ANSYS理论知识 资料

第3章有限元模拟计算机技术应用以前，一般要解决工程实际问题总是采用理论和试验两种手段。对于许多工程问题，如结构分析中的位移场和应力场求解，流体力学中的流场分析，电磁场中的电磁分析，热传导问题等等，其理论分析就是将这些问题做一定的简化、假设，最后归结为在给定边界条件下求解其控制方程。对于这些方程若用解析的方法进行求解，只有在极少数的特殊情况下才有解。而绝大多数工程结构，必须使用数值解法。随着计算机技术在各方面应用的深入，工程问题分析发生了根本的变化。人们在吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。例如，对于结构分析来讲，结构本来是组合的，一个建筑物、一架飞机，都是板、杆、壳和连续体的组合。过去是一样一样分开来处理，现在用数值模拟技术就可以比较真实地按照结构本来的面貌来进行研究。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元法，边界元法、有限差分法等。而有限元法因其实用性强、处理方法灵活等特点而在工程领域里被广泛使用。有限元法的做法是，首先将一个物体划分成由小的物体或单元组成的等价系统，这些单元通常由两个或更多个节点相互连接，或与边界或表面相互连接，这个过程叫做离散化。然后建立每一个有限单元的方程，应用适当的过程，将这些方程集合成一组方程，最后求解联立代数方程组，可得到整个物体的解答。3.1ANSYS简介3.1.1ANSYS简介ANSYS公司创立于1970年，总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，是世界CEA行业中的著名公司，其创始人是johnswanson博士是匹兹堡大学力学系教授、是有限元界的权威。经过30年的发展，ANSYS软件从最初只能在大型机上使用、仅仅提供热分析和线性结构分析功能的批处理程序，发展成一个容结构、流体、电场、磁场、声场分析与一体的可在大多数计算机及操作系统中运行的大型通用有限元分析软件，在航空航天、机械制造、交通运输、土木工程、国防军工、船舶、电子、生物医学、核工业、水利、能源、石油化工等行业有广泛的应用。ANSYS软件能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如NASTRAN、ALOGOR、I-DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级软件之一。3.1.2ANSYS典型分析过程ANSYS有限元分析过程主要包括三个步骤：（1）前处理——创建有限元模型1>.创建或输入几何模型创建或输入几建模方面：为了方便几何模型的创建、编辑及修改，ANSYS软件将图元由低级到高级予以定义，依次为关键点、线、面、体。即由点到体，点为最低级图元，而体为最高级图元。如此也确定了图元间的依附关系，及高级图元包含了组成它的所有低级图元。正是这种依附关系也决定了用户创建实体模型的两种基本方法：自底向上和自顶向下建模。2>.定义材料属性。3>.定义单元类型及实常数（根据单元类型的特性设置，有些单元类型无需定义实常数）单元类型：ANSYS单元库中有120余种单元，每种单元类型有一个唯一的编号和一个标识单元类型的前缀，如BEAM4、PLANE42、SOLID65等。图3—3所示的是结构分析中常用的单元类型，根据形状可以分为如下几种：.点（质量）线（弹簧，梁，杆）线性（二维、三维实体）4>.划分有限元网格。（2）求解——施加荷载并求解1>.施加约束条件。2>.求解。荷载：ANSYS软件中，将外部、内部荷载与边界或初始条件统一定义为荷载。根据实际情况，ANSYS定义的荷载即可施加于实体模型上，也可施加于有限元模型上，最终，软件执行求解时，将所有的荷载自动转换为有限元节点或单元上的荷载。实体模型上施加荷载与有限元网格无关，修改网格划分时，不影响所施加的荷载。若采用在有限元模型上施加荷载，在修改网格时，需先删除其上的荷载，修改后重新施加荷载。就操作来讲，在实体模型上施加荷载容易些。荷载步与求解预设值：对简单的线性静态或稳态单步分析，不需进行加载步的设置，即采取默认的设置，施加荷载后直接求解。但对于一般的分析，需要预先设置荷载步和子步等。另外，根据问题的分析类型，比如静力和动力分析等，ANSYS软件提供了相应的求解器，用户也需要预先进行选择。ANSYS的分析类型包括静态分析、动力模态分析、谱分析、瞬态分析、屈服分析和子结构分析等；应根据实际问题的类型和分析的目的，选定一种分析类型。（3）后处理——查看分析结果1>.查看分析结果。2>.检查结果的正确性。后处理：在有限元模型建立并解后，就可以进入后处理器查看和分析有限元的计算结果。ANSYS针对不同类型的问题结果提供了两种后处理器：通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26）通用后处理查看整个模型在某一荷载步的子步的结果。