《计算机辅助机械工程》
(研2010,2011.3)
第三章 ANSYS 有限元程序的应用
ANSYS 称分析系统(AN alysis SYS tem)。
ANSYS公司,全球著名最大软件公司之一,美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。
第一节ANSYS概论
ANSYS为通用有限元分析程序。
1.1 背景
ANSYS INC(公司) 1970年成立,致力于工程仿真软件和技术的研发。
ANSYS公司重点开发开放、灵活的,对设计直接进行仿真的解决方案,提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台,同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。
原来软件公司200多人,不直接销售,只开发、研究、培训;现在ANSYS 全球有1700多名员工,在40多个国家销售产品。
ANSYS中国:在北京、上海、成都,设有三个分公司,负责ANSYS在整个中国的业务发展。
ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司,于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。通过整合,ANSYS公司成为全球最大的虚拟仿真软件公司。
目前,ANSYS整个产品线包括ANSYS Mechanical系列, ANSYS CFD (FLUENT/CFX)系列,ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS Workbench(工作台)和 EKM 等。
ANSYS CFD最新版本:ANSYS Fluent 13.0 和ANSYS CFX13.0 于2010年底在美国发布,新版本不仅在核心物理模型上有进一步的提升,在网格处理技术、几何建模技术、集成优化技术等方面都有多个新模块和功能的引入。ANSYS中国与其合作伙伴安世亚太共同举办的ANSYS CFD新产品发布及行业应用研讨会2011年3月7、8、10日在深圳,北京,上海举办。
计算流体力学理论及应用技巧高级培训:2011年3月08-09 北京;2011年3月10-11 上海。收费标准:一般用户:2200元;ANSYS用户:1800元网址:https://www.doczj.com/doc/7a15136626.html,
1.2 ANSYS版本
我们购买ANSYS 5.4 (主版号5,副版号4) 1997年版, 2001年7月5.7版,2002年上半年6.01版,2002年下半年有7.0版, 2003年12月发布了ANSYS 8.0,新版本为ANSYS 12.0(2009年),最新版ANSYS 13.0(2010年)。
ANSYS/E为免费教学版,用于培训,可随意安装。
97年购买正式版 17万元,现在2万元可买到。
教学版:功能齐全,容量小。自由度—2000
教研室现在有12万节点版本,市面有无限节点。
1.3资料
机内有电子文档:Analysis Guides;Commands Manual;
Elements Manual
Theory Manual;Operations Guides (教学版有);
Workbook Example (教学版有);
Verification Manual (教学版有)
2002年前,无正式版的参考书,靠电子文档翻译总结成讲稿。
现有参考书:“精通ANSYS”, 清华大学出版社√;
“ANSYS 基础应用及范例分析”;
“有限元分析基础篇 ANSYS与Mathematica”,清华大学出版社。
1.4 ANSYS 产品
多物理场分析—Multi physics
机械—Mechanical (机构)
结构—Structural(零件)
线性、非线性—LinerPlus
电磁(二维,三唯)—Emag 2D, Emag 3D
热—Thermal
流体—FLOTRAN
ANSYS 提供图形接口:
①与SolidWork 接口,存成Parasolid Files(*.x_t),在ANSYS中用【Import】以PARA(导入参数实体文件)格式调入。
②与Pro/E接口(输入Part文件);用通用接口(IGES)转换。
初始图形交换规范(I nitial G raphics E xchange S pecification,缩写为IGES)
ANSYS输入格式(新版有PARA)
图1-1 用IGES将Pro/E 图形转换到ANSYS中的模型
1.5功能概述
1.结构分析(Structural Analysis)
确定变形、应力、刚度、作用反力,应用最多。
(1)静力分析(static)
线性√、非线性,大变形√,接触(contact,例螺纹连接)√,塑性√,超弹性(hyper elasticity)√,蠕变(creep)。
