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ANSYS 忠言


ANSYS 集锦 ANSYS 忠言 ansys 建模的忠告 学习 ansys 这么久了,对于 ansys 的建模还是有点自己的一知半解,希望能够对初学者有所 帮助: 1 一定要在建模前先画出个草图,做初步的构思,例如荷载的作用点在那里、边界条件的设 置原则与方法。 2 我习惯自底向下的建模思路,因此不可避免的会用到布尔运算,实际上到现在,我只用过 glue,这个命令非常有用,用来

粘结镜像,复制,复制等操作所造成的一个位置有两个面的 情况非常有效(这次我就用这个命令把 copy 命令生成的紧邻的两个体间的两个面给粘结在 一起了,要是不用这个命令,那相邻的体之间就没有任何连接,虽然,性模型看是连着的, 等到加载后就会看见分离的结果) 。 3 还要熟练运用 number ctrl 这个命令,用它来控制所有图元的数量,能够起到非常有效的效 果,如上例,相邻面处所有图元都是重复存在的,如果不对这些图元进行合并(merge) ,那 就会使得你的模型中出现很多多余的图元,非常影响你的后期分析,严重的,直接影响到你 的计算无法正常进行下去。 4 单元的划分一定要注意有预划分和真划分两个过程, 当你给所选的线或面或体选择了划分 单元数后,窗口会出现一个划分后的效果图,注意,这个预划分阶段,还要再打开 mesh tool 工具栏,选择后面的条件,直到选择了 mesh 按键后,才真正出现划分单元的模型。实际上 你的网格划分成功与否,直接选择 list 命令中的 node 命令就可以查看了,有了 node 列表就 证明划分成功,反之则没有。 5 要熟练的运用 select 命令栏,只有熟练运用它了,你的建模才能如鱼得水,否则真的是很 难下手。 6 越复杂的模型, 在划分完了后越一定要执行检查这个过程, 不要怕麻烦, 包括 shape, model 等的检查, 在结算前尽可能的减少出现错误的机会, 尽量不要该变这些检查命令中的各项原 始设置,出现问题,先修改自己的模型,实在不行,才能修改检查命令中的各项原始设置。

ANSYS 集锦 一般说来,ANSYS 的流固耦合主要有 4 种方式: 1,sequential 这需要用户进行 APDL 编程进行流固耦合 2,FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单,推荐你使用这种方式 3,multi-field solver 这是 FSI solver 的扩展,你可以使用它实现流体,结构,热,电磁等的耦合 4,直接采用特殊的单元进行直接耦合,耦合计算直接发生在单元刚度矩 流固耦合的边界应用带有 SFIN 标记的 SF,SFA,SFE,SFL 等命令来标记耦合界面,具体 方法见 ansys help 很详细的 使用 Ansys 软件建模的经验与技巧! 使用 Ansys 软件建模的经验与技巧 1.始终注意保持使用一致的单位制; 2 求解前运行 allsel 命令 求解前运行 allsel 命令。要不然,某些已经划分网格的实体而没有被选择,那么加在实体模 型上加的荷载可能会没有传到 nodes or elements 上去; 3 网格划分问题 牢记《建模与分网指南》上有关建模的忠告。网格划分影响模型是否可用,网格划分影响计 算结果的可接受程度; 自适应网格划分(ADAPT)前必须查自适应网格划分可用单元,在 ansys 中能够自适应网格划 分的单元是有限的。 网格划分完成后,必须检查网格质量!权衡计算时间和计算精度的可接受程度,必要时应该 refine 网格 4 实体建模布尔运算 应用实体建模以及布尔运算(加、减、贴、交)的优势解决建立复杂模型时的困难;但是, 没有把握时布尔运算将难以保证成功! 5 计算结果的可信度 一般来说, 复杂有限元计算必须通过多人, 多次, 多种通用有限元软件计算核对, 互相检验, 相互一致时才有比较可靠的计算结果。 协同工作时必须对自己输入数据高度负责, 并且小组 成员之间保持良好的沟通;有限元分析不是搞什么“英雄主义” ,而需要多方面的质量保证 措施。 6 了解最终所需要的成果 建立模型之前,应该充分了解最终要求提交什么样式的成果,这样能形成良好的网格,早期 良好的建模规划对于后期成果整理有很大的帮助; 7 撰写分析文档 文档与分析过程力求保持同步,有利于小组成员之间的沟通和模型的检验和查证; 8 熟悉命令 对没有把握的命令应该先用简单模型熟悉之,千万不能抱有“撞大运”的想法; 9 多种单元共节点 不同单元使用共同节点时注意不同单元节点自由度匹配问题导致计算结果的正确与否(《建 模与分网指南》P 8 ) 三维梁单元和壳单元的节点自由度数一致,但是应该注意到三维梁单元的转动自由度和 壳 单元的转动自由度的含义不一样。壳的 ROTZ 不是真实的自由度,它与平面内旋转刚度相联

