Ansys Workbench荷載、約束、接觸定義

對大多數(shù)有方向的載荷和支撐,其方向多可以在任意坐標(biāo)系中定義:

– 坐標(biāo)系必須在加載前定義而且只有在直角坐標(biāo)系下才能定義載荷和支撐的方向.

– 在Details view中, 改變“Define By”到“Components”. 然后從下拉菜單中選擇合適的直角坐標(biāo)系.

– 在所選坐標(biāo)系中指定x, y, 和z分量

– 不是所有的載荷和支撐支持使用坐標(biāo)系。

– 加速度以長度比上時(shí)間的平方為單位作用在整個模型上。

– 用戶通常對方向的符號感到迷惑。假如加速度突然施加到系統(tǒng)上,慣性將阻止加速度所產(chǎn)生的變化,從而慣性力的方向與所施加的加速度的方向相反。

– 加速度可以通過定義部件或者矢量進(jìn)行施加。

標(biāo)準(zhǔn)的地球重力可以作為一個載荷施加。

– 其值為9.80665 m/s2 (在國際單位制中)

– 標(biāo)準(zhǔn)的地球重力載荷方向可以沿總體坐標(biāo)軸的任何一個軸。

– 由于“標(biāo)準(zhǔn)的地球重力”是一個加速度載荷,因此,如上所述,需要定義與其實(shí)際相反的方向得到重力的作用力。

旋轉(zhuǎn)速度是另一個可以實(shí)現(xiàn)的慣性載荷

– 整個模型圍繞一根軸在給定的速度下旋轉(zhuǎn)

– 可以通過定義一個矢量來實(shí)現(xiàn),應(yīng)用幾何結(jié)構(gòu)定義的軸以及定義的旋轉(zhuǎn)速度

– 可以通過部件來定義,在總體坐標(biāo)系下指定初始和其組成部分

– 由于模型繞著某根軸轉(zhuǎn)動,因此要特別注意這個軸。

– 缺省旋轉(zhuǎn)速度需要輸入每秒所轉(zhuǎn)過的弧度值。這個可以在路徑“Tools > Control Panel >Miscellaneous > AngularVelocity” 里改變成每分鐘旋轉(zhuǎn)的弧度(RPM)來代替。

–壓力只能施加在表面并且通常與表面的法向一致

– 正值代表進(jìn)入表面(例如壓縮);負(fù)值代表從表面出來(例如抽氣等)

– 壓力的單位為每個單位面積上力的大小

–力可以施加在結(jié)構(gòu)的最外面,邊緣或者表面。

– 力將分布到整個結(jié)構(gòu)當(dāng)中去。這就意味著假如一個力施加到兩個同樣的表面上,每個表面將承受這個力的一半。力單位為質(zhì)量乘以長度比上時(shí)間的平方。

– 力可以通過定義矢量,大小以及分量來施加。

– 螺栓載荷僅適用于圓柱形表面。其徑向分量將根據(jù)投影面積來分布壓力載荷。徑向壓力載荷的分布如下圖所示。軸向載荷分量沿著圓周均勻分布。

– 一個圓柱表面只能施加一個螺栓載荷。假如一個圓柱表面切分為兩個部分,那么在施加螺栓載荷的時(shí)候一定要保證這兩個柱面都要選中。

– 載荷的單位同力的單位

– 螺栓載荷可以通過矢量和幅值或者部件來定義。

– 對于實(shí)體,力矩可以施加在任意表面

– 假如選擇了多個表面,那么力矩將分?jǐn)傇谶@些表面上。

– 力矩可以用矢量及其大小或者分量來定義。當(dāng)用矢量表示時(shí),其遵守右手法則。

– 在實(shí)體表面,力矩也可以施加在頂點(diǎn)或邊緣,這與通過矢量或部件定義的以表面為基礎(chǔ)的力矩類似。

– 力矩的單位為力乘上長度。

– 允許用戶在面或者邊上施加偏置的力

– 用戶設(shè)定力的初始位置(利用頂點(diǎn),圓或者x,y,z的坐標(biāo))