(2)模态分析(modal)
求线性结构的振动频率,频谱分析(spectrum)
(3)谐波分析(harmonic)
确定线性结构载荷随时间谐波变化的响应。
(4)瞬态分析(transient)
确定载荷随时间任意变化的响应。
(5)屈曲分析(buckling) √
结构的失稳分析。分为特征解和非线性解。
2.特殊分析
(1)断裂力学分析(fracture mechanics)
(2)复合材料分析(composite)
(3)疲劳分析(fatigue), 在后处理中进行疲劳分析。
3.动力分析(LS—DYNAmics)
(1)惯性力(inertia force)
(2)冲击力(impact)
4.热分析√
稳定或非稳定温度场分析,热应力分析,热传导分析。
5.磁场分析
静磁场、谐波磁场、瞬态磁场等分析。
研究生论文“交流电磁场检测数值模拟技术研究”
目的:通过监测工件表面的交变磁场变化,实现工件缺陷的评定。存在缺陷的工件,具有特殊交变磁场变化规律。评定缺陷的类型及裂纹程度,要通过数值模拟来反演出监测仪器,即用ANSYS 分析有缺陷的工件的交变磁场变化,SOLID117单元可以用于三维磁场分析。
6.流体分析(fluid )(新版8.0 购买世界顶级流体动力学软件CFX)
(1)声场分析(acoustic)
(2)层流、紊流分析
7.耦合场分析(coupled-field analysis)
温度场与热应力场的耦合√;
压电材料,由应变产生的电压;
温度—电的耦合;电子—磁场的耦合。
ANSYS 5.4版以前接触+大变形不可解; 5.7版后接触+大变形可解。
1.6 FEA 有限元分析(Finite Element Analysis)基本概念
用数学方法近似法求解,也称数值解。把无限多个自由度当作有限多自由度求解。事实上,把结构划分成有限多个小块,用基本的力学关系,近似数值方法对结构求解。
抽象为近似,求解为精确。
1. 单元划分(称离散化)separate
2.几何形状+载荷叫一个物理系统
3.自由度(DOF)—Degree of Freedom
位移自由度:Ux,Uy,Uz
旋转自由度:ROTX,ROTY,ROTZ
温度为一个自由度:TEMP
压力为一个自由度:PRES
电压为一个自由度:VOLT(伏特)
电磁梯度:MAG
电磁向量:AX,AY,AZ
电流:CURR
电子力:EMF
4.节点:各单元交点,有坐标,自由度。图1-2 有限元模型
节点逆时针:I,J,K,L…原因防止单元面积出现负值。
☆☆有限元理论方法过程
弹性力学中,解析法—直接用公式求解
有限元法—数值解
☆一、有限元基本概念
工程中,结构外形、边界条件等比较复杂时,无法用解析法,而用数值法—有限元法。
有限元法:把无限多个自由度当作有限多自由度求解。
事实上,把结构划分成有限多个小块(称单元),然后由这些单元组成等价模型进行分析。
根据求解时,选择的基本未知量不同,有限元也有位移法、力法和混合法。
位移法简单,适用性广。
1.离散化
连续体划成许多小块,称单元。
①单元大小任意,小精度高,计算容量大;
②单元形状,有三角形和四边形单元;
③一般节点在顶点,可增加节点,3、6、4、8节点。
2.取节点位移作为基本未知量
对平面问题,设内部节点为铰接。
任一节点考虑两个线位移
U,i V(x, y方向的函数),建立相应的位移函数。
i
3.离散化每一节点。
如同拆开,在每个单元的顶点有节点力的矩阵{}e P。
然后建立未知量与节点力的关系。
4.整体分析,在每节点建立平衡方程。
5.求解线性方程组,求出节点位移及其它力学量。
☆二、平面三角单元分析
1.单元位移向量
{}{}{}{}???
??
??????????
???????=??????????=k k j j i
i k j i e
V U V U V U δδδδ (1)
【三角单元:三个节点,有六个位移分量。】
2. 一个点位移函数
三角单元三节点,每个节点的两个位移分量,可用简单线性插值函数表示。
沿各个轴线性变化U=U(x ,y);V=V (x ,y )。 一个节点的位移分量:
y
A x A A y x V y A x A A y x U 654321),(),(++=++= (2)
3. 一个点位移矩阵
{}???
?
??
???
???????????????=??????=65432111
1 0 0 00 0 0 1A A A A A A y x y x V U f (3) 【一个节点的位移矩阵,同(2)式,是位移函数的向量形式。】
4. 三个点位移函数矩阵
{}{}{}e N V
U f δ=???
???=33 (4)
{}N —为形态函数矩阵。
【位移函数矩阵为形态函数矩阵与位移向量矩阵的乘积】
5. 节点力
{}{}{}{}???
??
?????????????????=????
