ANSYS介紹及對(duì)計(jì)算的意義

2017-07-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1.引言

ANSYS是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件,廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、汽車、造船、流體分析等工業(yè)領(lǐng)域,可在微機(jī)或工作站上運(yùn)行,能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、熱分析、流場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析等多物理場(chǎng)分析及耦合分析,并且具有強(qiáng)大的前后處理功能。ANSYS的流場(chǎng)分析求解模塊FLOTRAN基于能量守恒、質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒,能求解流場(chǎng)速度、壓力、溫度分布等參數(shù)。利用ANSYS軟件對(duì)干氣密封面結(jié)構(gòu)處的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,能夠?yàn)楦蓺饷芊饷娼Y(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

ANSYS公司成立于1970年,總部設(shè)在美國的賓夕法尼亞洲,目前是世界CAE行業(yè)中最大的公司。其創(chuàng)始人John Swanson博士為匹茲堡大學(xué)力學(xué)教授、有限元界權(quán)威。在30多年的發(fā)展過程中,ANSYS不斷改進(jìn)提高,功能不斷增強(qiáng),本文分析使用的是ANSYS 8.0。

2. ANSYS簡(jiǎn)介

1970年成立的美國ANSYS公司是世界CAE行業(yè)最著名的公司之一,長(zhǎng)期以來一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)、研制,其先進(jìn)的技術(shù)及高質(zhì)量的產(chǎn)品贏得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。在我國,ANSYS用戶也越來越多,三峽工程、二灘電站、黃河下游特大型公路斜拉橋、國家大劇院、浦東國際機(jī)場(chǎng)、上?？萍汲翘粘?、深圳南湖路花園大廈等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都采用了ANSYS作為分析工具。ANSYS的界面非常友好,有些類似于AUTOCAD,其使用方法也和AUTOCAD有相似的地方:GUI方式和命令流方式。GUI(Graphical User Interface)方式即通過點(diǎn)擊菜單項(xiàng),在彈出的對(duì)話框中輸人參數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置從而進(jìn)行問題的分析和求解:命令流方式是指在ANSYS的命令流輸入窗口輸入求解所需的命令,通過執(zhí)行這些命令來實(shí)現(xiàn)問題的解答。GUI方式較容易掌握,但是在熟悉了ANSYS的命令之后,使用命令流方式要比GUI方式效率高出許多。

目前,ANSYS軟件已形成完善、成熟的三大核心體系:以結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)為核心的MCAE體系,以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為核心的CFD體系,以計(jì)算電磁學(xué)為核心的CEM體系。這三大體系不僅提供MCAE/CFD/CEM領(lǐng)域的單場(chǎng)分析技術(shù),各單場(chǎng)分析技術(shù)之間還可以形成多物理場(chǎng)耦合分析機(jī)制。

ANSYS是一個(gè)大型通用的商業(yè)有限元軟件,功能完備的前后處理器使ANSYS易學(xué)易用,強(qiáng)大的圖形處理能力及得心應(yīng)手的實(shí)用工具使得用戶在處理問題時(shí)得心應(yīng)手,奇特的多平臺(tái)解決方案使用戶能夠做到物盡其用,多種平臺(tái)支持(NT、LINUX、UNIX)和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng),各種硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)庫兼容,功能一致,界面統(tǒng)一。

ANSYS具有強(qiáng)大的實(shí)體建模技術(shù)。與現(xiàn)在流行的大多數(shù)CAD軟件類似。通過自頂向下或自底向上兩種方式,以及布爾運(yùn)算、坐標(biāo)變換、曲線構(gòu)造、蒙皮技術(shù)、拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、鏡射、倒角等多種手段,可以建立起真實(shí)地反映工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何模型。

ANSYS提供兩種基本網(wǎng)格劃分技術(shù):智能網(wǎng)格和映射網(wǎng)格,分別適合于ANSYS初學(xué)者和高級(jí)使用者。智能網(wǎng)格、自適應(yīng)、局部細(xì)分、層網(wǎng)格、網(wǎng)格隨移、金字塔單元(六面體與四面體單元的過渡單元)等多種網(wǎng)格劃分工具,幫助用戶完成精確的有限元模型。

