1、基本规划,第四讲,2003年5月,基本规划 概述,在开始ANSYS分析之前，您需要作一些决定，诸如分析类型及所要创建模型的类型。 在这一章，我们将讨论一些有关这一决策过程的问题，目的是在您彻底进入分析之前给您一个理想的总体规划。 有关这一决策过程的问题如下： A. 选择哪种分析类型? B. 如何处理模型? C. 选择哪种单元类型?,2003年5月,基本规划 A. 选择哪种分析类型？,分析类型包括以下类型： 结构分析： 实体的运动、压力、接触。 热分析： 热、高温及温度变化。 电磁场分析：承受电流(交流或直流)、电磁波以及电压或电荷作用的装置。 流体分析： 气体或液体的运动。 耦合场： 上述分析
2、的任意组合。 在这里，我们将集中讨论结构分析。,2003年5月,基本规划 .选择哪种分析类型?,当您选择了结构分析，接下来的问题是： 静力还是动力分析？ 线性还是非线性分析？ 要回答这些问题，先要知道物体承受什么样的激励（荷载），因为下述三种类型的力决定了它的反应 静力（由刚度产生） 惯性力（由质量产生） 阻尼力,2003年5月,基本规划 .选择哪种分析类型?,静力与动力分析的区别 静力分析假定只有刚度力是重要的。 动力分析考虑所有三种类型的力。,例如：考虑跳板的分析 如果跳水运动员静止地站在跳板上，我们可以充分认为这是一个静态分析。 但是如果跳水运动员在跳板上上下跳动，您必须进行动态分析。,
3、2003年5月,基本规划 .选择哪种分析类型?,如果施加的荷载随时间快速变化，则惯性力和阻尼力通常是重要的。 因此你可以通过使用是否随时间变化的荷载在静态分析和动态分析之间进行选择。 如果在相对较长的时间内荷载是一个常数，请选择静态分析。 否则，选择动态分析 如果激励频率小于结构基频的1/3，则进行静态分析。,2003年5月,基本规划 .选择哪种分析类型?,线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型的特征是： 小变形 弹性范围内的应变和应力 刚度无突然变化，例如在两物体接触或分离时。,2003年5月,基本规划 .选择哪种分析类型?,如果加载引起结构刚度的显著变化，必
4、须进行非线性分析。刚度显著变化的典型原因有： 应变超出弹性范围（塑性） 大变形，例如承载的鱼竿 两物体之间的接触,2003年5月,基本规划 B. 如何处理模型?,在建立一个分析模型之前，必须对模型进行规划。 应该考虑多少细节？ 是否应用对称性？ 模型中是否有应力奇异点？,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,细节 在分析模型中不应该包括对分析无足轻重的细节。从CAD系统读取模型到ANSYS之前，你可以取消一些特性。 但是，在一些结构的“细节”如倒角或孔洞处，将会出现最大应力，是否保留这些细节取决于你所分析的目标，这一点相当重要。,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,对称性 许多结
5、构在形状上是对称的，这就允许只取其中有代表性的部分或断面去建立模型。 应用对称模型的主要优点是： 通常更容易建立模型 允许你创建一个更好更细的模型，以便获得比全模型可能更好的结果。,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,要利用对称性，下列因素必须对称： 几何形状 材料属性 荷载工况 对称的不同类型： 轴对称 旋转对称 平面或镜面对称 重复或平移对称,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,轴对称 绕某一轴线存在对称性，这类结构有：电灯泡，直管，圆锥体，圆盘和圆屋顶。 对称面就是旋转形成结构的横截面，它可以在任何位置。因此你可以用一个二维“薄片”（旋转360）代表一个真实的模型形状。,
6、在多数情况下加载被假定为轴对称。然而，如果荷载不存在轴对称性，并且是线性分析，可以将荷载分成简谐成分进行独立求解，然后进行叠加。,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,旋转对称 结构由绕轴分布的几个重复部分组成，例如涡轮叶片这类物体。 只须结构的一个部分建立模型。 加载也被假定为轴对称的。,2003年5月,这一模型同时具有镜面对称和旋转对称,基本规划 .如何处理模型?,平面或镜面对称 结构的一半与另一半成镜面映射关系，镜面称为对称平面 载荷可以是关于对称面对称的或反对称的。,2003年5月,这一模型同时具有重复和镜面对称,基本规划 .如何处理模型?,重复或平移对称 结构是由沿一直线分布的
7、重复部分组成，例如，带有均匀分布冷却节的长管等结构。 载荷也被假定为沿模型长度方向“重复”。,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,在某些情况下，仅仅是那些较次要的结构细节破坏了结构对称性。有时这些细节可以忽略（或认为它们是对称的），进而利用对称性的优点建立更小的分析模型。不过这样计算获得结果的精度损失是很难估计的。,2003年5月,基本规划 .如何处理模型?,应力奇异 应力奇异是指在有限元模型中的某些点，应力值无限大。例如： 点荷载，如集中力或集中力矩作用处。 离散约束点导致非零反力如同点荷载。 尖角（零半径倒角）处。 当在应力奇异处网格划分足够细时，该处应力值增大并且不收敛。,200
8、3年5月,基本规划 .如何处理模型?,实际结构并不包含应力奇异问题，它们是由于模型简化所产生的一种假象。 如何处理应力奇异问题呢? 如果应力奇异点远离我们所需要分析的区域，可以忽略它们，简单的方法是在观察结果时不激活应力奇异点的影响区域。 如果应力奇异点位于我们所需要分析的区域，则需要采取正确的处理方式，例如： 在凹角处增加一倒角，重新进行分析。 用等效压力载荷代替一个点载荷。 将一个节点的位移约束分布到一组节点上。,2003年5月,基本规划 C. 选择哪种单元类型?,在您开始分析之前，确定单元类型通常是很重要的。 典型问题有： 选择哪种单元类型？实体单元、壳体单元、梁单元等。 单元位移阶次。
