Ansys Workbench 基础与静力学分析

参考教程 https://www.bilibili.com/video/BV1u4411B7Fo/

基本使用

在进行有限元分析前必须确定以下事项

分析实例

分析实例 有限元分析所针对的模型 (一般为忽略工艺结构的简化模型), 模型的材料性质, 以及分析的类型 (弹性力学, 热力学, ...)

在此步骤中, 主要通过 Workbench 完成实例导入

问题描述

问题描述 模型的载荷, 约束与接触 (多体) 等边界条件, 以及分析的精度要求

在此步骤中, 根据不同分析类型, 使用的软件不同, 以静态结构为例

• 首先需要网格划分
• 然后在模型上添加载荷与约束

分析目标

分析目标 模型应当符合那些要求, 应当求解的量有那些 (应力, 应变, 位移)

在此步骤中, 根据不同分析类型, 使用的软件不同, 以静态结构为例

• 首先对问题进行求解
• 然后具体分析目标以及调整结果显示效果

有限元分析基本迭代步骤

有限元分析并不是模型建立一步到位即可, 通常需要按照以下步骤不断迭代比较, 才能确定最佳的模型与正确的结果

1. 模型确认
   • 导入要分析的装配体模型
   • 确定模型的材料与接触设置与实际相符合
   • 确定模型的约束与载荷设置与实际相符合
2. 网格精度确认
   • 根据模型最薄位置厚度的 1/2 初步设置网格大小, 以及其他基本设置
   • 查看应力结果, 检查是否存在直角等不合理的应力奇异点, 并修改模型
   • 根据网格无关性判断, 对需要位置加密局部网格, 直到结果满足要求
3. 计算结果确认
   • 初步判断: 变形与应力的最大值是否在合理范围内, 变形趋势与理论判断是否相符合
   • 理论判断: 通过反力等易于理论计算的项目, 将模型结果与理论计算对比, 误差应当小于 10%
   • 实验判断: 通过实验与有限元分析对比, 确定模型的正确性
   • 如果结果存在问题, 应当回到第一步, 重新检查迭代模型

在以上迭代中, 建议使用实例复制功能, 复制多个模型便于相互比较

Workbench 实例管理

Workbench 本质为一个有限元分析问题实例管理器, 具体的问题求解还是需要通过 Ansys 下的具体求解器完成

Workbench 界面介绍

打开 Workbench 软件的界面, 进入软件的主界面, 其中包含

工具箱

工具箱 (Toolbox) 位于界面左侧, 包含针对不同分析类型的模块

• 一个模块代表了一个独立的分析实例

项目原理图

项目原理图 (Project Schematic) 界面主要空白区域, 用于放置模块, 呈现分析实例的基本信息 (问题描述)

• 一个项目中可以管理多个分析实例, 即模块
• 模块中的项目右键菜单选择 属性, 可打开模块项目属性栏

工程数据库

点击原理图中任意模块中工程数据 (Engineering Data) 项, 进入软件的工程数据库

• 通过界面上的选项卡可以切换回主界面或关闭工程数据库
• 在工程数据库中, 可以为当前问题选择材料, 设定物理属性

项目管理

主要介绍项目原理图部分的使用

实例导入

以静态结构问题为例, 通过以下方法导入分析实例

• 对于一般静力学分析问题, 使用静态结构 (Static Structural) 模块
• 右键模块中 几何结构 (Engineering Data) 项, 在右键菜单中选择 导入几何模型->浏览 导入用于分析的几何模型
  • 在浏览模型时, 建议将文件浏览器的文件类型设置为所有几何结构文件
  • 虽然 Ansys 也有几何建模工具, 但一般不用于建模
  • 对于导入好的几何模型, 可使用几何建模工具进行微调, 具体见链接介绍
  • 如果希望更新实例的几何模型, 可以参考几何建模工具中的类似操作
• 点击模块中模型 (Model) 项, 进入软件的分析界面
  • 分析界面为一个独立的窗口
  • 问题描述中的信息即通过分析界面传递给软件

实例管理

• 使用以下常用方式在项目原理图中修改模块基本信息
  • 双击模块下的文字, 可以修改模块名称, 管理多个实例时必须即使为模块命名
  • 点击模块的第一项, 即实例类型, 即可在项目原理图中拖动修改模块位置
• 使用以下常用方式在项目原理图中移动视图
  • 按住 Ctrl 加鼠标中键拖动可平移视图
  • 滚动鼠标滚轮可缩放视图
• 在设置完成单个模块后, 点击模块左上角按钮菜单, 选择 复制 可以快速复制实例, 用于备份与比较
• 通过模块之间的数据流还可以共享分析实例模型, 如几何模型, 工程数据等
  • 按住鼠标左键, 拖动模块的共享项目, 移动到另一模块的相同项目上, 即可建立模型的共享关系
  • 对于复杂实例, 建议使用此方法共享模型, 而不是复制
• 对于一个项目下多个实例 (模型), 如果这些模型的网格划分, 边界条件等问题描述完成后, 在 Workbench 界面上方工具栏选择点击按钮 更新项目

数据交互

• 一般情况使用 文件->保存 即可保存 Workbench 项目
• 如果需要打包移动到其他电脑, 备份或复制项目, 则建议使用 文件->存档 将项目整体打包为 wbpz 文件 (一般包含外部文件, 不包含求解结果)
• 通过 文件->打开 选择 wbpz 文件将解包, 此时可以选择解包为的项目名称, 解包为新的项目

材料数据

主要介绍工程数据库部分的使用
以下操作默认在工程数据库界面中

基本操作

工程数据库界面主要有以下几个部分

• 轮廓, 位于界面中上侧, 包含了当前数据库内定义的各类材料
  • 点击最下方的项目的第 A 列 (有提示 点击此处添加新材料), 即可添加材料
  • 双击项目的第 A 列可以修改材料名称
• 工具箱, 位于界面最左侧, 包含了可以向材料添加的各项属性
  • 使用工具箱前必须保证选中了 轮廓 中的任意项目, 而不是 属性
  • 双击 工具箱 中所需的属性, 即可将其添加到选中材料项目属性中
• 属性, 位于界面中下侧, 包含了 轮廓 中选中材料的具体属性
  • 通过 工具箱 添加属性后, 在 属性 中定义材料属性的具体值
  • 定义时注意表头的 值 与 单位, 双击 值 所在列即可修改属性值

材料修改完成后, 应当在 Mechanical 界面中的轮廓窗口打开项目 材料 的右键菜单选择 刷新材料 使修改生效

关于零件材料的定义参见装配体零件管理

线性弹性材料定义

对于一个简单的线性弹性材, 至少需要定义以下属性

• 线性弹性->各向同性弹性 必要参数, 包含弹性模量, 泊松比
  • 弹性模量对应力结果没有影响, 仅影响变形结果
  • 泊松比对应力与变形都有较小影响, 对于金属材料一般取 0.3
• 物理属性->密度 用于惯性力条件, 如重力条件
• 物理属性->线膨胀系数 用于热边界条件
• 强度->拉伸屈服强度 用于安全系数