时间历程后处理器可以查看模型中指定点的特定结果相对于时间、频率或其他结果项的变化后处理器使用的数据来自结果文件，而结果文件的扩展名取决于分析类型：结构分析、流场分析或耦合场分析是RST，热分析或电场分析是RTH,电场分析是RMG等。3.2ANSYS分析的根据1、非线性在日常生活中，会经常遇到结构非线性，而结构发生非线性的基本特征通常是结构刚度发生变化；引起结构非线性的原因很多，它可以分成三种主要类型：几何非线性、材料非线性和状态非线性。状态非线性：许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为。例如，一根拉伸的电缆可能是松散的，也可能是紧绷的；轴承套可能是接触的，也可能是不接触的；冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态在不同的值直接突然变化。状态改变也许和荷载直接有关，也可能由于某种外部原因引起（例如在冻土中的紊乱热力学条件）。接触是一种很普通的非线性行为，接触是状态变化非线性类型中一个特殊而重要的子集。材料非线性：非线性的应力-应变关系是结构非线性的常见原因。许多因素可以影响材料的应力-应变性质，包括加载历史（如在弹-塑性响应状态下）、环境状况（如温度）、加载的时间总量（如在蠕变响应状况下）。2、状态非线性的有限元方程本研究中的车轮和钢轨以及裂纹面之间存在大量的接触区，接触问题应作为状态非线性处理。一般采用相互独立的正向和切向弹簧来模拟小区域的接触，而对于大面积的接触问题，则采用接触有限元间隙元，模拟接触区拉开，闭合及滑动。接触问题存在两个较大的难点；其一，在求解问题前，表面之间的接触是随着荷载、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，摩擦是非线性的，它的存在使的接触问题的收敛变得困难。（a）（b）图1：间隙元本构关系接触问题是一种高度非线性行为，接触单元的正向和切向遵循不同的屈服准则[3,5]。首先，在接触方向即正向方向，是拉压各向异性的，如图1（a）所示。拉开时的刚度为E0n正向,接触时其刚度为E1n，E0n≠0是为了克服发生刚度位移而设定的一相对于E1n的无穷小量，E1n为接触时普通单元的刚度。其次，在滑动方向即切向，如图1（b）所示：屈服应力为µ∣σn∣，即：∣σt∣>µ∣σn∣时，发生接触滑动，切向刚度取为E0t。当∣σt∣≤µσ时，为接触未滑动，切向刚度取为E1t，E0t≠0也是为了克服发生刚度位移而设定的一相对于E1t的无穷小量。可见，正向是否屈服和切向应力状态无关的，即En不依赖于切向应力状态，而切向是否滑动是和正向有关的3、本构模型ANSYS中四中典型的非线性材料本构模型：双线性随动强化模型、双线性等向强化模型、多线性随动强化、多线性等向强化本构模型。双线性随动强化模型使用一个双线性来表示应力应变曲线，所以有两个斜率，弹性斜率和塑性斜率，由于随动强化的Vonmises屈服准则被使用，所以包含有鲍辛格效应（由单向拉伸试验可知，在挤压进入塑性阶段之后，拉伸方向的瞬时屈服极限提高，而压缩方向的瞬时屈服极限将明显降低，这就是所谓的包幸格效应），此选项适用于遵守VonMises屈服准则，初始为各向同性材料的小应变问题，这包括大多数的金属。双线性等向强化模型也是使用双线性来表示应力－应变曲线，在此选项中，等向强化的VonMises屈服准则被使用，这个选项一般用于初始各向同性材料的大应变问题。图1：双线性强化本构模型4、屈服准则对于钢材来说，VonMises屈服准则(或者八面体剪应力或畸变能准则)更接近实验结果。VonMises屈服准则认为：当畸变能达到某一临界限值时，材料开始出现塑性性质。此准则考虑了中间主应力对屈服强度的影响。VonMises屈服准的表达式为：式中σ1、σ2、σ3为主应力：为等效应力；σS为材料单向拉伸的屈服极限。也可用一般应力表示为：5、非线性计算的特性ANSYS程序的方程求解器使用一系列校正的线性近似来求解非线性问题。普通有限元程序常用的近似的非线性求解是将荷载分成一系列的荷载增量，可以在几个荷载步内或者一个荷载步的几个子步内施加荷载增量，在进行下一个荷载增量之前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化，但是纯粹的载荷增量将不可避免产生积累误差如图2（a）；ANSYS程序使用牛顿-拉普森（NR）平很迭代迫使在每一个荷载增量的末端达到平衡收敛（在某个容差范围内），在单自由度非线性分析中NR平衡迭代的使用如图2（b）所示。NR方法估算出残差矢量，这个矢量是恢复力和所加荷载的差值，然后使用非平衡荷载进行线性求解，检查收敛性。如果不满足收敛准则，则重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。持续这种迭代过程直到问题收敛。（a）增量式解（b）全牛顿-拉普森迭代求解图2两种求解方式对比6、收敛容限可以将收敛