ansysworkbench全船结构有限元分析流程

1、本文介绍了在ansys workbench中进行全船结构强度分析的流程，提出了更简便的建模、分析方法，力求更快，更精确地得出结果。ansys workbench 全船结构有限元分析流程大连海事大学 贠亚杰 刘超 一、建立有限元模型与ansys经典版相比，workbench的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手；但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块（geometry）对建立复杂的船体曲面仍显力不从心。因此需要在其他建模软件（笔者使用了solidworks）中建立船体实体模型后导入workbench，在workbench中完成随后的建模和分析工作。鉴于实体单元

2、在计算中消耗过大的计算机内存和计算时间，本文采用概念建模（concept）的方法将船体板定义为无厚度的壳体（surface body），将船体骨架定义为线体（line body），壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元（shell）和梁单元（beam）。1、 导入实体模型可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入workbench的project schematic（项目概图）窗口，如图1.1.1所示；也可双击启动geometry模块后在其file菜单中选择导入命令导入。导入后的模型如图1.1.2所示；模型已冻结（toolsfreeze），分为船体和上层建筑两部分；船首指向x轴正向，船体上方指

3、向z轴正向。坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。图1.1.1 导入模型图1.1.2 导入后的模型2、 生成舷墙（1） 在中纵剖面（zxplane）建立草图（new sketch），进入绘制草图模式（点tree outline左下角的sketching），沿甲板边线位置绘制一条曲线；返回模型模式（点sketching右边的modeling），拉伸（点extrude按钮）生成一个surface body。（2） 沿甲板将船体分开：createslice，在detail view窗口slice type选项中选择slice by surface项，target face选择（1）中生成的

4、surface body，slice targets选项中选selected bodies，点选船体结构apply生成（点generate），原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图1.2.1所示。这时（1）中生成的surface body已完成历史使命，可将其抑制（suppress）了（注意不是把拉伸操作extrude1而是把生成的面surface body抑制掉）。图1.2.1 船体分为两部分（3）生成舷墙：选择（2）中生成的舷墙部分抽壳（thin/surface），在detail view窗口selection type选项中选择face to keep项，保留舷墙部分

5、，设置厚度为0，生成。3、 生成船体外表面本文中使用的船舶钢板厚度都是一样的，可将上层建筑与船体一起定义。倘若船体各处钢板厚度不同，计算过程中可分别定义各钢板的厚度。（1） 布尔并运算：createboolean，在detail view窗口operation选项中选择unite项，tool bodies选择上层建筑与第2步（2）中生成的船舱部分，生成。（2） 生成船体表面：选中（1）中生成的体，抽壳（thin/surface），保留全部外表面，厚度设置为0。抽壳后将在图1.3.1所示的蓝色区域内产生甲板大开口，需要补上去。（3） 补全甲板：conceptsurfaces from edges

6、，选中图1.3.1所示蓝色线条位置处的四条边生成一个面。图1.3.1 抽壳后甲板位置有开口4、 在船体骨架位置处生成edges船体是一个板架结构，除了钢板之外还应该有骨架。有限元模型中骨架必须位于船体板上，以免计算时骨架与板分离造成计算结果错误。为了保证模型的骨架位于船体板上，需要在船体板（surfaces body）上添加边（edges），以便在边上生成骨材（line body）。（1） 解冻：tools unfreeze，选择第3步中（2）生成的船体表面，生成。解冻后如图1.4.1所示。本文采用印痕操作（imprint）在船体板上添加边，只有非冻结体才能执行该操作。图1.4.1 解冻后的船

7、体表面（2） 印痕：本文采用拉伸命令（extrude）生成印痕，所以先在中纵剖面（zxplane）建立草图（new sketch），在肋骨位置上绘制一组直线，如图1.4.2所示；然后拉伸，在detail view窗口operation选项中选择imprint faces项，direction选项选择both-symmetric项，extent选项选择through all，生成。原来光滑的船体表面将出现许多线条，如图1.4.3所示。图1.4.2 在肋骨位置绘制直线图1.4.3 印痕后的船体表面（3） 与（2）的操作相似，在基平面（xyplane）建立草图（new sketch），沿甲板纵桁位置

8、和龙骨位置绘制直线，拉伸，印痕；在中纵剖面（zxplane）建立草图（new sketch），沿舷侧纵桁位置绘制直线，拉伸，印痕。最终在船体表面生成纵横交错的网格线。如图1.4.4所示。注意要等到所需的印痕操作全部完成后再添加line body，否则后面的印痕操作可能造成之前添加的lines body脱离船体表面。图1.4.4 印痕后的船体表面（4） 冻结船体，解冻第3步中（3）补充的甲板面。利用上面建立的草图再次拉伸，印痕，在这块板上的肋骨、甲板纵桁位置处也印上痕迹。如图1.4.5所示。这里之所以要轮换冻结、解冻不同的面，是因为多个非冻结体会自动执行布尔并运算。倘若布尔运算结果不符合work

9、bench的要求，模型将出现错误而无法继续建模。图1.4.5 印痕后的甲板面5、 生成舱壁（1） 生成首尖舱舱壁：conceptsurfaces from edges，选中图1.5.1中围成首尖舱的各条边（edges），生成。图1.5.1 生成首尖舱舱壁（2） 生成其他横舱壁：与（1）中操作类似，选择围成舱壁所需的边，一一生成其余各横舱壁。各横舱壁生成后如图1.5.2所示。图1.5.2 生成其余横舱壁（3） 在横舱壁上印痕：与第4步操作类似，在横舱壁上生成纵横交错的网格线，以便利用这些痕迹添加纵舱壁和船体骨架。印痕操作后如图1.5.3所示。图1.5.3 横舱壁上的印痕（4） 生成其他舱壁并在舱