工程数据源

对于多个常用的自定义材料数据, 可打包为一个工程数据源文件, 在多个文件中共享

点击选项卡下方栏的 工程数据源 按钮可进入编辑工程数据源模式

• 此时在 轮廓 上方添加 工程数据源 界面
• 该模式中编辑的是工程数据源里的材料, 重新点击按钮即可回到模型的工程数据库

通过以下方法编辑工程数据源

• 在 工程数据源 界面, 点击最下方的项目的第 A 列 (有提示 点击此处添加新库), 即可添加新的数据源, 添加后还要选择数据源文件的保存地址
• 选择 工程数据源 界面中所需库名称后, 轮廓 界面将显示源内的所有材料, 之后的编辑方式同基本操作
• 编辑完成后, 取消勾线 工程数据源 界面的 B 列复选框, 提示保存数据源
• 再重新选择项目, 右键 轮廓 界面的材料项目, 选择 添加至工程数据, 即可将库中的材料添加到工程数据库中

静态结构具体分析

以下主要介绍静态结构分析中所涉及到的 Mechanical 界面

分析界面

轮廓窗口

轮廓窗口 (Outline) 位于界面左上

• 其中的树状菜单即有限元分析时, 所需要各项的子项目 (项目通常即问题描述, 各个根项目集合了同类的描述)
• 通过根项目的右键菜单也可以添加该类的子项目
• 具有闪电标记的项目表示存在等待确定的内容

详细信息窗口

详细信息窗口 (Detail) 位于界面左下

• 其中显示在轮廓窗口选中项目的信息
• 通过点击其中的参数还可以选择并修改或添加
  • 其中黄色的参数为没有值等待确定的参数
  • 一般可通过输入或与模型交互等方式确定参数
  • 在参数确定后, 还要点击参数上的 应用 按钮使参数修改生效
• 输入参数时, 注意单位, Ansys 中使用统一的单位度量, 可通过度量标准修改
• 以静态结构项目下的 力 子项目的三个主要参数为例
  • 几何结构 (Geometry) 参数为力所在面或边, 通过点击模型上的面确定
    • 通过工具栏的 选择过滤器, 可确定选择对象为体, 面, 线等
    • 一般情况下, 按住 Ctrl 可以选择多个几何体
  • 大小 (Magnitude) 参数为力的大小, 通过输入数值确定
    • 允许使用科学计数法, 使用 e 划分指数
  • 方向 (Direction) 参数为力的方向
    • 通过选择模型上的边或面 (法线方向) 确定
    • 通过模型界面左下侧的双箭头或在数值大小添加负号 (一般以指向体外为正) 可修改方向
• 对于相同类型的项目, 可以在轮廓窗口中使用 Ctrl 多选, 在详细信息窗口中统一设置参数

环境选项卡

XX环境选项卡 位于界面上方

• 通常为第二个选项卡, 且随轮廓窗口中的选择的项目而改变
  • 选择网格根项目时, 变为网格环境选项卡
  • 选择任意求解项目下的子项目 (即与分析目标方法有关的子项目), 变为结果环境选项卡
• 除了右键菜单, 环境选项卡也是一个修改与特定根项目相关问题的重要途经

模型界面

模型界面 即界面的主要部分

• 按住鼠标中键拖动可旋转模型
• 滚动鼠标滚轮可缩放模型
• 按住 Ctrl 与鼠标中键拖动可平移模型
• 按住鼠标右键, 框选区域可实现区域放大

工具栏

工具栏 即界面上方, 选项卡下方的一系列小按钮且有对应的快捷键

• 工具栏的第三栏有一系列放大镜图标, 为 缩放工具, 常用的有 (此处直接介绍快捷键)
  • F7 缩放至匹配, 当模型不在视野中时可使用此功能
  • Z 缩放至匹配, 当模型不在视野中时可使用此功能
• 工具栏的第四栏有一系列立方体图标, 为 选择过滤工具, 使用此处工具可在输入参数选择几何体时, 选择体, 面, 线等特定几何体

网格划分

以下操作中, 认为轮廓窗口中的 网格 项目被选中
通过 网格 项目的右键菜单, 选择 生成网格 即可完成网格的划分

单元基础知识

• 单元类型
  • 根据模型特点, 单元主要有三种类型, 实体单元, 壳单元, 梁单元
  • 注意, 与平面问题不同, 三种单元均在三维空间中
  • 壳单元可表示为具有相同厚度的部件, 梁单元可表示为具有相同截面的部件
  • 默认介绍的是实体单元, 关于壳单元与梁单元介绍参见笔记
• 单元阶数
  • 单元阶数指的是描述单元变形型函数的次数, 通常阶数越高精度越高
  • 一般仅有一阶与二阶单元, 二阶单元除了顶点, 在边中点上还有边节点
• 退化单元
  • 一般仅有六面体 (三维), 四边形 (壳) 单元
  • 令六面体的节点重合可以退化得到四面体, 五面体单元 (五面体精度最低不允许出现), 四边形壳单元类似
• Ansys 的默认单元
  • 对于体问题, 默认使用二阶六面实体单元 SOLID186
  • 对于壳问题, 默认使用一阶四边形壳单元 SHELL181
  • 对于梁问题, 默认使用一阶梁单元 BEAM188
  • 通过选择项目 静态结构->求解->求解方案信息, 模型界面将显示文本内容, 使用 Ctrl+F 查找字段 ELEMENT TYPE 可以确定模型所用的单元类型
• 关于单元自由度, 参见同名章节
• 关于 Ansys 中各种单元的特性, 可通过查看帮助文件程序 ANSYS Help XXXX RX 确定 (帮助文件程序需要额外下载安装)

单元自由度

定义自由度为描述一个物理场中一点所需的参数数, 对于以下单一物理场

• 结构场具有平动与转动共六个自由度
• 热力场具有一个温度自由度
• 电场具有一个电势自由度
• 磁场具有一个磁位自由度
• 流场具有一个压力自由度
• 上述单一物理场相互组合, 可得到更多自由度的耦合场

有限元分析中, 单元所能分析的物理场决定了单元的自由度, 通过查看模型单元在帮助文件

• 表 Field Keys 给出了单元所有能分析的单一物理场
• 表 Coupled-Field Analyses 给出了单元所能分析的所有耦合场, 以及此时的自由度与所需材料属性

注意

• 对于梁单元与壳单元, 一般具有完整的六个自由度
• 对于实体单元, 一般仅有三个平动自由度
• 因此两种单元的约束方法不同, 具体见单元约束设置

网格基本设置

选中 网格 项目后, 在详细信息窗口处, 将显示有关网格的基本设置, 以下为常用设置

• 单元尺度 参数为网格的大小设置
  • 通常网格越小分析精度越高
  • 在有限元分析中, 应复制多个实例, 仅改变网格大小, 观察求解结果是否随网格大小剧烈变化, 以确定当前网格大小的结果基本准确 (网格无关性判定)
• 统计->节点, 统计->单元 参数为网格节点与单元数的统计
  • 此参数为只读的, 用于粗略判断与比较网格划分的密度
• 默认值->单元的阶 参数为单元的阶数
  • 线性的 使用一阶单元
  • 二次项 使用二阶单元

