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有限元网格概述 ANSYS的网格划分有两种: 自由网格划分(Free meshing)和映射网格划 分(Mapped meshing) 。 自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域,它所生成的网 格相互之间是呈不规则排列的。对于复杂形状的边界常常选择自由网格 划分。自由网格对于单元形状没有限制,也没有特别的应用模式。缺点 是分析精度往往不够高。 与自由网格划分相比较,映射网格划分对于单元形状有限制,并要 符合一定的网格模式。映射面网格只包含四边形或三角形单元,映射体 网格只包含六面体单元。映射网格的特点是具有规则的形状,单元明显 地成行排列。 一般来说映射网格往往比自由网格划分得到的结果要更加精 确,而且在求解时对CPL和内存的需求也相对要低些。如果 用户希望用映射网格划分模型,创建模型的几何结构必须由 一系列规则的体或面组成,这样才能应用于映射网格划分。 因此,如果确定选择映射网格,需要从建立几何模型开始就 对模型进行比较详尽的规划,以使生成的模型满足生成映射 网格的规则要求。 加载与求解 ANSYS中载荷(Loads)包括边界条件和模型内部或外部的作用 力。在不同的学科中,载荷的定义如下。 结构分析:位移、力、压力、弯矩、温度和重力。 热分析:温度、热流率、对流、内部热生成、无限远面。 磁场分析:磁势、磁流通、磁电流段、源电密度、无限远 面。 电场分析:电势、电流、电荷、电荷密度、无限远面。 流场分析:速度、压力。 在ANSYS中,载荷主要分为六大类: DOF约束(DOF constraint):用户指定某个自由度为已知值。在结构分 析中约束是位移和对称边界条件:在热力学分析中约束是温度和热流量 等。 力(集中载荷)(Fome):施加于模型节点的集中载荷。如结构分析中的 力和力矩,热分析中的热流率。 表面载荷(SurfaceLoad):作用在某个表面上的分布载荷。如结构分析 中的压力,热分析中的对流和热流量。 体载荷(Body loads):作用在体积或场域内。如结构分析中的温度和 重力,热分析中的热生成率。 惯性载荷(Inertia loads):结构质量或惯性引起的载荷。如重力加速 度、角速度和角加速度,主要在结构分析中使用。 耦合场载荷(Coupled-field loads):它是一种特殊的情况,从一种分 析中得到的结果用作另一种分析的载荷;如热分析中得到的节点温度可 作为结构分析中的体载荷施加到每一个节点。 ANSYS空间轴对称问题分析 ANSYS对轴对称结构建模的一些特殊要求 对称轴必须与总体笛卡尔坐标的Y轴重合。 不允许出现负的X方向节点坐标出现。 总体笛卡尔坐标Y方向代表轴向,总体笛卡尔坐标X方向代表径 向,总体笛卡尔坐标Z方向代表周向。 模型应当用适当的单元类型组合在一起: 对轴对称模型,可用二维实体且KEYOPT(3)=1,和 (或)轴对称壳体。而且,可用不同的连接,接触,组合及表面 单元并可将轴对称实体和壳单元容在一个模型里。(除非是轴对 称实体或壳单元否则程序不会识别其它的单元)如果ANSYS单 元手册没有对一个特殊单元类型讨论其在轴对称结构中的应用, 那么对轴对称分析不要使用此种单元类型。 对轴对称谐波模型,只能使用轴对称谐波单元。 SHELL51和SHELL61单元不应位于总体Y轴上。 对包含二维实体单元的模型剪切影响是重要的,在厚度方 向上至少要使用二个单元。 如果结构沿对称轴包含有孔,不要忘记在Y轴和二维轴对称 模型间留适当的距离(见图X方向的偏移表示一个轴对称孔 。)对轴对称载荷的讨论参见ANSYS基本分析程序指南的载 荷。 X方向的偏移表示一个轴对称孔 注意:对轴对称模型: 输入整个 360上的力的值。 输出值 (反力) 也是基于整个 360上的值。 例如,假定一个半径为 r 的圆柱形壳体,边缘施加 Plb/in 的 荷载,把这个荷载施加在二维轴对称壳模型上(例如 SHELL51 单元),要施加 2prP 的力。 r P lb/in2prP lb 轴对称荷载轴对称荷载 关于模型的细节部分 一些小的细节对分析来说不重要,不必在模型中体现,因为 它只会使你的模型过于复杂。可是对有些结构,小的细节如 倒角或孔可能是最大应力位置之所在,可能非常重要,取决 于用户的分析目的。必须对结构的预期行为有足够的理解以 对模型应包含多少细节作出适当的决定。 有些情况下,仅有一点微不足道的细节破坏了结构的对称。 那么,可以忽略这些细节(或相反的将它们视为对称的), 以利于用更小的对称模型,必须权衡模型简化带来的好处与 精度降低的代价来确定是否对一个非(拟)对称结构故意忽 略其非对称细节。 ANSYS轴对称问题注意问题 1、单元:Plane2、Plane42、Plane82、Plane182、 Plane183、Shell51(模拟轴对称壳) 2、平面单元需要单元设置:KEYOPT(3)为 Axisymmetric 3、Y轴必须是旋转对称轴(X轴是径向、Z轴是周向) r P2prP 4)轴对称问题集中力和 集中力矩的输入和输出总 是360度的合力和合力矩 。 