??????????=k k j j i i e k e j e
i e
Y X Y X Y X F F F F (5)
进行节点分析的目的,是建立节点位移向量{}e δ与节点力向量{}e F 间的关系。并找出单元内任意一点的位移、应力和应变公式。
6.应变与位移关系矩阵
{
}[]{}e
B δε = 应变基本概念: L
L
?=ε
[]B —几何系数矩阵
7. 平面问题应力、应变关系矩阵
{
}[]{}εσ D = 简单应力:εσE = (σεE
1
=)
[]D —弹性矩阵,与E, μ有关。
8. 节点力和节点位移关系
{}[]{
}e
e
e
K F δ= []K —单元刚度矩阵。
ANSYS 分析中不需建立理论过程,只需建模、选分析类型、单元类型、加力、位移约束边界条件,即可求解。但应有“基本力学概念”。
第二节 AYSYS 入门
系统环境:WIN NT, WIN98,WIN2000
2.1启动 ANSYS 5.4 (双击)
(1)Interactive 互交启动
可以对初始参数进行设定。快捷方式为: 一组:第一行,产品,不需改; 二组:工作目录—文件存放 图形驱动环境—WIN32
初始文件名,缺省名file, 后缀由ANSYS 定(DB ) “从file 菜单File →cahnge jobname 改变工作文件名”。 三组:需内存空间,总共32M,用于数据16M
四组:读否开始执行文件???Yes
No
界面控制… 输入窗口在左(缺省)、右(选好)、底。
五组:预定参数,不在此用 六组:语言选择—US English 单击RUN 进入系统。
(2)Run Interactive Now
不进行选项选择,直接进入ANSYS 。快捷方式为:
2.2 ANSYS 数据库
在内存有:几何数据;材料数据;结果数据;标题;单元表。 有的是用户输入产生的,有的是中间产生的。 运算在内存中进行,最终存硬盘。
File: Save as Jobname .DB ( 二进制数据文件) 把数据存成一个文件,可另指定文件名Save as … 有了数据库文件,就可恢复。
Resume Jobname .DB 浏览调用已有ANSYS 分析文件
黄色:警告,有可能有错,有时警告不影响结果,据信息而定。
红色:出错,无法进行。
形状不好有警告,划分网格应注意“畸形”;未选单元类型网格化警告。
2.3 ANSYS 文件
数据文件:*.DB 二进制,在其他编辑环境下不可读;
日志文件:*. LOG , 为ASCII文件,记录操作过程,可执行,把执行过程走一遍,产生结果。
例,Verification(校验)中算例*.DAT文件,也称命令流或内部程序文件,将*.DAT改为*. LOG并在File→read input from…选LOG文件执行。
结果文件:*.R**,不同分析类型不一样,*.RST为结构分析。
错误文件:*.ERR
图形文件:*.LOD为ASCII文件
缺省的LOG、ERR文件一开始就打开,累加产生文件,应经常清理。
2.4 ANSYS 的图形界面
1. 实用窗口(下拉单,随时可用,辅助作用。)
包括:文件处理,文件列表,显示处理,坐标设臵,参数设臵,菜单设臵等。
2.INPUT 输入命令
800多条命令,一本命令手册。
很少使用操作命令,主要通过菜单实现操作。
例,Command: / units, BFT(英制英尺);其中units为定义单位命令,BFT为定义的参数。
3.工具栏(Toolbar)
常用命令:保存,恢复,退出,高能图形(绘图快)
用户可添加定义,在实用单中,Menuctrl→Edit toolbar
4.主菜单
建模、求解、后处理,主要工作在此完成。
主菜单窗口
完成工作的最主要的功能,包括前处理(Preprocessing)、求解(Solution)
和后处理(Post processing )等。
选择分析类型; 前处理菜单; 求解菜单; 后处理菜单; 时间历程菜单; 优化设计菜单; 运行时间统计菜单; 退出当前操作。 5. 图形建模区
6. OUTPUT 记录操作过程(遮盖)
7. 操作注释
菜单中:…可选对话框项; >层叠菜单; 返回,击标题,关闭键“×”; Pick 概念:拾取,定位,左键;Unpick 可改错,右键; ↑+右键=OK
OK —完成退出,Apply —完成不退出。
2.5 ANSYS 5.7 硬件环境
ANSYS 5.7 对硬件最低要求: 内存:最低64MB ,图2-1转筒,8万以上节点和非线性需512 MB ;
可用硬盘空间:500MB ;
能支持1024×768 分辨率的显示器;
图2-1 长2774mm,外经1700mm, 8万节点,需512 MB 内存
图2-2挖沟机整体分析三维实体模型长10m×宽5m
图2-2整个机架作为整体进行实体分析计算量非常大,求解过程数据存取量所占的硬盘空间高达25G,内存需要512M×2。整个机架实体完成求解需要6个小时,获取一次局部求解数据需要5个小时。
