热分析培训

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    ansys软件分析培训

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    ANSYS Workbench 简介 -ANSYS协同仿真环境 ANSYS-CHINA北京办事处 许明财 10:39:05 ANSYS协同仿真环境 • 建立一个围绕仿真工作的统一平台 • 独一无二的CAD/CAE协同环境 的(协C设同A计管D数理)据Work设 计 分 析Benc分协h析(同C数管A据理E的) 协 同 协同管理所有与仿真工作有关的技术及数据 ANSYS全新先进的CAE概念 2 CAD/CAE协同环境:协同流程模 式 CAD设计—CAE仿真协同 流程 CAD软件 Pro/E Unigraphics Catia SolidWK SolidEG MDT Inventor ……. 零件/装配/参数 参数 Workbench 设计数据管理 分析数据管理 WEB数据管理 CAE模型 CAE结果 FEA 求解器 ANSYS NASTRAN ABAQUS LS-DYNA CFX Fluent ........... 3 CAD/CAE协同环境:CAD/CAE整合与协同 ‡ CAD系统与数据的整合 9 整合多种CAD系统 9 整合多种CAD模型数据 9 不同坐标系下装配管理 ‡ CAD-CAE参数双向互动(收放) 9 CAD与CAE实现模型数据链接与 共享 9 继承和使用设计参数 9 CAD中修改设计参数则立即刷新 CAE 9 CAE中修改设计参数则立即刷新 CAD Pro/E UG Pro/E文件的 插入 UG文件的插 入 协同环境 在协同环境中将来自于Pro/E的支座和UG 的齿轮零部组装成一个装配体 4 CAD/CAE协同环境:关键技术 ‡ 开放性的协同构架 ‡ 多种CAD/CAE的整合与兼容 技术 ‡ 整个设计流程与资源管理的协同技术 ‡ 所有数据/信息的管理、解读与转换技术 项目管理 CAD协同 CAE协同 优化设计 •CAD模型管理 • 自动装配体 • Explorer •模型双向参数管理 •分析模型 • 网格划分 • VT • 加载/求解/后处理 一 • …… • 分析向导 个 • 材料数据库 • 自动生成报告 简 • …… 单 的 协 同 环 境 示 例 5 ANSYS协同仿真环境 Project DesignModeler Design Simulation DesignXplorer 6 ANSYS协同仿真环境 • DM-DesignModel – 基于CAD思想的建模方式 – 不仅是CAD • DS-DesignSimulation – 集成了经典ansys的大部分计算功能 – 更加方便的计算功能 • DX-DesignXplorer – 基于变分技术的优化 7 DesignModel • 为学习 DesignModeler 几何建模,需要集中考虑四个 基本方面: – 草绘模式: • 包括生成2D几何形状的工具, 2D几何形状是 3D几何体生创建 成或概念建模( concept modeling)的先决条件。 – 3D 几何建模: • 几何建模由草图生成实体,如 挤出, 旋转, 表面模型等 – 模型导入: • 对于来源于商业化 CAD软件系统的几何模型,典型地,可以在 导入 DM后对其进行修改以适应有限元网格划分。 – 概念模型: • 这些工具用来创建和修改线体(line bodies),线体能作为有限 元梁(FE beam)或梁以及表面模型的基础。 8 DesignSimulation • 通用前处理 • 静力结构分析 • 模态分析 • 热分析 • 屈曲分析 • 谐分析 • 形状优化 • 疲劳模块 • 结果后处理 9 DesignXplorer • DesignXplorer 是通过参数化来实现不同的 设计方案及其对应的响应分析: – 研究、改进设计方案 – 通过与各种CAD 的专用接口,DesignSpace和 DesignModeler工具来实现改进设计,分析 – 生成分析设计的相应曲线和相应面 10 What is DesignXplorer? • DesignXplorer 特点: – 非常方便的进行结构分析,热分析。 – 支持各种CAD系统的参数定义。 – 支持来自DesignSpace 的分析参数。 – 采用“目标驱动”的优化方法。 – 自动产生基于响应面的“设计组合” – 响应面和响应曲线 – 基于6sigma的稳健性设计 11 动力学分析简介 M1-1 动力学 第一节: 定义和目的 什么是动力学分析? • 动力学分析是用来确定惯性(质量效应)和阻尼起重要作用时的结 构或构件动力学特性的技术。 • “动力学特性” 可能指的是下面的一种或几种类型: – 振动特性 - (结构振动方式和振动频率) – 随时间变化载荷的效应(例如:对结构位移和应力的效应) – 周期(振动)或随机载荷的效应 M1-2 动力学 动力学分析类型(接上页) 总之,动力学分析有下列类型: • 模态分析---确定结构的振动特性 • 瞬态动力学分析---计算结构对随时间变化载荷的响应 • 谐响应分析---确定结构对稳态简谐载荷的响应 • 谱分析---确定结构对地震载荷的响应 • 随机振动分析---确定结构对随机震动的影响 Courtesy: NASA M1-3 动力学 第三节: 基本概念和术语 • 通用运动方程 • 求解方法 • 建模要考虑的因素 • 质量矩阵 • 阻尼 M1-4 动力学 - 基本概念和术语 运动方程 • 通用运动方程如下: 其中: [M] = 结构质量矩阵 [M ]{u}+ [C ]{u}+ [K ]{u} = {F (t )} [C] = 结构阻尼矩阵 [K] = 结构刚度矩阵 {F} = 随时间变化的载荷函数 {u} = 节点位移矢量 • 不同分析类型对应求解不同形式的方程 – 模态分析:设定F(t)为零 ,而矩阵 [C] {ů} = 节点速度矢量 {ü} = 节点加速度矢量 通常被忽略; – 谐响应分析:假设F(t) 和 u(t) 都为 谐函数,例如 Xsin(ωt),其中,X 是 振幅, ω 是单位为弧度/秒的频率; – 瞬间动态分析:方程保持上述的形式。 M1-5 动力学 -基本概念和术语 求解方法 如何求解通用运动方程 ? • 两种主要方法: – 模态叠加法 – 直接积分法 M1-6 动力学 - 基本概念和术语 求解方法 (接上页) 模态叠加法 • 确定结构的固有频率和模态,乘以正则化坐标,然后加起来用以计算 位移解 • 可以用来处理瞬态动力学分析和谐响应分析 • 详见后面相关章节 直接积分法 • 直接求解运动方程 • 在谐响应分析中,因为载荷和响应都假定为谐函数,所以运动方程 是以干扰力频率的函数而不是时间的函数的形式写出并求解的 • 对于瞬态动力学,运动方程保持为时间的函数,并且可以通过显式 或隐式的方法求解 M1-7 动力学 - 基本概念和术语 求解方法 (接上页) 隐式求解法 显式求解方法 • 也称为开式求解法或修正求解法 • 也称为闭式求解法或预测求解法 • 要求矩阵的逆 • 不需要计算矩阵的逆 • 非线性要求平衡迭代(存在收敛问题) • 可轻松处理非线性问题(无收敛问题) • 积分时间步 Δt 可以较大,但因为有收敛问 • 积分时间步 Δt 必须很小,但求解速度很快 题而受到限制 (没有收敛问题) • 除了 Δt 必须很小的问题以外,对大多数问 • 对于短时间的瞬态分析有效,如用于波的 题都是有效的 传播,冲击载荷和高度非线性问题 • 当前时间点的位移 {u}t 由包含时间点 t 的方 程推导出来 • 当前时间点的位移 {u}t 由包含时间点t-1 的 方程推导出来 • 无条件稳定: Δt的大小仅仅受精度条件控制, • 有条件稳定: 如果Δt 超过结构最小周期的确 无稳定性。 定百分数,计算位移和速度将无限增加 • 这是主要讨论的方法 • ANSYS-LS/DYNA 就是使用这种方法,此 处不作介绍 M1-8 动力学 - 基本概念和术语 建模要考虑的问题 非线性 (大变形,接触,塑性等等): • 仅在完全瞬态动力学分析中允许使用。 • 在所有其它动力学类型中(如模态分析、谐波分析、谱分析以及简 化的模态叠加瞬态分析等) ,非线性问题均被忽略,也就是说最初 的非线性状态将在整个非线性求解过程中一直保持不变。 M1-9 动力学 - 基本概念和术语 质量矩阵 • 对于动力学分析需要质量矩阵 [M],并且这个质量矩阵是按每个单元的 密度以单元计算出来的。 • 有两种类型的质量矩阵 [M]: 分布质量矩阵 和集中质量矩阵, 对于2- D 梁单元BEAM3,其质量分布矩阵和集中质量矩阵如下所示: UX1 ⎡x 0 0 x 0 0⎤ UY1 ⎢0 ⎢ x x 0 x x⎥ ⎥ ROTZ1 ⎢0 x x 0 x x⎥ UX 2 ⎢x 0 0 x 0 0⎥ 1 UY2 ROTZ 2 ⎢0 ⎢⎣0 x x x x 0 0 x x x⎥ x⎥⎦ Consistent [M] BEAM3 ⎡x 0 0 0 0 0⎤ ⎢0 x 0 0 0 0⎥ ⎢⎢0 0 x 0 0 0⎥⎥ 2 ⎢0 0 0 x 0 0⎥ ⎢0 0 0 0 x 0⎥ ⎢⎣0 0 0 0 0 x⎥⎦ Lumped [M] M1-10 动力学 - 基本概念和术语 质量矩阵(接上页) 分布质量矩阵 • 通过单元形函数计算出来; • 是大多数单元的缺省选项; • 某些单元有一种称为简化质量矩阵 的特殊形式的质量矩阵,其中对 应于转动自由度的各元素均被置零。 