11 Shell51轴对称壳单元 两个节点,每个节点有4个自由度。(UX、UY、UZ、ROTZ) 对称轴必须为Y轴,X轴为径向,且为非负 需要定义厚度,可为线性,厚度大时,应选择 PLANE42单元 12 如图所示是一飞轮的截面图。飞轮的材料为弹性模量 210GPa,泊松比为0.27,密度为7800kg/m3。飞轮的角 速度为62.8rad/s,飞轮边缘受压力作用,压力p为1MPa, 飞轮轴孔固定,试进行静力分析。 13 1、分析类型静力分析 2、问题描述轴对称问题 3、ANSYS单位 mm N MPa g ms 4、单元 PLANE82:8节点四边形(每个节点个自由度) 5、材料 弹性模量、泊松比、密度 14 1、飞轮实体建模(略) 15 2、飞轮有限元模型的建立 1)材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.10e5, PRXY:0.27 OK ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material ModelsDensity input DENS:0.0078 OK 16 2、飞轮有限元模型的建立 2)单元选择 ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 8node 82 OK (back to Element Types window) Options selelt K3: Axisymmetric Close (the Element Type window) 17 2、飞轮有限元模型的建立 3)划分网格 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool (Size Controls) Global: Set input SIZE:1 OK Mesh Tool Mesh : select Areas Shape:QuadFree Mesh Pick All Close( the Mesh Tool window) 18 3、施加约束和载荷 1)施加约束和压力 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 拾取左边边 OK select Lab2:ALL DOF OK ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 选择图 示的三条边 如 下页图输页图输 入OK 19 20 3、施加约束和载荷 2)施加角速度 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Inertia Angular veloc Globel弹弹出施加角速度的对话对话 框,如下图输图输 入(注意单单位) 21 4、求解 ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK 5、后处理 1)改变观察输出结果坐标系 ANSYS Main Menu: General Postproc Options for Output 出现结果坐标系 设置对话框,设置为柱坐标系,如图。 22 5、后处理 2)径向位移云图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, X-Component of displacement OK 3)周向位移云图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, Z-Component of displacement OK 3)轴向位移云图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, Y-Component of displacement OK23 5、后处理 5)径向应力云图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, X-Component of Stress OK 6)周向应力云图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, Z-Component of Stress OK 7)轴向应力云图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, Y-Component of Stress OK24 5、后处理 8)等效应力云图 MainMenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu。弹出 的对话框中的左下拉框内选择Stress,右下拉框内选择von Mises,按OK。 9)三维扩展结果 Utility MenuPlotCtrlsStyleSymmetry Expansion2D Axis- Symmertric弹出轴对称扩展设置对话框,选择Full expansion单击OK 25 26
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