ANSYS理论和应用探讨(研究材料)课件.ppt
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1、ANSYS基础与应用探讨1知识分享目录第一节:有限元基础第二节:ANSYS软件简介第三节:基本工作流程第四节:模型简化第五节:单元属性第六节:网格划分第七节:载荷与载荷步第八节:求解器选择第九节:结果显示第十节:求解状态监控2知识分享第一节:有限元基础第一节:有限元基础3知识分享有限元基本原理:基于“离散逼近”策略,采用较多数量的简单函数的组合来“近似”代替非常复杂的原函数。有限元分析目的:针对具有任意复杂几何形状变形体,完整获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息,即求取该变形体的三类力学信息(位移、应变、应力)有限元模型:真实系统理想化的数学抽象,由一些简单形状的单元组成、单元之间通过节点
2、连接、并承受一定载荷。图图1-1 有限元分析的基本流程图示有限元分析的基本流程图示4知识分享图图1-2 ANSYS常用的一些典型单元常用的一些典型单元5知识分享 有限元分析最主要的内容,就是研究单元,即首先给出单元的节点位移和节点力,然后基于单元节点位移与节点力的关系可以直接获得相应的刚度系数,进而得到单元的刚度方程。 针对实际复杂结构,根据实际的连接关系,将单元组装为整体刚度方程,即整体结构的基于节点位移的整体平衡方程。自由度(DOF):模型所具有的独立运动的数目,用于描述一个物理场的响应模型所具有的独立运动的数目,用于描述一个物理场的响应特性,特性,UXUYUZ,ROTXROTYROTZ。
3、6知识分享四杆桁架桁架结构的有限元分析图图1-3 四杆桁架结构四杆桁架结构 各杆的弹性模量和横截面积都为各杆的弹性模量和横截面积都为E、A,求解该结构的节点位移、单元,求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。应力以及支反力。7知识分享四杆桁架有限元分析的步骤图图1-4 有限元分析的步骤有限元分析的步骤清华 曾攀武汉理工 丁疏峰8知识分享表表1-1 四杆桁架结构节点及坐标四杆桁架结构节点及坐标表表1-2 四杆桁架结构的单元编号及对应节点四杆桁架结构的单元编号及对应节点表表1-3 各单元的长度及轴线方向余弦各单元的长度及轴线方向余弦(1)结构的离散化与编号9知识分享(2)各单元经坐标变换后的刚度
4、矩阵(3)建立整体刚度方程10知识分享(4)边界条件的处理及刚度方程解将边界条件:将边界条件: ,代入整体刚度方程。,代入整体刚度方程。 解得:解得:节点位移:节点位移:(5)各单元应力的计算T为坐标变换矩阵为坐标变换矩阵11知识分享(6)支反力的计算12知识分享第二节:第二节:ANSYS软件介绍软件介绍13知识分享 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序,可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此,它可以应用于以下工业领域:航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后
5、处理模块。1.1. 前处理模块:提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可前处理模块:提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型。以方便地构造有限元模型。2.2. 分析计算模块:包括结构分析(线性、非线性、高度非线性)、流分析计算模块:包括结构分析(线性、非线性、高度非线性)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化的能力。化的能力。3.3. 后处理模块:可将计算结果以彩
6、色等值线显示、梯度显示、矢量显后处理模块:可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来、也可将计算结果以图表、曲线显示构内部)等图形方式显示出来、也可将计算结果以图表、曲线显示或输出。或输出。14知识分享ANSYS12.0的用户界面图图2-1 ANSYS12.0传统模式启动界面传统模式启动界面15知识分享图图2-2 前处理器前处理器图图2-3 求解器求解器16知识分享图图2-4 通用后处理器通用后处理器图图2-5 时间历程后处理器时间历程后处理器17知
7、识分享图图2-6 拓扑优化拓扑优化图图2-7 优化设计优化设计18知识分享ANSYS12.0版本的新特点 ANSYS12.0最大的亮点就是Workbench 2.0的推出。1. 在工程页引入工程图解的概念,一个复杂的包含多场分析的物理问题,通过系统间的连接实现相关性,可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题。2. 新版本对几何模型的修改和处理速度更快。新增工具可以自动探测、处理常见问题,如小边、碎面、空洞、裂痕和尖角面。3. 改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率近似功能扑捉、边界分层扑捉等功能。使结构分析,得到自动化和高质量的网格。4. 增加了超弹性和4节点四面体单元,缩短了从几何到求解
8、的时间,同时保证了求解的精确度。5. 应用GAMBIT和TGrid的网格附加功能,在用户输入最少的情况下自动生成CFD合适的四面体网格。19知识分享Workbench2.0典型应用图图2-8 Workbench2.0界面界面20知识分享Workbench 2.0工具箱1.1. Analysis systems:Analysis systems:可用在示意图中的预定义的模板;可用在示意图中的预定义的模板;2.2. Component systemsComponent systems:可存取多种程序来建立和扩展分析系统;:可存取多种程序来建立和扩展分析系统;3.3. Custom Systems:
9、Custom Systems:为耦合应用预定义分析系统(为耦合应用预定义分析系统(FSIFSI,thermal-stressthermal-stress等)。用户可以建立自己的预定义系统;等)。用户可以建立自己的预定义系统;4.4. Design SystemsDesign Systems:参数管理和优化工具。:参数管理和优化工具。21知识分享网格划分整体控制属性设置图图2-9 2-9 网格属性网格属性22知识分享网格检查准则图图2-10 2-10 网格检查网格检查网格划分命令 图图2-11 2-11 网格划分网格划分23知识分享第三节:工作流程第三节:工作流程24知识分享制定分析方案前处理求
10、解通用后处理器(POST1) 分析领域、分析目标、线性分析领域、分析目标、线性/非线性问题、静力非线性问题、静力/动力问题、分析细节动力问题、分析细节的考虑、几何模型对称性、奇异、单元类型、网格密度、单位制、材料特性的考虑、几何模型对称性、奇异、单元类型、网格密度、单位制、材料特性、载荷、求解器、精度和成本等。、载荷、求解器、精度和成本等。 更改工程名、定义分析标题、定义单位、定义单元类型、定义材料属更改工程名、定义分析标题、定义单位、定义单元类型、定义材料属性、定义分析类型求解控制、加载。性、定义分析类型求解控制、加载。 求解当前载荷步、求解某载荷步。求解当前载荷步、求解某载荷步。 画出分析
11、的结果、用列表的形式列出分析的结果、查询某些结点或者单画出分析的结果、用列表的形式列出分析的结果、查询某些结点或者单元处的应力值(自由度、应力、总应变)以及其它分析选项。元处的应力值(自由度、应力、总应变)以及其它分析选项。时间历程后处理器(POST26) 瞬态分析的后处理。瞬态分析的后处理。图图3-1 ANSYS操作步骤操作步骤25知识分享仿真问题分析建立有限元模型 在针对某个问题进行分析时,首先要了解对象的结构特点,包括形状、在针对某个问题进行分析时,首先要了解对象的结构特点,包括形状、边界条件、工况载荷特点;初步建立物理力学模型,包括形状的简化、构边界条件、工况载荷特点;初步建立物理力学
12、模型,包括形状的简化、构件间连接的简化、支撑的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分件间连接的简化、支撑的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。析等。 对于不同的分析问题,对于不同的分析问题,ANSYSANSYS所用的主菜单不完全相同。所以,需要在所用的主菜单不完全相同。所以,需要在分析开始时选定分析内容的范畴,以便分析开始时选定分析内容的范畴,以便ANSYSANSYS显示出与其相对应的菜单选项。显示出与其相对应的菜单选项。在在ANSYSANSYS环境中创建实体模型,然后划分有限元网格。环境中创建实体模型,然后划分有限元网格。在其他在其他CADCAD软件(如软件(如Solidwo
13、rksSolidworks、Pro/EPro/E、UGUG等)中创建实体模型,然等)中创建实体模型,然后导入后导入ANSYSANSYS系统中,经过修正后划分有限元网格。系统中,经过修正后划分有限元网格。在在ANSYSANSYS环境中直接创建节点和单元。环境中直接创建节点和单元。在其他软件中创建有限元模型,然后将节点和单元数据导入在其他软件中创建有限元模型,然后将节点和单元数据导入ANSYSANSYS。26知识分享施加载荷 在在ANSYSANSYS中,载荷分为中,载荷分为DOFDOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷六类。这些载荷绝
14、大多数可以施加到几何模型上,包括点、线、面;耦合场载荷六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上,包括点、线、面;也可以施加到有限元模型上,包括节点和单元。也可以施加到有限元模型上,包括节点和单元。求解检查 在进行求解以前应进行分析数据检查。在进行求解以前应进行分析数据检查。1. 单元类型和选项、材料性质参数、实常数及统一的单位制;单元类型和选项、材料性质参数、实常数及统一的单位制;2. 单元实常数和材料类型的设置、实体模型的质量特性。单元实常数和材料类型的设置、实体模型的质量特性。3. 确保模型中没有不应存在的缝隙;确保模型中没有不应存在的缝隙;4. 壳单元的法向、节点坐标系;壳单元的法向、
15、节点坐标系;5. 集中载荷和体积载荷、面载荷的方向;集中载荷和体积载荷、面载荷的方向;6. 温度场的分布和范围、热膨胀分析的参考温度。温度场的分布和范围、热膨胀分析的参考温度。27知识分享求解会遇到的问题 下述条件有可能会导致求解过程出现奇异:下述条件有可能会导致求解过程出现奇异:1. 约束条件不足,有可能存在刚体位移;约束条件不足,有可能存在刚体位移;2. 材料特性为负,如瞬态分析中的密度和温度;材料特性为负,如瞬态分析中的密度和温度;3. 连接点无约束,单元排列可能会引起奇异性;连接点无约束,单元排列可能会引起奇异性;4. 屈曲,当应力刚化效果为负时,结构受载后变弱,如果结构变弱到刚度减屈
16、曲,当应力刚化效果为负时,结构受载后变弱,如果结构变弱到刚度减小到零或负值,就会出现奇异解;小到零或负值,就会出现奇异解;5. 零刚度矩阵,如果刚度的确为零,线性和非线性分析都会忽略所加的载荷。零刚度矩阵,如果刚度的确为零,线性和非线性分析都会忽略所加的载荷。 PIVCHECK命令,默认为命令,默认为OFF,设置为,设置为ON时出现奇异仍继续求解。时出现奇异仍继续求解。28知识分享Type of analysis :StaticModalHarmonicTransientSpectrumEigen BucklingSubstructuring.图图3-2 3-2 定义分析类型定义分析类型29知
