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主要内容: 材料设置、模型简化、网格细化、约束分析、接触设置、求解设置、报错处理、结果分析 相关教程: ansys workbench 静力结构分析 基础操作流程(入门) ansys spaceclaim、design modeler(DM)、Mechanical界面操作汇总 ansys版本: 19.0(16.0及以上均可) 参考资料: 推荐教学视频《有限元分析 张晔》(超详细 😃 )、ansys workbench 超级学习手册(查阅用) 说明:一些基础的步骤这里只会简要提及,有疑问请看基础教程 新建工程(workbench界面) 1.使用static structure模块 2.设置分析类型:点击geometry,右侧属性框中analysis type 模型导入(workbench界面) 文件格式 最好使用以下三种格式的模型: x_t格式:效果较好(推荐),偶尔会有破面 step格式:效果较好,偶尔会有破面 iges格式:效果好,但文件较大,导入速度慢,且会自动改文件名,不方便查找 常见导入问题 破面:模型某个面丢失,导致无实体,仿真分析时会报错。常常是由于一些密集细小的特征,如螺纹等。 解决方法 1.导入模型后放大仔细检查。 2.重新导入,使用ansys自带的建模软件spaceclaim打开模型(别用DM),能避免大部分问题 3.仍然无法解决的话,使用spaceclaim删除细小特征(软件操作很方便,保证一用就会) 注: spaceclaim低版本可能没有;在geometry处右键可以找到spaceclaim。 模型简化简化原则 1.关键部位尽量保持原样;非关键部位尽量去除细小结构,如:倒角、螺纹、小孔、槽。 2.连接刚度较大的两个零件组合为一个整体 注: 地面等支撑结构可以直接去除,等效成固定约束。但往往会造成错误的等效,很需要经验。不建议这样做 具体操作 1.模型简化:使用spaceclaim。(相当方便,具体操作参考 本文开头教程链接) 2.零件组合成整体:进入DM界面,选择两个零件,右键→form new part 注意:如果合并的两个零件间有间隙,仿真时仍然会视为两个物体;如果是两零件干涉,则可以正常合并。 关于应力奇异 1.定义:理论应力值为无穷大,仿真时应力值随网格加密而增大,且永远达不到精度要求(见:结果分析); 2.理论上讲,所有非光滑过渡的地方都有可能产生应力奇异; 3.不影响变形,仅影响局部的应力。若处在非危险部位可直接忽略。 设置材料(workbench界面) (如果使用默认材料——结构钢 可以跳过这一部分) 使用常见材料 如果使用的是铝、泥土等常见材料,可以直接从材料库中导入 具体操作:workbench界面,双击 engineering data进入材料库界面,点击菜单栏下的engineering data sources,找到对应的数据库,找到对应材料,点击 加号 添加。点击engineering data sources回到材料库界面,可以看到添加的新材料。(操作如下) 使用自定义材料 1.双击 engineering data进入材料库界面 2.在contact of engineering data处,输入材料名 3.左侧选择需要的参数,拖至材料属性窗(中下部) 3.设置参数值(操作如下) 材料属性说明 杨氏模量(必须):isotropic elasticity(各向同性弹性):Young’s modulus 泊松比(必须):isotropic elasticity(各向同性弹性):poisson’s ratio 密度dengsity(非必须):考虑重力、惯性力时才需要添加 屈服强度(非必须):用安全系数云图显示结果时才需要添加 其他材料属性(非必须):如比热容等,涉及到才需要添加,一般不用管 注: 泊松比对仿真影响较小,金属材料可统一取0.3 自定义材料库 略,用处不大。若需要请看推荐视频《有限元分析 张晔》的第24课开头部分 设置接触(mechanical界面) 具体操作 添加接触:点击connection,快速选择栏中:contact.*(*:具体接触类型) 更改接触类型:点击对应接触,属性框中:Definition.Type 注:软件自动生成的接触一般为bonded类型,注意检查是否正确 接触类型介绍 bonded绑定接触:无滑动分离趋势(焊接)(相当于一个物体) No Separation不分离接触:法向不分离,切向允许滑动 Frictionless无摩擦接触: 法向可分离,切向允许滑动 Rough粗糙接触:法向可分离,切向不允许滑动 Frictional摩擦接触:法向可分离,切向可以带摩擦滑动 关于接触间隙 如果设置接触的两个面之间有间隙,可能会导致分析报错等问题。解决办法分为两类 (1)Frictionless无摩擦接触、Rough粗糙接触、Frictional摩擦接触 这三类接触 在其属性框中有调整间隙的选项,有两种修改方法: 1.手动修改 已知间隙大小,或者查到间隙大小后直接输入间隙值 属性框中geometric modification.offset (offset 正值代表 面互相接近,反之远离) 如何查找间隙大小:点击solution information,搜索(ctrl+F) gap,确定间隙值(没有内容就先求解一次) 2.软件自动修改 属性框中:geometric modification.interface treatment.adjust to touch (2)bonded绑定接触、No Separation不分离接触 这两类接触 在其属性框中没有调整间隙的选项,如果间隙比较小(小于约0.15mm)不会产生影响;但间隙比较大时,就会导致接触失效,而且还不报错,导致产生一些诡异的结果。。。