應(yīng)用 | 關(guān)于DM殼功能使用介紹

2017-09-20 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在構(gòu)建諸如汽車車身、飛機(jī)引擎罩、發(fā)動(dòng)機(jī)氣道、鈑金件以及其他薄壁結(jié)構(gòu)的有限元模型時(shí)通常選用殼單元。殼單元能很方便的用于薄壁結(jié)構(gòu)的建模,并且能極大的減少單元節(jié)點(diǎn)以及單元數(shù),這樣避免了采用實(shí)體單元建模時(shí)候所帶來(lái)的復(fù)雜性和規(guī)模龐大的網(wǎng)格。

實(shí)體單元中,厚度是由節(jié)點(diǎn)的位置決定,而殼單元是單層的,厚度是由實(shí)常數(shù)決定的。由于殼單元的厚度獨(dú)立于幾何模型,因此可以很方便的進(jìn)行參數(shù)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立一個(gè)用于生成殼單元的面幾何模型要比建一個(gè)三維實(shí)體幾何模型簡(jiǎn)單的多。

如圖1所示使用殼單元構(gòu)建一個(gè)工字截面梁,左邊為實(shí)體模型,右邊是對(duì)應(yīng)的殼單元模型,如果殼單元使用模型的頂面和底面生成,那么有限元模型的剛度與實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度將發(fā)生很大的差別。

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圖1.工資型梁的三維實(shí)體和中面殼單元模型

與模型的復(fù)雜程度有關(guān),有的時(shí)候很難或不可能得到中面,許多時(shí)候分析人員只能用模型的頂面或底面,希望殼單元的偏置影響較小可以忽略,這樣做有的場(chǎng)合可以,有時(shí)則不行。而且,分析人員從來(lái)不知道這樣做帶來(lái)的誤差有多大。本文主要針對(duì)DesignModeler中的Thin/Surface功能做一個(gè)詳細(xì)全面的解讀。

本文以一個(gè)厚度為5mm,內(nèi)徑為80mm,高為200mm的圓柱筒體與一個(gè)200×200×10薄板結(jié)構(gòu)作為分析優(yōu)化設(shè)置案例對(duì)功能做一個(gè)詳細(xì)全面的解析。模型如圖2所示。

圖2.案例分析模型

選中ANSYS Workbench中的菜單鍵"Thin/Surface",彈出下面的窗口

圖3.Thin/Surface的視圖顯示

在Selection Type的選項(xiàng)下有Faces to Keep、Faces to Remove、Bodies Only,分別是對(duì)當(dāng)前面的保留,去除和體劃分。在Direction的選項(xiàng)下有Inward、Outward、Mid-Plane,分別對(duì)應(yīng)內(nèi)面、外面、中性面。在DesignModeler中中Selection Type和Direction選項(xiàng)的選擇將決定后續(xù)殼網(wǎng)格劃分的方向。

圖4. Selection Type和Direction選項(xiàng)示意圖

一、Faces to Keep

在本文中Selection Type選擇Faces to Keep,選中圖示所示的圓柱筒體的外表面和薄板的上表面進(jìn)行抽殼處理。

圖5.抽殼前后示意圖

在Diretion下,選擇Inward和Outward,分別是向內(nèi)或者向外進(jìn)行殼結(jié)構(gòu)的建立對(duì)應(yīng)不同的圓柱筒體效果,如圖6所示:從圖6我們可以發(fā)現(xiàn)抽殼時(shí)候需要關(guān)注抽殼的方向,否者后續(xù)分析中會(huì)結(jié)構(gòu)的偏置,導(dǎo)致結(jié)果的誤差。

圖6.Inward和Outeward效果示意圖

為了研究后續(xù)網(wǎng)格的劃分效果將Thickness設(shè)置不為0mm時(shí)候。DM建立的殼結(jié)構(gòu)會(huì)在后續(xù)分析中自動(dòng)轉(zhuǎn)化為實(shí)體結(jié)構(gòu)。這不滿足對(duì)殼單元的劃分。因此為了在MESH中生成殼單元,在DM中Thickness必須是0mm。

圖7.殼單元的效果示意圖

當(dāng)在DM中厚度設(shè)置為0mm時(shí),在后續(xù)分析程序中殼體單元下也有Thickness和OFFSET Type兩個(gè)功能選項(xiàng)的補(bǔ)充;其中OFFSET Type中也會(huì)有Top,Bottom,Middle三種類。

對(duì)板結(jié)構(gòu)與其它體接觸的面進(jìn)行抽殼時(shí),所選擇面會(huì)做為殼單元的Top面(見圖8),當(dāng)板結(jié)構(gòu)與其它面不接觸的時(shí)候進(jìn)行抽殼時(shí),所選擇的面會(huì)作為鈑金件真實(shí)厚度方向的Bottom面(見圖9);圓柱結(jié)構(gòu)面向內(nèi)為TOP面,向外為Bottom面。從下列圖示可以很清楚的認(rèn)清兩種偏置的區(qū)別。

圖8.殼單元的方向示意圖(左邊是Top,右邊是Bottom)

圖9.殼單元的方向示意圖(都是對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面作為抽殼選擇面)

二、Faces to Remove

當(dāng)選擇Faces To Remove時(shí)候,所選擇的面就會(huì)被祛除,其它面結(jié)構(gòu)就會(huì)作為面體結(jié)構(gòu)。

圖10.去除面后的示意圖

三、Bodies Only

當(dāng)選擇Bodies Only時(shí)候,會(huì)將所選擇的體進(jìn)行抽空,向內(nèi)部厚度方向?yàn)門op的偏置類型,向外部的方向?yàn)锽ottom的偏置類型。

圖11.選擇Bodies Only剖面示意圖

盡管使用殼單元有許多優(yōu)點(diǎn),但是也有一些缺點(diǎn)在使用時(shí)需要加以注意,

首先,殼單元只適用于幾種結(jié)構(gòu)類型,因?yàn)闅卧羌僭O(shè)彎曲應(yīng)力沿殼單元厚度方向線性變化的;
其次,在多數(shù)情況下為了得到較為理想的結(jié)果,殼單元一般需要建立在實(shí)體結(jié)構(gòu)的中心層或中面上;
最后,許多時(shí)候分析人員只能用模型的頂面或底面,這個(gè)時(shí)候需要分清楚殼單元的面體方向想,如果不清楚軟件中的殼體方向設(shè)置,需要在殼體面上做更多的檢查。

最后將采用殼模型對(duì)鈑金件的三種偏置情況進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明,案例模型說(shuō)明:在靜力學(xué)中給鈑金件的四周設(shè)置Fixed Support支持,在圓柱體上端添加200N豎直向下的作用力。