集中质量矩阵 • 质量被单元各节点所平分,非对角线元素均为零; • 通过分析选项来激活。 M1-11 动力学 - 基本概念和术语 质量矩阵(接上页) 应当采用哪种质量矩阵? • 对大多数分析来说,分布质量矩阵为缺省设定; • 若结构在一个方向的尺寸与另两个方向相比很小时,可采用简化质 量矩阵(如果可能得到的话)或集中质量矩阵例如细长的梁或很薄 的壳; • 集中质量矩阵可用于波的传播问题。 M1-12 动力学 - 基本概念和术语 阻尼 什么是阻尼? • 阻尼是一种能量耗散机制,它使振动随时间减弱并最终 停止 • 阻尼的数值主要取决于材料、运动速度和振动频率 • 阻尼可分类如下: – 粘性阻尼 – 滞后或固体阻尼 – 库仑或干摩擦阻尼 M1-13 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) 粘性阻尼 • 粘性阻尼一般是物体在液体中运动时发生 • 由于阻尼力与速度成正比,因此在动力学分析中要考虑粘性阻尼 – 比例常数 c 称作阻尼常数 • 通常用 阻尼比 ξ (阻尼常数 c 对临界阻尼常数 cc*的比值)来量化表示 • 临界阻尼定义为出现振荡和非振荡行为之间的阻尼的极值, 此时阻尼比 = 1.0 M1-14 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) 滞后和固体阻尼 • 是材料的固有特性 • 在动力学分析中应该考虑 • 认识还不是很透彻,因此很难定量的确定 库仑或干摩擦阻尼 • 物体在干表面上滑动时产生的阻尼 • 阻尼力与垂直于表面的力成正比 – 比例常数 μ 就是摩擦系数 • 动力学分析中一般不予考虑 M1-15 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) ANSYS 允许上述所有三种形式的阻尼 • 通过规定阻尼比ξ, Rayleigh阻尼常数 α (后面将进行讨论),或定义 带有阻尼矩阵的单元,可将粘性阻尼纳入考虑 • 通过规定另一种Rayleigh 阻尼常数 β (后面将进行讨论)可将滞后 或固体阻尼纳入考虑 • 通过规定带有摩擦性能的接触表面单元和间隙单元,可将库仑阻尼纳 入考虑,(此处不进行讨论,可参见ANSYS 结构分析指南) M1-16 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) 在ANSYS中阻尼定义如下: NMAT NEL ∑ ∑ [C] = α[M ] + (β + βc )[K ] + [(β m j + (2 / Ω)β ξ j )[K j ]] + Ck + [Cξ ] j =1 k =1 [C] 结构阻尼矩阵 α 恒定质量矩阵系数 (ALPHAD) [M] 结构质量矩阵 β 恒定刚度矩阵系数 (BETAD) βc 可变恒定刚度矩阵系数 (DMPRAT) [Κ] 结构刚度矩阵 βjm 材料 j的恒定刚度矩阵系数 (MP,DAMP) (2/Ω) βj ξ 临界材料相关比(MP,DMPR) [Ck] 单元阻尼矩阵 (单元实常数) [Cξ] 频率相关的阻尼矩阵 (DMPRAT 和 MP,DAMP) M1-17 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) 阻尼有多种定义形式: • 粘性阻尼系数或阻尼比ξ • 品质因子Q • 消耗系数或结构阻尼系数η • 衰减量Δ • 谱阻尼系数D 多数与ANSYS中使用的阻尼比ξ有关 转化系数下面介绍 M1-18 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) 不同阻尼定义间的转换 Measure Damping Ratio Loss Factor Log Decrement Quality Factor Spectral Damping Amplification Factor Damping ratio ξ 2ξ 2πξ 1/(2ξ) 4πUξ 1/(2ξ) Log Loss Factor Decrement η/2 Δ /2π η Δ/π πη Δ 1/η π/Δ 2πUη 2UΔ 1/η π/Δ Quality Factor 1/(2Q) 1/Q π/Q Q 2πU/Q Q Spectral Damping D/(4πU) D/(2πU) D/(2U) 2πU/D D 2πU/D Amplification Factor 1/2A 1/A π/Α Α 2πU/Α Α M1-19 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) Rayleigh 阻尼常数α 和 β • 用作矩阵 [M] 和 [K] 的乘子来计算 [C]: [C] = α[M] + β[K] α/2ω + βω/2 = ξ 此处 ω 是频率, ξ 是阻尼比 • 在不能定义阻尼比 ξ时,需使用这两个阻尼常数 ƒ α 是粘度阻尼分量, β 是滞后或固体或刚度阻尼分量 M1-20 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) α 阻尼 • 亦可称作质量阻尼 • 只有当粘度阻尼是主要因素时才规定此值 ,如在进行各种水下物体、减震器或承受 风阻力物体的分析时 • 如果忽略β 阻尼,α 可通过已知值ξ(阻尼 比) 和已知频率ω来计算: α = 2ξω 因为只允许有一个α值,所以要选用最主要 的响应频率来计算 α Damping Ratio α=3 2 1 05 Frequency M1-21 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) β阻尼 • 亦可称作结构或刚度阻尼 • 是大多数材料的固有特性 β阻尼对每一个材料进行规定(作为材料 性质DAMP),或作为一个单一的总值 • 如果忽略α 阻尼, β可以通过已知的ξ(阻 尼比)和已知频率ω来计算: β = 2ξ/ω 选用最主要的响应频率来计算β Damping Ratio β=0004 0003 Frequency 0002 0001 M1-22 动力学 - 基本概念和术语 阻尼(接上页) 定义α 和 β 阻尼: • 使用方程 α/2ω + βω/2 = ξ • 因为有两个未知数,所以近似的假设 alpha 和beta 阻尼的总和在频率范围 ω1 至ω2 之间是一个长阻尼比ξ 这将给 出两个联立方程,从而可以计算出α 和β ξ = α/2ω1 + βω1/2 ξ = α/2ω2 + βω2/2 Damping Ratio ω1 ω2 α+β β α Frequency M1-23 DesignModeler 基于CAD思想的建模工具 10:40:56 DesignModeler ¾ DM的界面介绍 ¾ 2D草图建模 ¾ 3D建模 ¾ 模型修改 2 DesignModeler简介 – Workbench的一个模块. – 基于CAD的建模思想: • 独特的几何修改功能: – 点的粘结 – 表面分割 – 面模型抽取 – 梁模型 • 参数建模功能: – 通过尺寸驱动和约束来建立 2D草图 • 与Design Simulation 实现 无缝连接. DesignModeler 3 ANSYS Workbench起始页 – Workbench 的一个全新概念——工程(projects),帮 助管理和组织 CAD 或者 DM几何模型, DS分析,以及 DX 优化之间的相互关系。 Workbench 文件 (.wbdb) DesignModeler 文件 (.agdb) DesignXplorer 文件 (.dxdb) Design Simulation 文件(.dsdb) 4 GUI 简介 – GUI 界面: • 菜单和工具栏包括很多图标和下拉列表以便接受用户 的输入和命令。 • 工具栏可根据用户的喜爱来调整大小。 – 两个基本操作模式 • 草绘 (2D) 标签 • 实体 (3D) 标签 模式标签 5 视窗, 菜单和工具栏 菜单, 工具栏, 下拉列表 目录树窗口 图形窗口 模式标签 属性窗口 状态/信息条 坐标 显示 6 图形视窗, 坐标 – 显示坐标: 显示全局 3D 视图方向 • 启动时是等轴视图 – 点击箭头或ISO球可以快速切换观察方向 – 点击 Rotate 按钮,然后通过鼠标旋转模型… • 旋转方式取决于光标位置。 +Y ISO +X +Z X = 红色 Y = 绿色 Z =蓝色 光标放在这儿可分别绕水平或垂 直轴旋转 7 图形模式 – >实体模式 (标签) • 3D 实体观察 • 打印预览, 页面布局 – >草绘模式 (标签) • 在 “激活的平面”上进 行2D 草绘 • 可以旋转模型/草图 以提供 3D观察 8 主菜单 – 主菜单: • File: 基本的文件操作。 • Create: 多种 3D创建和修 改工具。 • Concept: 生成线体(line body)或面(surface)的工 具。 • Tools: 用户定制程序、参 数管理以及整体的建模操 作。 • View: 修改显示设置。 • Help:在线帮助文档。 9 工具栏 Undo/Redo: 撤销或重复绘图操作。 Select: 选择各种几何图形的工具。 10 工具栏 平面和图形(Plane & sketch)的创建 及管理。 