有两种解决办法: 1.修改模型(优先) 2.更改接触判断 属性框中:advanced.pinball redion.radius;新出现的radius框中输入值,大小约为(间隙值+0.1) 注:这种方法是通过修改接触判定区域大小,让原来相距较远的面 被判定为 互相接触,进而达到抵消间隙的效果。但可能会产生其他问题,不太建议使用这个方法。 (3)间隙产生原因 1.模型错误 2.网格划分误差:在接触为曲面相切时,由于网格划分误差会产生较小的间隙 关于自动生成接触 初次打开mechanical界面 或者 打开mechanical界面后对模型做了较大修改后,软件会自动为距离较近的面添加接触,默认为绑定接触。 修改默认接触类型:菜单栏tools.options→connections→default.type 关闭自动生成:菜单栏tools.options→connections→auto detection:face/face、face/edge改为no,cylindrical faces改为exclude 网格划分(mechanical界面) 划分原则 1.关键部位、应力集中部位网格加密 2.薄壁结构包含至少两层单元 3.尽量减少单元数量 (建议先使用大网格仿真一遍,确保无错后再加密仿真) 具体操作 1.设置全局网格尺寸: mesh.sizing.element size 2.设置局部网格: mesh→右键→insert→sizing;属性框中:definition.element size(面/线) 3.设置网格类型,四面体网格/六面体网格:mesh→右键→insert→method;属性框中:definition.Method 4.网格大小转变速度:Mesh属性框中:sizing.Transition,slow(使用四面体网格时 建议修改,否则网格质量较差) (注:如果局部网格尺寸与全局差距过大(几十倍),可以使用生长率进一步降低过渡速度:mesh属性框中sizing.sizing function:proximity and curvature;growth rate 适当改小 参考值1.1 ) 5.使用二阶单元(不常用): mesh属性框中 defaults.element order(低版本无此选项,但相同位置有另一个选项能起到相同作用) 6.生成网格:mesh→右键→generate mesh 一点点经验 1.节点数达到百万以上就求解很慢了,到400万就很难求解(上十个小时) 2.如果只是要出个图。。。可以 把全局尺寸改得很大,其他的不管。 3.如果只要变形结果,可以用稀疏的网格(网格密度对变形影响不大) 4.圆角等应力集中的地方,要得到比较准确的应力结果,需要用特别密的网格(0.01mm左右)。 设置约束(mechanical界面) 设置原则 1.约束要符合实际情况。 2.保证在接触、约束、载荷下,物体不会产生平动或转动。 具体操作 添加约束:static Structural→右键→insert→* (*处可选:fixed support 、displacement、remote displacement等) 常用约束类型介绍 ①fixed support(固定约束):限制六个自由度。 ②displacement(强制位移):根据参考坐标系限制至多三个主自由度。(直角坐标系为xyz平动;柱坐标系为xz平动 y转动) ③remote displacement(远端位移约束):以刚性方式将所选实体(点 线 面)连接到一个公共点,在该点上对六个自由度进行设置。 *注:强制位移 是限制 对象上的每一个点,例如对 面 施加三个平动的强制位移约束,则面是不能转动、变形的;远端位移约束只限制公共点,例如对 面 施加三个平动的远端位移约束,则面还能自由转动、变形。 *另:个人感觉远端位移约束容易报错,建议能用强制位移解决 就不用远端位移。 一点技巧 1.如何限制平动自由度,保留转动自由度 ①使用远端位移约束 ②使用柱坐标系建立强制位移约束 新建柱坐标系:coordinate system→右键→insert→coordinate system;属性框中:Definition.type:改为cylindrical;origin.geometry:选择对应柱面 添加约束:添加强制位移约束(略);属性框中:coordinate system:改为刚建立的坐标系。之后操作(略) 关于弱弹簧 弱弹簧是用于解决 约束不足导致的刚体位移问题。刚体位移问题是指:一些 没有约束但受力平衡的自由度,由于计算机误差而“飘动”,导致报错。 添加弱弹簧:analysis Settings属性框:solver controls.Weak Springs:on *注:个人建议尽量别使用弱弹簧,原因如下: ①复杂装配体 弱弹簧不起作用,还是会报错。 ②即使对简单零件,弱弹簧也只能保证不报错,仿真结果可能还是有轻微“飘动”。 ③大多数情况能用 摩擦接触+压力压紧 解决刚体位移问题,而且更贴合实际情况。 约束分析示例 约束设置不当 很容易导致报错,很容易导致仿真不符合实际,设置起来也很复杂,有必要给出几个典型例子。链接: 约束分析示例(未完工) (以下是施工区——还在慢慢完善 😑 ) 设置载荷 (mechanical界面) 设置原则 1.载荷一定要符合实际情况。 具体操作 施加力等:Structural→右键→insert.force(pressure、…) 施加液压:Structural→右键→insert.hydrostatic pressure(密度 重力加速度 方向(得相反) 自由面位置) 施加重力: 其他求解设置(mechanical界面) 具体操作 1.