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ANSYS分析经验讨论篇之结构分析  

2010-06-09 14:36:15|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、
求解分析(结构分析)
(一)
求解设置
(二)
边界条件
l
对称与反对称边界条件——实体和单元
1)针对对称边界条件下实体结构的分析,可利用ANSYS对称边界条件设置,求解半个或者1/4实体结构,将所得结果对称/循环,得到整体结果分析;
2)针对反对称边界条件下实体结构的分析,可利用ANSYS反对称边界条件设置,求解半个实体结构,将所得结果按180度CYCLIC循环对称定义,注意反对称要求如下因素亦满足反对称条件:材料、约束方程、载荷、外形。
l
位移边界条件——实体和单元
1. 位移约束与强制位移
位移约束(displacement constraint)是在节点、或关键点(自由点)上施加某种条件以限制其沿某一自由度方向的运动
强制位移(enforced displacement)是在约束点(节点或关键点)上施加某种条件以促使其沿某一自由度方向运动。
2. 限制刚体位移
问题一:分析中有时会遇到这样一种情况:即外加载荷是整体平衡的,从理论上来说不会引起刚体位移,只会引起结构变形。但在进行静力分析时,如果不施加任何约束却会由于刚度矩阵的奇异无法计算,这是怎么回事?这种情况下约束应该如何施加?
答1:这种情况叫做Pure Neumann boundary value problem。这种情况下所得到的位移都是相对位移加上一个常数,常数即为刚体位移。一个很简单的例子就是一根一维杆两端加大小相等方向相反的力,杆内任意两点之间有相对位移,但每一点的绝对位移却是整个杆的刚体位移加上相对位移。但是固定杆上的一个点,就会使这个常数即刚体位移为零。
对于Pure Neumann boundary value problem,讨论位移或者温度没有意义,有意义的量是位移和温度的导数的函数。 梁,杆,壳单元可以通过固定任意一个节点,如固定刚体,刚体转动。对于体单元或者二维平面单元,固定一个点,会导致应力奇异。应该固定一个面或一条线,这样就不会发生应力奇异了。
答2:这种情况下仍然必须施加约束,但要求这种约束只约束刚体位移,而不能约束任何的结构变形。要想达到这样的目的,我们可以找出模型中的任意三个点(不共线)来约束其刚体位移。如下图所示,这样的约束在载荷自身平衡的情况下只约束结构的刚体位移,而不会约束变形,即不会产生支反力。


这种约束也可以这么描述,找出不共线的三点1、2、3,三点组成一个平面,点1约束三个平动自由度,点2约束垂直于点1/2连线的两个线外平动自由度,点3约束垂直于点1/2/3连线平面的一个面外平动自由度。
问题二:按照问题一解法所做,发现在约束点处出现应力奇异的现象,怎么解决?
检查一下支反力,如果有较大的约束反力,则说明约束点取得不合适,或者看其和是否为零,特别是所有支反力是否会构成非零弯矩。平衡力系中也应该包括弯矩平衡,而这一点往往容易出问题。
或者,也可以这样验算一下:六个约束刚体运动的自由度,施加位移约束:依次取其中一个为非零值 (可以取大一点),其余为零,计算后看是否有应力和约束反力存在,如果有应力和约束反力,则说明该约束自由度取的不合适。如果都没有问题,则毛病肯定出在模型本身或载荷不平衡上。
l
载荷边界条件——实体和单元
面压力命令的比较:SF和SFA
命令1:SF, Nlist, Lab, VALUE, VALUE2,节点