图形:移动, 放缩,旋转等。 改变平面(plane)、草图(sketch)和 实体 (model)的显示模式。除此之 外,显示快速判断大小的标尺(默 认选项)。 11 工具栏 3D 实体生成、修改工具以及参数管理。 12 菜单: >File – >Clear • 清除目前任务,重新开始 – >Attach, >Import • 利用已有的 CAD 几何模型 – >Save, >Save Copy As . . . • 操作过程中需要经常保存。 – >Print • 打印预览 – Auto-save Now : • 生成备份的 agdb文件。 – Restore Auto-save File: • 从目前的Auto-save 文件列表 中恢复。 – >Exit • 关闭 DesignModeler 任务 13 菜单: >Create – 3D 生成工具: • > Extrude, Revolve, Sweep, Skin/Loft, Thin/Surface. – 3D 修改工具: • Fixed radius blend, variable radius blend, chamfer. – 实体操作 : • Mirror, Move, Copy, Delete, Scale, Cut Material, Imprint Faces. 14 菜单: >Tools • > Freeze – 冻结模型的所有体 – 冻结体不受后面的 Add, Cut等操作的影响,但受 >Slice…的影响 • > UnFreeze – 激活选中的冻结体 15 菜单: >Tools – > Parameters • 激活参数管理器 – > Control Panel • 设置用户参数选择 – Geometry, Graphics, Misc., Units, Grids, Defaults 16 工具栏 文件管理 撤销 选择 视图 显示 – 放置鼠标光标在各按钮上可看见简单的帮助 • 文件管理 : 新建、打开、保存 • 撤销 • 选择: 过滤被选择的限定的实体类型 • 视图: 旋转、平移、放缩、窗选、适中显示 • 显示: 网格、平面、3D实体、显示冻结、正视视图 模式 17 新平面按钮 – >New Plane 创建一个新的平面: • 新的平面目标放置在目录树上 • 六种类型的平面创建方式 (属性窗口): – From Plane –在当前的平面(plane)上生成新平面 – From Face – 在一个面(face)上生成新平面 – From Point and Edge – 通过一个点和一条直线边来定义新平 面 – From Point and Normal –通过一个点和其法线(由一个边的方 向所定义)来定义新平面 – From Three Points – 通过三点来生成新平面 – From Coordinates – 通过在坐标系中的原点和法向来生成新 平面 • 在平面上添加图形 18 新草图按钮 – New Sketch : 在激活的平面上生成新的图形。 – 在目录树中,新的图形位于与之相关的平面的分支内。 – 通过目录树或者下拉列表激活图形。 – 注意: 下拉列表包括当前激活平面上的所有图形。 XYPlane 是激活的 在下拉列表中仅显示 XYPlane 图形 19 激活的平面 & 下拉列表 – 在激活的平面上添加草图 – Display Plane 下拉列表可 以: • 切换激活平面 (或者使用目录 树) • 在多个平面间转换(toggle), 显示轴矢量、起始点和边界 的边。 • 即使在草图模式 中也允许切 换。 – 用来定义新平面的按钮 • 新的平面变成激活状态且被 添加进目录树。 20 平面/草图创建的简便方法 • 利用当前的几何体生成一个新的平面或图形的捷径: – 使要用来放置新平面的表面高亮显示。 – 切换草绘标签,开始绘图。 – 新的平面和图形自动生成。 21 鼠标功能 – LMB,MMB,RMB - - 三键 鼠标 – LMB(左鼠标键) • 选择 • + LMB • 摁住 LMB然后拖动光标 = 连续选择 – MMB (中鼠标键) • 放缩 22 …图形控制 – 平移 – 缩放 – 窗选 – 在图形屏幕内适中显示 – 正视图: 选择模型的一部分 (如表面, 线等) ,然 后 “正视视图”。模型会自动定该部分的法线,在 选取点上圈定。 23 坐标轴控制 – 使用View菜单可以打开或关闭坐标轴显示。 – 坐标轴显示包括视图和信息的控制: • 点击任何一个坐标轴的箭头,视图法向即为该轴方 向。 • 点击蓝色的 “Iso”球确定等大小视图。 24 鼠标选取 + Ctrl – 可以选择多个实体以加载 和加支撑、或者选择两个 顶点以确定轴向/集中力的 方向。 – 取决于当前的选取过滤模 式 (线、表面、等)。 – 再用相同的选取次序,可 以移除当前的选择设置。 – 要撤销所有选择,在几何 图形视窗的空白区域点击 一下即可。 25 鼠标菜单 • RMB – 显示与当前操作相关的菜 单: Tree Object Model View Print Preview 目录树 草图尺寸 注意: 删除一个特征: 使之在目录 树中高亮显示, RMB >Delete, or 使用键盘的键 26 DesignModeler ¾ DM的界面介绍 ¾ 2D草图建模 ¾ 3D建模 27 DesignModeler 几何建模 – DesignModeler 几何建模,需要考虑四个基本方 面: • 草绘模式: – 包括生成2D几何形状的工具, 2D几何形状是 3D几何体创 建或概念建模( concept modeling)的先决条件。 • 3D 几何建模: – 几何建模由草图生成实体,如拖拉, 旋转, 表面模型等 • 模型导入: – 对于自 CAD软件系统的几何模型,可以在导入 DM后对其进 行修改以适应有限元网格划分。 • 概念模型: – 这些工具用来创建和修改线体(line bodies),线体能作为 有限元梁(FE beam)或梁以及表面模型的基础。 28 草绘模式 • DM的草图在平面上创建。 • 开始绘图的过程包括两部分: 1.确定希望在其上面绘图的平面。 2.创建或确定平面上的图形。 • 根据需要,用户可以多个平面。 • 每一个平面可以有与之相关的多个草图。 29 草绘模式的 GUI界面 • 草绘模式下 ,在一系列的面板中,GUI在左边呈现 出绘图工具盒。 平面以及图形的生 成和管理 一个新的过程开始时, XY平面在原点显示。 30 平面和草图 • 在树形图上,激活的平面是 亮的,并在下拉列表中显 示。 – 激活的平面能从任一位置改 变。 • 点击 “New Plane” 按钮,生 成新平面。 • 同样的功能和操作可用于图 形的生成和管理。 31 平面和草图的细节 在设置细节后(见下面), “Generate”按钮用来生成 新平面。 注意: 对草图创建而言这一 步不是必要的。 对每一个平面和草图由“细 节” 控制基本特性. Ruler 坐标轴、显示标尺以及平面原点可以打开或关闭。 Triad 32 草绘-基本形状 – 一旦平面和草图已经指定,用户 可以从“Draw” 工具盒开始创建 新的几何图形。 – 记住!一些操作可能要求用点击 右键来完成! • 例: 结束一个 “spline” 操作,需要 采用 右键菜单选择想要的选项。 33 草图的细节 – 在每一个草图(线、圆、多变形等)中涉及 到的实体数目可以被显示。 – 关于参数化建模在后面讨论。 从细节面板上可更改图 形的名字。 34 几何模型的关联 •DM 能与现有的CAD几何图形建立关联 •DM >Import & >Attach 功能 – 在任何时候,均可导入或关联, – 能在导入或关联过程中,应用多种材料类型 –下面的 CAD版本可被支持: • ACIS - 11.0 • Unigraphics - V18.0.5.2/NX 1.0.0.20 • Parasolid - 15.0 • CATIA - V4 • SolidWorks - 2001+/2003 SP4 • CATIA - V5 (R2 - R11) • Solid Edge - V12/14.00.01 • Mechanical Desktop – 2004/V6 • Autodesk Inventor – R6/R7 SP1 • Pro/ENGINEER 2001/Wildfire • IGES Reader - 4.0, 5.2, 5.3 35 DesignModeler ¾ DM的界面介绍 ¾ 2D草图建模 ¾ 3D建模 ¾ 模型修改 36 3D 特征 – 一个典型的3D 特征的创建分为两步 (如拉伸和 扫掠) : • (a) 选择所需的特征,并设定其细节 • (b) “Generate” 该特征体。 – 通过相关的细节可以控制每个3D 特征的创 建。 – 生成3D 特征的最后一步为点击 “Generate”。 37 三维建模 已有的体 (细线显示透明轮廓). 利用旋转特征并进行减操作。 旋转轴 激活的草图 38 体和零件 – DesignModeler 最重要的目标是为分析环境提 供几何模型。为此需要了解DM是怎样处理各 种几何模型的。 – DesignModeler包括三个不同的体 类型: • Solid body: 具有面积和体积的体。 • Surface body: 具有表面但无体积的 体。 • Line body: 完全由线组成的体,无 边、面积和体积。 