另外,ANSYS還提供了與CAD軟件專用的數(shù)據(jù)接口,能實(shí)現(xiàn)與CAD軟件的無縫幾何模型傳遞。這些CAD軟件有Pro/E、UG、CATIA、lDEAS,Solidwork、Solid edge、lnventor、MDT等。ANSYS還可以讀取SAT、STEP、ParaSolid、lGES 格式的圖形標(biāo)準(zhǔn)文件。

此外,ANSYS還具有近200種單元類型,這些豐富的單元特性能使用戶方便而準(zhǔn)確地構(gòu)建出反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算模型。

ANSYS提供了對(duì)各種物理場(chǎng)的分析,是目前唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流場(chǎng)、聲學(xué)等為一體的有限元軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力分析之外,還可以解決高度非線性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)非線性及非線性屈曲分析。提供的多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。

ANSYS的后處理用來觀察ANSYS的分析結(jié)果。ANSYS的后處理分為通用后處理模塊和時(shí)間后處理模塊兩部分。后處理結(jié)果可能包括位移溫度應(yīng)力應(yīng)變速度以及熱流等,輸出形式可以是圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。ANSYS還提供自動(dòng)或手動(dòng)時(shí)程計(jì)算結(jié)果處理的工具。

3 ANSYS軟件的主要功能

ANSYS軟件提供了對(duì)各種物理場(chǎng)量的分析,是一種能夠融結(jié)構(gòu)、熱流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,其主要功能包括:

結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。ANSYS能夠完成的結(jié)構(gòu)

分析有:結(jié)構(gòu)靜力分析;結(jié)構(gòu)非線性分析;結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析;隱式、顯示及顯示-隱式-顯示耦合求解。

熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的溫度等熱物理量的分布及變化情況。ANSYS能夠完成的熱分析有:穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析;瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析;相變分析;輻射分析。

ANSYS程序的FLOTRAN CFD分析功能能夠進(jìn)行二維及三維的流體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,其可以完成以下分析:層流、紊流分析;自由對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流分析;可壓縮流/不可壓縮流分析;亞音速、跨音速、超音速流動(dòng)分析;多組分流動(dòng)分析;移動(dòng)壁面及自由界面分析;牛頓流與非牛頓流體分析;內(nèi)流和外流分析;分布阻尼和FAN模型;熱輻射邊界條件,管流。

ANSYS程序能分析電感、電容、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線及能量損失等電磁場(chǎng)問題,也可用于螺線管、發(fā)電機(jī)、變換器、電解槽等裝置的設(shè)計(jì)與分析。其內(nèi)容主要包括:2D、3D及軸對(duì)稱靜磁場(chǎng)分析;2D、3D及軸對(duì)稱時(shí)變磁場(chǎng);交流磁場(chǎng)分析;靜電場(chǎng)、AC電場(chǎng)分析;

ANSYS程序能進(jìn)行聲波在含流體介質(zhì)中的傳播的研究,也能分析浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。其涉及范圍包括:聲波在容器內(nèi)的流體介質(zhì)中傳播;聲波在固體介質(zhì)中的傳播;水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析;無限表面吸收單元。

用于二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC、DC或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。主要研究?jī)?nèi)容如下:穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析;諧響應(yīng)分析;瞬態(tài)響應(yīng)分析;交流、直流、時(shí)變電載荷或機(jī)械載荷分析。

多耦合場(chǎng)分析就是考慮兩個(gè)或多個(gè)物理之間的相互作用。ANSYS統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫及多物理場(chǎng)分析并存的特點(diǎn)保證了可方便的進(jìn)行耦合場(chǎng)分析,允許的耦合類型有以下幾種:熱-應(yīng)力;磁-熱、磁-結(jié)構(gòu);流體流動(dòng)-熱;流體-結(jié)構(gòu);熱-電;電-磁-熱-流體-應(yīng)力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。ANSYS程序提供多種優(yōu)化方法,包括零階方法和一階方法等。對(duì)此,ANSYS提供了一系列的分析-評(píng)估-修正的過程。此外,ANSYS程序還提供一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程的效率。

