1、机械与动力工程学院机械与动力工程学院CAD/CAM工程技术研究中心工程技术研究中心ANSYS Workbench静力学有限元分析前、后处理技术 主讲人：张兵2014年12月12日机械与动力工程学院机械与动力工程学院CAD/CAM工程技术研究中心工程技术研究中心ANSYS Workbench有限元分析流程：确定分析类型确定分析类型导入导入CADCAD模型模型设置材料属性设置材料属性设置接触关系设置接触关系划分网格划分网格添加载荷以及约束添加载荷以及约束求解选项定义求解选项定义分析求解分析求解结果后处理结果后处理生成有限元分析报告生成有限元分析报告主要内容一、静力学有限元分析的前处理技术一、静力学
2、有限元分析的前处理技术 材料属性 载荷及约束的施加 单/多载荷步静力求解二、静力学有限元分析的后处理技术二、静力学有限元分析的后处理技术 分析求解方法 结果查看 分析结果处理 实例操作讲解三、练习三、练习一、前处理技术 前处理前处理是创建分析模型的阶段，也是将连是创建分析模型的阶段，也是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示求解域个单元内假设的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数的过程。上待求的未知场函数的过程。 在正确建立在正确建立单元类型单元类型、施加载荷施加载荷及及边界条边界条件件的的材料类型材料类型
3、、定义求解器所需的、定义求解器所需的控制卡片控制卡片等等各类满足求解所需的必要信息后，即可得到求各类满足求解所需的必要信息后，即可得到求解器可以识别的模型文件，然后解器可以识别的模型文件，然后提交求解器提交求解器进进行解算。行解算。一、前处理技术 在工具箱中的Analysis SystemStatic Structural上按住鼠标左键拖曳到项目管理区中，当项目A的Symmetry红色高亮显示时，放开鼠标创建项目B，此时相关联的项数据可共享，如下图所示。建立分析项目建立分析项目一、前处理技术1.1材料属性定义一、前处理技术添加材料库(1)双击项目A中的A2栏Engineering Data项，
4、进入下图所示的材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。一、前处理技术添加材料库(2)在界面的空白处单击鼠标右键，弹出快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源），此时的界面会变为如下图所示的界面。一、前处理技术添加材料库(3)在Engineering Data Sources表中选择A3栏General Materials，然后单击Outline of Favorites表中A11栏Stainless Steel（不锈钢）后的B11栏的（添加），此时在C11栏中会显示（使用中的）标识，如下图左所示，标识材料添加成功。(4)在Properties of
5、Outline Row 11:Stainless Steel表中显示出材料的特性，如下图右所示。(5)单击工具栏中的按钮，返回到Workbench主界面，材料库添加完毕。添加材料图材料参数窗口一、前处理技术由于惯性载荷作用在整个系统中，由于惯性载荷作用在整个系统中，常常与结构的质量有关，因此材料常常与结构的质量有关，因此材料属性中必须有密度！属性中必须有密度！一、前处理技术添加模型材料属性添加材料图添加材料后的分析树一、前处理技术1.2 载荷施加与约束 惯性载荷这些载荷作用在整个系统中需要用到质量的时候密度是必须的 结构载荷这种载荷是作用在系统部分结构上的力或者力矩 结构约束这些是利用约束来限
6、制结构部件在一定范围内的移动，也就是限制结构的自由度 热载荷从结构上讲，热载荷会产生温度区域并且在整个模型上引起热扩散。一、前处理技术1.2.1 载荷类型惯性载荷惯性载荷结构载荷结构载荷结构约束结构约束节点载荷与节点约束节点载荷与节点约束一、前处理技术1.2.1 载荷类型加速度加速度重力加速度重力加速度旋转加速度旋转加速度压力压力节点载荷节点载荷静水压力静水压力力力远端载荷远端载荷轴承载荷轴承载荷螺栓载荷螺栓载荷力矩力矩线压力线压力热载荷热载荷一、前处理技术1.2.1 载荷类型 惯性载荷（Inertial） 是通过施加加速度实现的，在程序内部加速度是通过惯性力施加到结构上的，而惯性力的方向与所
