ansys14.0培训系统手册第7-9章

1、热-应力分析第 7 章January 30, 2006热-应力分析本章简要描述如何作热-应力分析.目的有两个: 向用户展示在应力分析中如何施加热载荷 向用户介绍耦合分析.主要包括以下主题:A. 概述B. 顺序耦合C.直接耦合D. 专题讨论January 30, 2006热-应力分析A. 概述热应力的产生结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形.若变形受到某些限制如位移受到约束或施加相反的力则在结构中 产生热应力.产生热应力的另一个原因是由于材料不同而形成的不均匀变形(如, 不同的热膨胀系数). 约束产生 热 应力材料不同产生热应力January 30, 2006热-应力分析概述在 ANSYS 中

2、解决热-应力问题的方法有两种。两种方法各有长处。 顺序耦合- 传统方法使用两种单元类型，将热分析的结果做为结构温度载荷+ 当运行很多热瞬态时间点但结构时间点很少时效率较高+ 可以很容易地用输入文件实现自动处理 直接+ 新方法使用一种单元类型就能求解两种物理问题+ 热问题和结构现象之间可实现真正的耦合- 在某些分析中可能耗费过多的时间January 30, 2006热-应力分析B. 顺序耦合顺序耦合涉及两种分析:1.首先做一个稳态 (或瞬态) 热分析 建立热单元模型 施加热载荷 求解并查看结果2.然后做静力结构分析 把单元类型转换成结构单元. 定义包括热膨胀系数在内的结构材料属性. 施加包括从热

3、分析得到的温度在内的结构载荷 求解并查看结果热分析热分析结构分析结构分析jobname.rthjobname.rst温度温度January 30, 2006热-应力分析顺序耦合1. 热分析 该过程在第6章中描述.2. 结构分析a) 返回到 PREP7，把热单元类型转换成结构类型. Preprocessor Element Type Switch Elem Type 或用 ETCHG 命令注意: 转换单元类型时，将把所有的单元选项重新设置回它们原来的缺省设置. 例如, 若用户在热分析中使用的是2-D轴对称单元，则需要在转换后重新指定轴对称选项. 因此,一定要确保设置正确的单元选项 : Prepr

4、ocessor Element Type Add/Edit/Delete Options 或使用 ETLIST 和 KEYOPT 命令January 30, 2006热-应力分析顺序耦合b)定义结构的材料属性 (EX,等.), 包括热膨胀系数 (ALPX). (若使用的是ANSYS提供的材料库，材料 的热属性和结构属性均已定义，该步可以省略.)注意: 如果没有定义 ALPX或将该项设置为0，则不能计算热应变. 用户可以使用该项技巧 “关闭” 温度的影响!c) 指定静力分析类型. 该步仅在热分析类型为瞬态时使用 Solution -Analysis Type- New Analysis 或使用

5、ANTYPE 命令 January 30, 2006热-应力分析顺序耦合d)施加结构载荷并把温度作为载荷的一部分. Solution -Loads- Apply -Structural- Temperature From Therm Analy 或使用 LDREAD 命令e) 求解.f) 查看应力结果.January 30, 2006热-应力分析C. 直接耦合直接耦合 通常只涉及用 耦合单元 的分析，该单元包括必要的自由度. 1.首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格 PLANE13 (板实体单元) SOLID5 (六面体单元) SOLID98 (四面体单元tetrahedron).2.在模

6、型上施加结构载荷、热载荷及约束.3.求解并查看热分析结果和结构分析结果.合并的热分析结构分析jobname.rstJanuary 30, 2006热-应力分析 顺序耦合 和 直接耦合 的比较顺序耦合 对不是高度非线性的耦合情况, 顺序方法更有效，更灵活，因为可以相互独立地执行两种分析. 在顺序热-应力分析中，例如，在非线性瞬态热分析之后可以紧接着进行线性静力分析. 然后可以 把热分析中任意荷载步或时间点的节点温度作为应力分析的载荷. 直接耦合 对耦合场的相互作用是高度非线性的情况，直接方法优先，并且该方法在用耦合公式单一求解时是最好的 直接耦合的例子包括压电分析, 有流体流动的共轭传热问题及电