39 体和零件… – 在DesignModeler 中存在两种状态 的体: • 激活(Active): – 体可以进行一般的修改操作,可以更改 (但不能被切片)。 – 将所有激活的体切换到冻结状态,可使用 冻结(Freeze)特征来完成。 – 在目录树中,激活的体呈蓝色。 – 在目录树中,体的图标根据其类型(实体, 表面体, 线体)而改变。 • 冻结(Frozen): – 除切片(slicing) 操作外,建模的任何操作 对其不起作用。 – 将体从冻结状态解冻,可利用解冻 (Unfreeze) 特征完成。 – 在目录树中,被冻结的体呈白色。 激活 冻结 40 体和零件… – 体的禁用(Suppressed bodies) : • 禁用的体既不能导入到分析所用的Design Simulation,也不包括在Parasolid (.x_t)保存时的模 型中或 ANSYS Neutral File (.anf)格式中。 • 在目录树上,禁用的体的前面为一个黑色的栅栏。 非禁用的体 禁用的体 41 体和零件… – 零件(Parts): • DesignModeler默认每个体为独立的一部分。 • 使用Form New Part 工具可将体组合在一起。 • 这些零件可作为包含多体且具有形状共有的拓扑的零件被导入到 Design Simulation 。 • 为形成新的零件,在图形屏幕上选取一个或多个体,并选择鼠标 右键菜单中的 Form New Part选项。 • Form New Part选项只有在选择了体时才有用,并且不处于特征 创建或特征编辑状态。 42 体和零件… • 多体零件是什么? DM • 例: – 在DM中的三个零件, 3个体 中包括3个实体. – DS中 3个实体具有 2 接触的 区域。 – 每一个体网格是独立的。 DS DM 43 体和零件… • 例子: DM – DM 中的一个多体零件, 有3个 实体. – DS 中也有3个 实体 (无 接触). – 每一个体网格是独立 DS 的,但体上的节点在体 之间是连续的。 DM 44 布尔操作 • 可应用5 种布尔操作于3D 特征: – Add Material : 生成材质并使模型与激活的体相融合,总是可 用。 – Cut Material: 从激活的体上移走材质。 – Slice Material: 将冻结的体切成薄片。只在模型中所有的体被冻 结时才可用。 – Imprint Faces: 类似于Slice,只是体上的面是被分开的,若有 必要,则边也可被粘附( imprinted) (不产生新体)。 – Add Frozen: 类似于Add Material,只是特征体与已存在的体不 融合,而是添加了一个冻结体(frozen bodies)。 – Cut, Imprint, 以及 Slice操作对线体不起作用。 45 布尔操作… • 布尔粘附面: – 粘附面操作允许从连续的面分离出一个区域 (见下面)。例如考虑在任意位置应用有限元边 界条件。 激活草图以拉伸之. 通过粘附面的操作拉伸. 46 DesignModeler ¾ DM的界面介绍 ¾ 2D草图建模 ¾ 3D建模 ¾ 模型修改 47 修改3D几何体 – 薄体/表面(Thin/Surface): • Thin/Surface feature 有两个特殊的作用: – 生成薄体 (Thin)。 – 生成简化的壳体(Surface)。 – 从细节面板中可得到的选择: • Faces to Remove: 从体上移走被选中的面。 • Faces to Keep: 保留被选中的面,移走未被选中的面。 • Bodies Only: 在被选中体上执行操作,不移走任何面。 – 当将实体转化为薄体或面时,可在偏移方向三种方 式中选择一种,指定模型的厚度 : • Inward • Outward • Mid-Plane 48 修改3D几何体… • 薄体/表面的细节: 基本操作 薄体或偏移的方向 厚度 或者厚度/面偏移 重要! 创建面体(不是薄体)时, Thickness 必须设为0 例. . . 49 高级工具 – 通过Create 菜单可得到高级工具, 包括: • 冻结(Freeze) • 解冻(Unfreeze) • 面删除(Face Delete) • 切片(Slice) • 体操作(Body Operation) – 冻结: • 冻结是一个高级建模工具,有两个应用: – 多个零件装配时,可考虑使用相应的方式 – 允许 “切割” 一个给定的零件为几个子体(e.g., 为了映射网格 划分而建立可扫掠的体)。 50 高级工具… • 通过平面切片的例子: – 原始导入的不规则几何模型使其在有限元模拟中很难 映射(扫掠)网格。 在DM中导入的几何模型 有限元网格的结果 = all tets 51 高级工具… – 使用 Slice操作将模型分为4个体 (单独的零件). 用2次Slice 操作分割原有的 (冻结的)体。 结果: 3个体都能扫掠生成网格 1个四面体网格 52 体操作 – 体操作(Body Operation): 允许用户用8个不 同的选项来处理体 (但不是任何时候都总能使 用): • 体操作功能可操作任何类型的体(无论激活或冻 结) 。 • 体操作 不影响点特征生成的点(粘附在被选中的体 上的面或边的点)。 • 通过细节面板选择体和平面。 – 选择包括: 镜像、移动、拷贝、删除、放缩、 移除材料、粘附面、分割面. 53 体操作… – 镜像(Mirror): • 用户选择体和一个镜像平面。 • DM 生成被选中体的复制件,它们是镜像平面上原有 体的镜像。 • 被镜像的激活体将与激活模型融合。 • 被镜像的冻结体不被融合。 • 初始默认激活平面为激活平面(active plane)。 54 体操作… – 移动(Move): • 用户选择体和两个平面:一个源平面和一个目标平面。 • DesignModeler 将把被选中的体从源平面转移到目标平 面。 • 这对于布置(装配)导入或者附着的多个体特别有用。 • 例:两个导入的体未装配,使用move 操作移动盖子。 55 体操作… – 拷贝(Copy): 除体的复制件被移走而原始的体 保持不动外,与 Move 相同。 – 删除(Delete): 用户选择体,并从模型中删除。 – 放缩(Scale): 用户选择要放缩的体,然后通过 Scaling Origin 属性选择一个放缩的基点。 • 这个属性是有三个选项的工具盒: – World Origin: 使用全局坐标系的原点。 – Body Centroids: 每个体以其质心为基点被放缩。 – Point: 用户可选择一个特殊的点 (2D 草图的点, 3D 顶点, or PF点) ,用作放缩的基点。 56 体操作… – 减去材料(Cut Material): • 从模型的激活体上选择要进行操作的体。 • 对任何基本特征而言, 体操作的 减去材料与基本特 征的减去材料作用一样。 • 例:选择飞机体,并从块体上剪切以形成一个模具。 57 体操作… – 粘附面(Imprint Faces): • 对任何基本特征而言,体操作的粘附面与基本特征的 粘附面作用一样。 • 模型中存在激活的体时,该选项可用。 – 被选择的体用来粘附面到大块体上。 58 体操作… – 切割材料(Slice Material): • Slice 操作需要在一个完全冻结的体上执行。 • 对任何基本特征而言,体操作的切割材料与基本特征的切割材料 作用一样。 • 当模型中的所有体被冻结时,选项可用。 • 切割操作的例子: 飞机的体被选中以切割块体: 59 实例 • 过程 – 绘制2D草图 – 生成3D实体 – 同时讲解DM功能 60 例题 3-1, 草绘 • 目标: – 在原点左下角画一个高 50mm宽 75mm 的长方形。 – 在该长方形上加一个半径为 10mm的圆,该圆的圆心 离左边 20mm,离底边 30mm 。 – 放置所有尺度在容易看见的地方。 75mm R = 10mm 20mm 30mm 50mm 61 例题 3-2 • 目标: – 在例题 3-1中打开已建好的模型,并由草图生成3D 几何体。 – 生成一个新草图并拉伸,以在原来模型上创建一个凸台。 – 生成另一个草图,,在凸台上 粘附(Imprint)一个面,以便在 有限元模型上施加边界条件。 – 保存模型并退出。 62 63 DesignSimulation 结构分析 10:53:48 Design Simulation 概述 • DS可以做的分析类型: ¾ 结构静力分析 ¾ 安全系数计算,应力及变形 ¾ 非线性:装配接触、销钉约束及载荷 ¾ 机构运动载荷施加(DDM) ¾ 包括接触分析 ¾ 模态分析,包括预应力模态 ¾ 稳态热分析 ¾ 热应力 ¾ 屈曲分析 ¾ 谐响应分析 ¾ 形状优化 ¾ 疲劳分析 2 启动DS – 启动 ANSYS Workbench: • Workbench 模块都是从同一个图标进入:“ANSYS Workbench”,在“开始>程序>ANSYS8.0”下 • 或者,用户也可以直接从CAD系统中进入 3 … DS 界面 • 用户界面是由下面几个部分组成: 标签 菜单 工具条 目录树 属性窗口 图形窗口 向导 4 … GUI – 菜单 – 菜单给出了DS 中的很多功能,下面只介绍常 用的几个菜单项: • “File > Save” 用来保存DS数据库文件:.dsdb • “File > Clean” 用来删除数据库中的网格或结果 • “Edit > Select All” 用来选取窗口中当前的所有实体 • “Units” 用来改变单位 • “Tools > Control Panel” 用来定制或设置选项 • “Help > Help Topics” 用来激活在线文档 5 … GUI – 工具条 – 共有四个系列的工具条,给用户提供了快速进入 的功能 常用工具条 图形工具条 命名选择工具条 内容工具条 6 … GUI – 工具条 • 常用工具条如下所示: Save .dsdb Bring up Simulation Wizard Solve Model • 图形工具条会经常地用到: Select adjacent entities Select entities Select mode Graphics Manipulation Fit All Wireframe – 鼠标左键可以是“选取”模式或“图形控制”模式, 上面工具条按钮的图案画出了拾取或“图形控 制”时鼠标左键的动作。 – CAD模型的选取可以是单个选取,也可以是框 选,这取决于“选取模式”按钮 7 … GUI – 目录树 • 目录树为模型、材 料、载荷和分析结 果提供了一种很好 的组织方式 8 … GUI – 目录树 • 下面是对目录树中一些图标的解释: – 说明分支全部被定义 – 说明还有没有输入的数据 – 说明需要求解 – 说明还存在问题 – “X” 说明被抑制(不能被求解) – 说明体或零件被隐藏 – 说明当前项被估计 – 说明映射网格划分失败 9 … GUI – Details View • Details View 提供了输入数据的列表,会根 据选取分支的不同自动改变 – 白色区域: 显示当前输入的数据 – 灰色区域: 显示信息数据 – 黄色区域: 未完成的信息输入 10 … GUI – 图形窗口 • 图形界面显示的是几何形状和结果,它还可 以显示工作表,HTML报告及打印预览选项 Geometry Tab Worksheet Tab Print Preview Tab Report Preview Tab 11 基本过程 • 每一个分析都包括四个主要步骤: – 初步决定 • 是什么样的分析:静力、模态等等? • 什么样的模型: 零件或是组件? • 选什么样的单元: 平面的或是实体的? – 前处理 • 导入模型 • 给零件定义材料属性 • 划分网格 • 施加载荷和约束 • 设定要求解的结果 – 求解 – 后处理 • 观看结果 • 检验结果的正确性 Preliminary Decisions Preprocessing Solution Postprocessing 12 载荷类型 • 这里有四种结构载荷的类型可供选择: – 惯性载荷 • 这些载荷作用在整个系统中 • 需要用到质量的时候密度是必须的 – 结构载荷 • 这种载荷是作用在系统部分结构上的力或者力矩 – 结构约束 • 这些是利用约束来防止部分范围内的移动 – 热载荷 • 从结构上讲,热载荷会导致温度区域生成并且在整个 模型上引起热扩散。 13 载荷类型 惯性载荷 结构载荷 结构约束 热载荷 14 载荷类型 加速度 重力加速度 旋转速度 压力载荷 力载荷 远程力载荷 螺栓载荷 力矩 15 载荷类型 固定支撑 位移约束 无摩擦支撑 圆柱约束 对流约束 温度约束 内部热源 热流量 绝热 16 网格划分 • 网格的节点和单元参与有限元求解 – 对实体模型进行网格划分,网格在矩阵方程中求 解。 – 在求解开始,自动生成默认的网格。 – 用户可以预览网格,检查是否满足要求。 17 … 整体网格划分控制 – 基本的网格控制可以在“Mesh” 分支下 操作 • 当“Global Controls” 为“Basic” (默认)时,用 户可以通过滑移块进行控制 。 – “Relevance” 可以设置在 –100 和 +100之间 – 默认的 Relevance值是0,但可以通过“Tools > Control Panel > Meshing: Relevance”改变 值。 Relevance = -100 Nodes: 9968 Elements: 5808 Relevance = 0 Nodes: 19040 Elements: 10909 Relevance = +100 Nodes: 40764 Elements: 24687 18 … 局部网格控制 – 可以对局部的单元大小进行控制 • 对于单元尺寸,可以定义被选边、面或零件的平均 单元 尺寸。 • 对于边,用户可以定义边上的划分份数。 – 用户控制网格尺寸,可以得到比较相对统一的 网格密度,还可以得到比定义整体边的长度更 密或更疏的网格。 如图所示,左边是初始的尺寸然而右边是 默认的网格划分。 注意通过sizing控制的左边在定义的边上 有相对一致的网格密度。 19 … 插入结果 • 选取应力分支的模板,一些结果已经默认被要求, 然而,用户可以根据需要要求别的结果 – 选择 “Insert Results” 插图显示出怎样进行添加 20 … 求解 • 定义了材料,施加载荷和约束,添加结果后,模型 便做好了求解的准备了 – 选择Stress Wizard中的“Solve”后,出现一个插图,告诉 用户,那个亮螺栓的图标是用来开始求解的 21 … 查看结果 • 求解完成后,用户可以查看到结果 – 结果的种类取决于分析的类型 – 云图、矢量图、动画都可以 22 查看结果 • 当选择一个“结果”分支时,文本工具框就会 显示该“结果”所要表达的内容: 位移缩放比例 显示模式 云图设置 轮廓线显示 切片显示 Min/Max Probe Tool 动画控制 输出 AVI 收敛性 警告 23 … 位移缩放比例 • 对于结构分析(静态、模态、 屈曲), 模型的变形情况将发 生变化 – 在默认状态下, 为了更清楚的看到结构的变化,比例系数 自动被放大 – 用户能够改变为实际变形情况 没有位移缩放系数 自动位移缩放系数 24 … 显示方法 • “Geometry” 按钮控制云图显示方法. 共有四个可供选择的选项: Exterior IsoSurfaces Capped IsoSurfaces Slice Planes 25 … 云图设置 • “Contours” 按钮控制控制模型的云图显示方法 Smooth Contours Contour Bands Isolines Solid Fill 26 … 轮廓显示 • “Edges” 按钮允许用户显示未变形的模型或者划分网格的模型 No Wireframe Show Undeformed Wireframe 显示未变形的模型 显示单元 27 … 切片 – 当在Slice Plane显示模式下, 切片的面能被添加 或者编辑 • 添加一个切片面, 只用选择 “Draw Slice Plane” 图标便可, 然后点 击鼠标左键穿过图形窗口. 创建的路径将定义切片面. • 编辑一个切片面, 选择 “Edit Planes” 图标. 定义了的面将有一个 ‘处理状态’ 出现在图形窗口. – 拖拽“handle” 去移动切片面 – 点击bar的一侧去显示capped 切片 – 选择“handle”, 然后点击 “Delete” 键移走平面 3个Handles定义的切片面 通过拖拽移动一个切片面 点击 bar 的一侧去显示cap view 28 … 最大/最小值探测工具 – 通过选择“Maximum”和“Minimum”按钮, “min/max” 标签能被移走 – 通过选择“Probe” 按钮,能够查询模型上的结果 • 在模型上被查询的值处点击鼠标左键去添加一个注释. • 使用“Label” 按钮去选择和删除不想要的注释 29 … 动画控制 – 动画控制工具栏允许用户去播放、暂停和停 止播放动画 • 滑块允许用户一帧一帧的拖拽 • “输出动画文件” 能将动画存成AVI格式 • 动画通常以线性递增的形式,从最小值到最大值 发生变化. 另一方面, 对于模态和谐响应分析, 动 画的全部变化范围能适当的调整。 • 动画的速度能通过 “View > Animation Speed”来调控 30 … 调控图例 – 对于表面云图显示, 标签能被控制更清楚地显示结果分布图. • 用鼠标左键选择“legend” • 拖拽外色的条框去改变全部的 最小/最大 值 – 规定值范围以外的值是紫色的 (高于设定值) 和棕色的(低于设定值) • 拖拽黄色的条框去重新调整图例 • 拖拽灰色的条框去改变中间范围 Original Contour Legend Modified Contour Legend 31 … 矢量显示 – 在wireframe 模式下,能更好地观察矢量图显示 情况 • 矢量显示包含任何一个带方向的矢量结果, 例如变形, 主应力/应变, 和热流等等 32 … 多窗口显示 – 在后处理里, 使用多窗口显示是很有用的, 在这种 状态下, 能同时观察数个结果。 33 输出结果 – 来自Design Simulation 的表格数值能输出到 Excel表格进行数据处理 – 输出Worksheet 表信息, 按下面步骤进行: • 选择分支 并且点击Worksheet 表 • 右击同一个分支并且选择 “输出(Export)” – 输出云图结果 • 右击想输出的分支结果并且选择 “输出(Export)” • 节点号和结果数将被输出 • 输出大量的数据会占用较多的CPU 时间 34 分析实例 • 强度分析练习(ConRod.x_t) 35 DesignSimulation AWE高级分析技术 10:58:38 AWE高级技术 模型参数传递 多模型对比性分析 多工况对比性分析 参数化分析 结果对象、警告、收敛 结果坐标系及结果组合 2 … 参数的输入 – CAD特征尺寸能输入到 Design Simulation中 • 打开这个属性, 任何用户用前 缀或下标(默认是DS)定义 的尺寸将作为参数输入到 Design Simulation中。 • 一旦参数被输入,各种尺寸的 参数将会显示在对应部分的属 性列表上。 3 …参数的输入 • 每种CAD软件都有不同的方法来改变尺寸名称,请 参考相关CAD文档。 – DesignModeler: 在Sketching模式下, 用 “Dimensions > Edit” – Pro/ENGINEER: 选尺寸,点右键选“Properties” – Unigraphics:选尺寸,点右键选“Edit” – SolidWorks:选尺寸,点右键选“Properties” – Inventor:选尺寸,点右键选“Dimension Properties” – Solid Edge:选尺寸,点右键选“Edit Formula,” 改变名字 – Mechanical Desktop: “Part > Design Variables” ,然后定义参数 名。 然后通过“Edit Dimensions”将尺寸改为参数。 4 …传递参数和更新 • CAD中的参数可以在明细窗中 修改。然后在工具条上选中 “Update > Send Parameters and Update”,则DS会更新模 型中CAD几何尺寸信息。 • DS实际上是将参数传递到CAD 软件中去,在CAD软件中将重 新生成新的模型,并将模型又 自动地传回到DS中。 注:在尺寸方面的修改必须是 能够在CAD软件中合法生成 的几何尺寸。如果不是,更新 将不会成功。 5 …更新几何模型 • 当从CAD系统中更新几何尺寸信息时应特别 注意的是,只有程序支持的CAD系统才有此 项功能。由于DS要使用CAD API ,因此 CAD系统必须安装在同一机器中。 6 多模型对比性分析 多模型对比性分析 同一个数据库和界面中可以 管理对多个模型的分析任务 结构树中的模型可以被复制 (Copy/Cut&Paster或 Duplicate) 与模型相关的信息(模型源 文件、网格、边界条件、结 果项)一同被复制 1选择结构树中的 “模型”(Model) 2 复制模型: 单击鼠标右键 选择复制 (Duplicate) 7 多模型对比性分析 2.传递参数并 刷新模型 3.选择结构树中 的项目 (Project) 4.求解: 单击鼠标右键,选 择求解,对项目下 的所有模型进行求 解 1.修改几何模型参数: Ds_thick由3改为8 8 多模型对比性分析 Ds_thick=3时的等效应力云图 Ds_thick=8时的等效应力云图 9 多工况对比性分析 多工况对比 性分析: 同一个数据库和界面中 可以管理对某个模型的多 工况分析任务 结构树中的环境可以被 复制(Copy/Cut&Paster 或Duplicate) 与环境相关的信息(边 界条件、结果项)一同被 复制 2.复制环境: 单击鼠标右键 选择复制 (Duplicate) 1.选择结构树中的“环 境”(Environment) 10 多工况对比性分析 1.修改载荷工况: 选择结构树中的销 孔传力载荷 2.修改值: 大小由-1000变为-2000N 3.求解: 选择结构树中修改后的环 境,鼠标右键,求解 11 参数化分析 参数化分析: 凡带方框的变量都 可以被设为参数 参数分为两类:输 入参数(如几何参 数,材料参数,载荷 参数等)和输出参数 (如质量,体积,结 果值等) 用户可以修改输入 参数的值,但输出参 数的值由计算得到 单击变量前的方 框,方框中间出现蓝 色字符P,该变量即 被设置为参数 定义的参数可以在 本界面中进行参数化 分析,或传递到DX 中进行优化分析 1 定义参数: 定义几何模型参数,载荷参 数为输入参数,最大等效应 力参数为输出参数 12 参数化分析 2.定义参数管理器: 选择结构树中的结论项, 单击鼠标右键,在弹出菜 单中选择 Insert>Parameter Item>Parameter Manager 13 参数化分析 3.选择结构树中 Parameter Manager 参数说明域 参数赋值域 4.单击鼠标右键,添加新的参数值组合 5.选择结构树中Parameter Manager,单击鼠标右键,求解 结果对比 14 结果处理:对象,收敛,警告 1.添加新的 结果项 2.选择结果 对象:几 何实体 15 结果处理:对象,收敛,警告 1.选择结构树中的某个结果项 2.单击工具条按钮/鼠标 右键菜单插入收敛控制 4.单击工具条按 钮/鼠标右键菜单 插入警告 3.设置收敛准则: 两次求解的差除以两 次求解的平均值,若 超过了收敛准则,则 细化网格,重新求解 5.对极值设置警告 标准,并即时报告 状态 16 结果处理:坐标系 1.选择结构树中模型 2.单击工具条按钮/鼠标右键菜 单插入坐标系对象 5.插入方向 性结果 项,求解 3.鼠标右键插入新的坐 标系 4.定义新的坐标系 17 结果处理:结果组合 结果组合: 相当于ANSYS中的工 况组合 可以对一个模型的多个 环境(工况)进行组合 基本过程为: 进行组合>选择结果项> 观察组合后的结果 1.选择结构树中的某个模型对象 2.通过鼠标右键菜单或工具条按钮 插入结果组合 18 结果处理:结果组合 3.鼠标右键:添加/ 修改/删除环境工况 4.通过鼠标右键菜单或工具条 按钮插入结果项 5.鼠标右 键:求解 6.观察 结果 19 结果处理:结果坐标系 • 默认状态下,坐标系选项是不显示的, 但是能在结构树中添 加这些内容 – 当前使用的坐标系仅仅用于结果后处理. 对于任何相关 方向的结果分量, 这个分量能够显示在不同的坐标系下. – 在添加了Coordinate Systems 分支之后, 默认的坐标系是“整体坐标系. 该坐 标系的基点在CAD模型的原点处. 20 结果处理:结果坐标系 – 通过选择文本框上的“坐标系 (Coordinate System)” 图 标,可以定义新的坐标系 • 改变Details窗口的 “类型 (Type)” , 可以定义笛卡尔或 者柱坐标系. • 通过选择以一个新的原点或者 选择一个圆柱可以定义局部坐 标系. • 通过选择“X/Y/Z 方向 (Direction)” 与适当的面,可 以改变坐标系的方向。 21 结果处理:结果坐标系 • 在定义了坐标系之后, 在方向结果的Details窗口上 将显示出一个新的选项: – 如下所示, 可以直接选择定义好的坐标系. 选择的坐标系 将定义x-, y-, and z-轴。 – 有方向的变形(Direction Deformation), 法向/切向应力 /应变(Normal/Shear Stress/Strain), 和有方向的热通 量(Directional Heat Flux) 都可以使用坐标系 22 结果处理:结果坐标系 – 如下面所示的模型,定义了一个局部坐标系 • 可以观察到在整体坐标系和局部坐标系中显示 的x方向的变形结果是不同的. • 假如用户想看大孔处的径向位移,定义柱坐标 系可以看到这种类型的位移. 整体坐标系x向的位移 局部坐标系x向的位移 23 AWE高级技术 模型参数传递 多模型对比性分析 多工况对比性分析 参数化分析 结果对象、警告、收敛 结果坐标系及结果组合 24 DesignSimulation 模态分析 10:59:01 概述 • 本节内容如下: – 模态分析流程 – 预应力模态分析流程 2 模态分析基础 • 对于一个模态分析, 固有圆周频率 能从矩阵方程式里得到: ωi 和 振型 φi 都 ([K ] − ω 2 i [M ]){φi } = 0 在某些假设条件下的结果与分析相关: – [K] 和 [M] 是常量: • 假设为线弹性材料特性 • 使用小挠度理论, 不包含非线性特性 • [C] 不存在, 因此不包含阻尼 • {F} 不存在, 因此假设结构没有激励 • 根据物理方程 , 结构可能不受约束(rigid-body modes present) , 或者部分/完全的被约束住 • 记住这些在Design Simulation中进行模态分析的假 设是非常重要的. 3 模态分析过程 • 模态分析过程和一个线性静态结构分析过程非常相似 , 因此 这里不再详细的介绍每一操作步骤. 下面这些步骤里面,蓝 色斜体字体部分是模态分析所特有的. – 建模 – 设定材料属性 – 定义接触对 (假如存在) – 划分网格 (可选择) – 施加载荷 (假如存在的话) – 需要 使用Frequency Finder 结果 – 设置 Frequency Finder 选项 – 求解 – 查看结果 4 … 几何模型和材料属性 – 类似于线性静态分析, 任何一种能被Design Simulation支持的几何模型都有可以使用: • 体元素 • 面元素 (需定义适当的厚度) • 线元素 (需定义适当的横截面) – 材料属性:需要定义杨氏模量、泊松比和密度 • 由于没有载荷,所以定义了以上材料属性,就不再 需要其他的材料属性了 5 … 载荷和约束 – 在模态分析中,不使用结构和热载荷 – 在模态分析中可以使用各种约束: • 假如没有或者只存在部分的约束, 刚体模态将能被检 测和获得测评. • 若没有约束,模态将处于0位置或者0HZ附近. 与静 态结构分析不同, 模态分析并不要求禁止刚体运动. • 边界条件对于模态分析来说,是很重要的。因为他 们能影响部件的振型和固有频率. 