17、识分享图图3-3 工程名和标题工程名和标题图图3-4 定义单元类型定义单元类型30知识分享图图3-5 定义实常数定义实常数31知识分享图图3-6 创建横截面创建横截面图图3-7 定义材料特性定义材料特性32知识分享图图3-8指定单元材料号指定单元材料号 图图3-9 材料设置材料设置33知识分享图图3-10 定义分析类型定义分析类型图图3-11 求解控制求解控制34知识分享图图3-12 载荷及约束(两种方法)载荷及约束(两种方法)35知识分享图图3-13 求解求解图图3-14 POST1图图3-15 POST2636知识分享图图3-16 将视窗设置为白色将视窗设置为白色37知识分享车床刀具算例
18、求解一个车床刀具模型的求解一个车床刀具模型的3-D应力分析,在通用后处理器中查看位移、支应力分析,在通用后处理器中查看位移、支反力、反力、Von-Mises应力。应力。38知识分享1.1. 用用“Cutter”Cutter”做为作业名做为作业名2.2. 设置设置GUIGUI优先选择为优先选择为“Structural”Structural”3.3. 选择选择“No defeaturing”,No defeaturing”,输入输入“Cutter.igs” Cutter.igs” Utility Menu File Import IGES Utility Menu File Import IGES
19、39知识分享4.4. 按一定比例转换模型,把厘米单位转换英寸按一定比例转换模型,把厘米单位转换英寸 Main Menu Preprocessor Operate Main Menu Preprocessor Operate Scale Volumes +Scale Volumes +5.5. 读入文件读入文件“cutter- area.inp”cutter- area.inp”,建立一个小的面,在面上施加荷载建立一个小的面,在面上施加荷载 Utility Menu File Read Input Utility Menu File Read Input from from 40知识分享6.6.
20、 确定单元类型确定单元类型 Main Menu Preprocessor Element Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteType Add/Edit/Delete7.7. 定义第一组材料的弹性模量为定义第一组材料的弹性模量为 10 10e6 e6 ( (铝铝) ) Main Menu Preprocessor Material Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Props Material Models 41知识分享8.8. 激活智能网格,用四面体单元
21、划分实体激活智能网格,用四面体单元划分实体 Main Menu Preprocessor Mesh ToolMain Menu Preprocessor Mesh Tool9.9. 在面上施加对称约束,约束附加区域在面上施加对称约束,约束附加区域Main Menu Solution -Loads- Apply Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement -Structural- Displacement -Symmetry B.C.- On Areas +Symmetry B.C.- On Areas +42知识分享10
22、.10.在顶端施加压力在顶端施加压力 Main MenuSolution-Loads-Apply-Main MenuSolution-Loads-Apply-Structural-PressureOn Areas +Structural-PressureOn Areas +11.11.保存数据库并求解保存数据库并求解 Utility MenuFileSave as Utility MenuFileSave as Jobname.dbJobname.db Main MenuSolution-Solve-Current Main MenuSolution-Solve-Current LSLS43知
23、识分享12.12.观察结果,画出位侈,列出反力,画出观察结果,画出位侈,列出反力,画出von Mises von Mises 应力应力 Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot-Nodal Solu .Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot-Nodal Solu . Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu . Main Menu General Postproc List Results Rea
24、ction Solu .44知识分享45知识分享13. 对模型进行对模型进行“捕捉捕捉”并将其最小化并将其最小化 Utility MenuPlot CntrlsCapture ImageUtility MenuPlot CntrlsCapture Image14.14.动画显示动画显示 von Mises von Mises 应力应力 Utility MenuPlot CtrlsAnimate Utility MenuPlot CtrlsAnimate Deformed Results .Deformed Results .46知识分享15.15.关闭动画显示,删除面对称约束关闭动画显示,删除
25、面对称约束 Main Menu Solution -Loads- Delete Main Menu Solution -Loads- Delete -Structural- Displacement On Areas +-Structural- Displacement On Areas +16.16.对面对面1818, 19, 19,和和2626施加施加 全部自由度全部自由度 约束约束 Main Menu Solution -Loads- Apply Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Areas +-S
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