用戶可編輯特性(UPFS)是指,ANSYS程序的開放結(jié)構(gòu)允許用戶連接自己編寫的FORTRAN程序和子過程。UPFS允許用戶根據(jù)需要定制ANSYS程序,如用戶自定義的材料性質(zhì)、單元類型、失效準(zhǔn)則等。通過連接自己的FORTRAN程序,用戶可以生成一個(gè)針對(duì)自己特定計(jì)算機(jī)的ANSYS程序版本。

ANSYS程序支持的其它一些高級(jí)功能包括拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、子模型、子結(jié)構(gòu)、單元的生和死。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡(jiǎn)稱 CFD)以理論流體力學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),是流體力學(xué)的一個(gè)分支。它通過在計(jì)算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程(組),并對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行過程模擬,從而獲得流體在特定條件下的有關(guān)信息。CFD 可用來進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究,復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì),了解在燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng),分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。其主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果,對(duì)投資大、周期長(zhǎng)、難度高的實(shí)驗(yàn)研究來說,CFD 的優(yōu)點(diǎn)就更為突出[09]。因此,將 CFD 與工程研究相結(jié)合,不僅有助于工程設(shè)計(jì)的改進(jìn),而且能減少實(shí)驗(yàn)的工作量。可以說,CFD 是一種有效和經(jīng)濟(jì)的研究手段。CFD 數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)是通過時(shí)、空離散,把描述流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散為大型代數(shù)方程組,建立可以在計(jì)算機(jī)上求解的算法,從而獲得問題所需的解。主要的數(shù)值方法有:有限差分法、有限元法和邊界元法,近年來有限體積法亦成為一種被廣泛采用的數(shù)值方法。差分法特別適用于求解非定常問題(拋物型、雙曲型),但不適于表面復(fù)雜的曲線邊界。有限元法首先是在固體力學(xué)中發(fā)展起來的,比有限差分法較晚用于流體力學(xué)計(jì)算,該方法適用于求解復(fù)雜邊界的定常問題(橢圓型)。有限體積法由 Jameson等人于 1981 年提出,它能夠處理具有任意幾何外形,任意曲線網(wǎng)格物體的繞流問題,常用于傳熱問題分析。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是用于預(yù)測(cè)和分析復(fù)雜流體流動(dòng)的計(jì)算方法。CFD方法涉及用數(shù)值方法求解有關(guān)的流體及熱量轉(zhuǎn)換的基本方程。流體領(lǐng)域被模型化為一個(gè)具有許多離散體積的網(wǎng)格,使我們能夠分析具有復(fù)雜形體的工程問題。由于CFD涉及的難度,它的應(yīng)用大都限于研究項(xiàng)目。

ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能是一個(gè)用于分析2D及3D流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID141和FLUID142單元,可解決管道流體的復(fù)雜的3D流動(dòng)。

FLOTRAN可做以下分析:

●層流或紊流

●傳熱或絕熱

●可壓縮或不可壓縮

●牛頓流或非牛頓流

●多組份傳輸

這些分析類型并不互相排斥,例如,一個(gè)層流分析可以是傳熱的或是絕熱的,一個(gè)紊流分析可以是可壓縮或是不可壓縮。

一個(gè)典型的FLOTRAN分析有如下七個(gè)主要步驟:

●確定問題的區(qū)域;

●確定流體的狀態(tài);

●生成有限元網(wǎng)格;

●施加邊界條件;

●設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù);

●求解;

●檢查結(jié)果。

(1)確定問題的區(qū)域

必須明確所分析問題的明確的范圍,將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方.如果不知道自己的問題中哪個(gè)地方梯度變化最大,也就要先作一個(gè)試探性的分析,然后根據(jù)結(jié)果來修改分析區(qū)域。