当网格基本设置被修改后, 需要重新生成网格使设置生效

网格无关性判断

有限元分析中, 应力结果可能随网格大小而变化, 为此要进行网格无关性判断, 保证当前网格大小的分析结果为合理的
以下为常用的网格无关性判断方法 (以应力为分析对象)

• 合理性判断
  • 检查分析的应力最大处与理论应力最大处 (应力集中点) 是否相同
  • 如果结果不符合理论, 则要考虑应力奇异问题
• 减小网格大小
  • 检查分析结果 (最大值) 是否与网格大小无关 (仅在小范围波动)
  • 如果结果没有收敛到一个波动范围, 则要考虑应力奇异问题
  • 如果网格不同, 结果发生巨大变化, 需要考虑固定, 接触等设置是否存在问题
• 简单定性判断
  • 通常薄壁件的最薄处至少要有两层网格, 可以此为依据快速寻找合理的全局网格大小
  • 经验上认为, 如果红色区域 (应力最大的 10% 区域) 连续覆盖了至少 2 行且 2 列以上的网格, 认为网格大小足够
    • 一般仅加密红色区域的局部网格, 不调整全局网格
    • 在使用此规则时注意, 除了全局的红色区域, 还要关注局部的最大值, 特别是要分析的危险区域, 例如齿轮的齿根位置
    • 可通过分析局部, 查看局部最大值所在面的应力分布中, 红色区域是否满足规则
    • 如果不满足, 同样需要加密局部网格
  • 除了红色区域, 当网格精度足够且模型理想时, 应力等值线应当为平滑的曲线
  • 如果不断减小网格, 而红色区域没有覆盖更多网格, 则要考虑应力奇异问题

应力奇异问题

在材料的尖角, 孔洞, 沟槽, 刚性集中处, 将出现显著的应力增大现象, 称为应力集中现象
有限元分析以弹性力学为基础, 而在弹性力学理论中认为以下位置的应力为无穷大, 称为应力奇异性

• 理想的尖角处
• 刚性约束处
• 非面均布的集中载荷 (线, 点处的集中载荷)

应力集中与应力奇异性在有限元分析中体现为

• 圆弧过渡的区域需要有足够的网格精度才能收敛到合理结果
• 尖角区域的分析结果将随网格细化而不断增大, 且无法收敛

在应力分析中, 使用以下方法应对应力奇异点与应力集中点

• 对于非危险区域的应力奇异点, 如刚性约束处, 可以使用局部分析方法忽略
• 对于危险区域的应力奇异点, 如危险点的应力集中处, 则不应该存在, 需要改善模型, 如添加圆角
• 对于应力集中点, 则可使用局部网格, 减小局部的网格尺寸, 并通过网格无关性判断确定最佳网格大小

与应力不同, 位移分析则不存在上述问题, 且通常与网格大小无关, 即任意大小网格分析的位移结果相近
同样的, 模型的位移结果也应当与实验结果相近, 可通过该方法定性地判断模型的正确性
因此一般通过位移对比同个实例, 不同算法的有限元分析结果, 当位移与理论出现偏差时, 通常表明问题描述一定存在问题

局部网格

局部网格即在全局网格之外, 针对特定局部区域使用不同的网格设置, 通常用于全局使用大网格但, 为应力集中点使用更小的网格, 以保证分析精度的同时减小分析时间

在 网格 项目的右键菜单的插入子菜单中, 可使用 尺寸调整 项目创建局部网格, 主要有参数

• 范围->几何结构 参数为局部网格设置位置
  • 一般直接选择面生成的局部网格
  • 通过选择过滤器选择面的边, 可以使局部网格更均匀
• 定义->单元尺寸 参数为局部网格的大小

使用局部网格时, 最好使用通过以下方式设置 网格 项目使过渡更加均匀

• 改用四面体网格
• 设置参数 尺寸调整->使用自适应尺寸调整 的值为 否 (默认为 是)
• 设置参数 尺寸调整->增长率 的值为 1.1 (可根据局部单元与默认单元尺寸差调整)

同样在问题分析中, 也可以对局部进行分析

网格单元类型

对于三维弹性体的有限元分析, 主要有六面体与四面体单元两种

• 六面体单元的理论分析精度高
• 同等网格大小下六面体单元的单元数与网格数更多
• 六面体单元网格划分难度较大, 特别是存在局部网格与不规则物体的情况

虽然 Ansys 默认根据模型复杂度选择六面体或四面体单元, 但更推荐使用四面体单元, 以下为设置使用四面体单元的方法

• 在 网格 项目的右键菜单的插入子菜单中, 插入 方法 项目
• 在 方法 项目中设置参数
  • 设置 定义->算法 为 四面体 (本质为使用退化单元)
  • 设置 几何结构 为整个模型

问题描述方法

以下操作中, 认为轮廓窗口中的 静态结构 项目被选中

常用问题描述项目

在 静态结构 项目的右键菜单的 插入 子菜单可添加有关问题描述项目 (参数设置方法见详细信息窗口)

• 菜单选项 力 (Force) 添加分布力载荷, 主要有参数
  • 几何结构 (Geometry) 参数为力所在面或边
    • 选择面 / 线时为均布在各个单元上的力, 只是合力大小等于参数 大小 的值
    • 选择点时, 则将加载为集中力, 且各个点的力将均分 大小 参数给出的力
  • 大小 (Magnitude) 参数为力的大小
  • 方向 (Direction) 参数为力的方向
    • 通过选择面可选择面的法线方向, 即垂直于面的方向
  • 注意, 对于绝大多数情况下均布载荷是不合理的, 具体见模型简化
• 菜单选项 标准地球重力 添加重力加速度效果, 主要有参数
  • 方向 注意一般重力加速度方向应是模型的竖直向下, 不一定是 -Z
  • 由于重力可能使运算速度减慢, 可以考虑忽略, 具体见简化模型
• 菜单选项 固定支撑 (Fixed Support) 添加固定约束
  • 设置约束时应当保证约束与模型相符, 例如转动副, 平动副的约束参见约束设置

刚体位移

当刚体在受力方向上没有任何约束时, 即使刚体处于受力平衡状态, 由于精度等问题, 实际可能存在一个极小的合力 (通常小于 $10^{-10}N$), 而这个合力将导致刚体位移, 这是在静态结构分析中不允许出现的

在实际分析中, 不允许上述问题的出现, 即有载荷就最好要有对应的约束 (至少添加一个固定约束以限制所有自由度)
如果一定要分析此类问题, 可以通过以下方法添加 弱弹簧 解决

• 选择轮廓窗口的 静态结构->分析设置 项目
• 设置详细信息窗口的参数 求解器控制->弱弹簧 为 开启
• 如果要查看弱弹簧抵消的微小合力可在 求解 项目的右键菜单插入 探针->力反应
• 对插入项目参数 定义->边界条件 设置为 弱弹簧
• 检索结果后, 即可在此项目的详细信息窗口中查看弱弹簧抵消的微小合力

