析步骤

每个分析包含三个主要步骤 :

前处理

     – 创建或输入几何模型

     – 对几何模型划分网格

求解

     – 施加载荷

     – 求解

后处理

     – 结果评价

     – 检查结果的正确性

注意 !ANSYS  的主菜单也是按照前处理、求解、后处理来组织的;

前处理器 ( 在 ANSYS 中称为 PREP7 ) 提供了对程序的主要输入;

前处理的主要功能是生成有限元模型,主要包括节点、单元和材料属性等的定义。也可以使用前处理器 PREP7  施加载荷。

通常先定义分析对象的几何模型。

典型方法是用 实体模型 模拟几何模型。

     – 以 CAD- 类型的数学描述定义结构的几何模型。

     – 可能是实体或表面,这取决于分析对象的模型。


B.  几何模型

典型的实体模型是由体、面、线和关键点组成的。

     –  体 由面围成,用来描述实体物体。

     –  面 由线围成,用来描述物体的表面或者块、壳等。

     –  线 由关键点组成,用来描述物体的边。

     –  关键点 是三维空间的位置,   用来描述物体的顶点。

在实体模型间有一个内在层次关系,关键点是实体的基础,线由点生成,面由线生成,体由面生成。

这个层次的顺序与模型怎样建立无关。

ANSYS  不允许直接删除或修改与高层次相连接的低层次实体。( 稍后,将讨论哪些修改是许可的 )

既可以在 ANSYS 中创建实体模型,也可以从其他软件包中输入实体模型

两种方法的详细情况以后介绍,现在,我们简要地讨论如何输入一个 IGES  文件和缩放所需的几何模型

IGES (Initial Graphics Exchange Specification)  是用来把实体几何模型从一个软件包传递到另一个软件包的规范

     –IGES  文件是 ASCII 码文件 ,  很容易在两个计算机系统间传递。
     – 许多软件包 , 包括 ANSYS 在内 ,  允许读写 IGES 文件。

输入 IGES  文件到 ANSYS 中 :

    – Utility Menu > File > Import > IGES...

     ◆在弹出的对话框中,选择 No defeaturing *( 缺省值 )  ,按下 OK ( 默认其他选项 ) 。

     ◆在第二个对话框中选择想要的文件并点击 OK.

     –  或使用 IGESIN  命令 :

     ◆ /aux15

     ◆ ioptn,iges,nodefeat

     ◆ igesin,filename,extension,directory

     ◆ finish

输入完成后,  ANSYS 会自动绘出几何模型图

可以按需要修改几何模型

     – ANSYS 允许对输入的实体模型进行多项操作,这在以后论述

     –  现在,我们讨论如何在不同的单位设置下确定模型的比例。( 注 : 缩放比例对输入的 “ Defeature ”IGES 无效)

当你需要把几何模型的单位转换成另一套单位,比如说,从英寸到毫米,比例缩放就显得十分必要。

在 ANSYS 中缩放模型 :

    – 首先保存数据库 --Toolbar > SAVE_DB  或使用 SAVE  命令。

     – 接着 Main Menu > Preprocessor > Operate > Scale > Volumes ( 在模型上选择相应的实体部分 )

使用 [Pick All] 拾取整个体

然后键入想要的比例系数(对 RX, RY, RZ  的比例系数),设置 IMOVE  为 “ Moved ”,取代 “ Copied ”

    – 或使用 VLSCAL 命令 :

 vlscale,all,,,25.4,25.4,25.4,,,1

演示 :

   –  输入  pipe.igs :

选择“ No Defeaturing ”   方式

   –  确定模型显示方向

   –  保存  pipe.db

前处理

   –  几何模型

   –  网格划分

求解

   –  加载

   –  求解

后处理

   –  结果评价

   –  检查结果正确性


C.  网格划分

网格划分是用节点和单元等“填充”实体模型,创建有限元模型的过程。

   – 请记住 ,  只有有限元求解需要节点和单元,实体模型不需要。实体模型不参与有限元求解。

网格划分的三个步骤 :

   –  定义单元属性

   –  指定网格控制

   –  生成网格

单元属性是网格划分前必须建立的有限单元模型属性。它们包括 :

   –  单元类型

   –  实常数

   –  材料性质

单元类型

单元类型是一个重要的选项,该选项决定如下的单元特性 :

   –  自由度 (DOF) 设置 .  例如,一个热单元类型有一个自由度:TEMP ,而一个结构单元类型可能有 6 个自由度:  UX, UY, UZ, ROTX, ROTY,ROTZ.

   –  单元形状 --  块 , 四面体 ,  四边形 , 三角形等

   –  维数 -- 2-D ( 仅有 X-Y  平面 ), or 3-D.

