一线工程师总结AnsysWorkbench之Mechanical应用-分析设置

一线工程师总结AnsysWorkbench之Mechanical应用——分析设置对于结构静力学中的简单线性问题，不需要对其进行设置，但是对于复杂的分析需要设置一些控制选项。分析设置是在Mechanical分析树的StaticStructural下的AnslysisSettings细节设置中。本文主要对载荷步控制、求解器控制、重启控制、非线性控制、输出控制、分析数据管理进行介绍。1载荷步控制载荷步控制用于指定求解步数和时间。在非线性分析时，用于控制时间步长。载荷步控制也用于创建多载荷步，如螺栓预紧载荷。1.1载荷步与子步载荷步、子步和平衡迭代是控制加载求解过程的三个载荷时间历程节点。1.1.1载荷步在线性静力学分析或稳态分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合。在瞬态分析中，可以将多个载荷步加载到同一加载历程曲线的不同时间点。注意：载荷可以分步，约束不能分步。实例1，固定矩形条一端，在另一端分3步加载载荷，第一步只加载100N的力，第二步只加载10000Nm的逆时针扭矩，第三步推力与扭矩共同作用，求每一步的变形。Step1，设置零件材料，接触关系，网格划分，过程略。Step2，分析设置，将载荷步设置为3，其余默认。Step3，设置边界条件，如下图。载荷默认都是渐增(斜坡)加载的，用一个载荷步将载荷从0增加到设定值。选中分析树中的Force，在信息窗口中出现了TabularData表格和Graph图表，代表了Force的加载历程，在第一步中，力从0渐变到100，并在第二三步中保持。对于静力学分析，渐增加载与恒定加载计算无区别，本例将力与扭矩都改为恒定加载，在表格第一行将数字改为设定值。要想Force在第二步不起作用，只需要点击图表的第二步区域或表格对应行，右击选择Activate/Deactiveatthisstep!（在此步激活/取消），此载荷便在第二步中消失。同样设置Moment载荷，使它在第一步中不起作用。Step3，添加结果，点击分析树的Solution(A6)，在工具栏出现Solution工具条，点击Deformation-Total（合位移），在分析树中便出现了TotalDeformation项目，默认是最后结果，但是现在我们需要查看第一步结果。在TotalDeformation的细节设置中，By改为ResultSet（结果位置），SetNumber改为1，即表示第一步的结果。当然，也可以设置为Time（时间），然后在下一行DisplayTime改为1s。同样设置第二三步的结果。Step4，计算，结果如下实例2，螺栓预紧问题：螺栓预紧时，我们可以分两步加载预紧力，第一步坡度加载预紧力，第二步锁定。在分析设置中将载荷步设置为2。选择Loads下的BoltPretension（螺栓预紧力），点击Graph图表的第一步，螺钉预紧力中DefineBy设置为Load，输入预紧力大小。再点击Graph图表的第二步，DefineBy设置为Lock锁定。1.1.2子步子步Substep是一个载荷步中插入若干的点。通常一个子步求解需要若干次迭代，每次迭代都被称为一次平衡迭代。子步对于求解过程的控制非常重要，很多时候需要使用不同的子步数来满足不同的加载和求解需要。子步的主要作用如下：1，在非线性静态和稳态分析中，使用子步逐渐施加载荷以提高求解精度，甚至可以使求解结果从不收敛变为收敛。在以后的文章将讲到子步在非线性屈曲中的应用。2，在线性或非线性瞬态分析中，使用子步满足时间步长的需要，得到较为精确的解，即满足瞬态时间累计法则。在以后的文章将讲到子步在瞬态分析中的应用。3，在谐波响应分析中，使用子步获得响应频率范围内多个频率处的解。在以后的文章将讲到子步在瞬态分析中的应用。以下以矩形条一端固定一端加载力为例说明子步的设置方法在分析设置中，将自动时间步AutoTimeStepping设置为On，DefineBy设置为Substep。然后需要设置三个参数初始子步Initialsubsteps：用于计算初始加载量（即确定初始子步位置）。最小子步MinimumSubsteps，最大子步MaximumSubsteps用于计算子步之间的增量。三者关系数值关系必须满足：最小子步≤初始子步≤最大子步。大多数情况下，为了方便控制与计算，设置：最小子步=初始子步=最大子步。比如给矩形条加载100N的力，载荷步为1，初始子步8，最小子步4，最大子步10。则力的初始加载值为100N/8=25N，子步的数量为4~10（由程序选择），子步之间的增量范围为100N/10~100N/4，即10N~25N。其中最小子步不得大于最大子步，初始子步必须在最小子步和最大子步的数值之间）计算后可以在图表中看到共生成了5个子步。1.2时间载荷步和子步中经常会见到时间相关的选项，但是此处的1s不一定表示1s时间。无论载荷类型是否依赖于时间，Workbench都使用时间作为跟踪参数，这样，计算的结果将是与时间相关的函数。1，在静态线性分析中，时间取值为常数0，即计算与时间无关，所以在案例1中，我们可以将渐增加载改为恒定加载，而不影响计算结果。2，在瞬态分析中，时间作为表示真实时间历程的变量在变化。3，在其他分析中，时间仅作为一个计算器，识别求解时所采用的不同载荷步。4，时间也可以作为识别载荷步与载荷子步的跟踪器，载荷步是作用在指定的时间间隔内的一系列载荷，载荷子步是载荷步中的时间节点，平衡迭代求取的是子步时间节点上的中间解。2求解器控制2.1求解器类型求解器类型有直接求解器Direct和迭代求解器Iterative。我们一般使用程序控制就可以。直接求解器可以处理任何情况，主要用于薄面和细长体的模型。迭代求解器在处理体积大的模型时很有效。2.2弱弹簧弱弹簧WeakSprings：在某些时候，希望模型在平衡状态下计算，而不是约束所有方向，此时就会用到弱弹簧。比如如下一个几何体，在左右方向受到方向相反大小相等的力，理论上几何体处于平衡状态，不会发生刚体平移，但是在有限元软件中，经过网格离散化后，几何体可能处于微小的不平衡中，而弱弹簧就是用来平衡这种微小不平衡力。但是，用户约束所有可能的刚体平移方向才是最好的习惯，比如上图模型，可以采用1/2或1/4的模型，施加对称约束。2.3大变形大变形LargeDeflection用于几何非线性计算中，关于非线性的概念将在非线性分析一文中详解。大变形关闭时，计算器使用模型的初始刚度矩阵；大变形打开后，计算器将在每次迭代后重新生成刚度矩阵。当变形超过5%或转角超过10°时，必须打开大变形开关。2.4惯性释放通常在做静力学分析时，需要保证结构无刚体平移，否则求解器不能计算。但是在飞机飞行，轮船航行时要计算机构，需要采用惯性释放在结构上施加一个虚拟的约束反力，来保证合力平衡。惯性释放允许对完全无约束的结构进行静力分析。3其他控制3.1重启控制重启控制设置静力分析和瞬态分析中的多个重启点，来获得从某时刻重新启动分析所需的数据库。3.2非线性控制非线性控制可以修改收敛准则和其他一些求解控制选项，增加了稳定控制和稳定能量结果。3.3输出控制输出控制允许在结果后处理中得到需要的