注意, 对于非平衡问题, 不可以使用静态结构分析, 即使添加了弱弹簧也无法求解

对于装配体中, 由于无摩擦接触导致的刚体位移, 建议参考接触设置进行解决, 而不是弱弹簧

静水压强载荷

静水压强载荷可用于分析盛放液体容器的受力情况

在 静态结构 项目的右键菜单的 插入 子菜单项目 静液力压力 即静水压强载荷项目, 该项目主要有以下参数需要设置

• 液体密度参数 定义->流体密度, 在 MPa 制下单位为 $kg/mm^3$, 与标准单位有关系 $1 kg/m^3=1\times 10^{-9} kg/mm^3$
• 重力加速度大小参数 静液力加速度->大小, 在 MPa 制下单位为 $mm/s^2$, 与标准单位有关系 $1 m/s^2=1\times 10^{3} kg/mm^3$
• 重力加速度方向参数 静液力加速度->方向, 一般即容器底面的法线负方向
• 自由液面位置 自由表面位置->位置, 即液体与大气接触的表面, 一般选择容器开口除的平面作为参数值

添加局部均布载荷

在常用问题描述项目, 如果希望对一整个面的部分区域添加载荷, 即选中这个局部区域
但 Ansys 无法直接选中, 需要在模型中 分割 出这些局部区域, 例如

• Inventor 中, 使用 修改->分割 功能, 基于草图曲线将平面分割为两个部分
• Solidworks 中, 使用 插入->曲线->分割线 功能, 基于草图曲线将平面分割为两个部分
• DesignMolder 中, 参考分割曲面的介绍

圣维南原理

圣维南原理认为, 只要分析位置距离载荷足够远, 且载荷的合力与合力矩不变, 则载荷的分布几乎不会影响分析位置的应力, 注意

• 根据圣维南原理, 可通过比较约束与接触反力是否相近, 可以确定两个模型的边界条件是否相近 (相近时, 可能只是载荷分布不同), 该条件是模型等效的基础条件
• 圣维南原理只能保证应力结果相近, 但是不能保证位移结果, 因此需要分析位移时不能使用
• 圣维南原理的足够远过于模糊, 因此需要实际对比验证, 不能直接使用

简化模型

在工程实际中, 如果不确定是否有必要简化模型, 则不要简化模型
特别越是薄弱与需要分析的位置, 越不能简化

对于一般情况下, 理想的均布载荷是不存在的, 分析放置矩形重物的桌面变形

• 习惯上将重物与桌面的接触效果等效为一个均布载荷
• 实际分析时, 应当设置为重物与桌面间在重力作用下存在的接触
• 实际情况下, 往往由于变形实际桌面仅在重物的四个角点受力, 即两个模型边界条件相同但载荷分布不同, 因此最终分析结果也不同
• 以上例子也表明, 不能轻易地将复杂载荷等效为均布载荷

在圣维南原理中, 保证合力与合力矩相同时载荷可以任意简化, 但显然模型与实际的载荷分布越接近, 则简化模型在包括应力, 变形在内各项的分析误差也将减小, 因此可通过以下方式对模型进行简化 (以复杂装配体中的一个零件为例)

• 依据最接近真实的条件建立模型, 如实反应各个零件间的接触
• 通过接触分析, 确定被分析零件的各个接触面上的实际力分布
• 通过点, 线, 面的分布力载荷, 模拟实际力分布
• 比较约束与接触反力, 确定等效载荷满足圣维南原理要求
• 比较两模型位移, 误差小于 10% 则表明两模型可以认为是等效的

对于其他载荷, 如固定与接触, 是否考虑重力等项目, 通过简化可以极大减少运算事件, 也可使用类似的思路决定是否简化

• 建立一个准确模型与一个简化模型分别分析 (除简化条件外, 其他条件相同)
• 检查两模型位移误差是否小于 5%

单元约束设置

对于具有完整六自由度的梁单元与壳单元, Ansys 中共有以下几种常用的约束设置

• 固定约束, 通过项目 固定支撑 (Fix Supported) 实现
  • 相当于固连 (插入) 约束, 将限制被约束部分的所有自由度
• 铰链约束, 通过项目 简单支撑 (Simple Supported) 实现
  • 即直接约束三个平动自由度
• 转动约束, 通过项目 固定主几何体 (Fixed Rotation) 实现
  • 约束三个旋转自由度, 可以指定特定方向无约束
• 平动约束, 通过项目 位移 (Displacement) 实现
  • 约束三个平动自由度, 可以指定特定方向无约束或强制位移
  • 相当于向心轴承座, 平面滑动副, 滑动铰链等约束
  • 具体使用参见

对于仅有三个平动自由度的实体单元, Ansys 中共有以下几种常用的约束设置

• 固定约束, 通过项目 固定支撑 (Fix Supported) 实现
  • 相当于固连 (插入) 约束, 将限制被约束部分的所有自由度
• 转动约束 与 平动约束
  • 推荐通过项目 位移 (Displacement) 实现, 使用方法参见
  • 对于理想约束, 也可以通过项目 远程位移 (Remote Displacement) 实现, 区别以及具体使用参见

三维问题转换为平面问题

• 在常见材料力学计算中, 机构被限制在二维的平面空间中, 本质上即 ROTX, ROTY, DZ 三个自由度被约束 (以 XY 平面为例, 其他类似)
• 因此需要对整个模型添加 Z 方向的平动约束与 X, Y 方向的转动约束

使用约束时注意

• 对于绝大多数情况下约束应施加在机架上, 直接施加在物体上的约束是不合理的, 实际应为分析物体与机架的有摩擦接触
• 由于接触将导致运算时间增加, 因此在允许的范围内允许简化接触为约束, 具体合理性的判定方法参见简化模型

位移约束项目

位移 (Displacement) 项目除了实现对于模型特定位置的平动约束, 还可以实现强制位移以及转动约束

与 固定主几何体 项目不同, 该项目可以用于实体问题与强制位移问题

• 用于平动约束时, 指定参数 定义->X, Y, Z 分量
  • 取值为 自由, 表示不约束
  • 取值为 0, 表示约束此方向的运动
  • 取值为特定数值, 表示强制位移
• 当被约束方向与全局坐标系不重合时
  • 需要创建坐标系, 使其坐标轴与约束方向重合
  • 在 坐标系 项目的右键菜单 插入->坐标系, 创建坐标系项目
  • 在新建的坐标系项目, 设置参数 原点->几何结构, 选择曲面即可自动创建
  • 在所需的 位移 项目中, 设置参数 定义->坐标系 为之前创建的坐标系
• 用于转动约束时
  • 使用转动约束前必须设置坐标系, 方法与上同, 但需要设置新建坐标系项目的参数 定义->类型 为 圆柱形, 此时坐标系的 Y 轴将变为旋转坐标系
  • 之后的设置于一般的平动约束相同, 只是 Y 轴为转轴