因此需要仔细考 虑模型是如何被约束的. 6 …求解结果 • 模态分析的大部分结果和静态结构 分析非常相似. • 当Solutions 菜单里的Frequency Finder 被选中之后,Design Simulation会自动进行模态分析 – 将Frequency Finder tool分支添加到求 解选项(Solutions 分支)里面 – Frequency Finder的Details窗中的选 项可以允许用户自定义最大的模态数 量 “Max Modes to Find.” 默认是6 阶 模态(最大是 200). 随着要获得模态数 量的增加,运算时间也随之相应增加. – 在Limit Search to Range框中选择 Yes ,可以指定搜索范围限制在一个 用户感兴趣的特定的频率范围内. 在“Limit Search to Range” 中,能指定最小和最大的频率. 但是要注意这个选项和“Max Modes to Find”是相关联的, 假如不需要足够多的模态,在 这个搜索的频率范围内,并不 是所有的模态都能发现. 7 … 求解 – 在设置完前面的选项之后,像其他的分析一样 点击solve按钮便可以求解模态分析了. • Solution 分支条里的Worksheet表 提供了详细的求解输出内容,包括所 使用的内存数和已经提取了的模态阶 数. • 如果在一个求解完成之后,需要获得 应力、应变或者更多的频率/振型,那 么必须重新进行求解. 8 预应力模态分析 • 在某些情况下,进行模态分析时,应该考 虑预应力效果. – 在一个静态载荷(static) 的作用下, 结构的应力 状态可能影响到它的固有频率. 这一点是非常 重要的,尤其是对于那些在某一个或两个尺度 上很薄的结构. – 现在,考虑一个吉它弦被调节的情况 – 当轴向 载荷增加(拉紧)的时候, 横向频率也随之相应的 增加. 这是一个应力硬化的例子. 9 …预应力模态分析过程 – 执行一个预应力模态分析(也就做带有预应力的 自由振动分析)的过程, – 除了下面所列的一些要注意的事项外,与进行 标准的自由振动分析的过程基本是一样的: • 必须通过施加载荷 (结构或热载荷) 的方式,来确定 结构的最初应力状态. • 线性静态结构分析的结果能够在Solution 分支里面 获得,而不是在Frequency Finder 分支条 – 在Frequency Finder 分支条 里的应力或应变结果,是一 个特殊模态的相对应力/应变值 – 在Solution 分支里的应力或应变(或是位移)结果,是静载 荷的真实的应力/应变/位移值 10 DesignSimulation 热分析 11:00:14 稳态传热基础 – 对于一个DS中的稳态热分析, 温度 {T} 是由如下的矩 阵求解: [K(T )]{T}= {Q(T )} 这就导致了如下的一些假设: • 在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应; • [K] 可以是常量或是温度的函数; – 每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率; • {Q} 也可是常量或是温度的函数; – 在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热膜系数 2 … 材料属性 • 唯一需要的材料属性是导热系数。 – 材料输入在 “Engineering Data” 分支下,然后在 “Geometry”分支下 指定每个part的材料。 – 导热系数 作为材料属性的 一个子分支输入。 温度相关的导热系数可以 用表输入。 – 比热 同样也可输入, 但目 前用不到。 – 其它的材料输入在热分析 中用不到。 如果存在任何温度相关的材料属性,都将导致非线性求解。这是因为,温 度是要求解的量,而材料又取决于温度,因此求解不再是线性。 3 载荷 • 在热分析中有三种类型的载荷: – 热负荷: • 这类载荷往系统中输入能量 • 热负荷可以用已知的热流率或单位面积/体积上的热流 率输入。 – 绝热条件: • 这是自然产生的边界条件,此时没有热量从表面上流 过。 – 热边界条件: • 这些边界条件的作用如同已知温度条件下的热源或汇 • 这些边界条件可以是确定的温度或已知环境温度下的 对流边界条件。 4 热载荷和边界条件的类型 • 提供一些结构分析与热分析的类比将会很有用。 施加的载荷 温度 热流率 载荷分类 约束 集中载荷 实体模型载荷 在关键点上 在线上 在面上 在关键点上 有限元模型载荷 在节点上 均匀 在节点上 对流 面载荷 在线上(2D) 在面上(3D) 在节点上 在单元上 热通量(热流密 度) 面载荷 在线上(2D) 在面上(3D) 在节点上 在单元上 热生成率 体载荷 在关键点上 在节点上 在面上 在单元上 在体上 均匀 5 … 求解模型 – 要执行热-应力求解,只要简单地添加结构支 撑,并request结构结果,然后求解模型即可。 • 结构载荷是可选的,但也可以施加。 • DS将会知道一个热-应力分析将要执行, (在 Solution分支的 Details view 下)。以下的过程程序 会自动执行: – 稳态热分析 – 温度场映射到结构模型上 – 结构分析 • DS 自动执行这类耦合场分析,因此用户无需担心上 面的细节。 6 结果和后处理 – 可得到各种结果用于后处理: • 温度 • 热通量等 – 在DS中,结果通常要在求解之前 request,但也 可以在后来request。 • 如果你求解了一个模型,然后才request 结果,则点 击 “Solve” ,就可以重新得到结果。 要重新得到一个 已求解的模型的输出,并不需要进行新的求解。 7 … 温度场 • 可以进行温度场的云图显示: – 温度是求解的自由度,且是求解的最基本的输出 – 温度是标量,因此,没有与之相关的方向. 8 … 热通量 – 热通量云图或矢量显示也可得到: • 热通量 q 有下式定义: q = −KXX ⋅∇T 且与温度梯度∇T有关。热通量输出有三个分量, 可 以帮助用户看到热量是如何流动的。 • 云图显示“Total Heat Flux”大小 • 矢量显示“Vector Heat Flux”的大小和方向 在显示矢量时,用轮廓显示最清晰 • 热通量的分量可以用 “Directional Heat Flux” 请求,并可映射到任意坐标系下。 9 DesignSimulation 线性屈曲分析 11:00:51 本章概述 • 在本章中将讲述DS中的线性屈曲分析的应 用. – 在DS中,进行线性屈曲分析类似于应力分析. 2 屈曲分析的背景 • 许多结构需要估计结构的稳定性。细长柱、压缩 部件、以及真空容器都是需要考虑稳定性的例子. • 在不稳定(屈曲)开始时,结构在本质上没有变化的 载荷作用下(超过一个很小的动荡)在x方向上的位 移{Δx}会有一个很大的改变. F Stable F Unstable 3 … 屈曲分析的背景 • 特征值或线性屈曲分析预测的是理想线弹 性结构的理论屈曲强度(分歧点). • 特征值方程决定了结构的分歧点.教科书上 相应的方法近似于线弹性屈曲分析方法. – Euler柱的特征值屈曲方法与经典的Euler方法 匹配. 4 … 屈曲分析的背景 • 然而,非理想和非线性行为阻止许多真实的结构 达到它们理论上的弹性屈曲强度。 • 线性屈曲通常产生非保守的结果, 应当谨慎使用. 5 … 屈曲分析的背景 • 尽管屈曲分析是非保守的,但是也有许多 优点: – 它比非线性屈曲计算省时,并且应当作第一步计 算来评估临界载荷(屈曲开始时的载荷). – 线性屈曲分析可以用来作为决定什么样的屈曲 模型形状可以使用的设计工具. • 结构可能发生屈曲的方法可以作为设计中的向导 6 A. 线性屈曲基础 – 进行线性屈曲分析背后的目的是寻找分歧点. • 线性静力分析包括应力刚度矩阵[S], 它是应力状态的 函数: ([K ]+ [S]){x}= {F} • 假如认为分析是线性的,可以对载荷和应力状态乘 上一个常数λ: ([K ]+ λ[S]){x}= λ{F} • 在一个屈曲模型中,位移可能会大于(x+ψ) 而载荷没 有增加,因此下面也是正确的: ([K ]+ λ[S]){x +ψ }= λ{F} 7 … 线性屈曲分析基础 – 如果最后两个方程相互代入,就可以得到下面结 果: ([K ]+ λ[S]){ψ }= 0 – 上式就是在线性求解中用于求解的方程. • 屈曲载荷乘上 λ就是将其乘到施加的载荷上以得到屈 曲的临界载荷 • 屈曲模态形状系数ψ代表了屈曲的形状.但是幅值不 能得到因为ψ是不确定的. • 事实上有许多屈曲载荷乘子和摸态,尽管用户通常只 对前几个模态感兴趣. 因为屈曲是发生在高阶屈曲模 态之前. • 注意线性屈曲方程和自由振动方程(第五章)之间的相 8 B. 屈曲分析步骤 • 线性屈曲分析步骤与线性静力分析很相似,因此不 是每个步骤都详细介绍.其中的红色斜体的步骤是 屈曲分析的特殊步骤. – 生成几何体 – 分配材料属性 – 定义接触 (假如需要的话) – 定义网格控制(可选择的) – 定义载荷和约束 – 定义屈曲结果 – 求解模型 – 查看结果 9 … 载荷和约束 – 假如施加常值和成比例的载荷则需要给出特殊 的指定. • 用户可以重复屈曲分析,调整可变载荷直到载荷乘数 为1.0或接近1.0. • 讨论一个柱子在自重WO和表面集中力A作用下的例 子.