ANSYS 集锦 系,在局部坐标中壳的单元刚度矩阵 ROTZ 对应的项为零,对此不能将梁与壳单元仅仅有 一个节点相连,例外的是当 shell43 or shell63(两者都有 keyopt(3)=2)的 Allman 旋转刚度被激 活时。 Solid65 单元和 shell63 单元相连, 相应平动自由度的节点力会传到实体块单元上, 但是 shell63 单元的转动自由度的节点唯一则不会传到相连的 solid65 单元上。 10 查找文献资料确定混凝土的材料参数输入( Tb, concr, , , ) 11 预测内存和磁盘空间 大型复杂模型(例如 10 万个节点,非线性问题,多工况问题,1000 步以上的瞬态分析等等) 求解之前预测求解所需要的求解时间、内存和磁盘空间,使分析尽在掌握之中; 12 收敛问题 影响收敛(不收敛,或者收敛缓慢)的原因很多, 《非线性分析指南》一书上有很多关于 避免发生收敛问题的建议; 对于以下参数,可以试一试这些参数对收敛速度以及结果精度的影响 neqit = 6~25? 加载荷载步大小 = ? 接触单元的实常数 = ? 例如接触刚度的大小取值必须权衡计算结果精度(穿透大小) 和收敛问题( 收敛时间 )两者的可接受程度,需要经验值或者试算; 13 启动重分析 14 两个相贯的薄壁圆筒建模,壳单元没有公共节点 Element Connectivity Error, 8-Node Curved Shell Elements In this image, the red stiffener was intended to be welded to the purple pipe. Note that the elements of the red stiffener do not match up with those on the pipe. There is no connection, and the meshing was done independently. This is due to a geometric modeling error by the user (me). There are superimposed curved lines where the interface is located. There should have been a shared line for the connection to have worked. I found this only because of careful examination of the model -- I had already run a stress analysis. What to do about these error concerns? Read and think. Share and listen to ideas and concerns with others. Review your own work, and the work of your co-workers. (Recently an experienced co-worker who does not even do FEA work asked me if I had eliminated the added mass of water in pipes when evaluating shipping loads on a product. I hadn't. Eliminating the added mass got rid of a high-stress problem. These errors are very easy to make.) Be friendly. Communicate with other departments. Have a check list and design reviews. Never use FEA blindly, or believe the results of an analysis without some critical review. Accept a critical review without taking it personally. Develop a good understanding of the intent of the design codes that regulate your work. Consult an expert when it is appropriate. Pay attention to the ethics and standards of your professional association. Choose your employer wisely. (Some of these things you were supposed to have learned in Kindergarten, but life isn't always that simple.) 解决方法: 通过 volumn 建模形成相贯线, 该方法建模使面相交处共线, xmesh 后有公共 nodes 15 选择集的应用 为了利用选择集 cm / xsel 的强大功能,可以合理定义线,面的实常数 real 属性,为了选择 操作方便而赋予更多的单元实常数号,材料号 18 UPGEOM 和 MPCHG 的应用