7、路电磁分析January 30, 2006热-应力分析D. 专题讨论可参考补充例题中的介绍:W4a. 带翅片的轴对称管(顺序耦合场)W4b. 带翅片的管 (直接耦合场)输入几何模型第 8 章January 30, 2006输入几何模型概述 如果要分析的几何模型已经用 CAD 建好了，通常只需把该几何模型输入到 ANSYS 中即可,这比在 ANSYS 中重新建模更有效。 本章将讨论 ANSYS 中的各种输入选项:A.输入 IGES 文件 对 IGES 文件输入的扩充，在第 4 章已提及B.接口产品 向用户介绍如何直接输入 CAD 零件C输入有限元模型 简要解释如何输入节点和单元.D. 专题讨论

8、自己动手做输入 练习。January 30, 2006输入几何模型A.输入IGES文件输入IGES 文件的一般过程已在第4章讨论过了。这部分, 我们将介绍某些可能用到的选项: 两种方法, No Defeaturing 和 Defeaturing Merge, Solid, 和 Small 选项January 30, 2006No Defeaturing 方法 输入文件并存储在标准 ANSYS数据库中. ioptn,iges,nodefeat+ 比 Defeaturing 方法更快更有效.+ 允许对实体模型进行操作. 可使用 No defeaturing 工具条.+ 这是缺省 (DEFAULT)

9、 方法,建议用户选该方法.输入几何图形.输入IGES文件January 30, 2006输入几何图形.输入IGES文件Defeaturing 方法 输入文件并存储在指定的数据库中,该数据库允许对模型进行修改和改变模型形状. ioptn,iges,defeat+ 允许修改模型, 如删去凸出部分、洞、小孔等。 因为指定数据库用于存储模型, 故该数据库只允许对实体模型做有限次的操作. 要求的内存比较大，和 “No defeaturing” 方法相比有点慢。+ 该方法对单个实体模型的输入、施加荷载、划分网格和求解效率更高. 一般地，如果对几何图形的要求很高，则不提倡用此法.January 30, 20

10、06输入几何图形.输入IGES文件Merge 合并选项 缺省为 YES，合并重叠部分，以使相邻的面相交于一条公用线，相邻的线交于一个关键点. 仅在使用 Defeaturing 方法且运行超出内存时，才将此选项改为NO. ioptn,merge,yes/nomergeJanuary 30, 2006输入几何图形.输入IGES文件Solid 实体选项 缺省为 YES，输入、合并之后自动建立体（实体）. 若用户仅想输入面并建立壳或2-D 板单元模型时，可将此项转换为 NO. ioptn,solid,yes/noJanuary 30, 2006输入几何图形.输入IGES文件Small Option 缺

11、省为 YES, 自动删除小的碎面，这些碎面在划分网格时可能会引起麻烦. 仅适用于 Defeature 方法. 若模型中有缝隙或 “洞”，则将此选项改为 NO. ioptn,small,yes/noJanuary 30, 2006输入几何模型B. 接口产品输入IGES 文件的方法虽然很好，但是双重转换过程 CAD IGES ANSYS 在很多情况下并不能实现100% 的转换.ANSYS 的产品接口直接读入“原始”的 CAD 文件，解决了上面提到的问题: Pro/ENGINEER 接口 (缩写为 “Pro/E”) Unigraphics（单一图形）接口 (缩写为 “UG”) SAT 接口 Para

12、solid 接口 用产品接口 ，需购买相应的授权.January 30, 2006输入几何图形.接口产品Pro/E 接口 读入由 Pro/ENGINEER 生成的文件 .prt (由Parametric Technology 公司提供)。 也可以读入 Pro/Engineer 组集文件 (.asm) 需要 Pro/ENGINEER 软件。 Utility Menu File Import Pro/E. 或 proein删除小特征的选项缺省不删除你的Pro/E的启动命令January 30, 2006输入几何图形.产品接口UG接口 读入由 Unigraphics 生成的文件 .prt (由 El

13、ectronic Data Systems 公司提供)。 需要 Unigraphics 软件。 Utility Menu File Import UG. 或 ugin删除小特征的选项缺省不删除只读取选择的层和几何类型的选项January 30, 2006输入几何模型.产品接口 SAT 接口读入由 CAD 生成的文件 .sat，该文件用于 ACIS模型制造者. 不需要 ACIS 软件. Utility Menu File Import SAT. 或 satin删除小特征的选项缺省不删除只读取选择的层和几何类型的选项January 30, 2006输入几何图形.产品接口 Parasolid 接口读