可以通过重复计算,调整A的值直到λ = 1.0. 10 … 需求结果 – 许多屈曲分析的选项与静力分析 选项相似. – 但是,当在求解下拉菜单下的屈 曲分析工具被选择时DS会分辨并 执行屈曲分析: • 屈曲工具在求解下拉菜单下增加了 另一个菜单. • 详细的屈曲菜单允许用户指定屈曲 模态的阶数.缺省的时候只计算第一 阶屈曲模态.增加模态阶数会增加计 算时间.但是,通常只有少数屈曲模 态是希望的. Although most users are only concerned with the first buckling mode, it is generally a good idea to request the first 2 or 3 buckling modes. There may be closely-space buckling modes, so this would tell the user if the model may be susceptible to more than one failure mode. 11 … 需求结果 • 需要求解的结果位于屈曲菜单下: – 屈曲分析的模态受控于在屈曲菜 单下有详细介绍的模态阶数 – 应力,应变或某方向的位移等附加 结果可以在屈曲下拉菜单下指定 • 如果已指定,则每阶屈曲模态的应力, 应变或位移结果都会得到 • 假如一个模型的应力和应变已经得 到,那么另外的计算也是需要的. – 在“Solution”下拉菜单下没有结果 直接被指定. 12 … 指定结果 • 相应的ANSYS中屈曲工具命令如下所示: – 一个静力分析需要首先设定PSTRES,ON – 一个屈曲分析(ANTYPE,1)执行PSTRES,ON – 屈曲阶数定义采用命令 BUCOPT,LANB,nmodes • 提取特征值方法通常应用Block Lanczos法,不管在求 解下拉菜单下“Solver Type”的设定 – 输出结果受限于所要指定的结果 • 假如应力和应变结果对于每阶模态都需要,则应力 结果可用命令MXPAND,,,,YES来扩展.否则 MXPAND不被应用. Advanced ANSYS Details 13 … 求解选项 • 对于线性屈曲分析求解选项没有什么影响. 这些只对初始静力分析有影响. – “Solver Type” 可设定为 “Direct”或“Iterative,”但 是这只是对静力分析设定了方程的求解器 (EQSLV),而不是屈曲分析的特征值扩展方法 (BUCOPT) – “Weak Springs”意味着初始静力分析 • 可以利用‘weak spring’选项自动在初始静力分析中增 加COMBIN14单元,但是要清楚,这些单元也可以在屈 曲分析中用到. – 线性屈曲分析不支持“Large Deflection” Advanced ANSYS Details 14 … 求解模型 • 设定好模型以后,可以像其它分析一样选 择Slove按钮求解屈曲分析. – 求解下拉菜单的Worksheet工具条提供了详细 的计算输出,包括使用内存的大小以及多少阶模 态已经扩展了. – 假如在求解完成后应力或应变或再多的屈曲模 态需要考虑,那么需要一个新的求解. 15 … 观察结果 • 求解结束可以观察屈曲的模态 – 每一阶屈曲模态的的乘子都有详细的描述.载荷 乘子与真实载荷的乘积代表临界载荷. – 屈曲模态代表相对体积而不是绝对尺寸.但是这 些可以用来判定失效的模态的形状. Model shown is from a sample Inventor assembly. 16 … 观察结果 • 屈曲载荷乘子可以在屈曲下拉菜单下的 Worksheet工具条中得到. – 所有指定的模态都会总结在如下的表 – 如前面所提到的,指定多于一阶的屈曲模态是较 好的.这有助于用户观察结构可能在给定的载荷 下失稳的多种方式. 17 C. 作业 7 • 作业 7 – 线性屈曲(Pipe.x_t) • 目标: – 校验下面管子模型在ANSYSY Workbench 中的线性屈曲分析结果. 结果将与使用手册 上的计算结果想比较. 18 DesignSimulation 形状优化 11:01:46 本章概述 – 在本章节中将讲述Shape Finder在DS中的应用. • 在DS中,执行形状优化是在线性静力结构分析的基 础上进行的. 2 形状优化基础 – 指定Shape Finder 将执行形状或拓扑优化 • Shape Finder是一个优化问题,其结构能量在减少结 构体积的基础上的最小化 • 另一种观点就是Shape Finder尽量得到关于体积比 率的最好刚度. Shape Finder尽可能的找寻可以在对 整体结构的强度不产生负面影响的可去除的面积. • Shape Finder基于一个单独的静力结构环境下 – Shape Finder不能用于复合环境下 – Shape Finder现阶段还不能用于模态,传热和其它分析 – 由于它是个优化器,尽管基于单一的静力结构分析,但其内 部可以进行多次迭代,因此计算比较费时. 3 形状优化基础 – 在下面的例题中,一个简单的受到约束和螺栓 载荷的部件.Shape Finder允许用户决定在给定 的载荷条件下哪些材料可以去除,假如考虑到减 少重量的话. • 形状优化对于概念设计或对现有设计中的重量进行 缩减的设计是有用的 Model shown is from a sample Inventor assembly. 4 A. 形状优化过程 • 形状优化处理于线性静力分析很相似,因此这里不 是所有的步骤都详细介绍.其中的黄色斜体的步骤 是形状优化处理的特殊步骤. – 导入几何体 – 设定材料属性 – 定义接触 (假如需要的话) – 定义网格控制(可选择的) – 定义载荷和约束 – 指定Shape Finder计算结果 – 设置Shape Finder选项 – 求解模型 – 观察结果 5 … 几何和材料属性 • 不同于线性静力分析,形状优化只适用于实体 • 线或壳不能应用Shape Finder • 对于材料的属性,杨氏模量和泊松比是必需的 – 当施加加速度(以及其它惯性载荷)时密度是必 需的 – 如果施加热载荷,热膨胀系数和热传导率都是 必需的 6 … 接触对 • 任何类型的面-面接触都可以包括在Shape Finder中 – 由于形状优化需要多次迭代,假如施加了非线性 接触,整个求解耗时将很长 • 由于Shape Finder不支持线和壳模型,因 此不能应用边缘接触和点焊. 7 … 网格控制 – 网格的密度影响求解的精度 • 如同其它分析,这对形状优化也是正确的.细化网格 使得计算比较耗时,但是材料可去的除面积将更清楚 的被定义,如下面的例子所示: Model shown is from a sample Unigraphics assembly. 8 … 载荷和约束 • 任何载荷和约束都可以用于Shape Finder – 由于Shape Finder在载荷和约束的基础上尽量 减少体积和增大刚度, 因此载荷和约束十分重 要并会影响结果. – 热载荷也可以应用 9 … 设定求解结果 – 对于形状优化,仅有Shape Finder的结果 是有效的 • 在求解下拉菜单下,Shape Finder的结果可以被指定 – 没有别的类型结果可以被指定.假如希望进行应力分析,点击两次 环境菜单,指定位移和应力/应变结果. • 对于Shape Finder,简单指定缩减的目标量(缺省时20%缩 减量) – 注意,太大的材料缩减将导致行架式的结构 10 … 求解选项 • 对于形状优化,求解下拉菜单选项中的详细叙述不需要改变. – “Large Deflection”不适用于形状优化. • 在形状优化的情况下“Analysis Type”将显示 “Shape” .假如 应用了热载荷,那么也会显示“Thermal Shape”. 注意这 个涉及到热-结构分析而不是纯粹的热分析. 11 … 求解选项 • 对于Shape Finder,下面是内部执行的: – 在ANSYS中Shape Finder程序同拓扑优化相一致 – 假如指定了热载荷,热分析首先执行. • 在模拟开始时热分析只执行一次.这就意味着热载荷不能 解决因为形状的改变而重新分配温度的分布 12 … 求解模型 • 模型建立完毕可以如其它分析一样选择 Slove 按钮进行形状优化. – 由于需要多重迭代,因此在同一个模型上的形状 优化比单独的静力分析花费时间要长. – 求解下拉菜单下的Worksheet工具条中提供详 细的求解输出,包括执行优化的循环次数. 13 … 观察结果 – 求解完成,可以观察Shape Finder结果 • 如图例所示,橙色代表可去除的材料,褐色的是边缘 • 初始和最终结构的质量的详细比较(包括边缘材料) 14 … 观察结果 • 动画播放在观察那里的材料可以去除和结 果形状如何中十分有用. ANSYS License Availability DesignSpace Entra x De signS pa ce x P ro fe ssi o n a l x S tructura l x 15 M e cha nica l /M ultiphysi cs x B. 作业 8 • 作业 8 – 形状优化器 • 目的: – 利用形状优化工具来预示下图的模型在潜在 的几何改变后导致质量缩减40%的情况. 16

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