ANSYS 集锦 ! UPGEOM 更新几何形状 !a.rst 为计算结果文件名,最后一个为目录 !这两个参数应根据你的计算情况定 UPGEOM,1,LAST,LAST,NEW,rst,F:\729\ ! MPCHG 弹性模量恢复为真值 esel,s,mat,,3 mpchg,4,all ? You might be tempted to try to deactivate or reactivate elements by changing their material properties [ MPCHG ] ( Main Menu>Preprocessor>Material Props>Change Mat Num ). However, you must proceed cautiously if you attempt such a procedure. The safeguards and restrictions that affect "killed" elements will not apply to elements that have their material properties changed in SOLUTION. (Element forces will not be automatically zeroed out;nor will strains, mass, specific heat, etc.) Many problems could result from careless use of MPCHG . For instance, if you reduce an element's stiffness to almost zero, but retain its mass, it could result in a singularity if subjected to acceleration or inertial effects. One application of MPCHG would be in modeling construction sequences in which the strain history of a "born" element is maintained. Using MPCHG in such cases will enable you to capture the initial strain experienced by elements as they are fitted into the displaced nodal configuration 19 Ansys 中的坐标系统,使用各种坐标系时应该明白在各处理器中输入输出会受到那些坐 标系的影响 整体和局部坐标系 CSYS---用于定位几何形状参数的空间位置 显示坐标系 DSYS---用于几何形状参数的列表和显示 节点坐标系---定义节点自由度方向和节点结果数据的方法。 输入数据时受到节点坐标系影响 的有:约束自由度(方程) ,力,主(从)自由度;在/POST26 中在节点坐标系下输出文件和 显示的数据结果有:自由度解,节点荷载,反作用荷载; Forces are defined in the nodal coordinate system. The positive directions of structural forces and moments are along and about the positive nodal axis directions. The node and the degree of freedom label corresponding to the force must be selected [ NSEL , DOFSEL ]. 单元坐标系---每个单元都有自己的坐标系, 单元坐标系用于确定材料特性主轴, 加面压力和 和单元结果数据(如应力和应变)的输出方向;ANSYS 规定了单元坐标系的缺省方向;许 多单元都有 keyopts 可用于修改单元坐标系的缺省方向; 对于面和体单元而言, 可以用 ESYS 命令将单元坐标系的方向调整到已定义的局部坐标系; 结果坐标系 RSYS---用来列表、显示或者在/POST1 中将节点和单元结果转换到特定的坐标 系中。在/POST1 中结果数据换算到结果坐标系(RSYS)下记录。定义路径时,可以用系列命 令*GET, ACTSYS, ACTIVE,CSYS $ RSYS, ACTSYS 使结果坐标系与激活的坐标系(用于定 义路径)相匹配 求解坐标系---大多数模型叠加技术(PSD,CQC,SRSS)是在求解坐标系中进行的,使用 RSYS,SOLU 命令来避免在结果坐标系中发生变换,使结果数据保持在求解坐标系中。 20 Ansys 5.7 通过函数定义边界条件 利用函数可以很简单方便地定义复杂边界条件和载荷 (将边界条件当作函数处理 (即方程)。 ) 该特性是 5.6 中介绍的表格化边界条件的扩展功能。 用户可以创建大量函数并存储起来, 以 便于将来使用。

ANSYS 集锦 5.6 的表格化边界条件(Tabular boundary conditions) Tabular boundary conditions ( VALUE = % tabname %) are available only for structural (UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ) and temperature degree of freedom (TEMP) labels and are valid only in static ( ANTYPE ,STATIC) and full transient ( ANTYPE ,TRANS) analyses. 滞回曲线——位移加载 *DIM,dis,TABLE,9,1,,TIME, , DIS(1,0) = 0,1,2,3,4,5,6,7,8 DIS(1,1) = 0,3,0,-3,0,4,0,-4,0 D,22, , %DIS% , , , ,UZ, , , , , ansys 5.6 help files------- 2.6.3. Applying Loads Using TABLE Type Array Parameters 优点: ?? 将复杂载荷和边界条件定义成基本变量和因变量的连续或非连续方程。 ?? 提供创建和运用函数的极易操作的 GUI 界面。 应用 : ?? 该特性适用于所有 ANSYS 家族产品。 ?? 该特性适用于 ANSYS 程序的所有过程,支持 TIME, TEMP, X, Y, Z, VELOCITY 和 PRESSURE 等基本变量。 21 automatic time stepping For nonlinear problems, automatic time stepping determines the amount of load increment between substeps

ANSYS 集锦 ANSYS 查询函数(Inquiry Function) 在 ANSYS 操作过程或条件语句中,常常需要知道有关模型的许多参数值,如选择集中的单 元数、节点数,最大节点号等。此时,一般可通过*GET 命令来获得这些参数。现在,对于 此类问题,我们有了一个更为方便的选择,那就是查询函数 — Inquiry Function。 Inquiry Function 类似于 ANSYS 的 *GET 命令, 它访问 ANSYS 数据库并返回要查询的数值, 方便后续使用。ANSYS 每执行一次查询函数,便查询一次数据库,并用查询值替代该查询 函数。 假如你想获得当前所选择的单元数,并把它作为*DO 循环的上界。传统的方法是使用*GET 命令来获得所选择的单元数并把它赋给一个变量,则此变量可以作为*DO 循环的上界来确 定循环的次数 *get, ELMAX,elem,,count *do, I, 1, ELMAX … … *enddo 现在你可以使用查询函数来完成这件事,把查询函数直接放在*DO 循环内,它就可以提供 所选择的单元数 *do, I, ELMIQR(0,13) … … *enddo 这里的 ELMIQR 并不是一个数组,而是一个查询函数,它返回的是现在所选择的单元数。 括弧内的数是用来确定查询函数的返回值的。第一个数是用来标识你所想查询的特定实体 (如单元、节点、线、面号等等) ,括弧内的第二个数是用来确定查询函数返回值的类型的 (如选择状态、实体数量等) 。 同本例一样,通常查询函数有两个变量,但也有一些查询函数只有一个变量,而有的却有三 个变量。 查询函数的种类和数量很多,下面是一些常用、方便而快速快捷的查询函数 1 AREA—arinqr(areaid,key) areaid—查询的面,对于 key=12,13,14 可取为 0; key—标识关于 areaidr 的返回信息 =1, 选择状态 =12,定义的数目 =13,选择的数目 =14,定义的最大数 =-1,材料号 =-2,单元类型 =-3,实常数 =-4,节点数 =-6,单元数 … arinqr(areaid,key)的返回值 对于 key=1 =0, areaid 未定义