命令2:SFA, AREA, LKEY, Lab, VALUE, VALUE2,几何实体面
这两个命令SF和SFA中,VALUE都等于力F除以面积A;SF命令中,要求节点组必须能形成一个面。
二、
后处理与结果分析
(一)
后处理操作
l
路径操作
常见错误1:
***** PATH DATA STATUS *****
USE UNIFORM LINE DIVISIONS
DIRECTION
MAX
MIN
X
0.40400
0.40400
Y
0.88500E-01
0.88500E-01
Z
7.9150
0.75100
TOTAL PATH LENGTH
21.445
上面数据中,路径线两端Z坐标的差值为(7.915-0.715),相应的路径线实际长度也应该是(7.915-0.715);而数据显示总的路径长度为21.445?这是由于节点选取的时候,没有按顺序从一端依次选到另一端,造成节点路径线往返多次。
l
*.out文件
Batch方式下,自动放置到求解文件夹里
GUI方式下,采用命令:/OUTPUT, filename, out,打印到屏幕
(二)
结果分析
l
应力奇异(结构奇异和单元/数值奇异)与应力集中(结构和人为)
很经典的问题,也讨论过多次,一直没有得到合理的解释,有兴趣的话,可以开个专栏。
三、
专项讨论与分析
(一)
子结构
l
主自由度和载荷向量
(1)与非超单元部分接触的节点,需要处理为主自由度/节点;
(2)超单元部分本身的(非零)约束条件和载荷边界条件,需要处理为载荷向量,或者可以把所有约束条件和载荷条件在GEN部分处理为主自由度,在USE部分添加为边界条件。
注1:在做载荷向量时,在一个/SOLU ~ FINISH里好像只能做一个载荷向量计算;如果有多个载荷向量,就只能用多个/SOLU ~ FINISH,待继续验证。注2:作用在超单元上的载荷,必须重新做自由度缩减,因为形成超单元时不仅要缩减刚度阵和质量阵,还有载荷向量。
Error and Warning:
<1>第一个单元的第九个节点一定是内节点——先导入超单元/子结构模型,在导入非超单元模型
<2>超单元上节点不可以改变节点坐标系
<3>
Super-element does not have a complete degree of freedom set as required by large deflection analysis——子结构/超单元部分只能用于线性小变形分析
<4>
There are no degree of freedom active.
l
fds
(二)
实体装配
连接装配:刚性连接——焊接、螺接
          柔性连接——铰接
1.
焊接
焊缝类型——点焊、面焊
线/角焊(单/双面),焊缝为等边直角三角形,直边长度等于板厚
考虑焊缝的建模方法有多种,各有一定的优缺点。常用方法是:
1) 采用三维实体单元模拟焊缝几何;
2) 采用变厚度板壳单元模拟焊缝处厚度的变化;缺点:对竖板靠近焊缝部位采用了变厚度,可以反映焊缝材料对竖板的作用;但是,将焊缝材料加到竖板后,横板仍为基本厚度,不能反映焊缝材料对横板的加强作用;如果在横板上也采用变厚度来模拟焊缝材料,则焊缝材料将被重复考虑;
3) 采用梁单元模拟焊缝对壳的加强。
注:粗略简化,即忽略焊缝效应,很容易引发应力奇异,因为引入了结构奇异:直角边、直角尖点;即使考虑细节,适当圆角过渡,也难避免应力/数值奇异;若引入装配连接,也会引入应力集中,人为因素、网格的敏感性。
2.
螺接——这个专题很大,有兴趣的话,也可开个专题
3.