(2)確定流體的狀態(tài)

FLOTRAN能求解的流體包括氣流和液流,其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯著變化,FLOTRAN中的氣流只能是理想氣體。在大多數(shù)的情況下,近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù),即不隨溫度而變化,均可得到足夠精確的解。通過雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流,雷諾數(shù)反映了慣性力和黏性力的相對(duì)強(qiáng)度。通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮[13]。

(3)生成有限元網(wǎng)格

單元形狀在二維結(jié)構(gòu)中可分為四邊形和三角形,在三維結(jié)構(gòu)中可分為六面體和角錐體。網(wǎng)格劃分有默認(rèn)尺寸大小,仍可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分,但不一定能滿足設(shè)計(jì)者的要求。單元大小基本上在線段上定義,可用線段數(shù)目和線段長(zhǎng)度來劃分,通常以線段數(shù)目分割比較方便。

必須事先確定流場(chǎng)中哪個(gè)地方流體的梯度變化較大,在這些地方,網(wǎng)格必須做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了得到精確得結(jié)果,應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分,因其能在邊界上上更好地保持恒定的網(wǎng)格特性。對(duì)流動(dòng)分析,尤其是湍流,在近壁處的使用金字塔單元可能導(dǎo)致不正確的結(jié)果,因此這種區(qū)域不應(yīng)使用。對(duì)于快速求解,可以在近壁處使用楔形單元。對(duì)于準(zhǔn)確求解,應(yīng)在這些區(qū)域使用六面體單元。

(4)施加邊界條件

可以在網(wǎng)格劃分前后施加邊界條件和載荷,網(wǎng)格劃分前只能在幾何元素(點(diǎn)、線、面)定義邊界條件和載荷,劃分網(wǎng)格后還可以在節(jié)點(diǎn)和單元上施加載荷和邊界條件。載荷和邊界條件的形式在流體分析中通常表現(xiàn)為壓力分布、速度分布以及熱傳導(dǎo)、對(duì)流等相關(guān)的條件。

(5)設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)

為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項(xiàng),用戶必須激活它們。諸如流體性質(zhì)等特定項(xiàng)目的設(shè)置,是與所求的流體問題的類型相關(guān)的。

(6)求解

根據(jù)問題的規(guī)模和計(jì)算機(jī)的求解能力,求解時(shí)間可以從幾分鐘到幾天,甚至幾周。通常湍流模型的求解都比層流模型的求解消耗更大。

(7)結(jié)果后處理

根據(jù)需要,用戶可以繪制流場(chǎng)的流速分布?jí)毫Ψ植剂髁糠植嫉雀鞣N矢量圖或等值圖。

5 干氣密封氣膜流場(chǎng)的模擬

干氣密封是一種新型的非接觸軸封,與其它密相比,干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長(zhǎng)、能低、操作簡(jiǎn)單可靠、維修量低、被密封的流體不受污染等特點(diǎn)。機(jī)械密封一直不能干運(yùn)轉(zhuǎn),但干氣封利用流體動(dòng)壓效應(yīng),使旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)密封端面之不接觸,而被密封介質(zhì)泄漏量很少,從而實(shí)現(xiàn)了既以密封氣體又能進(jìn)行干運(yùn)轉(zhuǎn)操作。在壓縮機(jī)應(yīng)用域,無論離心壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、齒輪傳動(dòng)壓機(jī)還是透平膨脹機(jī),干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密、迷宮密封和油潤(rùn)滑機(jī)械密封。在泵和反應(yīng)釜上氣密封應(yīng)用也越來越廣泛。