ANSYS 集锦 =-1,areaid 未被选择 =1, areaid 被选择 … 2 KEYPOINTS—kpinqr(kpid,key) kpid—查询的关键点,对于 key=12,13,14 为 0 key —标识关于 kpid 的返回信息 =1,选择状态 =12,定义的数目 =13,选择的数目 =14,定义的最大数目 =-1,数料号 =-2,单元类型 =-3,实常数 =-4,节点数,如果已分网 =-7,单元数,如果已分网 kpinqr(kpid,key)的返回值 对于 key=1 =-1,未选择 =0,未定义 =1, 选择 3 LINE—lsinqr(lsid,key) lsid—查询的线段,对于 key=12,13,14 为 0 key—标识关于 lsid 的返回信息 =1, 选择状态 =2, 长度 =12,定义的数目 =13,选择的数目 =14,定义的最大数 =-1,材料号 =-2,单元类型 =-3,实常数 =-4,节点数 =-6,单元数 … 4 NODE—ndinqr(node,key) node—节点号,对于 key=12,13,14 为 0 key—标识关于 node 的返回信息 =1, 选择状态 =12,定义的数目 =13,选择的数目 =14,定义的最大数 =-2,超单元标记 =-3,主自由度

ANSYS 集锦 =-4,激活的自由度 =-5,附着的实体模型 ndinqr(node,key)的返回值 对于 key=1 =-1,未选择 =0,未定义 =1, 选择 5 VOLUMES—vlinqr(vnmi,key) vnmi—查询的体,对于 key=12,13,14 为 0 key—标识关于 vnmi 的返回信息 =1,选择状态 =12,定义的数目 =13,选择的数目 =14,定义的最大数目 =-1,数料号 =-2,单元类型 =-3,实常数 =-4,节点数 =-6,单元数 =-8,单元形状 =-9,中节点单元 =-10,单元坐标系 vlinqr(vnmi,key)的返回值 对于 key=1 =-1,未选择 =0,未定义 =1, 选择

ANSYS 集锦 ANSYS 9.0 经典产品高级分析技术与实例详解 ANSYS 建模与网格划分指南(连载.14 章) 建模与网格划分指南第一章 第一章 模型生成概述 1.1 什么是模型生成? 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征, 换句话说分析必须是针 对一个物理原型准确的数学模型。广义上讲,模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常 数、边界条件,以及其它用来表现这个物理系统的特征。 在 ANSYS 术语中, 模型生成一般狭义地指用节点和单元表示空间体域及实际系统连接的生 成过程。因此,在这里讨论的模型生成指模型的节点和单元的几何造型。ANSYS 程序为用 户提供了下列生成模型的方法: ·在 ANSYS 中创建实体模型 ·利用直接生成方法 ·输入在计算机辅助设计(CAD)系统创建的模型。 1.2 ANSYS 中建模的典型步骤 通常的建模过程应该遵循以下要点: · 开始确定分析方案。在开始进入 ANSYS 之前,首先确定分析目标,决定模型采取什么 样的基本形式,选择合适的单元类型,并考虑如何能建立适当的网格密度。 · 进入前处理(PREP7)开始建立模型。多数情况下,将利用实体建模创建模型。 · 建立工作平面。 · 利用几何元素和布尔运算操作生成基本的几何形状。 · 激活适当的坐标系。 · 用自底向上方法生成其它实体,即先定义关键点,然后再生成线、面和体。 · 用布尔运算或编号控制将各个独立的实体模型域适当的连接在一起。 · 生成单元属性表(单元类型、实常数、材料属性和单元坐标系) 。