9、线性或二次单元。 网格密度，通常由分析目标决定。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,单元类型 ANSYS提供许多不同类型的单元。经常采用的单元有 线单元 壳单元 二维实体单元 三维实体单元,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,线单元： 梁单元用于螺栓，薄壁管件，C型截面构件，角钢或狭长薄膜构件（只有膜应力和弯应力的情况）等模型。 杆单元用于弹簧、螺杆、预应力螺杆和薄膜桁架等模型。 弹簧单元用于弹簧螺杆、或细长构件，或通过刚度等效替代复杂结构等模型。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,壳单元： 壳单元用于薄面板或曲面模型 “薄”与实际问题有关，但作为一个基
10、本准则，壳单元每块面板的主尺寸不低于其厚度的十倍。,2003年5月,二维实体单元： 二维实体单元用于实体断面的模型。 必须在整体笛卡儿坐标X-Y平面内建立模型。 所有的荷载均作用在X-Y平面内，并且其响应（位移）也在X-Y平面内。 单元特性应为以下类型中的一种： 平面应力 平面应变 轴对称 谐结构和轴对称,基本规划 .选择哪种单元类型?,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,平面应力假定沿Z方向的应力等于零 当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。 沿Z方向的应变不为零 沿Z方向允许具有任意厚度。 平面应力分析是用来分析诸如承受面内荷载的平板，承受压力或远离中心荷载的薄
11、圆盘等结构。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,平面应变假设沿Z方向的应变等于零。 当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。 沿Z方向的应力不为零。 平面应变分析是用于分析狭长等截面结构诸如建筑中的梁。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,轴对称假定三维实体模型是由X-Y面内的横截面绕Y轴旋转360形成的。 对称轴必须和整体Y轴重合 不允许有负X坐标。 Y方向是轴向，X方向是径向，Z方向是周向。 周向位移是零，周向应力和应变十分明显。 轴对称分析用于压力容器、直管道、轴等结构。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,轴对称谐单元是一种特殊情形的
12、轴对称，其荷载可以不是轴对称的。 将轴对称结构承受的非对称荷载分解成傅立叶级数，傅立叶级数的每一部分独立进行求解，然后再合并到一起。这种简化处理本身不具有任何近似性。 轴对称谐单元分析用于承受非对称荷载的结构，例如扭矩的杆件。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,三维实体单元： 用于那些由于几何、材料、荷载或分析要求考虑细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构。 也适用于从三维CAD系统转化过来的几何模型，把它转化成为二维或壳体需要花费大量的时间和精力。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,单元阶次 单元阶次是指单元形函数的多项式阶次。 什么是形函数？ 它是一个给
13、出单元形态结果的数学函数。因为FEA的解答只是求解节点自由度值。所以我们要通过形函数用节点自由度的值来描述单元内任意点的值。 形函数总是根据给定的单元特性来设定。 每一个单元形函数反映单元真实特性的程度直接影响求解精度。这一点在下一幻灯片中详细说明,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,当您选择了单元类型，您就选择并接受了相应单元类型的单元形函数。所以在您选择单元类型之前应查看单元形函数信息。 例如，线性单元只有端节点，而二次单元还存在中节点。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,线性单元 线性单元内的位移按线性变化，因此（
14、大多数时）单个单元上的应力是不变的。 线性单元对扭曲变形很敏感。 如果你只想得到名义应力结果，这是可以采用的。 应该在应力梯度较大的地方划分大量的单元,二次单元 二次单元内的位移是二次变化的，因此单个单元上的应力状态是线性变化的。 二次单元在描述曲线边界或曲面时，要比线性单元更精确。而对单元扭曲变形不敏感。 如果您想得到高精度的应力，请采用二次单元。 通常情况，它与线性单元相比，采用的单元个数和自由度个数较少，而得到的结果精度较高。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,注意： 对于壳体模型，线性单元与二次单元的区别不如实体模型那么明显。所以线性壳体单元经常被采用。 除了线性单元和二
15、次单元以外，第三种单元（ P-单元）也是有用的。P-单元内的位移是从二阶到八阶变化的，而且具有求解收敛自动控制功能，各位置分析自动采用应当采用的阶数。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,网格密度 有限元分析的基本原则是：单元的数目越多（单元密度），所得解答越逼近真实解答。 然而，当你增加单元数目的同时，求解时间和所需计算机资源也急剧增加。 有限元分析的目标决定了你应该采用那种网格密度。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,如果你想得到高精度的应力： 在结构上有精度要求的位置不能忽略几何细节，此时应采用细分网格。 应先考虑应力集中。 模型中的任何简化都有可能导致明显的误差。 如果你考虑变形或名义应力： 采用相对粗糙的模型就足够了。 可以忽略微小的几何细节。,2003年5月,基本规划 .选择哪种单元类型?,如果你考虑模态振型（模态分析）： 通常忽略小细节。 采用相对较粗的网格就可以得到简单的模态振型。 采用均衡的适度的细网格可以得到复杂的模态振型。 热分析： 小的细节通常可以忽略，但由于许多热分析伴随着应力分析，而应力分析通常需要考虑模型的细节。 网格密度通常是由预期的热梯度决定的。热梯度大的地方，网格划分应细一些，而热梯度较小的地方，采用粗网格划分就足够了。,