远端位移约束

对于仅有三个平动自由度的实体单元, 通常的转动约束没有意义, 需要使用远端位移约束 (Remote Displacement) 代替

远端位移约束的实质为使用一个具有六个自由度的自由点与整个部件刚性连接, 通过限制自由点的自由度实现对部件的约束

远端位移约束的项目名为 远程位移, 通过参数可设置六个方向自由度为无约束 (参数值 自由), 一般约束 (参数值 0) 或强制位移

使用远端位移约束时注意

• 参数 范围->坐标系 (默认为全局坐标系) 与 范围->...坐标 (默认将自动选择选择), 该参数决定了三个旋转轴与平动方向
• 参数 几何结构 本质为用于查找约束坐标系的中心, 并不是特指哪个部分被约束, 因此该约束更类似于对整个刚体自由度的约束
• 与平动约束不同, 远端位移约束表示强制位移时, 体现为整个刚体的位移, 而不是特定点的位移
• 注意不能在一个坐标系中限制所有自由度
• 远端位移约束通常用于简化表示分析模型中的旋转副, 平动副等无法简化为固定约束的部分
  • 表示固定铰链时, 选择与铰链转轴重合的坐标系, 限制除转轴外的其他自由度
  • 表示移动铰链时, 选择与铰链转轴重合的坐标系, 限制除转轴与平动方向外的其他自由度

由于远端位移约束可能导致求解警告, 因此除了以下情况外, 建议使用位移约束项目

• 施加在整个物体上的约束
• 无法确定施加位置的约束
• 理想约束

分析目标方法

以下操作中, 认为轮廓窗口中的 静态结构->求解 项目被选中

在查看分析结果前, 注意网格划分与问题描述应当添加完成, 并且求解完成

问题求解

在进行结果分析前, 应当保证求解已经完成
可通过以下步骤进行问题的求解

• 轮廓窗口中打开 求解 项目的右键菜单, 选择 求解, 完成有限元分析
• 注意, 仅求解不会显示任何内容, 还需要在求解完成后, 在该项目添加子项目以明确显示的内容, 即分析目标
• 对于多个模型平行求解可参见实例管理

对于节点数 4800000 个的单摩擦接触模型, 通常需要 15GB 的临时硬盘空间, 求解总耗时 1.5 小时

• 在求解前, 需要保证硬盘空间足够, 否则无法求解
• 在求解时, 如果耗时远超预计值, 需要检查求解方案信息
• 对于其他模型, 可依据矩阵空间复杂度 n^2, 求逆计算复杂度 n^2.5 估计, 如果存在接触, 重力等需要适当增加时间

常用结果分析项目

在 求解 右键菜单的 插入 子菜单可添加有关结果分析项目

• 总变形: 变形->总计 (Deformation->Total) 子项目
  • 特别在装配体中, 注意 位移 特指的是零件相对原始位置的位移, 是多个零件变形效果的叠加, 不是单个零件的变形
• 特定方向变形: 变形->定向 子项目
  • 需要参数 定义->方向 指定位移投影方向
  • 通常理论计算结果 (如绕度) 与实验得到的位移具有方向性, 需要使用此项目反应
• 应力
  • 对于第四强度理论 (畸变能密度理论) 使用 应力->等效 (von-mises) 子项目 (适用于绝大部分情况)
  • 对于第三强度理论 (最大切应力理论) 使用 应力->最大剪切 子项目 (适用于材料受剪切为主的情况)
• 应变: 类似应力, 但一般不使用
• 定向正应力: 应力->法向 子项目
  • 需要参数 定义->方向 指定正应力方向
  • 通常实验得到的应变 (应变片) 具有方向性, 需要使用此项目反应
• 安全系数
  • 首先添加项目 应力工具->最大等效应力 (实际上该类型下的其他项目对应了其他强度理论, 此处即第四强度理论应力)
  • 对创建的 应力工具 项目右键菜单添加 安全系数 (默认已经创建了一个)

结果分析中注意

• 在插入子项目后, 还需要在项目的右键菜单选择 检索此结果 完成分析
• 分析完成后, 通过选中子项目, 即可在模型中显示分析结果

查看反力

除了一般物体上受到的应力, 物体之间接触或受约束产生的反力也是重要的分析项目
在 求解 右键菜单的 插入 子菜单添加项目 探针->力反应 查看不同类型的反力
参数项 结果 下的参数反映了反力的具体情况

• 约束反力
  • 设置参数 定义->定位方法 为 边界条件
  • 设置参数 定义->边界条件 为待查看的约束类型, 如 固定支撑
• 接触反力
  • 查看接触反力前需要设置项目 静态结构->分析设置 的参数 输出控制->节点力 为 是, 并清除生成数据再重新求解
  • 设置参数 定义->定位方法 为 接触区域
  • 设置参数 定义->接触区域 为待查看的接触项目名
  • 对于接触反力, 还可通过接触分析, 查看接触面上接触力的具体分布

分析局部

在很多时候可能只希望分析几何体上特定几个面的的应力与应变, 或除了整体分析外, 还希望能有局部分析
此时可通过创建新的分析项目, 但需要额外确定其中的 范围->几何结构 项目, 选择待分析的部分作为参数 (可通过选择过滤器以仅选择面)

• 如果希望仅分析特定面上的一个二维区域, 可参见分割曲面, 选择被分割的曲面
• 如果希望仅分几何体中的一个三维区域, 可参见部件创建, 将零件作为部件划分为多个几何体, 选择希望分析的几何体

颜色条设置

在模型中现实结果时, 都见以颜色的方式现实模型各点的值
值在什么范围取多大则通过左侧的颜色条进行设置

颜色条上除了标注 最大 (Max) 与 最小 (Min) 处的数值, 均可通过直接输入的方式修改
例如希望将红色区域用于表示超出材料强度的区分 (默认以最大应力处为红色区域)
可以点击颜色条标注 最大 (Max) 下方的数值 (不是颜色条最上方), 修改为许用强度, 此时超出许用强度的区域将显示为红色

如果希望增减颜色条的划分细度, 可以点击任意层的矩形颜色区域, 点击 + 或 - 按钮, 增加或缩短此段的颜色层次

变形比例

在显示分析结果时, 默认会对模型的变形进行夸张, 不利于报告展示
通过进入结果环境选项卡, 显示 部分的右上侧下拉栏可以调整变形比例, 选择 1.0 (真实尺度) 即可实际反应变形

单元分析结果标注

通过以下方式, 可在结果分析中, 具体确定指定单元的分析结果, 并现实在图上
通过进入结果环境选项卡, 显示 部分的右侧按钮可进行有关设置

对于特定单元

• 最大 按钮启用后, 将在模型中标注分析结果取极大值的单元位置
• 最小 按钮启用后, 将在模型中标注分析结果取极小值的单元位置

任意单元

• 点击 探针 按钮, 再在模型上点击指定单元, 即可在模型中标注出该单元的分析结果
• 添加标注后, 在界面下方的图像注解界面中可删除不需要的标注

分析结果模型显示设置

通过进入结果环境选项卡, 显示 部分的中间按钮可进行有关设置

• 轮廓图 按钮可以设置分析结果显示方式, 默认即颜色带, 可修改为渐变颜色, 等值线等
• 边 按钮可以设置模型显示方式, 如隐藏网格, 显示未变形几何体等

实验与有限元分析对比

通常在有限元分析后, 还需要使用实验验证有限元分析的准确性
在对比时, 应当保证有限元分析的结果与实验测量对象相同

• 在实验测量时, 使用的通常为特定方向位移, 以及特定方向应力 (应变片), 这两项指标需要通过 定向位移 与 法向应力 反应, 具体见常用结果分析项目
• 在所有应变分析项目中, 都具有参数 积分点位置->显示选项, 该项目的含义为, 一个节点被多个单元共用, 而该节点在各个单元中求解出的应力值可能不同, 此时如何为此节点的应力取值
  • 参数值 平均 表明以不同值的平均作为节点应力, 该参数能使分析结果更加均匀连续 (默认选项)
  • 参数值 未平均 表明以各单元靠近节点的部分分别取值, 该参数得到的结果更加准确, 但可能偏于保守且结果不连续
  • 通常没有应力奇异点时, 二者结果近似, 且一般认为 未平均 的结果为准确值
• 在实验与模型对比中, 还要注意, 载荷是在传感器安装前还是安装后加载的
  例如重力载荷在传感器安装前就已经存在, 因此传感器无法测出重力的变形效果, 实验结果与未加重力的情况更接近