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· 设置单元属性指针。 ·设置网格划分控制以建立想要的网格密度, 这个步骤并不总是必要的, 因为进入了 ANSYS 程序有缺省单元尺寸设置存在(参见§7)(若需要程序自动细化网格,此时应退出前处理 。 (PREP7) ,激活自适应网格划分。 ) · 通过对实体模型划分网格来生成节点和单元。 · 在生成节点和单元之后,再定义面对面的接触单元,自由度耦合及约束方程等。 · 把模型数据存为 Jobname.DB · 退出前处理。 1.2.1 实体建模和直接生成的比较。 可以用两种方法来生成模型:实体建模和直接生成。对于实体建模,需要描述模型的几何边 界,建立对单元大小及形状的控制,然后令 ANSYS 程序自动生成所有的节点和单元。与之 对比,用直接生成方法,在定义 ANSYS 实体模型之前,必须确定每个节点的位置,及每个 单元的大小、形状和连接。 尽管有些数据自动生成是可能的, 直接生成方法基本上是依次传递的, 这种方法要求在建立 有限元网格时记录所有的节点号。 这种详细的记录对于大模型来说是乏味的, 并很可能出错。 实体建模一般比直接生成方法更加有效和通用,是一般建模的首选方法。 尽管实体建模有诸多优点, 有时会碰到直接生成更方便的情形。 用户可以在直接生成与实体 建模间方便地来回转换,对模型的不同部分采取适当的不同建模技术。 有关实体建模与直接生成的讨论可分别参考§5 和§9。为便于用户在给定条件下判别使用 哪种方法更合适,现将这两种方法的相对优缺点总结如下。 1.2.1.1 实体建模 实体建模的优点: ·对于庞大或复杂的模型,特别是对三维实体模型更合适。 ·相对而言需处理的数据少一些。 ·容许对节点和单元不能进行的几何操作(如拖拉和旋转) 。 ·支持使用面和体体素(如多边形面和圆柱体)及布尔运算(相交、相减等)以顺序建立模 型。

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·便于使用 ANSYS 程序的优化设计功能。 ·是自适应网格划分所需的。 ·为便于施加载荷之后进行局部网格细化所要求的。 (实体模型加载也需要如此) 。 ·便于几何上的改进。 ·便于改变单元类型,不受分析模型的限制。 实体建模的缺点: ·有时需要大量的 CPU 处理时间 ·对小型、简单的模型有时很繁琐,比直接生成需要更多的数据。 ·在某些条件下可能会失败(程序不能生成有限元网格) 1.2.1.2 直接生成 直接生成的优点 ·对小型或简单模型的生成较方便。 ·使用户对几何形状及每个节点和单元的编号有完全的控制。 直接生成的缺点 ·除最简单的模型外往往比较耗时,大量需要处理的数据可能令人难以忍受。 ·不能用于自适应网格划分。 ·使优化设计变得不方便。 ·改进网格划分十分困难(诸如面网格细化,SmartSizing 等工具均不能使用) 。 ·可能是十分乏味的,需要用户留意网格划分的每一个细节;更容易出错。 1.3 从 CAD 系统中输入实体模型。 代替在 ANSYS 中建模,可在用户擅长的 CAD 系统中建模,存成 IGES 文件格式或其他 ANSYS 接口产品之一的文件格式,并把它输入 ANSYS 中进行分析。

ANSYS 集锦 利用 CAD 软件包建模有如下优点: ·避免了重复对现有 CAD 模型的劳动而生成待分析的实体模型。 ·工程师可利用熟悉的工具去建模。 但是,从 CAD 系统中输入的模型如果不适于网格划分则需要大量的修补工作。 关于从 IGES 文件输入实体模型的更多信息,参见§6。对于从其他类型文件输入实体模型, 参见《ANSYS Connection Users Guide》 。

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第二章 规划分析方案 2.1 规划的重要性 当开始建模时,用户将(有意地或无意地)作许多决定以确定如何来对物理系统进行数值模 拟; 分析的目标是什么?模型是全部或仅是物理系统的部分?模型将包含多少细节?选用什 么样的单元?有限元网格用多大的密度?总之,你将对要回答的问题的计算费用(CPU 时 间等) 及结果的精度进行平衡考虑。 你在规划阶段作出的这些决定将大体上控制你分析的成 功与否。 2.2 确定分析目标 确定分析目标的工作与 ANSYS 程序的功能无关, 完全取决于用户的知识、 经验及职业技能, 只有用户才能确定自己的分析目标,开始时建立的目标将影响用户生成模型时的其它选择。 2.3 选择模型类型(二维、三维等) 有限元模型可分为二维和三维两种。 可以由点单元、 线单元、 面单元或实体单元组成, 当然, 也可以将不同类型的单元混合使用(注意要保证自由度的相容性) 。例如,带筋的薄壳结构 可用三维壳单元离散蒙皮, 用三维梁单元来离散蒙皮下的筋。 对模型的尺寸和单元类型的选 择也就决定生成模型的方法。 线模型代表二维和三维梁或管结构, 及三维轴对称壳结构的二维模型。 实体建模通常不便于 生成线模型,而通常由直接生成方法创建。 二维实体模型在薄平板结构(平面应力) ,等截面的“无限长”结构(平面应变)或轴对称 实体结构。尽管许多二维分析模型用直接生成方法并不困难,但通常用实体建模更容易。 三维壳模型用于描述三维空间中的薄壁结构, 尽管某些三维壳模型用直接生成方法创建并不 困难,但用实体建模方法通常会更容易。 三维实体分析模型用于描述三维空间中截面积不等, 也不是轴对称的厚结构。 用直接生成的 方法建立三维实体模型较复杂,实体建模会使其变得容易些。 2.4 线性和高次单元的选择 ANSYS 程序的单元库包括两种基本类型的面和体单元:线性单元(有或无特殊形状的)和 二次单元。这些基本单元类型如图 2-1 所示,下面来探讨这两种基本类型单元的选择。