第三节制定分析计划
3.1 选择分析类型
结构、热、电、流体等(从主菜单中Preference处选定)
3.2 了解分析对象
网格细化,细节考虑。
3.3 确定线性与非线性
包括:几何、材料、状态的线性与非线性。确定之后寻找其计算方法,选择合适的单元类型。
1.几何非线性:结构变形影响刚度为几何非线性(刚度不变为线性)。
【抗弯刚度:EI Z称梁的抗弯刚度】
例,大偏斜/大扭转,钓鱼杆极易弯曲,载荷增大,位移极大,刚度增大,为几何非线性。
2.材料线性与非线性:弹性材料,应力—应变为线性;
弹性材料超过弹性极限、塑性材料、蠕变、玻璃纤维、超弹性(橡胶)为
非线性材料。
弹性应力集中,超过弹性极限用线性解不准,要求给出弹性极限,并给出一种非线性ε
σ-曲线模式求解,限制应力按线性无限增加。
稳定分析:弹性不需要给ε
σ-曲线。
σ-曲线;弹塑性失稳需要给ε
3.状态非线性:接触与不接触、绷绳的松与紧为非线性解。
使用发现:5.4前版本塑性与接触同时使用无法求解,5.7版以后塑性与接触联合可解。
3.4 静力与动力
击振频率小于固有频率1/3为静力;
有惯性力为动力分析。
3.5 提高建模效率
1. 细节考虑,不能人为处理圆角(增加或去掉)
2.对称问题(Symmetry)
(1)轴对称,考虑一个截面,变成二维问题的分析;
(2)旋转对称,风扇叶片,分析一叶片;
(3)反射对称,取一半;
(4)重复性,分析一部分。
3. 应力集中(Stress Singularity)
集中力加在节点上;尖角;错误网格造成模型裂纹;多余节点;重复的线。
4. 单元类型
一本手册,265种单元名,说明使用原则,针对的问题,各种单元名统一排号。不同的单元号,对应于不同的分析类型,实际上单元号是代表一种计算理论。
单元选择对话框
(1)点单元(质量):例名,MASS21
(2)线单元:
①梁单元,可承受弯曲。例名BEAM3为弹性二维梁;BEAM23为塑性二维;BEAM4为弹性三维梁,在刚架分析中使用。
②杆单元,不能承受弯曲。例LINK1为二维杆(spar);LINK10为只能受拉不能受压的空间杆件。
③管单元,可承受拉、压、弯曲载荷,例弹性管单元PIPE16。
(3)壳单元(SHELL)薄壁结构,厚为主要尺寸1/10。例SHELL181可以分析塑性薄壳。
(4)平面单元(PLANE)
PLANE 42为4节点平面单元
PLANE 82 为8 节点平面单元(增加插值节点,计算精度提高。)
平面单元有:
平面应力单元(PLANE 42→Plane stress),Z向应力为0, 薄板;
平面应变单元(PLANE 42→Plane strain),Z向应变为0,厚壁筒、水坝;
轴对称用平面单元(定义单元为PLANE42,单元类型选项为Axisymmetric)。
需要选择单元号之后,再从选项中定义分析类型。
选择单元类型后,定义分析类型对话框
(5)三维实体块单元(SOLID)
例SLOID45,用于计算普通结构三维实体分析。
SOLID117 用于分析三维电磁场。
5. 计算精度
单元8节点的精度较4节点高,插值函数不同,8节点单元去掉4个中间点不如直接用4节点单元精度高。
6. 单位统一
只能通过命令输入,无菜单。Command: /UNITS, BFT(英尺)
7. 实常数
梁单元是建立成线单元,截面尺寸、转动惯量等通过实常数给出;壳单元的厚度、平面应力问题可有板厚度通过实常数给出;管单元的内外直径也是通过实常数给出。
(07年以上4学时)
第四节 ANSYS 建模(2011年第二次课)
4.1 分析的基本步骤
1. 建模、网格划分—前处理
2. 加载、求解—solution
3.获取结果—后处理
4.2 建模方式
Keypoint→Line→Areas→Volumes
1.实体模型与有限元模型区别
点、线、面为实体,几何形状;
有限元模型:节点和单元
2. 体素概念—常用几何形状
3. 建立过程
参见例1一完整分析过程(用P—方法进行平面问题分析)。
P方法(Polynomial:多项式):靠插值函数的多项式提高计算精度;
H方法(Haet:小尺寸):靠缩小单元尺寸保证计算精度haet
P方法的计算精度比H方法的计算精度高。
分析过程文档参见:ANSYS应用实例之一P方法
(1)定义单元类型
可定义具有厚度的平面应力单元(Plane Strs/Thk 平面单元加厚度),由Real Constants 菜单选定值。
定义完单元类型后,可用List菜单检查→Properties→单元类型(“4”为平面应力+厚度平面单元)。
(2)实常数(Real constants)
Add—参考号1,Thickness(加厚度)。再次用Real constants,可修改编辑。
对梁单元要使用实常数,有面积、惯性矩、高度;
实常数还有:剪切应变常数、初始应、单位长度质量。
(3)定义材料属性
Preprocessor→Material Props