10、壁骨架位置印痕：与（1）、（2）中操作类似，选择围成舱壁所需的边，一一生成其余各舱壁，然后在各舱壁上印上纵横交错的痕迹。结果如图1.5.4所示。图1.5.4 船体各舱壁6、 生成骨架为了减少工作量，本文着重分析除上层建筑外的船舶整体强度，不考虑上层建筑的受力情况，所以不为上层建筑添加骨架也不关注上层建筑结构强度。（1） 生成甲板横梁：conceptlines from edges，选择甲板上横向的印痕，如图1.6.1中绿色线条，在detail view窗口operation选项中选择add frozen项，生成冻结状态的甲板横梁（line body）。直接生成冻结体是为了避免它们与随后添加的甲

11、板纵桁发生布尔并运算。冻结状态下各个梁拥有各自独立的横截面特征，布尔并运算后各个梁将合为一体，只能共同拥有用一种横截面特征。图1.6.1 选择甲板上的横向印痕生成横梁（2） 定义横截面：conceptcross sectionl section（本文中甲板横梁的横截面为l形），此时将自动呈现绘图窗口，显示一个l形草图；在detail view窗口dimensions项输入横截面尺寸值即可。（3） 赋予甲板横梁横截面特性：选择生成的line body（可群选），在detail view窗口cross section项选择刚刚定义的横截面；viewcross section solids，生成的l

12、ine body将显示成实体模样，此事可以看出横梁的位置稍微偏离甲板表面（有时方向跟预期结果不同），选择其中一个lin body，在detail view窗口offset type项选择user defined，可输入数值移动横骨到合适位置。如果发现方向与预期结果不同，可右键点击其line body（可群选），在右键子菜单中选择select unaligned line edges予以调整，比如可以在detail view窗口rotate项填入旋转角度。（4） 重复（1）-（3），生成其他骨架并赋予它们横截面特征，调整各骨架位置。结果如图1.6.2所示。图1.6.2 生成船体骨架7、 连接各面

13、（joint），将全部体生成一个零件（part）joint命令用于将各个面连接起来，连接后的板共同有用一条相邻的边，相邻板之间的网格协调一致。form new part命令可以使该part中的各个部分连接起来，使这个part中的线、面网格都协调一致。（1） toolsjoint，选择全部体，生成。（2） 在graphics窗口框选全部体，右键点击进入子菜单选择form new part。 二、计算完成建模后，直接退出正在运行的geometry模块，在workbench的toolbox窗口双击static structure（ansys），将在project schematic窗口中出现新的项目

14、b；如图2.0所示，拖动项目a中geometry到项目b即static structure（ansys）的相应位置，这时出现一条连接线，建好的模型就可以导入分析模块进行网格划分和分析计算了。双击b中的model进入分析模块。如果a中模型被修改，再次打开b时系统将会提示是否更新模型。图2.0 新建分析项目1、 定义钢板尺寸及材料属性在outline窗口中展开geometry（点前的“+”号），再展开part1，选择surface body（可群选），在details of “multiple selection”窗口中thickness项填入厚度值即可。如果各个板厚度不同，可一一定义。同一个板也

15、可以拥有不同的局部厚度值。本文中船体构件都是钢，采用默认材料即可。如需其他材料，需要从材料库添加。2、 划分网格workbench中的网格划分更加智能，不再需要选择网格单元，系统将自动选择通用单元完成分析计算。但划分网格前可自行设置各种参数。在outline窗口选择mesh，在detail of “mesh”窗口中设置网格尺寸并选择所需的选项即可。也可以右键点击mesh添加特殊命令为某一个（些）特殊部分专门定义尺寸、划分网格的方法等。本文中采用的是正方形网格，如图2.2所示。图2.2 划分网格3、 定义边界条件船舶是航行在水中的，因此外板会受到来自水的压力作用。本文中添加了hydrostati

16、c pressure来模拟水压力。船上运载物的重量加载到其所在舱室的骨架上，因为骨架是主要受力构件。固定首尾尖舱上的3个点。在outline窗口选择static structural（b5），右键点击inserthydrostatic pressure，在detail of “hydrostatic pressure”窗口填入水密度值（definition选项中fluid density）、重力加速度值（hydrostatic acceleration选项）并定义液面位置（free surface location选项中location）。结果如图2.3.1所示。其他边界条件的定义方法类似，注

17、意选项。定义完后如图2.3.2所示。图2.3.1 定义水压力图2.3.2 边界条件4、 分析计算本文中船体骨架采用的是梁单元，计算出来的应力是正应力和复合应力，而且只有在beam tool里才能显示。在outline窗口选择solution（b6），右键点击insertbeam tool，添加一个梁工具。同样方法添加其他感兴趣的结果，如变形（deformation），应力（stress），应变（strain）等。也可以自定义结果（user defined result）。如添加自定义的总变形（等效应力）结果：右键点击insertuser defined result，在图形窗口点选或框选自己关

18、注的结构，点detail of “user defined result”窗口中的geometry项后面的apply，这样输出的结果就是所选择的那部分结构的结果；在expression项填入usum（seqv），这样输出的结果就是总变形（等效应力）。列举几个云图，如图2.4.1-2.4.3所示。图1.4.3中只关注了船舶中间部分的结果，这是应为船首尾两端是固定的，等效应力比较大，如果显示全船等效应力，船舶中间部分的云图剃度太小，不容易区分哪里应力更大。根据圣维南原理，中间部分的结果相对精确，固定端的结果精确度欠佳。图2.4.1 骨架正应力云图图2.4.2 自定义总变形云图图2.4.3 自定义等效应力云图 三、结语ansys workbench是一个相对比较新的软件，船舶强度分析方面的例子并不多见。笔者所采用的方法不一定是最好的，仅供参考