剖切视图

通过剖切视图, 可通过剖视的方法观察零件内部的分析结果

通过进入结果环境选项卡, 点击 插入 部分右下角的 截面 按钮后, 在 模型界面 拖动绘制直线即可创建截面

对于创建的多个截面, 可在详细信息窗口位置下方的 截面 选项卡管理

装配体分析

对于装配体的分析中, 往往需要考虑个零件间的接触才能得到正确的结果, 不能将接触简化为简单的约束

在装配体分析中, 必须要有接触对才可以进行求解, 否则将出错

装配体零件管理

Ansys 允许在实例导入中直接导入装配体
通过 几何结构 下的子项目可以管理装配体中的各个零件

• 导入装配体后需要设置参数 材料->任务 为零件使用的材料
• 右键菜单选择 抑制几何体 可以不分析几何体

爆炸视图

对于装配体分析中, 默认整体处于装配状态, 如果要观察单个零件, 可通过爆炸视图完成

选择 显示 选项卡 (不是 环境显示), 点击选项卡右侧区域的 分解 按钮, 拖动按钮菜单下的拖动条调整分离程度

在结果分析中, 无法使用爆炸图, 如果希望分析单个零件, 应使用分析局部与选择过滤器选择单个零件 (几何体)

接触创建

一般情况下 Ansys 可以自动识别并创建装配体的接触
打开轮廓窗口的 连接 项目的右键菜单, 选择 创建自动连接 即可自动创建接触, 注意

• 注意检查是否有缺漏或多余的接触, 具体见范围与目标两个参数
• 自动创建的接触设置可能不符合实际接触要求, 需要额外检查并修改

通过以下方式手动创建接触

• 右键 连接 项目菜单, 选择 插入->连接组, 创建连接组项目 (对于复杂装配体, 通过连接组可为连接分类)
• 右键 连接->接触 x 项目 (即创建的连接组) 菜单, 选择 插入->手动接触区域, 创建接触
• 点击 接触 x 下创建的接触项目菜单, 在详细信息窗口设置接触面, 具体见接触设置

在创建接触时注意, 并不是装配体中部件相接触就一定要设置接触, 例如齿轮啮合中, 虽然有两个齿面接触, 但由于齿轮向一个方向转动, 因此总有一个接触面上的齿面要分离而不可能存在接触力

接触设置

对于创建的接触项目 (一般位于接触组 连接 -> 接触 x 下), 主要的参数有

• 定义->类型, 该参数决定了接触的类型, 常用有
  • 绑定 表明两个面相互固连没有相互移动, 如焊接面 (默认, 但一般是错误的)
  • 无摩擦 表明两个面可相对滑动 (切向) 或分离 (法向), 可能导致刚体位移问题, 不推荐使用
    • 由于舍入误差, 无摩擦的接触面上可能出现极小的切向力导致刚体位移, 因此要避免使用
  • 无分离 表明两个面可相对滑动 (切向) 但不允许分离 (法向), 如保证紧贴的滑动副
  • 摩擦 表明两个面可相对滑动 (切向) 或分离 (法向), 通常用于表示最一般的接触面
    • 需要指定参数 定义->摩擦系数, 无法确定时, 经验上一般取 0.2
    • 为了避免刚体位移, 即使摩擦极小或与求解无关, 最好也使用此接触类型
• 范围->接触, 范围->目标, 该参数决定了相互接触的两个面
  • 建议在爆炸视图下设置此参数
  • 理论上允许选择多个物体的多个面, 但不建议
  • 通过右侧的接触与目标几何体视图, 可以具体查看接触面情况

接触分析

在项目 静态结构->求解 的右键菜单选择 插入->接触工具->接触工具 可添加 接触工具 项目用于分析接触

• 点击创建的 接触工具 项目, 可在模型界面中设置此项目分析的接触
• 在 接触工具 项目右键菜单选择 插入->压力 可以分析接触反力在接触面上的具体分布

间隙问题

在装配体的接触中, 可能存在以下两种接触问题

• 平面接触问题
  • 由于装配建模等问题, 模型的两个零件之间可能并没有实际接触, 而是存在一个间隙
  • 对于此类问题, 通常 Ansys 将无法自动捕捉到此接触面
• 曲面接触问题
  • 除与平面接触类似的情况外, 即使两个曲面在模型上相互接触, 在划分网格时由于曲线无法完全拟合, 依然会出现间隙

当间隙超过 Ansys 的阈值时 (一般为 0.001mm), 接触将被认为无效的, 且求解将会失败
求解失败后, 查看项目 求解方案信息, 搜索 gap, 将出现一条关于求解器识别到初始间隙大小的信息

Ansys 中主要有以下方法解决间隙问题

• 对于平面接触
  • 修改对应接触项目的参数值 几何修改->偏移 为求解方案识别到的间隙, 允许略大于识别结果
  • 修改对应接触项目的参数值 几何修改->界面处理 为 调整接触 (即自动识别间隙), 对于平面接触问题推荐使用此方法
• 对于曲面接触
  • 通过提升接触位置局部的网格密度 (即使离散化模型与实际更接近), 同样可以使间隙小于阈值, 对于曲面接触问题推荐使用此方法, 具体网格大小可见曲面接触
  • 即使提升网格密度, 可能由于各种原因仍存在不可见的间隙, 因此还需要修改对应接触项目的参数值 几何修改->偏移 为一个略大于求解方案识别到的间隙的值, 一般为增大一个数量级并取整 (不可使自动识别间隙的设置)
  • 曲面接触如果求解正常, 则项目 求解方案信息 中, 不应该出现 gap 信息以及相关警告

曲面接触

在曲面接触中, 除了间隙问题还应当注意
曲面接触通常体现为赫兹接触, 此时应体现为应力最大值出现在接触面向内一段距离, 称为次表层应力

因此为了得到准确的曲面接触分析结果

• 接触位置的单元尺寸应小于 0.01mm (为了避免运算量过大, 应在接触位置使用局部网格
• 最终分析结果需要体现出次表层应力现象, 即应力最大值在接触面上方, 且最大值区域完整覆盖两层单元 (通过查看表面的局部应力)
• 检查接触面压力, 压力分布呈椭圆形到矩形的过渡