用材料库找:Material Library→Library Path(找路径)
读入材料库:Import Library SI:国际标准。
手动输入(常用方法)
Preprocessor→Material Props→Isotropic(各向同性)→输入Ex和 。
(4)Modeling 建模
Preprocessor—Create
①关键点:Key Point
on Working Plane 在工作平面上,直接点取;
In Active CS 在活动坐标对话框建立,输入点号,给X,
Y,Z值。
OK确定,退出。Apply应用不退出。
②画线:Lines有了点才能画线。
③建立面:Preprocessor—Create—Areas
Arbitrary任意方式,必须有关键点、线才有面;
Rectangle直接成矩形— By 2 Corners 由两角点;By
Dimension 由尺寸;
Circle —画圆面(实体面积);用By Dimension:给出内、外半径,始、终角度,可生成一段圆环面。
Polygon—画多边形,用由尺寸给出。
④体 (Volumes)
Arbitrary任意方式,通过关键点、线、面建立体;
Block—四方块,由尺寸生成;
Cylinder—由尺寸生成圆柱体;
Prim—由尺寸生成多边形柱体;
Sphere—由尺寸生成球体。
(5)直接定义节点生成单元(线单元较好)
(6)用下拉菜单Plot显示
可以单独显示点、线、面、体、节点、单元。
调入文件后任何内容都不显示,在Plot中适当选取才显示。
(7)用下拉菜单Plotctrls,视图控制
Pan, Zoom, Rotate—视图控制工具;
Numbering—控制关键点、线、面、体、节点、单元等号显示与否;
Style—Color 颜色控制,包括背景等;
Animate—动画,直接演示变形。
(8)Bottom—up建模概念
由点定义成线,由线定义成面,由面定义成体的建模过程。
(9)前处理下Delete
删关键点;
删线—仅删线及线以下内容;
删面—删面及面以下;
删体—删体及体以下。
(10)结果后处理
P-方法绘制单元应力PlotCtrls→Device Option→Vector mode(向量模式)ON显示应力等高线;向量模式OFF(缺省)显示应力云图。
4.3 总体坐标系及工作平面
1. 工作平面Working plane (WP)
显示工作平面:Working→Display Working plane,想象成一个绘图板。
(1)工作平面设臵:由Working plane—Wp Settings…完成。
Grid And Triad显示坐标格栅和标志
Grid only√,显示坐标格栅;
Triad only,显示三坐标的标志符号。
坐标网格大小:Spacing 改值 (0.1)
捕捉设臵 :Snap Increment捕捉增量
(2)系统选择
Wp Settings→cartesion:笛卡尔坐标,X-Y(缺省);
→polar:极坐标
(3)工作平面移动offset wp to,定点移动
Offset wp by Increments:通过增量移动工作平面,格栅成不同方向。移动工作平面原点:用它,通过x,y,z增值移动。
(4)工作平面状态显示:Show wp status (文件)
显示状态文件,可在文件中编辑、保存。
(5)激活坐标系统Change Active CS to
改变当前活动坐标系统到某个指定坐标系统。
Utility Menu→WorkPlane→Change Active CS to
→Global Cartesian
→Global Cylindrical(圆柱)
→Global Spherical(球)
(6)显示坐标系的转换Change Display CS to
同样的图形在不同坐标系统中显示结果不同。
Utility Menu→WorkPlane→Change Display CS to
通用坐标图形轴侧显示
柱坐标图形轴侧显示
4.4 Modeling 模型处理
Preprocessor →Operate (操作) →进行图形布尔处理(Boolean ) add 加, subtract 减。
减操作:选被减面—Ok ,选减面—ok, 完成。 生成旋转体:Operate →Extrude / Sweep
4.5网格划分 Meshing
Preprocessor →Meshing 1. 属性
单元类型:Preprocessor →Element Type 实常数 :Real →constants 材料性质:Material Properties
2. 网格工具 Meshing Tool 利用对活框处理
3. Meshing (之下菜单)
(1) 网格大小控制(Size Controls ) ①Smart Size 智能网格划分
a. 基本(BASE) 7级,号低网格密(缺省 off)
b. Adv opts 高级选择