干氣密封與一般機(jī)械密封的平衡型集裝式結(jié)構(gòu)一樣,但端面設(shè)計(jì)有所不同,表面上有幾微米至十幾微米深的溝槽,端面寬度較寬。與一般潤(rùn)滑機(jī)械密封不同,干氣密封在兩個(gè)密封面上產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的氣膜。這個(gè)氣膜具有較強(qiáng)的剛度使兩個(gè)密封端面完全分離,并保持一定的密封間隙,這個(gè)間隙不能太大,一般為幾微米。密封間隙太大,會(huì)導(dǎo)致泄漏量增加,密封效果較差;而密封間隙較小,容易使兩密封面發(fā)生接觸,因?yàn)楦蓺饷芊獾哪Σ翢岵荒芗皶r(shí)散失,端面接觸無潤(rùn)滑,將很快引起密封變形、端面過度發(fā)熱從而導(dǎo)致密封失效。這個(gè)氣膜的存在,既有效地使端面分開又使相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩端面得到了冷卻,兩個(gè)端面非接觸,故摩擦、磨損大大減小,使密封具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn),從而延長(zhǎng)主機(jī)的壽命。

如圖所示,開槽的密封面,分為兩個(gè)功能區(qū),外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域,氣體進(jìn)入開槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進(jìn)入的氣體,在槽根部形成局部的高壓區(qū),使端面分開,并形成一定厚度的氣膜,為了獲得必要的泵送效應(yīng),動(dòng)壓槽必須開在高壓側(cè)。開槽的密封間隙內(nèi)的壓力增加對(duì)干氣密封的工作是至關(guān)重要的,它將保證即使在軸向載荷較大的情況下,密封也能形成一個(gè)不被破壞的穩(wěn)定氣膜。密封的內(nèi)區(qū)域(即壩區(qū))是平面的,靠它的節(jié)流作用而限制了泄量。密封工作時(shí)端面氣膜形成的開啟力與由彈簧和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡,從而實(shí)現(xiàn)了非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當(dāng)密封不受壓或不工作時(shí)能確保密封的閉合,防止意外發(fā)生。

由此看出,干氣密封的設(shè)計(jì),決定性的因素是密封環(huán)上開槽的幾何形狀和幾何尺寸,選擇合理、適用易于加工制造的槽形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

密封面開槽既可在動(dòng)環(huán)上也可以在靜環(huán)上,一般來說高速情況下,在動(dòng)環(huán)密封面上開槽;在低速或中速情況下可以在靜環(huán)上開槽。要注意由于密封間隙只有幾微米,因而一定要注意防止固體顆粒介質(zhì)進(jìn)入密封端面。

5.3 密封模型

圖1描述了一個(gè)氣體潤(rùn)滑的螺旋槽端面密封的幾何參數(shù)。只有幾微米深的螺旋槽通?？淘谛D(zhuǎn)環(huán)表面上,流體在帶有螺旋槽的旋轉(zhuǎn)環(huán)表面和光滑的靜止環(huán)表面間的流動(dòng),產(chǎn)生泵吸作用。當(dāng)螺旋槽開在密封環(huán)的外側(cè)時(shí),流體由外向內(nèi)泵入;反之,也可以由內(nèi)向外泵出。圖1所示的密封環(huán),外側(cè)開有螺旋槽,內(nèi)側(cè)為密封壩,它既可以減少泄漏又可以增加軸向剛度。根據(jù)實(shí)際需要,密封壩可以在密封環(huán)外徑處,也可以在內(nèi)徑處,或內(nèi)徑和外徑處同時(shí)都有密封壩。

6 建模及計(jì)算模擬

本文所采用的數(shù)據(jù)是參考資料取相應(yīng)的值,由于本文著重點(diǎn)于使用ANSYS軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析,重點(diǎn)分析在建模過程中所遇到的問題及對(duì)其采取的解決辦法,所以相關(guān)數(shù)值的選取只做簡(jiǎn)單的描述。

氣膜在理想情況下可以看出是一個(gè)厚度很薄的圓盤,其厚度僅有0.3μm,半徑為78mm。由于圓盤是關(guān)于軸對(duì)稱的,故采用軸對(duì)稱分析方法對(duì)其進(jìn)行分析。