7、施加的加速度方向恰好相反，因为惯性力是阻止加速度所产生的变化的，一定要牢记这一点！通过鼠标选中 来定义加速度通过鼠标选中 来定义标准地球重力加速度通过鼠标选中 来定义旋转速度，注意缺省单位为rad/s一、前处理技术1.2.1 载荷类型 结构载荷（Inertial） 是作用在系统或部件结构上的力或力矩。力载荷集成到了结构分析的Loads子菜单中。一、前处理技术1.2.1 载荷类型 力和压力载荷力载荷（Force） 力可以施加在结构顶点、边缘或者表面等位置，且施加的力将分布到整个结构中去，当一个力施加到两个同样的表面上时，每个表面将承受这个力的一半，可以定义矢量、大小以及分量来施加。压力载荷（Pr
8、essure） 压力载荷只能施加在表面，并且方向通常与表面的法向方向一致，正值代表进入表面，负值代表从表面出来。一、前处理技术1.2.1 载荷类型远端载荷（Remote Force） 远端载荷是在几何模型的表面或边上施加偏置的力，并设定力的初始位置，力可以通过矢量和大小或分量来定义。若在某面上施加一远端载荷后，则相当于在这个面上得到一个等效力和偏置所引起的力矩，而这个力分布在表面上，但是包括由于力偏置而引起的外力偶矩。一、前处理技术1.2.1 载荷类型 轴承载荷仅适用于圆柱形表面。其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷，而轴向载荷分量则沿着圆周均匀分布。载荷可以通过矢量和幅值来定义。轴承载荷（
9、Bearing Load） 一、前处理技术1.2.1 载荷类型 螺栓载荷就是在圆柱截面上施加预紧载荷以模拟螺栓连接，且预紧载荷值只能使用在3D模拟中加载，还需要定义一个以Z轴为主方向的局部坐标系。螺栓载荷（Bolt Pretension） 一、前处理技术1.2.1 载荷类型 力矩可以施加在任意模型表面，实体表面的点上或边缘处。假如选择了多个表面，那么力矩将分摊在这些表面上。可以通过矢量及其大小定义，遵守右手螺旋定则。力矩（Moment） 一、前处理技术1.2.1 载荷类型 线压力就是在三维模型中通过载荷密度形式给一边施加分布载荷，其定义方式有幅值和向量、幅值和分量方向（总体或局部坐标系）、幅值
10、和切向3种。线压力（Line Pressure） 一、前处理技术1.2.1 载荷类型 热载荷可以施加在模型上，任何温度载荷都可以施加，但在结构分析中施加一个均匀温度载荷，必须制定一个参考温度。 在Mechanical中通常先进行热分析，然后在结构分析时将计算所得到的温度作为外载荷输入。热载荷（Thermal Condition） 一、前处理技术1.2.2 约束类型固定约束固定约束位移约束位移约束仅压缩约束仅压缩约束无摩擦支撑约束无摩擦支撑约束远端位移约束远端位移约束弹性支撑约束弹性支撑约束圆柱面约束圆柱面约束约束方程约束方程一、前处理技术1.2.2 约束类型 固定约束可以加载于实体、顶点、边缘
11、、面、壳或者梁上，从而约束相对应单元的自由度。固定约束（Fixed Support） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 在加载给定位移时要注意：-可以在顶点、体边缘或面上加载已知位移-允许在x、y和z方向给予强制位移-当输入“0”值时，代表此方向上被约束-如果不设定某个方向的值则意味着实体在这个方向上自由运动位移约束（Displacement） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 远端位移允许在空间中的任意一个远程位置应用平动和旋转位移。需要通过点取或输入坐标值定义远端的定位点，默认位置为模型质心，通常用局部坐标施加转角。远端位移约束（Remote Displacement） 一、前处理技术
12、1.2.2 约束类型 无摩擦约束实际是在面上施加了法向约束。对称实体受到对称的外载时，这个约束可以作为对称面的边界条件，因为对称面等同于约束了法向位移。无摩擦支撑（Frictionless Support） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 仅压缩约束是指给几何体表面施加只有方法向压缩的约束，这个约束仅限制这个表面在法向正方向的约束，在Mechanical内部计算时需要进行迭代求解。仅压缩约束（compression only support） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 圆柱面约束施加在圆柱表面，可以指定是轴向、径向或者切向约束，如下图所示。注意：该约束仅仅适用于小变形（线性）分析