– 力可以通過向量和幅值或者分量來定義

– 這個在面上將得到一個等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩

– 這個力分布在表面上,但是包括了由于偏置力而引起的力矩

– 力的單位為質(zhì)量*長度/時(shí)間2

– 在圓柱形截面上施加預(yù)緊載荷以模擬螺栓連接;

– 施加預(yù)緊載荷(力)或者位移(長度)為初始條

件;

– 順序加載會出現(xiàn)其他選項(xiàng);

在靜力分析中預(yù)緊載荷施加在初始求解中,而其他載荷施加在子步求解中;

– 注意,這樣的兩步順序是自動而且明顯的。

? 在第二步求解時(shí),螺栓連接會自動被鎖死;

? 除第一步求解以外,在順序求解的每一步中你可以選擇是否打開螺栓連接;

螺栓連接注意:

– 只能在3D模擬中采用;

– 能夠運(yùn)用到圓柱形表面或者實(shí)體,對于實(shí)體需要一個以z軸為主方向的局部坐標(biāo)系;

– 在螺栓連接處推薦單元細(xì)化(螺栓長度方向上的單元數(shù)必須大于1)。

– 在頂點(diǎn),邊緣或面上約束所有的自由度

– 對于實(shí)體,限制x,y和z的平移

– 對于殼和梁,限制x,y和z的平移和轉(zhuǎn)動

– 在頂點(diǎn),邊緣或面上給定已知的位移

– 允許在x,y和z方向給予強(qiáng)制位移

– 輸入“0”代表此方向上即被約束

– 不設(shè)定某個方向的值則意味著實(shí)體在這個方向上自由運(yùn)動

– 在面上施加法向約束

– 對于實(shí)體,這個約束可以用施加一個對稱邊面界條件來實(shí)現(xiàn),因?yàn)閷ΨQ面等同于法向約束

– 施加在圓柱表面

– 用戶可以指定是軸向,徑向或者切向約束

– 僅僅適用于小變形(線性)分析

– 在任何給定的表面可以施加法向僅有壓縮的約束。這個約束僅僅限制這個表面在約束的法向正方向移動。

– 解釋這個約束的一種方法就是將它想象為一個“剛性”結(jié)構(gòu),它與選擇的表面有相同的形狀。注意到這些接觸(壓縮)面事先不知道。

– 可以在一個圓柱面上模擬“扣牢的圓柱約束”,這個約束可以適用于7.1版本,但是它是“僅有壓縮約束”的一種特例。如右圖所示,顯示出了沒有變形的圓柱的輪廓。有壓縮力的表面阻止原始圓柱變形,而可伸長的表面自由變形。

– 這個需要一個迭代(非線性)求解器來求解。

? 由于事先不知道壓縮面的行為,所以需要利用迭代求解器來判斷哪個表面顯示的是壓縮行為

– 可以施加在梁或殼體的邊緣或者頂點(diǎn)上

– 限制平移但是所有旋轉(zhuǎn)都是自由的

– 可以施加在殼或量的表面,邊緣或者頂點(diǎn)上

– 約束旋轉(zhuǎn),但是平移不限制

約束總結(jié):

約束和接觸對都可以歸結(jié)為邊界條件。

– 接觸對模擬在兩個已知模型之間的一個“柔性”邊界條件

– 固定約束在被模擬部件之間提供一個“剛性”邊界條件,剛性的

固定部件不必建立模型。

? 假如對部件A和B之間連接比較感興趣,那么就要考慮兩個部分是否都需要分析(通過接觸)或者僅提供部件B對A的影響的固定約束是否足夠。

– 換句話說,部件B相對于A來說是‘剛性的’?假如是的話,可以僅僅模擬對部件A的一個固定約束。假如不是則需要模擬兩者之間的摩擦。

模型當(dāng)中,溫度會引起熱膨脹

– 熱應(yīng)變計(jì)算如下式:

其中α是熱膨脹系數(shù)(CTE), Tref 是熱應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)的參考溫度,T是施加的溫度,εth 是熱應(yīng)變。

– 熱應(yīng)變自身不會引起應(yīng)力。而當(dāng)約束、溫度梯度或者熱膨脹系數(shù)不相匹配是才會產(chǎn)生應(yīng)力。

– CTE在“Engineering” 下拉菜單中定義并且其單位為單位溫度下的應(yīng)變

– 參考溫度在“Environment”下拉菜單下定義。

熱載荷可以施加在模型上:

– 任何溫度載荷都可以施加

– DS通常首先進(jìn)行熱分析,然后在結(jié)構(gòu)分析時(shí)將計(jì)算所得的溫度域作為載荷輸入。

當(dāng)輸入實(shí)體的組合體時(shí),兩個實(shí)體之間自動生成接觸。

– 面對面接觸允許在兩個實(shí)體邊界上的不匹配的單元劃分

– 用戶可以在“Contact” 菜單下,指定探測自動接觸距離的滑塊來控制容差

在DS中,在每個接觸對中都要定義目標(biāo)面和接觸面。

– 接觸區(qū)域的其中一個表面構(gòu)成“接觸”面,此區(qū)域的另一個表面構(gòu)成“目標(biāo)”面。

– 接觸中利用目標(biāo)面的滲透量(在給定容差范圍內(nèi))來限制接觸面上的積分點(diǎn)。但是其相反的情況是不正確的。

? 當(dāng)一個面為目標(biāo)面而另一個面為接觸面時(shí)稱為不對稱接觸。而當(dāng)兩面都為接觸面或者目標(biāo)面時(shí)則稱為對稱接觸,因?yàn)槿魏我贿叾伎梢詽B透到另一邊。

? 在缺省情況下,DS對組合體定義的是對稱接觸。對于ANSYS Professional licenses 以及結(jié)構(gòu)模塊,用戶需要根據(jù)上述介紹將其改變成非對稱接觸。

四種接觸類型可供選擇:

– 綁定的和不分離的接觸是最基礎(chǔ)的線性行為,僅僅需要一次迭代

– 無摩擦以及粗糙接觸是非線性行為,需要多次迭代。但是,需要注意的是仍然利用了小變形理論的假設(shè)。

? 當(dāng)需要利用這些選項(xiàng)時(shí),可以在相應(yīng)的菜單下設(shè)定

“Actual Geometry (and Specified Offset)” 或

“Adjusted to Touch”,其中允許用戶調(diào)整ANSYS模型的間隙到‘剛剛接觸’ 的位置

? 對于高級用戶,接觸的另外一些選項(xiàng)可以進(jìn)行修改

– 方程式可以從“Pure Penalty” 修改到“Augmented Lagrange” , “MPC”或“Normal Lagrange”.

? “MPC” 僅僅適用于綁定的接觸

? “Augmented Lagrange” 應(yīng)用于規(guī)則的ANSYS模型中

– 在綁定的接觸中,純粹的罰函數(shù)法可以想象為在接觸面間施加了十分大的剛度系數(shù)來阻止相對滑動。這個結(jié)果是在接觸面間的相對滑動可以忽略的情況下得到的。

– MPC 方程當(dāng)中對接觸面間的相對運(yùn)動定義了約束方程,因此沒有相互的滑動。這個方程經(jīng)常作為罰函數(shù)法的最好的替代。

–pinball region可以自己定義和顯示出來

? pinball region定義了近距離開放式接觸的位置。而超出pinball region 范圍之外的為遠(yuǎn)距離開放式接觸。

? 最初,pinball region 作為十分有效的接觸探測器使用,但是它也用于其它方面,例如綁定接觸等。

? 對于綁定或者不分離的接觸,假如間隙或者滲透小于pinball region,則隙/滲透自動被刪除。

? 其它的高級選項(xiàng)將在以后的章節(jié)中討論。

ANSYS Professional1 licenses 及其以上版本支持殼和實(shí)體的混合裝配體

– 允許十分復(fù)雜的組合體,在應(yīng)用中利用了殼的優(yōu)點(diǎn)