弱弹簧设置(见前文) 2.开启节点力(用于结果处理时 探测接触反力、约束反力等):analysis settings->output control.nodal forces(节点力) 3.大变形:analysis settings->solver controls.large deflection 注:非线性情况下需要打开,否则误差较大。常用情况:点或线接触部位受力(接触面积改变导致的非线性)、有明显应力刚化现象时。如果不确定 建议常打开此项;会增加计算耗时。 非线性: 求解 solution->右键->solve 错误/警告 处理办法1.有一个自由度未约束---->添加约束or弱弹簧 2.求解器警告:换求解器(根据警告信息换) ----->analysis Settings.solver controls.solver type 3.第二次求解报错:the result data for FSUM is not contain…---->solution->右键->clear data 4.求解不收敛:看是否打开了 大变形,打开 5.(报错超出极限) 接触间存在较大间隙---->修改接触设置offset 报错信息:One or more bodies may be underconstrained and experiencing rigid body motion. Weak springs have been added to attain a solution. Refer to Troubleshooting in the Help System for more details.6.接触间隙可能导致长时间算不出来,可以查看实时输出的求解信息 7.在线性分析中,一个物体基本无固定,靠与其他物体的接触来确定自己的位置,又不是直接受力或传递力 靠接触面的变形挤压来确定自己的应力,会很容易求解不收敛报错(来自 轴承仿真 保持架出错) : 报错信息:An internal solution magnitude limit was exceeded. Please check your Environment for inappropriate load values or insufficient supports. Please see the Troubleshooting section of the Help System for more information.结果显示 添加分析类型:solution->右键->insert. deformation(变形) strain(应变) stress(应力) 更新:deformation…右键 部分显示:添加分析类型->scope.geometry 单方向力/变形:solution->右键->insert (选对应方向) 设置变形比例:左上角 设置显示样式:(左上) 等高线、色层、极值、标签 注意:要忽视固定处/尖角的应力奇异 应力结果显示:(仅应力有)(节点相邻单元应力不同) solution.normal stress->integration point results.display option: averaged: 节点 平均 unaveraged: 节点 在不同单元内显示不同 (精度足够时两者都可。非平均更接近真实) 安全系数显示: 剖切显示: 探测弱弹簧:solution->probe(探测)->force reaction(反力)->boundary condition,weak springs 探测固定反力:solution->probe(探测)->force reaction(反力)->boundary condition,fixed support 探测接触反力: analysis settings->output control.nodal forces(节点力)(应在求解前设置) solution->probe(探测)->force reaction(反力)->contact region,? 显示接触力分布: solution->右键->insert->contact tool; contact tool->右键->insert->pressure; 其他接触显示: 接触状态Contact status 渗透情况Contact penetration 接触压力Contact pressure 摩擦应力Contact friction stress 总应力Contact total stress 滑动距离Contact sliding distance 间隙距离Contact gap distance 结果分析网格无关性(网格减小结果收敛) or 红区覆盖两层单元 and 应力曲线光滑 接触反力探测 模型是否需要修正? 边界条件有没问题? 网格精度是否合理? 更改参数重新计算:增加关键位置网格密度 修改间隙 固定 网格的改变导致结果巨大变化->设置存在问题,一般是 接触 固定。 反复迭代,依次确定一下参数:模型 边界条件(材料 接触 载荷 约束) 网格精度 最终结果 与实验对比仿真与实验结果出现大偏差: 1.实验测试位置? 2.实验测试变形方向? (应变片实验时 会定义 弹性模量,仿真必须使用相同的弹性模量) 3.一定要注意实验时被测试件是自带重力的。实验的应变对应 仿真的无重力应变。 文件保存:1.直接保存 2.打包保存(好处是文件小,但不包含分析结果) workbench打包:file.archive (相当于压缩) .wbpz ↓ 打开:file.restore archive .wbpz 不要直接改文件名 |
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