本文可選用的單元類型有FLUID29、FLUID79、FLUID141。

FLUID29 用于模擬流體介質(zhì)和流體/結(jié)構(gòu)相互作用問題上的分界面。典型應(yīng)用包括聲波傳輸和水下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析。考慮到分界面處的聲壓和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng),聲學(xué)控制方程,也就是2D波動(dòng)方程被離散化。元素有4個(gè)角節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度:只有分界面處的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行X、Y方向和壓力的平移。該單元可以包含在分界面處吸音材料的阻尼。還可以和它他2D結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行非均勻或阻尼模態(tài)、全諧波分析、全瞬態(tài)分析(參看TRNOPT 命令).當(dāng)沒有結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),該元素還可以用于靜力、模態(tài)、簡(jiǎn)化諧波相應(yīng)分析。

Fluid79式2維結(jié)構(gòu)單元(plane42)的修改后的單元,它用來模擬容器中沒有凈流速的流體,這種單元非常適合計(jì)算靜水壓力下的流古界面。加速度的影響,比如晃動(dòng)問題,溫度的影響也包括。

Fluid79每個(gè)單元由四個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度,分別為x,y方向的平移自由度。它可以用來分析平面軸對(duì)稱環(huán)單元。

FLUID141二維流體―熱單元

可使用FLUID141模擬瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的流體/熱系統(tǒng),包括流體和非流體區(qū)域。在流體域中求解粘性流與能量的守恒方程,在非流體域只能求解能量方程。與那些用一維區(qū)域連接成網(wǎng)狀模型的單元(如FLUID116)不同,使用FLOTRAN CFD單元可求解區(qū)域中的流動(dòng)與溫度分布。

對(duì)于FLOTRAN CFD單元,可通過動(dòng)量守恒定律求得速度,從質(zhì)量守恒定律求得壓力(如果需要計(jì)算溫度,可從能量守恒定律求得)。使用分離序貫算法求解,即對(duì)控制方程進(jìn)行有限元離散得出矩陣并對(duì)每一個(gè)自由度分別進(jìn)行求解。流動(dòng)問題是非線性的,控制方程是耦合在一起的。順序求解所有的控制方程,連同更新任何與溫度或壓力相關(guān)的材料屬性,構(gòu)成一次總體迭代。要得到收斂的結(jié)果所需的整體迭代步數(shù)差別相當(dāng)大,這主要取決于問題的大小和穩(wěn)定性。對(duì)于多達(dá)六種組分的質(zhì)量組成需求解輸運(yùn)方程。

可在一個(gè)以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中求解方程組。自由度是速度、壓力和溫度。如果需要激活湍流模型選項(xiàng),就會(huì)計(jì)算兩個(gè)湍流量:湍流動(dòng)能與湍流動(dòng)能耗散率。對(duì)于軸對(duì)稱模型,可以計(jì)算一個(gè)可選的垂直與平面的漩渦速度VZ。也可指定進(jìn)口處或邊界(移動(dòng)壁面)處的漩渦速度。

本文最初采用Fluid79對(duì)氣膜進(jìn)行模擬分析,其分析結(jié)果僅得到氣膜的節(jié)點(diǎn)位移場(chǎng)分布云圖及位移矢量圖,不能得到壓力分布圖及速度分布圖。因?yàn)槠洳荒苣M出氣膜內(nèi)的流場(chǎng)壓力分布,故選用Fluid79單元不合適。

模型可以在ANSYS的圖形界面上直接創(chuàng)建,也可以從AUTOCAD、Pro/E上導(dǎo)入。對(duì)于簡(jiǎn)單的圖形可直接在ANSYS圖形界面上直接創(chuàng)建,相對(duì)比較復(fù)雜的可在CAD中創(chuàng)建,然后導(dǎo)入。在導(dǎo)入的過程中要注意單位的統(tǒng)一,CAD中的單位的定義在格式 /單位。ANSYS的單位可通過命令流對(duì)其進(jìn)行定義,常用的有SI、CGS、MPA、BFT、BIN,具體操作參照附錄二(定義單位)。本文分析采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位制SI(SI or MKS; m, kg, s, K).