13、。圆柱面约束（Cylindrical Support） 一、前处理技术1.2.2 约束类型弹性支承允许面或边根据弹簧行为产生移动或变形。弹性支承基于定义的基础刚度【Foundation Stiffness】，即产生基础单位法向变形的压力值。弹性支承（Elastic Support） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 简支约束仅用于面体或线体模型的3D模拟，可以施加在梁或壳体的边或者顶点上，限制平移，但是所有旋转都是自由的。简支约束（Simply Support） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 可以施加在壳或梁的表面、边或者顶点上，约束旋转，但是平移不限制。固定转动（Fixed Rota
14、tion） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 通常分析模型中，通过建立零件或接触条件建立不同自由度之间的关系，但有时也需要构造特殊的几何特征，比如等势面，此时可以使用耦合边界条件在一组表面/边/点上创建耦合自由度，耦合约束组中所有成员的结果是相同的。耦合也可用于热和电场环境。同一个几何实体只能定义一个耦合自由度，耦合约束不能施加在有自由度约束的几何实体上。耦合（Coupling） 一、前处理技术1.2.2 约束类型 约束方程可以建立模型不同部分之间的运动关系，利用方程将一个或多个远端点自由度联系起来。约束方程为自由度值的线性组合，方程中的每一项为系数与远端自由度的乘积，线性组合的综合可以为非
15、零值。约束方程（Constraint Equation） 一、前处理技术附: 命名选择集命名选择集允许把点，边，面或实体组合在一起。它可用于网格加密控制，施加载荷和约束等。为需要经常选择的几何集提供了一个简便方法 定义接触域 指定结果 等命名选择集工具栏为组合几何实体提供了很好的功能： 一、前处理技术附: 命名选择集创建命名选择集： 选择感兴趣的点、边、面或实体，然后右击鼠标选择Create Named Selection 图标 新的命名集将出现在Outline Tree（大纲树）下。提示：在一个指定的命名选择集里只允许出现一种实体类型。例如，在相同的命名集里就不能同时出现点和边。一、前处理技
16、术附: 命名选择集在很多细节窗口中可以直接引用命名选择集：示例（压载荷）： 在Details of Pressure中，把Method由Geometry Selection换成Named Selection 从下拉菜单中选择Named Selection模拟时会过滤掉不能使用的命名选择集类型一、前处理技术附: 坐标系Coordinate Systems通常默认的是不显示，但是可以进行添加得到。Coordinate systems 可用于网格控制、质量点、指定方向的载荷和结果。 基于CAD原始模型，开始就添加了Global Coordinate System（整体坐标系）。 ？ 可以从CAD系统
17、中导入Local Coordinate Systems（局部坐标系）一、前处理技术附: 坐标系坐标系可以通过点击环境工具栏上的Coordinate System图标可以是直角坐标或柱坐标在定义了坐标系以后，就会出现相应的工具栏。可以通过下面任意一种方式定义局部坐标系： 选择几何（结合坐标系Associative Coordinate System）。坐标系会移动到几何上，它的平移和旋转都依赖于几何模型。 指定坐标（没有结合坐标系Non-Associative Coordinate System）。坐标系将保持原有的定义：它独立于几何模型.一、前处理技术附: 坐标系在各种应用中的细节窗口的下拉菜