铰接——MPC184单元的应用,即multibody analysis部分
(三)
非线性分析
1. 几何非线性
2. 材料非线性
橡胶/超弹材料
l
Error and Warning:
1) u-p element do not satisfy the volumetric compatibility——
3. 状态非线性——接触/单元
l
接触分析结果不收敛大致应该有如下几种原因:
(1) 载荷子步
(2) 材料属性
(3) 网格质量
(4) 接触对设置
(5) 边界条件优化
(6) 约束耦合条件
l
Warning and Error:
(1) Some contact elements overlap with the other contact element which can cause over constraint——解决1:可能是图中的元素有重叠,如两个体有部分面重叠,用OVERLAP命令可以解决;解决2:可能是同一变形体多次应用MPC多点约束算法,适当避免加入太多DOF自由度
(四)
优化分析——设计优化、变分优化、拓扑优化
设计优化:可以定义一个包含所关心变量的泛函函数,通过调整所关心变量的变化,使得结构在满足一定特性的时候,其某个函数(例如质量、体积)达到最优,即最小/最大。
变分优化:可以定义连续变量和离散变量;连续变量可以是几何尺寸、实常数、截面尺寸、材料特性等,通过调整连续变量,可以查知某个变量对结构体某方面特性的影响;离散变量可以是结构体中的某一个部分组,通过调整离散变量,可以确定结构某一个组件对其的影响。
因而,可以这么认为:变分优化是设计优化的前提和基础;通过变分优化,确定结构中组件(离散变量)的有无,结构变量(连续变量)影响的深浅,尽量缩减影响结构特性的变量的数目,即希望在设计优化泛函函数中包含尽量少的变量数目,以减少设计优化的计算量。由此看来,设计优化前,进行必要的变分优化是有所帮助的。
l
优化设计
多工况下结构体的优化设计
问题:一个结构体,分析其在不同工况下的强度和刚度,进而对其进行优化设计,我们该如何着手?例如,如果单以承压工况,优化设计后,其结构体在承拉工况下未必合理;而在承拉工况下优化得到的结构体,在承压工况下也未必合理;如何兼顾两者,同时优化,同时最优合理?
首先,找到不同工况下最大应力值所处的位置
然后,进入时间历程后处理器,定义这些位置相应的变量,如等效应力,然后绘出时间历程曲线
再次,在变分优化中寻找对应力结果影响较显著的变量
最后,在优化设计中,忽略不必要的、影响不大的变量,进行结果优化分析。
(五)
复合材料
l
疑惑
1. 铺层与分网
假设一个复合材料壳体,其厚度为120mm,铺层情况为(45/90/-45/0/45/90/-45/0/45/-45)4,每层3mm,建立实体模型,实体壳体厚度120mm,有两种正常方法分网:
方法一,SECTYPE定义10层,实体壳体厚度方向分为4层,即沿厚度方向有四个单元
方法二:SECTYPE定义40层,实体壳体厚度方向分为1层,即沿厚度方向有一个单元
问题:方法一和方法二,哪一种好一点,或者说都不好,更好的方法是什么?
方法三:SECTYPE定义40层,实体壳体厚度方向分为3层,即沿厚度方向有三个单元
问题:方法三,又作如何解释?按截面定义理解,定义了40层,每层厚度3mm,总120mm;按分网单元理解,分网3层,每层/单元厚度40mm,每个单元内单元分层40层,每层厚度1mm,如此一来不是就矛盾?
2. 铺层方向
分网前后,可以利用ESYS、EORIENT、VEORIENT三个命令调整铺层方向,其中ESYS命令效果不太明显,一般在XATT命令里设置;EORIENT命令调整铺层,其方法不好掌握;VEORIENT命令,方法简单,效果明显,不过需要一个体一个体来调整,如果遇到体很多,操作势必很麻烦,同时,点线面体等实体的选择,不利用参数化模型的构建;期待更好的操作。
(六)
动力学分析——模态分析、谐波响应分析、瞬态分析和谱分析
模态分析,能分析线性问题,得到线性材料的振动频率;
瞬态分析,通过做出位移时间曲线,用FFT变换得到频谱图;
四、
APDL参数化编程与二次开发
1. APDL基本符号
/ ——Commands that begin with a slash ( / ) usually perform general program control tasks such as entry to routines, file management, and graphics controls.
* ——Commands that begin with a star ( * ) are part of the ANSYS Parametric Design Language (APDL),such as control statement.
~ ——图片导入命令开始符号.
$ ——换行符号;
——续行符号,个人认为能换行,就可以续行,但是确实没有找到
2. 调用外部应用程序:/SYS和~eui
例1:/SYS,"C:\Program Files\PSPad\PSPad.exe"
例2:宏fileexe.mac
*create,fileexe.bat
start "" "C:\Program Files\Windows NT\Accessories\wordpad.exe"
*END
/sys, "fileexe.bat"
/delete, fileexe,bat
例3:~eui, 'exec notepad &'
~eui, 'exec {C:\Program Files\Windows NT\Accessories\wordpad.exe} &'
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