图 2-1 面和体类型。

ANSYS 集锦 (a)线性等参元 (b)特殊形状的线性等参元 (c)二次单元 2.4.1 线性单元(无中间节点) 对结构分析, 带有附加形函数的角点单元会在合理的计算时间内得到准确的结果。 当使用这 些单元时, 要注意防止在关键区域的退化形式。 即避免在结果梯度很大或其它关注的区域使 用二维三角形单元和楔形或四面体形的三维线单元。 还应避免使用过于扭曲的线性单元, 对 于非线性结构分析,如果使用线性单元细致地而不是用二次单元相对粗糙的进行网格划分, 那么将以很少的花费获得很好的精度。

图 2─2 网格的比较 (a)线性单元和(b)二次单元的例子如图 2-2。 当对弯曲壳体建模时,必须选用弯曲的(二次的)或平面(线性)的壳单元,每种选择都有 其优缺点,对于多数的实际情况,主要问题利用平面单元以很少的计算时间,即可获得很高 精度的结果。但是,必须保证使用足够多的平面单元来创建曲面。明显地,单元越小,准确 性越好。推荐三维平面壳单元延伸不要超过 15 度的弧,圆锥壳(轴对称线)单元应限制在 10 度的弧以内(或离 Y 轴 5 度) 。 对多数非结构分析(热、电磁等) ,线性单元几乎与高次单元有同样好的结果,而且求解费 用较低。退化单元(三角形和四面体)通常在非结构分析中产生准确结果。 2.4.2 二次单元(带中间节点) 对于用退化的单元形式进行的结构分析(即二维三角形单元和楔形或三维四面体单元) ,二 次单元通常会以比线性单元的求解费用更低且产生良好的结果。 可是, 为正确地使用这些单 元,需要注意它们的特殊的性质: · 对于分布载荷和面压力不象线性单元按一般意义上分配到单元节点上(见图 2-3) ,单 元的中间节点对反力也表现出相同的非直观的解释。 · 三维带中间节点的热流单元在承受对流载荷时按固定模式分配热流,在中间节点沿一个 方向流动而在角点又沿另外方向的流动。 · 对于结构单元,中点节点的温度如果在两相邻角点温度范围之外则要重新定义为这两角 点的平均温度。

ANSYS 集锦 · 由于中间节点的质量也大于角节点的质点,所以通常将中间节点选为主自由度(对于减 缩自由度分析) 。

图 2─3 节点分配的平衡 (a)二维单元 (b)三维单元 (c)三维三角形单元 · 由于质量分配不均匀, 在动力分析中感兴趣的波传波技术不推荐使用带中间节点的单元。 · 不要在有中间节点(CONTAC12, COMBIN40, CONTAC48, CONTAC49, and CONTAC52) 的边定义节点为基础的接触单元,也不要将间隙单元与带中间节点的边连接。类似地,对热 问题, 不要应用辐射连接或非线性对流表面到带有中间节点的边。 节点为基础的接触要同有 中间节点的表面接触,中间节点应该去掉。对面对面接触单元不用担心(TARGE169, TARGE170, CONTA171, CONTA172, CONTA173, and CONTA174) 。划分实体模型时提供了 一些方法忽略一些中间节点。 · 当约束一个单元(或表面)的边缘自由度,包括中间节点在内的边缘上所有的节点都要 约束。

图 2—4 在间隙或接触表面处避免中间节点 · 单元的角点只能与单元的角点相连,而不能与相邻单元的中间节点相连。相邻的单元应 该有相连(或共同的)中间节点

图 2─5 避免单元间中间节点与角点相连 · 对于有中间节点的单元,通常希望每一个这样的中间节点在相应角点之间连线的中点位 置,可是,有时却希望出现在其它地方: ─节点沿着弯曲的几何边界通常可产生更准确的分析结果─所有的 ANSYS 网格划分器缺省 地将它们放在那里。 ─有的内边界也不得不弯曲以防止单元倒置或过于扭曲,ANSYS 网格划分器有时也产生这 种弯曲。