18、单中都可以使用坐标系（见下面例子）：指定方向指定方向影响球尺寸影响球尺寸质量点质量点指定方向载荷指定方向载荷指定方向位移指定方向位移一、前处理技术1.3 接触（Contacts）存在多个部件时，需要确定部分之间的相互关系。 接触区域定义部件是如何相互作用的。若不进行接触或点焊设置，部件将不会相互影响： 在结构分析，接触和点焊防止部件防止部件的相互渗透，同时也提供了部件之间荷载传递的方法。 在热分析，接触和点焊允许部件之间的热传递。 多体部件不需要接触或点焊。表面接触单元可以看作是“皮肤”，它覆盖的地区将发生接触。一、前处理技术1.3 接触（Contacts） 接触【Contacts】包括面/面
19、、面/边、边/边之间的接触【Contact】和点焊接触【Spot Weld】。当装配体输入时，两个零件之间自动形成接触，接触连接可以传递结构载荷和热流，根据接触类型，分析可以是线性或非线性的。一、前处理技术1.3 接触（Contacts） 接触区域控制一、前处理技术1.3 接触（Contacts）Bonded（绑定）（绑定）: 这是AWE中关于接触的默认设置。如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离。可以将此区域看做被连接在一起。因为接触长度/面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。Friction
20、less（无摩擦）（无摩擦）: 这种接触类型代表单边接触，即，如果出现分离则法向压力为零。只适用于面接触。因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。它是非线性求解，因为在载荷施加过程中接触面积可能会发生改变。假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动。使用这种接触方式时，需注意模型约束的定义，防止出现欠约束。程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，以得到合理的解。一、前处理技术1.3 接触（Contacts）Rough（粗糙的）（粗糙的）: 这种接触方式和无摩擦类似。但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动。只适用于面接触。默认情况下，不自动消除间隙。这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大。Frict
21、ional（有摩擦）（有摩擦）: 这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。有点像胶水。模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为接触压力的一部分。一旦剪应力超过此值，两面将发生相对滑动。只适用于面接触。摩擦系数可以是任意非负值。No Separation（不分离）（不分离）: 这种接触方式和绑定类似。它只适用于面。不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。（不支持显示动力学）一、前处理技术1.3 接触（Contacts）输入装配体，自动检测接触面并生成接触对: 临近面用于检测接触状态。接触探测公差在“Connections”分支细节可以看到
22、。接触也是使用的二维几何体。接触“面”是指的边界。某些许可允许表面到边缘，边缘到边缘和混合体/面接触。请注意，需要在进行分析之前检查自动生成的接触对。一、前处理技术1.3 接触（Contacts）在“contact”分支点击某个接触对，构成这个接触对的部件就会变成透明的，以便观察。选取一个接触对，与该接触对无关的部件变成透明的。透明度可以通过“Tools Options Simulation:Contact: Transparency”控制. 一、前处理技术1.3 接触（Contacts）选择“contact”和“target”面手动定义接触对。一、前处理技术1.3 接触（Contacts）高
23、级接触：对ANSYS Professional许可和以上，高级接触操作是可行的：自动检测尺寸和滑动不对称接触接触结果工具更多接触可用公式Pinball 控制一、前处理技术1.3 接触（Contacts）Pinball 区域表示接触探测区域： 当接触间隙在pinball 半径内时进行接触计算/检测。 可输入Pinball半径尺寸，以确保粘性接触是一个大间隙或裂口问题成立。 Pinball半径以球形显示在图形窗口中。 四种接触状态：近场，远场，关闭/滑动，关闭/粘着。一、前处理技术练习：目标目标:研究多种接触的行为。研究多种接触的行为。一、前处理技术载荷步设置1.4 单/多载荷步静力求解二、后处理