   –  假定的位移形函数 --  线性及二次

ANSYS 有超过 150 个的单元类型可供选择。对于如何选取单元类型稍后介绍,现在,请看如何定义单元类型。

 定义单元类型 :

   –Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

   ◆ [Add] 添加新单元类型

   ◆选择想要的类型 ( 如 SOLID92)  并按 OK 键

   ◆ [Options] 指定附加的单元选项

   – 或使用 ET 命令 :

   ◆ et,1,solid92

注意 :

   - 设置想要分析学科的选项 (Main Menu > Preferences) ,这样将只显示所选学科的单元类型。

   –  应当在前处理阶段尽早地定义单元类型,因为 GUI 方式中菜单的过滤依赖于当前自由度的设置。例如,如果选择结构单元类型,则热载荷选项成灰色,或根本不出现。

实常数

实常数用于描述那些由单元几何模型不能完全确定的几何形状。例如 :

   –  梁单元是由连接两个节点的线来定义的,这只定义了梁的长度。要指明梁的横截面属性,如面积和惯性矩,就要用到实常数。

   –  壳单元是由四面体或四边形来定义的,这只定义了壳的表面积,要指明壳的厚度,必须用实常数。

   –  许多 3-D  实体单元不需要实常数,因为单元几何模型已经由节点完全定义。

定义实常数 :

   – Preprocessor > Real Constants

   ◆ [Add]  增加一种新的实常数设置。

   ◆如果定义了多个单元类型 , 首先选择要指定实常数的单元类型

   ◆接着输入实常数值 .

   –  或使用 R  系列命令

不同的单元类型需要不同的实常数,有些单元类型不需要任何实常数。获取详细资料,请参考在线单元手册。

材料性质

每个分析都需要输入一些材料性质:结构单元所需的杨氏模量 EX  ,热单元所需的热传导率 KXX  等。

定义材料性质的两种方法 :

   –  材料库

   –  单独定义

使用材料库

这种方法能够对给定的材料选择预先已定义的材料性质。

ANSYS  为一些常用材料提供了结构和热的典型材料性质(线性),但我们强烈建议你建立自己的材料库。

从材料库选取材料 :

   –  先定义库的路径 .

Preprocessor > Material Props >Material Library > Library Path

   –  输入要读取的材料数据的位置例如:  /ansys57/ matlib .

或使用 /MPLIB  命令

   –  接着从库中输入一种材料

Preprocessor > Material Library >Import Library

   –  选择单位制。这仅仅用来筛选后续对话框中所列的文件, ANSYS 本身没有单位制的概念,也不进行单位换算;

   –  选择想要的材料文件如钢 AISI C1020.

或使用 MPREAD  命令中的 LIB 选项

单独指定材料性质

   这种方法通过材料模型 GUI 方式直接指定想要的材料性质,以取代选择材料名称。

   单独指定材料性质 :

   –Preprocessor > Material Props > Material Models

双击合适的性质选项来定义材料性质

先定义好材料类型的结构树

接着输入单个材料的性质值

或使用 MP 命令

   –mp,ex,1,30e6

   –mp,prxy,1,.3

添加与温度相关的材料性质

绘出性质 - 温度曲线

从一个材料表复制材料模型到另一个材料表

删除材料模型

单位制注释

无需告诉 ANSYS 你所使用的单位制,只需确定要使用的单位制,在输入时保持数据单位一致。

  -例如 , 如果几何模型的尺寸是英寸,确保其他的输入数据   

  -材料性质 ,  实常数 ,  载荷等 — 也以英寸为单位

ANSYS  不进行单位换算 !  它只是简单的接受所输入的数据而不会怀疑它们的合法性。

命令 /UNITS 允许你指定单位制 ,  但它只是一个纪录设计,从而使使用你模型的用户知道你所用的单位。

指定网格控制 是网格划分的第二步。

 ANSYS  中有许多可用的网格控制。现在,我们介绍一个指定网格密度的简单方法,智能网格划分。

智能网格划分是一种运算法则,它按照线的长度,曲率和对孔的近似确定模型中线的分割单元数。

你只需要指定从 1 (最细网格)到 10 (最粗网格)的 “ 尺寸水平 ” ,其他的由 ANSYS 处理。

MeshTool 是最好的定义网格划分控制的方式 :

   –Preprocessor > MeshTool.

   – 激活 SmartSizing  尺寸级别缺省为 6

生成网格 是网格划分的最后一步

首先存储数据库

然后按 MeshTool 中的 [Mesh] 按钮

   – 这将打开一个拾取器 .  点击拾取器的 [Pick All] 按钮指示所有的实体

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