其他设置与问题

度量标准设置

Ansys 中使用统一的单位度量, 可通过如下方式进行修改
点击界面下方栏的 度量标准, 选择所需的度量标准, 一般为 (mm, kg, N, s, ...), 此时应力单位为常用的 MPa

求解崩溃

参考 https://www.bilibili.com/read/cv33351074/

在问题求解时出现消息框 AnsysWBU.exe encountered a problem 后, 软件崩溃时, 通过如下方法解决

• 打开 Mechanical 选项窗口 (右上角 √ 按钮)
• 找到选项 分析设置和求解->材料数据管理->擦除求解器文件目录
• 输入消息框中显示的文件所在目录的路径 (一般为 C:\Users\XXX\AppData\Local\Temp)

更新模型

当模型在外部更新后, 需要在 Ansys Mechanical 中使用以下步骤同步更新

• 打开轮廓窗口的项目 几何结构导入->几何结构导入 的右键菜单
• 选择菜单中的 重新加载, 等待重新加载完成 (可能需要较长时间)
• 关于重新生成网格等参考重新打开模型

常见求解错误及解决

• 接触遗漏
  • 只有装配体中各个零件均建立接触关系后, 才能求解
  • 关于接触建立参见接触创建
• 模型受力不平衡 (各个零件的六个自由度应全部被约束)
  • 静态结构只能分析处于受力平衡状态 (或具有完全约束) 的结构
  • 关于仅通过外力实现平衡的情况, 可参见刚体位移
  • 最好在结构的至少一处添加固定约束 (限制所有六个自由度)
  • 最好使用摩擦 (限制所有六个自由度) 接触代替无摩擦 (仅限制三个自由度)
• 超出了内部解大小限制
  • 如果提示材料强度不足, 可参考装配体零件管理, 确定零件使用的材料是否正确 (即使只有单个零件)
  • 如果提示自由度没有约束, 可检查接触与约束问题是否存在问题
• 未知问题
  • 对于提示未知的错误或求解耗时长, 可查看 求解方案信息 项目, 详见求解方案信息解读

在以上修复操作后, 建议复制存档旧的 求解方案信息 后, 打开项目 模型 的右键菜单, 选择 清除生成的数据, 重新求解

求解方案信息解读

在模型求解过程中, 求解方案信息 也将实时更新, 通过查看其中内容, 可以获取求解过程的详细信息, 特别是出现未知错误与计算进度长时间停滞时, 应当检查求解方案信息, 以下为常见检查

• 力计算
  • 在完成模型准备, 力计算步骤开始时, 将提示 ALL CURRENT MAPDL DATA WRITTEN TO FILE NAME= file.rdb
  • 首先迭代分析矩阵, 此时将按行显示如下所示的迭代信息
    Iteration= 30 Ratio= 0.219499 Limit= 1.000000E-08 Wall= 46.9
  • 力矩算出错时, 通常 Ratio 没有随迭代而减小时, 表明模型矩阵存在问题, 应停止计算并查看模型准备阶段的错误, 通常与超出了内部解大小限制问题有关
• 接触问题
  • 当力计算通过, 但出现与接触 (Contact) 有关的错误时, 需要停止计算, 通常问题与间隙问题有关

对称问题简化

如果模型的几何结构以及边界条件都有同一个对称面, 则分析结果也必然相对此面对称, 此时称为对称问题
对称面本质为一种特殊约束, 保证物体不会有沿对称面法向的位移, 也可通过此条件判定对称面是否成立

对于很多模型, 特别是简单零件分析模型都是对称问题, 例如 L 型支架, 带孔矩形板等简单零件的中心面通常就是对称面
利用对称关系对问题进行简化, 可极大减少运算时间

• 二分之一对称与四分之一对称参见建立对称关系
  • 除了直接建立对称关系, 还可以通过对对称结构的对称截面上施加沿对称面法向的位移约束实现相同效果
  • 注意, 对称问题中, 力载荷的值为均布力的合力, 因此当载荷所在面被截为一半时, 力大小也要减半
• 旋转对称问题 (常见于旋转机械, 压力容器等) 可以视为平面问题的一种, 参见平面问题

平面问题

在以下几种特殊情况中, 可以使用平面单元代替三维单元进行分析, 也称为平面问题, 以此可极大降低计算复杂度

• 旋转对称问题, 也称为轴对称问题, 分析平面为最小的轴对称截面
• 平面应力与应变问题, 分析平面为任意沿厚度方向的法平面
  • 两种问题必须首先满足以下条件
    • 模型沿厚度方向法平面的任意截面均相同
    • 模型厚度方向没有载荷, 垂直厚度方向载荷在厚度方向上均布
  • 当厚度极薄时为平面应力问题, 如带孔矩形板
  • 当厚度极厚时为平面应变问题, 如大坝, 长轴等

通过以下方法创建平面问题模型, 具体分析步骤同一般模型

• 在项目原理图中, 在模块的 几何结构 项目属性 (打开方式见前链接), 设置 高级几何结构选项->分析类型 为 2D
• 导入几何模型, 并通过 DesignModeler 打开
  • 对于轴对称问题, 首先需要通过建立对称关系中类似的方法切割得到模型的四分之一部分
  • 在菜单栏创建特征 创建->薄/表面, 主要设置以下参数
    • 几何结构 设置为模型各个部件的垂直于厚度方向截面或轴对称截面
    • 厚度 设置为 0
  • Ansys 要求平面问题中, 被分析平面必须位于应位于全局坐标系 XY 平面中
    • 可选中 XY平面 项目观察, 通过平移与旋转模型将模型移动到全局坐标系的 XY 平面中
    • 对于轴对称问题, 定义全局坐标 Y 轴为对称轴, 因此还要保证分析平面在 XY 平面的第一象限中
• 打开 Mechanical 界面, 选择项目 几何结构, 在详细信息窗口修改参数 定义->2D行为
  • 对于轴对称问题设置为 轴对称
  • 对于平面应力与平面应变问题分别设置为 平面应力 与 平面应变
  • 对于平面应力还需要选择 几何结构 下的 几何体子项目, 设置参数 定义->厚度 为部件的实际厚度
• 在设置力载荷时注意, 项目参数为均布载荷合力, 且平面问题中选择的几何要素虽然为边
  • 对于平面应力与轴对称, 处理时将扩展为完整体的面, 并均布到面上
  • 对于平面应变问题, 处理时将体现为各个截面的边具有相同的, 被设置的均布力

对于轴对称问题, 可通过以下方法扩展为完整体

• 在 Workbench 的菜单栏选择 工具->选项, 在选项截面中选择 外观, 勾选参数 试用版选项
• 在 Mechanical 界面选择 模型 项目进入环境模型选项卡, 在 准备 区域点击 对称 按钮
• 选择新出现的 对称 项目, 修改参数 类型 为 2D轴对称, 修改 重复数量 与 Δθ 参数可调整显示方式