24、技术插入结果2.1分析求解方法选取应力分支的模板，一些结果已经默认被要求，然而，用户可以根据需要要求别的结果 选择“Insert Results” 插图显示出怎样进行添加二、后处理技术结果求解2.1分析求解方法定义了材料，施加载荷和约束，添加结果后，模型便做好了求解的准备了 选择“Solve”后，出现一个插图，告诉用户已经开始求解二、后处理技术2.2 分析结果查看求解完成后，用户可以查看到结果 结果的种类取决于分析的类型 云图、矢量图、动画都可以二、后处理技术2.3 分析结果处理动画控制动画控制显示模式显示模式云图设置云图设置轮廓线显示轮廓线显示最大最大/小值显示小值显示数值探测工具数值探测工
25、具输出输出AVI二、后处理技术位移缩放比例对于结构分析(静态、模态、屈曲), 模型的变形情况将发生变化 在默认状态下, 为了更清楚的看到结构的变化，比例系数自动被放大 用户能够改变为实际变形情况自动位移缩放系数自动位移缩放系数无位移缩放系数无位移缩放系数二、后处理技术位移缩放比例“Geometry” 按钮控制云图显示方法. ExteriorIsoSurfacesCapped IsoSurfaces二、后处理技术云图设置“Contours” 按钮控制控制模型的云图显示Smooth Contours Contours Bands Isolines Solid Fill二、后处理技术轮廓显示“Con
26、tours” 按钮控制控制模型的云图显示No Wireframe Show Undeformed WireframeShow Undeformed ModelShow Element二、后处理技术Probe工具Probe 工具允许指定特定位置的结果并使其参数化。Probe 工具可限定于几何模型，局部坐标系或使用远程点来指定。结果的方向可以以整体或局部坐标系指定。二、后处理技术Probe工具Probe 工具示例：如图定义局部坐标系Probe 设置在局部坐标系上指定所有应力结果局部坐标系局部坐标系 Probe位置位置 二、后处理技术图形和表格把多分析步（静态或瞬态）的结果数据联合成图形或表格的形式
27、：选择New Chart and Table图标在details of Multiple Selection中选中需要的结果。按住CTRL键选择多个结果在details of Multiple Selection中选择需要显示的项目。 二、后处理技术指定结果在后处理中，显示限定结果很有用：指定自动缩放选定区域结果的图例。指定等高线结果：先选中几何模型，然后指定感兴趣的结果。没有选中的几何模型将显示成半透明的。 二、后处理技术指定面或部件上的结果示例：指定单个部件上的结果指定单个部件上的结果所选面上的应力结果所选面上的应力结果单个部件上的主应力矢量单个部件上的主应力矢量二、后处理技术指定边和点上
28、的结果指定边和点上的结果可以指定单个边（或点）上的结果：为指定结果选择一条独立边.二、后处理技术指定一条路径上的结果指定一条路径上的结果结果可以映射到按以下方式定义的路径上：一个坐标系统（或多个坐标系统）存在的几何模型（边或点）存在的点二、后处理技术矢量显示矢量图包含了任意结果的大小和方向，如挠度，主应力和主应变，以及热通量。 通过矢量图形图标激活适量大小的矢量。一旦矢量可见，可以通过矢量显示控制改变它们的外观。（见下一页的示例）二、后处理技术矢量显示在wireframe 模式下，能更好地观察矢量图显示情况矢量显示包含任何一个带方向的矢量结果, 例如变形,主应力/应变, 和热流等等二、后处理技术结果输出 来自Design Simulation 的表格数值能输出到Excel表格进行数据处理 输出Worksheet 表信息, 按下面步骤进行: 选择分支并且点击Worksheet 表 右击同一个分支并且选择“输出（Export）” 输出云图结果 右击想输出的分支结果并且选择“输出（Export）” 节点号和结果数将被输出 输出大量的数据会占用较多的CPU 时间二、后处理技术练习目标：目标：分析下面所示的高压排气组件，然后使用高级后处理特点分析下面所示的高压排气组件，然后使用高级后处理特点来查看应力和变形结果。来查看应力和变形结果。