14、入 CAD 生成的，扩展名为 .x_t 或 .xmt_txt 的文件，该文件适用 Parasolid 进行建模者. 不需要 Parasolid 软件. Utility Menu File Import PARA. 或 parainJanuary 30, 2006输入几何图形C. 输入有限元模型除了实体几何模型外， ANSYS 也可输入由某些软件包生成的有限元单元模型数据（节点和单元）.对软件商来说，最常用的方法是用 ANSYS 可以读入的格式“写出”节点和单元 (用 NREAD 和 EREAD). 这些格式公布在 ANSYS Programmers Manual 中.某些软件包提供了一个界面，

15、该界面不仅允许把节点和单元，也允许把更多的内容从一个有限元包中移入到 ANSYS 中。January 30, 2006输入几何图形D. 专题讨论可参考练习册中的介绍: W5. 输入几何图形实体建模第 9 章January 30, 2006实体建模概述直接输入几何实体来建模很方便,但有些情况下需要在ANSYS 中来建立实体模型。例如: 需要建立参数模型时， 在优化设计及参数敏感性分析时建立的包含变量的模型. 没有 ANSYS 能够读入的几何实体模型时. 计算机上没有相关的绘图软件时（与 ANSYS 程序兼容的）. 在对输入的几何实体需要修改或增加时，或者对几何实体进行组合时.ANSYS 有一组很

16、方便的几何作图工具。本章将讨论这些作图工具。January 30, 2006实体建模概述主要内容:A. 定义B. 自上而下建模 前言 工作平面 布尔运算C. 例题D. 自下而上建模 关键点 坐标系 线,面,体 操作E. 例题January 30, 2006实体建模A. 定义实体建模 可以定义为建立实体模型的过程.首先回顾前面的一些定义：: 实体模型由体、面、线及关键点组成。 体由面围成，面由线组成，线由关键点组成。 实体的层次从底到高：关键点 线 面 体。如果高一级的实体存在，则低一级的与之依附的实体不能删除.另外，只由面及面以下层次组成的实体，如壳体或二维平面模型，在 ANSYS 中仍称为实

17、体。体面线及关键点关键点线面体体January 30, 2006实体建模A. 定义建立实体模型可以通过两个途径: 由上而下 由下而上由上而下建模；首先建立体（或面）,对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状.加January 30, 2006实体建模A. 定义由下而上建模；首先建立关键点，由这些点建立线、面、体.可以根据模型形状选择最佳建模途径。下面详细讨论建模途径。January 30, 2006实体建模B. 由上而下建模由上而下建模；首先建立体（或面）,对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状. 开始建立的体或面称为图元. 工作平面用来定位并帮助生成图元. 对原始体组合形成最终形状

18、的过程称为布尔运算.January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模图元图元是预先定义好的几何体，如圆、多边形和球体.二维图元包括矩形、圆、三角形和其它多边形.January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模.图元三维图元包括块体, 圆柱体, 棱柱体，球体，环和圆锥体等.January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模.图元当建立二维图元时，ANSYS 将定义一个面，并包括其下层的线和关键点。当建立三维图元时，ANSYS 将定义一个体，并包括其下层的面、线和关键点。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模.图元图元可以通过输入尺寸或在图形窗口拾取

19、来建立。. 例如建立实心圆: 前处理 -建模- 生成 -面- 圆 指令拾取器在图形窗口拾取中心及半径拾取或在这里输入数值January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模.图元 生成块体: Preprocessor -Modeling- Create -Volumes- Block V指令拾取器 在图形窗口拾取期望的位置.拾取或在这儿输入值January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模工作平面工作平面 一个位置和方向可变的二维参考平面，用来定位确定图元。缺省状态下，工作平面原点与整体坐标系原点重合，但可以把工作平面移动或旋转到任意位置。 利用显示格栅，在工作平面上作图就象在

20、方格纸上作图。 除了格栅的设置外，工作平面是无限的。WXWYX2X1Y2Y1WXWYWP (X,Y)widthheightJanuary 30, 2006实体建模 - 由上而下建模工作平面所有的工作平面命令菜单均在 Utility Menu WorkPlane。工作平面控制菜单（WP Settings）控制下列内容： WP display - 只显示三个坐标轴 (缺省),只显示格栅，或两者均显示。 Snap - 便于在工作平面上拾取格栅上的点。 Grid spacing 栅距。 Grid size - 显示的工作平面大小(大小无限制)。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模