下面介紹從CAD導(dǎo)入圖形到ANSYS:在CAD中繪制好圖形,選擇(文件 | 輸出)命令,出現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)對(duì)話框,選擇保存目的地,選擇文件類型為ACIS(*.sat),然后更改文件名,單擊OK按鈕,出現(xiàn)一個(gè)小選取框,選擇需要導(dǎo)出的圖形,單擊Enter鍵確定。

在ANSYS的圖形界面上選擇Utility Menu | File | Import | Sat 命令,出現(xiàn)ANSYS Connection for SAT 對(duì)話框,選擇需要導(dǎo)入的圖形,單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。

從CAD導(dǎo)入平面或?qū)嶓w圖形后,選擇Utility Menu | Plot | Areas命令,會(huì)發(fā)現(xiàn)圖形僅顯示線。選擇Utility Menu | PlotCtrls | Style | Solid Model Facets 命令,出現(xiàn)Solid Mode Facets 對(duì)話框,參照下圖進(jìn)行選擇,再選擇Utility Menu | Plot | Areas命令,顯示面。

6.3 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),它將幾何模型轉(zhuǎn)化為由節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成的有限元模型。網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度和計(jì)算進(jìn)度,甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計(jì)算布收斂。網(wǎng)格劃分主要包括以下三個(gè)步驟:

(1)定義單元屬性(單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性)

(2)設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制

(3)執(zhí)行網(wǎng)格劃分

在很多情況下,要求局部的網(wǎng)格具有比較精細(xì)的劃分,以便在分析中獲得精確的結(jié)果。網(wǎng)格細(xì)化的命令在主菜單的Preprocessor | Meshing | Modify Mesh 子菜單中。在網(wǎng)格工具欄中也有網(wǎng)格細(xì)化(Refine)操作按鈕,位于工具欄的下方。

選擇Preprocessor | Meshing | Modify Mesh | Refine At | Lines 命令,彈出拾取對(duì)話框。在圖形窗口中拾取需要細(xì)化的邊后,單擊OK按鈕,彈出細(xì)化級(jí)別對(duì)話框。在這個(gè)對(duì)話框中可以選擇的網(wǎng)格細(xì)化的精度級(jí)別,最小為1,最大為5。也可以對(duì)某一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)附近的單元進(jìn)行細(xì)化,或?qū)χ行牟课坏哪骋粏卧恢眠M(jìn)行細(xì)化。

細(xì)化單元操作僅僅對(duì)于平面的三角形、四邊形網(wǎng)格,以及體的四面體網(wǎng)格適用,對(duì)于使用六面體進(jìn)行劃分的三維幾何模型,不能進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。另外,細(xì)化可能會(huì)出現(xiàn)歧異單元,影響計(jì)算的收斂。

對(duì)于復(fù)雜模型的網(wǎng)格的劃分,有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)歧異網(wǎng)格或“壞網(wǎng)格”,這些網(wǎng)格由于形狀不好會(huì)引起計(jì)算的不收斂或剛度矩陣產(chǎn)生歧異。因此需要做一下網(wǎng)格的檢查。選擇主菜單中的Preprocessor | Meshing | Individual | Plot Bad Elms命令,彈出壞網(wǎng)格顯示設(shè)置對(duì)話框,使用默認(rèn)的設(shè)置,用黃色顯示警告的網(wǎng)格,用紅色顯示壞網(wǎng)格,同時(shí)用線條和顏色顯示這些網(wǎng)格。

當(dāng)有警告網(wǎng)格時(shí),仍可以進(jìn)行計(jì)算,但計(jì)算的結(jié)果不一定正確,若出現(xiàn)壞網(wǎng)格,則ANSYS將不進(jìn)行進(jìn)一步的求解。

出現(xiàn)壞網(wǎng)格可以采用多種解決方法,以下列出常用的幾種解決方案:

● 刪除原有網(wǎng)格,采用更高精度重新劃分;