对于平面应力问题, 可通过以下方法扩展为完整体
在 Mechanical 界面进入 显示 选项卡, 在其中的 类型 区域点击 厚壳和梁 按钮

壳单元与梁单元

使用壳单元时, 应保证分析的壳体模型各部分具有相同的厚度, 并使用以下步骤提取中间面

• 在 DesignModeler 中打开模型
• 在菜单栏添加项目 工具->中间表面, 并设置参数 "面"对, 每次选择壳体上相对的两个面, 可以同时选择多对面
• 检查项目 X 个部件, X 个几何体 下的 表面几何体 子项目的参数 厚度, 通常该参数将通过原模型自动识别
• 剩余操作方法与实体类似, 可通过选择面, 通过面的法向量获得垂直于壳体方向

使用梁单元时, 应保证分析的梁体模型各部分具有相同的截面, 并使用以下步骤处理模型

• 在 DesignModeler 中打开模型
• 在菜单栏添加项目 概念->边线, 并设置参数 边, 选择模型梁方向的边, 可以同时选择多条边
• 在菜单栏添加项目 概念->横截面->xxx, 选择新建的面, 将自动进入草图截面, 修改截面尺寸
• 设置项目 X 个部件, X 个几何体 下的 线体 子项目的参数 横截面 为之前创建的横截面 (注意参数含义, 如圆截面参数为半径 R)
• 抑制原始几何体, 在菜单栏选择 查看->横截面固体, 比较原始几何体与线体是否重合 (可能需要适当放大), 若不重合
  • 位置不重合
  • 形状不重合 检查截面尺寸是否正确
• 剩余操作方法与实体类似, 可通过选择面, 通过面的法向量获得垂直于壳体方向

对于壳单元与梁单元问题, 可通过以下方法扩展为完整体
在 Mechanical 界面进入 显示 选项卡, 在其中的 类型 区域点击 厚壳和梁 按钮

实际上, 壳单元与梁单元本质上为实体单元的简化, 条件允许时, 一般实体单元的计算结果才是最准确的

其他工具简介

对于大部分 Ansys 工具, 均使用轮廓与详细信息界面的逻辑, 即在轮廓窗口中选择项目, 在详细信息窗口中修改项目参数

几何模型 DesignModeler

使用 DesignModeler 对于多种几何模型均能编辑, 具有较好的兼容能力因此可用于对导入的模型进行微调

一般在模块的 几何实例 右键菜单, 选择 在 DesignModeler 中编辑几何结构 即可在 DesignModeler 中打开几何模型

打开 DesignModeler 软件后, 一般几何模型不会显示, 需要

• 右键 导入x 菜单, 选择 生成 才能完全导入模型
• 在上方菜单栏选择 单位->毫米, 将单位设置为常用的毫米制 (默认为米制)

草图使用

创建草图

• 使用特征过滤器 (位置类似 Mechanical) 选择草图所在面
• 点击轮廓窗口下方的 草图绘制 选显卡, 将自动创建草图
• 点击轮廓窗口下方的 建模 选显卡, 即可回到建模界面

尺寸修改

• 轮廓窗口位置的按钮 维度 实际为尺寸约束
• 必须选择正确的尺寸类型后, 才能为对应位置添加尺寸
• 对于添加的尺寸, 需要在详细信息窗口位置的项目 维度->[尺寸名] 修改尺寸

插入特征

通过上方菜单栏 创建 即可插入特征

• 该方法将在轮廓窗口创建一个相关项目
• 详细信息窗口中具体编辑特征
• 编辑完成后, 在项目的右键菜单选择 生成 使特征生效

对于常用特征的插入方法如下

• 圆角特征 对应 创建->固定半径混合
• 平移与旋转模型, 对应 创建->几何体转换 下的各个项目

重新打开模型

在 DesignModeler 中完成编辑后重新打开模型时

• 在轮廓窗口选择项目 几何结构->[模型子项目]
• 在详细信息窗口编辑参数 材料->任务, 确定实例所用的材料
• 在模型界面中选择缩放至匹配, 或使用快捷键 F7, 此时模型可能显示异常, 但是不影响使用 (重新启动即可修复, 但约束与载荷的提示也将消失)
• 重新生成网格 (检查网格参数是否正确) 并设置约束与载荷的位置参数 (其余参数不变)
• 重新求解问题, 完成更新, 如果求解崩溃可参考求解崩溃

注意, 大部分情况下重新打开模型时, 与模型无关的参数将被保留, 但接触设置与零件材料设置将丢失, 需要重新设置, 最好也要检查其他设置是否被修改

分割曲面

• 在上方菜单栏选择 工具->解冻 添加解冻项目, 并设置参数 几何体 为被分割面所在的几何体
• 通过草图, 在待分割面上创建划分曲线 (注意曲线应闭合或与边界有重合约束)
• 在上方菜单栏选择 创建->挤出, 创建挤压项目, 并对项目的参数进行以下设置
  • 参数 几何结构 设置为划分曲线所在草图
  • 参数 操作 设置为 印压面
  • 参数 扩展类型 设置为 至下一个
• 在项目的右键菜单选择 生成 使特征生效
• 右键曲线草图项目, 选择 隐藏草图, 查看曲面分割效果
• 在上方菜单栏选择 工具->冻结 添加冻结项目

分割几何体

• 通过草图, 在任意分割方向的法面上创建划分曲线 (注意曲线应闭和, 可绘制为切割面所在线沿长并在足够远的位置闭合)
• 在上方菜单栏选择 创建->挤出, 创建挤压项目, 并对项目的参数进行以下设置
  • 参数 几何结构 设置为划分曲线所在草图
  • 参数 操作 设置为 切割材料
  • 参数 扩展类型 设置为 从头到尾
• 在项目的右键菜单选择 生成 使特征生效
• 此时项目 X 个部件, X 个几何体 下的部件数将增多, 打开此项目中不需要的 固体 项目 (选择项目时对应部分将高亮) 右键菜单, 选择 抑制几何体

建立对称关系

• 使用分割几何体沿对称面切割, 保留最小部分 (如果提供的模型已经为最小对称部分, 可忽略此步骤)
• 在工具栏选择 创建->新平面, 对创建项目设置以下参数
  • 参数 类型 设置为 从面 (在软件中, 几何体的面为 Face, 几何平面为 Plane)
  • 参数 基面 设置为对称面, 通常即被切割面
• 在工具栏选择 工具->对称, 对创建项目设置以下参数
  • 参数 对称平面 设置为创建的对称面 (一般需要从轮廓窗口中选择项目)
  • 参数 模型类型 设置为 部分模型
• 对于 1/4 对称操作相同, 只是需要选择两个对称面
• 在 Mechanical 中更新模型, 观察轮廓窗口中是否出现 对称 项目, 且其下的 对称区域 子项目为对称面, 选择后高亮的区域为实际对称

创建部件及其应用

在 Ansys 中, 部件是一种由多个零件 (几何体) 组成的整体, 但不同于装配体, 认为组成部件的各个零件一定是绑定接触

创建部件

• 展开 X 部件, X 几何体 项目下的 固体 子项目
• 使用 Ctrl 选中多个 固体 子项目
• 在其中一个项目的右键菜单选择 形成新部件

部件应用

• 最基本情况下, 可通过部件功能, 在 DesignModeler 中合并两个几何体
• 对于一般的绑定接触, 建议使用部件代替
• 分析局部时, 可使用部件中的一块零件表示需要局部分析的三维部分