21、工作平面用 Offset 和 Align 菜单可以把工作平面移到期望的任意位置。 通过增量移动工作平面 用按扭实现 (通过指针滑动实现)。 或输入希望的增量值。 或使用动态方式 (类似移动 - 缩放 - 转动)。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模工作平面 Offset WP to 保持其当前方向，简单地平移工作平面到期望的位置： 已经存在的一个或多个关键点. 若拾取多个关键点，则工作平面移到这些关键点的平均位置处。 已经存在的一个或多个结点。 通过坐标值指定的一个或多个位置。 总体坐标系原点。 激活坐标系的原点。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模

22、工作平面 Align WP with 此命令用于定位工作平面。 例如，Align WP with Keypoints 命令提示拾取三个关键点 - 一个为原点，一个定义X-轴，一个定义 X-Y 平面。 把工作平面移动到其缺省位置（总体坐标系原点，X-Y 平面内)时，点击 Align WP with Global Cartesian。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模工作平面演示:清除数据库显示工作平面并通过拾取方式建立几个关键点，注意拾取时显示的坐标值。打开格栅，改变间距，并激活捕捉。建立更多的关键点.注意指针如何捕捉格栅上的点。定义两个矩形 一个通过定义角点，另一个通过

23、定义尺寸。现在把工作平面平移到几个关键点的平均位置处, 然后在平面内将其转30。定义多于两个矩形 通过定义角点或通过定义尺寸生成。注意矩形方向的变化。沿总体坐标原点调整工作平面，然后用拾取或输入尺寸的方法生成三维图元。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算布尔运算 是对几何实体进行合并的计算。ANSYS 中布尔运算包括加、减、相交、叠分、粘接、搭接。布尔运算时输入的可以是任意几何实体从简单的图元到通过 CAD 输入的复杂的几何体。加输入实体 布尔运算 输出实体January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算所有的布尔运算可以在GUI界面下获得 Pr

24、eprocessor -Modeling - Operate。在缺省状态下，布尔运算时输入的几何实体在运算结束后将删除。被删除实体的编号数被“释放” (即, 这些编号可以指定给新的实体，并从可以获得的最小编号开始)。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算加 add 把两个或多个实体合并为一个。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算粘接 glue 把两个或多个实体粘合到一起，在其接触面上具有共同的边界 当你想定义两个不同的实体时特别方便（如对不同材料组成的实体）January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算搭接 类似于粘

25、合运算，但输入的实体有重叠。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算减 subtract 删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。 对于建立带孔的实体或准确切除部分实体特别方便。January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算叠分 divide 把一个实体分割为两个或多个，它们仍通过共同的边界连接在一起. “切割工具” 可以是工作平面、面线甚至于体. 在用块体划分网格时，通过对实体的分割，可以把复杂的实体变为简单的体.January 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算相交 intersect 只保留两个或多个实体重叠的部分。 如果输

26、入了多于两个的实体,则有两种选择：公共相交和两两相交 公共相交只保留全部实体的共同部分。 两两相交则保留每一对实体的共同部分，这样，有可能输出多个实体。CommonIntersectionPairwiseIntersectionJanuary 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算互分 overlap 把两个或多个实体分为多个实体，但相互之间仍通过共同的边界连接在一起。 若想找到两条相交线的交点并保留这些线时，此命令特别有用，如下图所示. (交运算可以找到交点但删除了两条线）L1L2L3L6L5L4PartitionJanuary 30, 2006实体建模 - 由上而下建模布尔运算

27、演示:通过在矩形中减去一个圆实现钻一个孔（或者在一个块体中减去柱体实现）画两个相交的实体，并存储 db，然后作交运算。现在恢复 db 并对实体进行相加。注意比较两种运算的不同 (合运算类似交运算)。模型: block,-2,2, 0,2, -2,2 sphere,2.5,2.7 vinv,all ! intersectionJanuary 30, 2006实体建模 - 由上而下建模C. 练习参考您的练习附录:W6. Pillow BlockJanuary 30, 2006实体建模D. 由下而上建模由下向上建模时首先建立关键点，从关键点开始建立其它实体。如建立一个L-形时, 可以先定义下面所示的