● 局部加密網(wǎng)格;

● 將幾何模型切分為多個(gè)小塊,分別劃分網(wǎng)格;

● 使用另外的網(wǎng)格形狀。

在本文的模型中,需要對(duì)槽區(qū)部分進(jìn)行細(xì)化,也可以通過設(shè)定線段劃分的段數(shù)來進(jìn)行局部細(xì)化,其效果圖如下:

7 操作技巧

ANSYS推薦使用三鍵鼠標(biāo),因?yàn)锳NYS中提供了使用鼠標(biāo)進(jìn)行幾種快速操作的功能。

在進(jìn)行圖形拾取時(shí),ANSYS的鼠標(biāo)指針將變成向上的箭頭“↑”,此時(shí)可以在圖形顯示區(qū)中,通過單擊鼠標(biāo)左鍵對(duì)需要的對(duì)象進(jìn)行拾取。當(dāng)單擊鼠標(biāo)右鍵的時(shí)候,鼠標(biāo)指針變?yōu)橄蛳碌募^“↓”,在圖形顯示區(qū)中可以通過單擊鼠標(biāo)左鍵取消前面的誤操作或不需要選擇的對(duì)象。

單擊鼠標(biāo)中鍵,表示應(yīng)用當(dāng)前操作,相當(dāng)于單擊對(duì)話框中的Apply按鈕,這在多次重復(fù)操作的時(shí)候非常有用。

當(dāng)按下Ctrl鍵的時(shí)候,圖形顯示區(qū)中的鼠標(biāo)變成了“”形狀,此時(shí)按下鼠標(biāo)的左鍵、右鍵、中鍵,可以對(duì)顯示進(jìn)行不同的調(diào)整。

⊙ 按下“Ctrl鍵+鼠標(biāo)左鍵”:上下左右移動(dòng)視圖。(注意:只是移動(dòng)視圖,并沒有改變模型的坐標(biāo)位置。)

⊙ 按下“Ctrl鍵+鼠標(biāo)中鍵”:放大縮小以及在屏幕所在的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)視圖。

⊙ 按下“Ctrl鍵+鼠標(biāo)右鍵”:在空間旋轉(zhuǎn)視圖。

單擊應(yīng)用菜單中的命令:List | Files | Log File,彈出文本窗口,這個(gè)文件記錄的是前面所有操作的命令方式。對(duì)于不熟悉的命令,只要知道器菜單操作,就可以從這個(gè)log文件中找到該命令的使用。

8 加載和求解

氣膜在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間,其模型可以理想的看成是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤,其半徑為0.078m,厚度為0.3mm。圓盤的左右兩個(gè)面與動(dòng)、靜環(huán)相接觸,可以看作在X方向的位移為0,即UX=0。該圓盤關(guān)于X軸對(duì)稱并繞其旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為1200rad/s,

密封沖洗氣的壓力設(shè)為0.6MPa。其實(shí)體模型的載荷圖如右圖所示。

由于氣膜很薄,在ANSYS圖形界面顯示成一條直線。選擇Utility Menu | PlotCtrls | Numbering命令,出現(xiàn)Plot Numbering Controls對(duì)話框。選擇LINE Line numbers復(fù)選框,使其從Off轉(zhuǎn)變?yōu)镺n打開線段的編號(hào),在選擇線段時(shí)單擊線段的編號(hào),不需要放大即可準(zhǔn)確選取。

求解

氣膜繞X軸高速旋轉(zhuǎn),氣膜內(nèi)的流場(chǎng)屬于瞬態(tài)、紊流流場(chǎng)。又因氣膜受溫度的影響很小,所以可以把它看成是理想的絕熱過程。

對(duì)于密封氣體,可用空氣來代替密封的氣體。選擇AIR-SI,即在標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下的空氣屬性,包括密度、粘度、組分等。因?yàn)樵诮r(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)國際單位制,如果單位不統(tǒng)一,將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的運(yùn)算結(jié)果,甚至無法進(jìn)行運(yùn)算。

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