【技術(shù)篇】ANSYS 基本建模方法及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2017-04-27  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

ANSYS與結(jié)構(gòu)分析

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和熱場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛應(yīng)用于土木、地質(zhì)、礦業(yè)、材料、機(jī)械、水利等工程的分析和研究?？稍诖蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)(如Windows、UNIX、Linux、HP-UX等)中運(yùn)行,可與大多數(shù)CAD軟件接口。

結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反作用力等,它包括以下幾種類(lèi)型:

• 靜力分析:用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為,例如:大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。

• 屈曲分析:用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析。

• 模態(tài)分析:計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形。

• 諧響應(yīng)分析:確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。

• 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析:確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng). 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為.

• 譜分析:是模態(tài)分析的擴(kuò)展,用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(也叫作響應(yīng)譜或PSD)。

• 顯式動(dòng)力分析:ANSYS/LS-DYNA(顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊)可用于計(jì)算高度非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和復(fù)雜的接觸問(wèn)題。

• 專(zhuān)項(xiàng)分析:斷裂分析, 復(fù)合材料分析,疲勞分析。

ANSYS分析過(guò)程中三個(gè)主要步驟

創(chuàng)建有限元模型

• 創(chuàng)建或讀入幾何模型

• 定義材料屬性

• 劃分單元(節(jié)點(diǎn)及單元)

施加載荷進(jìn)行求解

• 施加載荷及載荷選項(xiàng)

• 求解

查看結(jié)果

• 查看分析結(jié)果

• 檢驗(yàn)結(jié)果(分析是否正確)

幾何建模

ANSYS軟件幾何建模通常包括兩種方式,自底向上建模和自頂向下建模。

所謂自底向上建模,顧名思義就是又建立模型的最低單元的點(diǎn)到最高單元的體來(lái)構(gòu)造實(shí)體模型。即首先定義關(guān)鍵點(diǎn),然后利用這些關(guān)鍵點(diǎn)定義較高級(jí)的實(shí)體圖元,如線,面,體。

ANSYS軟件允許通過(guò)匯集線面體等幾何體素的方法構(gòu)造建模。當(dāng)生成一種體素時(shí),ANSYS程序會(huì)自動(dòng)生成所有從屬于該體素較低級(jí)的土元,這種一開(kāi)始便由較高級(jí)的實(shí)體圖元構(gòu)造模型的方法就是所謂的自頂向下的建模方法。

幾何建模GUI路徑:Main Menu—>Preprocessor—>Modeling—>Create

布爾操作是指幾何圖元進(jìn)行組合計(jì)算. ANSYS的布爾操作包括add, subtract, intersect, divide, glue以及overlap. 它們不僅適用于簡(jiǎn)單的體素中的圖元,也適用于從CAD系統(tǒng)傳入的復(fù)雜幾何模型。

這個(gè)看起來(lái)復(fù)雜的模型,實(shí)際上是一個(gè)方塊與一個(gè)空心的球進(jìn)行求交(intersect)布爾操作的結(jié)果。

布爾操作GUI路徑:Main Menu—>Preprocessor—>Modeling—>Operate

單元屬性

為了定義單元屬性,首先必須建立一些單元屬性表。典型的包括單元類(lèi)型(GUI路徑:Main Menu—> Preprocessor—>Element Type—>ADD/EDIT/DELETE),實(shí)常數(shù)(GUI路徑:Main Menu—> Preprocessor—>Real constants),材料性質(zhì)(Main Menu—> Preprocessor—>Material Props—>Material option)。

建立單元類(lèi)型

建立實(shí)常數(shù)

建立材料性質(zhì)

網(wǎng)格劃分

1、 定義單元屬性

一旦建立了單元屬性表,通過(guò)指向表中合適的條目即可對(duì)模型的不同部分分配單元屬性。指針就是參考號(hào)碼集,包括材料號(hào)(MAT),實(shí)常數(shù)號(hào)(TEAL),單元類(lèi)型號(hào)(TYPE),坐標(biāo)系號(hào)(ESYS)等?？梢灾苯咏o所選的實(shí)體模型圖元分配單元屬性。

GUI路徑:Main Menu—> Preprocessor—>Meshing—>Mesh Attributes,根據(jù)幾何模型選擇點(diǎn),線,面或者體進(jìn)行定義。

定義單元屬性

2、 執(zhí)行網(wǎng)格劃分

ANSYS可以使用網(wǎng)格劃分工具來(lái)實(shí)現(xiàn)快捷分網(wǎng)(GUI路徑Main Menu—> Preprocessor—>Meshing—>Mesh tool)

這個(gè)網(wǎng)格劃分工具包括了以下幾種功能:

• 單元屬性控制

• 智能網(wǎng)格劃分控制

• 尺寸控制

• 指定單元形狀

• 自由網(wǎng)格劃分或映射網(wǎng)格劃分

• 執(zhí)行網(wǎng)格劃分

• 清除網(wǎng)格

• 局部細(xì)劃

選擇好選項(xiàng)后,單擊Mesh,選擇需要分網(wǎng)的幾何模型,單擊OK,便可以得到它的有限元模型。

加載和求解

1、 加載

有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件對(duì)一定在和條件的響應(yīng)。英雌,在分析指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。