28、角点，然后通过连接点简单地形成面；或者先形成线，然后用线定义面。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模关键点定义关键点: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints 或者用 K 命令系列的命令: K, KFILL, KNODE, 等.生成关键点时只需要关键点的编号及点的坐标值数据。 关键点编号的缺省值为当前最大关键点号的下一个整数 坐标位置可以通过在工作平面上拾取或输入 X,Y,Z 坐标值确定。 坐标值如何确定？它依赖于当前激活坐标系。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模坐标系激活坐标系缺省时是总体直角坐标系.用C

29、SYS命令 (或 Utility Menu WorkPlane Change Active CS to) 可将其改变为 总体直角坐标系 csys,0 总体柱坐标系 csys,1 总体球坐标系 csys,2 工作平面 csys,4 或用户定义的局部坐标系 csys, n这些坐标系将在下面介绍。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模.坐标系总体坐标系模型的总体参考系.可以是直角坐标系（0）、柱坐标系（1）或球坐标系 (2). 例如, 总体直角坐标系中的点 (0,10,0) 与总体柱坐标系中的点 (10,90,0)是同一个点.January 30, 2006实体建模 - 由下而上

30、建模.坐标系局部坐标系用户在期望的位置定义的坐标系, 其 ID 编号大于或等于 11。位置可以在: 工作平面原点 CSWP 位于特定的坐标位置 LOCAL 位于已经存在的关键点 CSKP 或节点 CS可以是直角坐标系、柱坐标系或球坐标系.可以绕X、Y、Z轴旋转.XYX11Y11X12Y12January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模坐标系工作平面坐标系依附于工作平面上.主要用来确定实体图元的位置及方向.也可以通过在工作平面上拾取来定义关键点.January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模.坐标系可以定义多个坐标系，但任何时候都只能有一个坐标系被激活。有些几何实体受定义

31、时激活坐标系的影响 CSYS: 关键点和节点位置 线的曲率 面的曲率 生成或填充的关键点和节点 等等。图形窗口下方的状态条中显示了当前的活动坐标系。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模线有许多方法定义线，如：如果定义面或体, ANSYS 将自动生成未定义的线，线的曲率由当前激活坐标系确定.在生成线时，关键点必须存在。Create -Lines- ArcsCreate -Lines- LinesCreate -Lines- SplinesOperate Extrude / SweepJanuary 30, 2006实体建模 - 由下而上建模面用由下向上的方法生成面时，需要的

32、关键点或线必须已经定义。如果由关键点定义体，ANSYS 将会自动生成未定义的面和线，线的曲率由当前激活坐标系确定。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模体用由下向上的方法生成体时，需要的关键点或线或面必须已经定义January 30, 2006实体建模由下而上建模演示:清除数据库生成5个关键点 (1,2), (3,2), (4,0), (1,1.5), (2.5,0)转到 CSYS,1 并在激活坐标系中关键点4和5之间生成线 （ “in active CS” ）。转回 CSYS,0 并通过关键点生成面，注意其它需要的线将自动生成全部线都是直线.定义两个圆:半径0.3R, 圆

33、心位于 (2.25,1.5)半径0.35R, 圆心位于 (3.0,0.6)从基本面中减去两个圆. (这里采用由上而下和由下而上的建模方式.)存为 r.dbJanuary 30, 2006实体建模 - 由下而上建模操作在由上而下和由下而上的建模方式中，均可对实体进行布尔运算。除了布尔运算，还有许多其它操作命令: 拖拉 drag 缩放 Scale 移动 Move 拷贝 Copy 反射 Reflect 合并 Merge 倒角 FilletJanuary 30, 2006实体建模 - 由下而上建模.操作拖拉利用已经存在的面快速生成体 (或由线生成面或由关键点生成线)。如果面已经划分了网格，单元也可以随着面一起拖拉。有四种方法拖拉面： 法向拖拉 通过对面的法向偏移形成体 VOFFST 。 XYZ偏移 通过对面的总体XYZ方向偏移形成体 VEXT。 可以锥形拖拉。沿坐标轴 绕坐标轴旋转面形成体(也可通过两个关键点旋转) VROTAT。沿直线沿一条线或一组邻近的线拖拉面形成体 VDRAG。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模.操作缩放从一种单位系统转到另一种单位系统时特别方便。在第4章讨论。January 30, 2006实体建模 - 由下而上建模