– 更多的接觸選項(xiàng)可供用戶選擇

– 可以進(jìn)行接觸的后處理操作

? 邊緣接觸是生成接觸的一個子集

– 包括殼面或者實(shí)體邊的接觸,只有定義綁定或不分離的接觸類型。

– 對于包括殼邊緣的接觸,只能定義MPC 形式的綁定行為。

? 對于以MPC為基礎(chǔ)的綁定接觸,用戶可以將搜索器設(shè)定為目標(biāo)法向或是pinballregion(這種方法需要給定多點(diǎn)的約束)。

? 假如存在間隙(這在殼的組合體中經(jīng)常出現(xiàn)),pinball region 可以用來作為探測越過間隙的接觸探測器。

DS中接觸類型及其可供的選項(xiàng)總結(jié)如下表所示:

– 這個表在DS的在線幫助當(dāng)中也有。利用這個張表將有助于用戶決定哪些選項(xiàng)可供選擇。

?焊點(diǎn)提供了一種在不連續(xù)位置處連接殼組合體的方式。

– ANSYS DesignSpace licenses不支持殼接觸,因此焊點(diǎn)就是唯一定義一個殼組合的方法。

– 焊點(diǎn)是在CAD軟件中進(jìn)行定義的。目前DS只認(rèn)在DM和UG當(dāng)中所定義的焊點(diǎn)。

– 焊點(diǎn)也可以在DS中生成,但是只能在不連續(xù)的頂點(diǎn)處生成。

2)接觸結(jié)果

– 對于所選擇的有接觸單元的實(shí)體或者表面接觸結(jié)果可被要求.

– ANSYS中接觸單元利用的是接觸面和目標(biāo)面的概念.僅有接觸單元可以顯示接觸結(jié)果.以MPC為基礎(chǔ)的接觸,任何接觸的目標(biāo)面以及以邊緣為基礎(chǔ)的接觸都不顯結(jié)果.并且線不能顯示任何接觸結(jié)果.

? 如果使用不對稱和自動不對稱,只有接觸面上由結(jié)果而目標(biāo)面上結(jié)果為零

? 如果使用對稱接觸,接觸面和對稱面上都會有結(jié)果。比如接觸壓力,真實(shí)的接觸壓力為接觸和目標(biāo)面上以力的平均值

– 在“Solution”分支中“Contact Tool”中要求接觸結(jié)果

? 用戶可以在“Contact Tool”中要求接觸結(jié)果

– 在工作表中可以很容易的為“Contact Tool”添加接觸區(qū)域

– 接觸和目標(biāo)面上的結(jié)果可以從數(shù)據(jù)表中選擇(對稱與非對稱)

– 從Context工具條中指定接觸結(jié)果

? 接觸結(jié)果種類:

– Contact Presure顯示法向接觸壓力分布

– Contact Penetration 顯示穿透深度而Contact Gap 顯示縫隙大小

(在pinball 半徑內(nèi)).

– Sliding Distance 表示面相對滑動大小. Frictional Stress 是由于摩擦力引起的切向接觸引力.

– Contact Status 提供是否接觸的信息

– 對open state, near-field 意味著在pinball 區(qū)域內(nèi), far-field指在pinball 區(qū)域外.

?如果“Reactions” 在“Contact Tool”被要求, 所選擇接觸區(qū)域的力和力矩將會被報(bào)告

– 在“Worksheet”標(biāo)簽下,所有要求的接觸區(qū)域的接觸力將會被列出

– 在“Geometry” 標(biāo)簽下,將會顯示接觸力和力矩的方向.