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─用带有故意将中间节点偏离中心四分之一点可以模拟裂纹尖端的奇异性, 利用 ANSYS 的 KSCON 命 令 可 以 产 生 这 种 特 殊 的 面 网 格 。 Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size ( Cntrls>-Concentrat KPs-Create) · 中间节点位置可由下面描述的单元形状测试进行检查(对于控制单元形状的检查信息可 参见本手册的§7 章) 。 ──除三节点三角形和四节点四面体外的所有实体和壳单元都要进行实三维空间与单元本 身的自然坐标空间一致性映射的测试。 雅可比比值过大表明单元过于扭曲, 可能是由中间节 点的位置设置不当引起的。关于雅可比比值测试的细节,参见《ANSYS, Inc. Theory Reference》中的单元形状测试部分。 · 如果不给中间节点指定位置,程序会自动按线性笛卡尔坐标插值将中间节点放在两角点 的中间,按此法放置的节点的节点坐标系旋转角度也是按线性插值得到。 · 在相连单元的公共边应有相同的节点数,当混合单元类型时有必要从一个单元去除中间 节点。例如,图 2-6 中的 8 节点单元与一个 4 节点单元相连时应把 8 节点单元的 N 节点去 掉(或在生成这个单元时给它一个 0 节点号) 。

图 2─6 避免单元相交时中点节点不匹 注意: 程序在下列情况会自动地将线性和二次单元共同一侧的中间节点去掉: 一个面 (或体) 用线性单元划分网格〔AMESH、VMESH、FVMESH〕 ,然后相邻面(或体)用二次单元划 分网格。 如果网格划分的次序颠倒了, 中间点节则不能去掉 (先分二次单元, 后分线性单元) 。 · 去掉了中间节点意味着边缘仍保持直的,相应地导致刚度增加,建议只在过渡区域使用 去掉中间节点的单元,而不在增加了形函数的简化线单元处使用。如果需要,那么在产生单 元之后可利用下列命令增加或去掉中间节点: 命令:EMID GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Add Mid Nodes Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Remove Mid Nd 命令:EMODIF GUI : Main Menu>Preprocessor>Move / Modify>Modify Nodes · 二次单元并不比线性单元的积分点多。因此,在非线性分析中优先使用线性单元。

ANSYS 集锦 · 诸如平面 PLANE82 和 SHELL93 的高阶四边形单元的一种网格可由于零变形能而产生奇 异。 · 对后处程序只用截面的角点和隐藏线显示,类似地,节点应力结果的输出和后处理只能 对角节点进行。 · 在图形显示时,曲边形的中间节点单元显示为直线段(除非使用 Powergaphics)模型因 此看起来比实际的要粗糙些。

ANSYS 集锦 2.5 不同单元连接的限制 在连接有不同自由度(DOFs)的单元时必须小心,因为在界面处可能会发生不协调的情况, 当单元彼此不协调时,求解时会在不同单元之间传递不适当的力或力矩。 为保证协调,两个单元必须有相同的自由度。例如,它们必须有相同数目和类型的位移自由 度及相同数目和类型的旋转自由度,而且,自由度必须是耦合的,即它们必须连续地穿过界 面处单元的边界。 考查三个应用了不协调单元的例子: · 单元有不同个数的自由度是不协调的,SHELL63 和 BEAM4 单元每个节点有三个平动和 三个转动自由度。 Solid45 单元每个节点有三个平动自由度, 但缺少转动自由度。 如果 Solid45 单元与 SHELL63 或 BEAM4 单元相连,相应平动自由度的节点力会传到实体块单元上。但 是,相应 SHELL63 和 BEAM4 单元的转动自由度的节点位移则不会传递给 SOLID45 单元。 · 单元有相同个数的自由度也不总是协调的。BEAM3(二维弹性梁)单元和 SHELL41(薄 膜壳) 单元每个节点都各有三个自由度。 可是, 壳单元有三个平动自由度 (UX、 和 UZ) UY , 而梁单元只有两个平动自由度(UX 和 UY) ,因为只有 UZ 的结果能反映壳单元的刚度,而 且壳单元没有转动自由度(ROTZ)而梁单元有。与梁单元旋转自由度对应的节点位移将不 会传递给壳单元,界面表现为梁象是被钉住了。 · 三维梁单元与三维壳单元每个节点都有 6 个自由度,可是,壳单元的 ROTZ 自由度是与 平面内旋转刚度相联系的,这是一个虚构的刚度;即它不是数学计算的真实刚度,因此壳的 ROTZ 自由度不是真实的自由度。例外是当 SHELL43 或 SHELL63 单元 ( (两者都有 KEYOPT (3)=2)的 Allman 旋转刚度被激活时) ,因此对三维梁单元仅有一个节点与三维壳单元相 连导致梁单元的旋转自由度与壳单元的 ROTZ 自由度对应是不协调的,不应该将梁单元与 壳单元按此方式连接起来。 类似的不协调也可在不同数目和(或)类型自由度的单元之间存在。 这些问题并不会使分析无效,但至少应该注意到两个不同类型单元交界的条件。 2.6 找到利用对称性的办法 许多物体都有某种对称,重复对称(如一个长管道上平均分布的散热片,反对称(如塑料容 器的模子) ,或轴对称(如灯炮) 。当一个物体在所有方面都是对称的(几何、载荷、约束和 材料属性) ,可以利用用述事实减少模型的大小和范围。