ANSYS中的載荷可分為:

自由度DOF-定義節(jié)點(diǎn)的自由度(DOF)值(結(jié)構(gòu)分析_位移、熱分析_溫度、電磁分析_磁勢(shì)等)

集中載荷-點(diǎn)載荷(結(jié)構(gòu)分析_力、熱分析_熱導(dǎo)率、電磁分析_ magnetic current segments)

面載荷-作用在表面的分布載荷(結(jié)構(gòu)分析_壓力、熱分析_熱對(duì)流、電磁分析_magnetic Maxwell surfaces等)

體積載荷-作用在體積或場(chǎng)域內(nèi)(熱分析_體積膨脹、內(nèi)生成熱、電磁分析_magnetic current density等)

慣性載荷-結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性引起的載荷(重力、角速度等)

在ANSYS軟件中,載荷可以加在實(shí)體模型上同時(shí)也可以加在有限元模型上。

無(wú)論采取何種加載方式,ANSYS求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型.因此,加載到實(shí)體的載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點(diǎn)或單元上。

載荷施加GUI路徑:Main Menu—> Preprocessor—>Loads—>Apply—>Structural

2、 求解

在求解前,應(yīng)該進(jìn)行分析數(shù)據(jù)檢查,確認(rèn)無(wú)誤后保存數(shù)據(jù),并且觀看求解信息。

求解GUI路徑:Main Menu—>Solution—>Solve—>Current LS

之后保存文件,在General Postprocessor中觀看計(jì)算結(jié)果

GUI路徑:Main Menu—>General Postprocessor—> Plot Results

ANSYS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

ANSYS軟件通過(guò)屈曲分析來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的臨界載荷,屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)的屈曲載荷和屈曲模態(tài)的技術(shù)。通常使用特征值屈曲分析,該方法用于預(yù)測(cè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度。

屈曲分析首先要獲得結(jié)構(gòu)的靜力解,通常只需要施加一個(gè)單位載荷即可,不過(guò)ANSYS允許的最大特征值是1000000,弱求解釋特征值超過(guò)了這個(gè)限度,則需施加一個(gè)較大的載荷。當(dāng)施加載荷時(shí),求解得到的特征值就表示臨界載荷,當(dāng)時(shí)加非單位載荷時(shí),求解得到的特征值乘以施加的載荷就得到臨界載荷。

(1)進(jìn)入求解器 Main menu—>Solution

(2)指定分析類(lèi)型 Main menu—>Solution—>Analysis Type—>New Analysis

(3)指定分析選項(xiàng) Main menu—>Solution—>Analysis Type—>Sol’n controls, 選擇Calculate prestresseffects并確定。

(4)求解Main Menu—>Solution—>Solve—>Current LS

(5)退出求解器Main Menu—>Finish

得到結(jié)構(gòu)的靜力解后需要獲得特征值屈曲解。

(1)進(jìn)入求解器 Main menu—>Solution

(2)指定分析類(lèi)型 Main menu—>Solution—>Analysis Type—>New Analysis

(3)指定分析選項(xiàng) Main menu—>Solution—>Analysis Type—>Analysis Options

(4)求解 Main Menu—>Solution—>Solve—>Current LS

(5)結(jié)束 Main Menu—>Finish

擴(kuò)展解:

(1)重新進(jìn)入求解器 Main menu—>Solution

(2)指定擴(kuò)展求解 Main menu—>Solution—>Analysis Type—>Expansion Pass

(3)指定擴(kuò)展求解選項(xiàng) Main menu—>Solution—>Load Step Opts—>Expansion pass—>Single Modes—>Expand Modes

(4) 求解 Main Menu—>Solution—>Solve—>Current LS

(5)離開(kāi)求解器 Main Menu—>Finish

屈曲擴(kuò)展結(jié)果被寫(xiě)入結(jié)構(gòu)結(jié)果文件,它們包括屈曲載荷因子,屈曲模態(tài)形狀和相對(duì)應(yīng)力分布,可在通用后處理器中觀察這些結(jié)果。

(1)列出屈曲載荷因子

GUI路徑 Main Menu—>General Postproc—>Results Summary

(2)讀取指定的模態(tài)來(lái)顯示屈曲模態(tài)形狀。每一只能夠屈曲模態(tài)都存儲(chǔ)在獨(dú)立的結(jié)果步里。

GUI路徑 Main Menu—>General Postproc—>Read Results—>By load Step

(3)顯示屈曲模態(tài)形狀

GUI路徑 Main Menu—>General Postproc—>Plot Results—>Deformed Shape

(4)顯示相對(duì)應(yīng)力分布云圖

GUI路徑 Main Menu—>General Postproc—>Plot Results—>Contour Plot—>Nodal Solution。

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