ANSYS 集锦 图 2-7 对称的例子 (A)重复对称(散热等) (B)镜像对称(模铸容器) (C)轴对称(灯炮) 2.6.1 轴对称结构的说明 任何表现在为对一中心轴几何对称的结构(如旋转壳或实体)是轴对称。例如直管、圆锥、 圆盘、圆盖等。 三维轴对称结构的模型可用二维形式等效。 可以想象得到二维轴对称分析较相应的三维分析 更精确。 由定义可知,一个完全轴对称模型只能施加轴对称载荷。但在很多情况下,轴对称结构实际 受的并不是轴对称载荷, 必须利用一种特殊的轴对称谐波单元, 来建立轴对称结构二维模型 的非轴对称载荷。详见《ANSYS Elements Reference 》 中的§2.10 一节。 2.6.1.1 对轴对称结构的一些特殊要求 对轴对称结构模型的特殊要求有: · 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。 · 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 Elements Reference 》没 有对一个特殊单元类型讨论其在轴对称结构中的应用, 那么不要使用此种单元类型进行轴对 称分析。 ——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。 2.6.1.2 进一步的须知和限制。 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 Basic Analysis Guide》

ANSYS 集锦 的§2。

图 2-8 X 方向的偏移表示一个轴对称孔 2.7 决定包含多少细节 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做出适当的决 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。 2.8 确定合适的网格密度 有限元分析中经常碰到的问题是单元网格应划分得如何细致才能获得合理的好结果?不幸 的是,还没有人能给出确定的答案;你必须自己解决这个问题,关于这个问题的解决可求助 于以下一些技术: · 利用自适应网格划分产生可满足能量误差估计准则的网格(此技术只适用于线性结构静 力或稳态热问题,对什么样的误差水平是可接受的判断依据于你的分析要求) 。自适应网格 划分需要实体建模。 · 与先前独立得出的实验分析结果或已知解析解进行对比。对已知和算得结果偏差过大的 地方进行网格细化。 (对所有的由四面体组成的面或体网格可用 NREFINE、EREFINE、 KREFINE 、 LREFINE 和 AREFINE 命 令 ( Main Menu> Proprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Refine At-entity type)进行局部网格细化) · 执行一个你认为是合理的网格划分的初始分析,再在危险区域利用两倍多的网格重新分 析并比较两者的结果。如果这两者给出的结果几乎相同,则网格是足够的。如果产生了显著 不同的结果,应该继续细化你网格直到随后的划分获得了近似相等的结果。 · 如果细化网格测试显示只有模型的一部分需要更细的网格,可以对模型使用子模型以放 大危险区域。 网格划分密度很重要,如果网格过于粗糙,那么结果可能包含严重的错误,如果网格过于细 致,将花费过多的计算时间,浪费计算机资源,而且模型可能过大以致于不能在你的计算机 系统上运行,为避免这类问题的出现,在生成模型前应当考虑网格密度问题。

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<P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1251.htm" 章 模型生成概述</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1252.htm" 章 规划分析方案</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1253.htm" 章 坐标系</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1254.htm" 章 利用工作平面</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1255.htm" 章 实体建模</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1256.htm" 章 输入实体模型</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1257.htm" 章 对实体模型进行网格划分</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1258.htm" 章 修改模型</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1259.htm" 章 直接生成</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1260.htm" 章 管路模型</A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1261.htm" 一章 编号控制和单元重排序 </A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1262.htm" 二章 耦合和约束方程 </A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1263.htm" 三章 模型的合并和归档 </A></P> <P><A href="http://pera.e-works.net.cn/document/200708/article1264.htm" 四章 ANSYS 与其它程序的接口 </A></P></SPAN></TD></TR>

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