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简易桁架桥模型3D图纸 STEP格式

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名称:简易桁架桥模型3D图纸

格式:STEP格式

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ANSYS WORKBENCH的总体介绍

ANSYS WORKBENCH的总体介绍

如何学习ANSYS WORKBENCH

我想,首先需要对于ANSYS WORKBENCH有一个总体了解。知道一个软件可以做什么事情,然后弄清楚我们自己到底想要做什么,然后再去寻找学习的道路,这就是所谓知己知彼。

那么 ANSYS WORKBENCH可以做什么呢?

有些人说,它是一个有限元软件平台。这总体上正确,但并不完全正确。实际上,ANSYS WORKBENCH包含了一系列软件,虽然绝大部分软件使用有限元方法进行编制的,但是也有部分软件使用了有限体积法,也有软件使用了无网格方法。所以,一概的说明它是有限元软件是不大正确的。

让我们说得更高一点吧。

万事万物,其间自有规律存在,所有的学科都致力于寻求该学科研究范围内部的各种规律。那么什么是规律?无非是事物内部的各种关系而已。这些关系,在数学上,就表现为数量之间的关系。而数量之间的关系,可能是平级的,那么就是代数方程。如果是有原因和结果关系的,那么就表现为微分方程或者积分方程。在同一个事物内部存在的关系未必只有一种,可能有多种,那么就会有多个方程出现,这就构成了方程组。比如说,对于固体力学而言,就有3个静力平衡方程,6个几何方程,6个物理方程。这些方程有代数方程,也有微分方程。这就构成了一个微分-代数方程组。不仅是固体力学,流体力学也是如此,传热学是如此,而电磁场也是如此。

这样,我们面对的是代数-微分方程组的求解问题。

如何求解这些方程组?在数学上,这很困难,尤其是当边界并不那么规则时。

解析法只能求解非常特定的问题,但是实际问题总是奇奇怪怪的,所以我们需要寻找另外的方法。于是有所谓的半解析法,无非是用幂函数或者三角函数的组合来确定问题的解析解,这种方法对于实际问题也很难凑效。于是出现了数值解法。

数值解法多种多样,如有限元法,有限体积法,边界元法,有限差分法,无网格方法等。一般而言,对于结构的计算,用有限元法比较合适;对于流体仿真,用有限体积法;而对于无限域声场的分析,主要用边界元法;有限差分法出现得很早,但是很少看到软件去使用它。至于无网格方法,因为不需要网格,主要用在那些用网格无法表达的场合,例如爆炸,碎片魂飞魄散,一旦分开后就杳无音信,此时网格方法无能为力,只好求助于无网格方法。

各种各样的分析软件,都是用到上面的数值方法中的一种或者多种,然后用FORTRAN,C,C++编制了程序,这些程序的主体就是数值解法;而为了用户使用方便,也会整出一堆花花绿绿,让人爽心悦目的窗口界面,以吸引用户的眼球,为用户的数据输入和输出提供方便。

ANSYS就是这样一种数值分析软件,它面对的是固体的力学分析,流体的力学分析,温度场的分析,以及电磁场的分析。它主要使用了有限元法,同时也部分使用了有限体积法和无网格方法。针对不同的分析,给出了诸多分析系统。下面以ANSYS14简要说明之。

ANSYS14的功能主要体现在WORKBENCH的工具箱中。下面是它的工具箱。


这四个项目,第一项是分析系统,最常用;第二项是组件系统,就是构成分析系统的各个组成元素,我们可以搭积木一样,任意拼接,从而组成自己所需要的分析系统;第三项实际上是耦合分析,这就是ANSYS鼓吹的自己多物理场耦合的特色。这里面给出了几种常见的多物理场耦合的方式。第四项则是设计探索,其实就是优化设计和可靠性设计那一套。此时需要对某一种分析反复迭代,从而得到最优解。

先看第一项,分析系统。展开它。

这里面的分析系统,看上去很多,令人眼花缭乱。实际上就是四类:固体分析;流体分析;热分析;电磁场分析。

对于固体分析,有静力学分析和动力学分析。

静力学分析中,有两支。第一支就是纯粹的静力学分析,static structural,以及static structural(samcef),分别用不同的求解器计算静力学问题。这实际上是我们绝大多数CAE工程师工作的地方。很多人一辈子只做静力学分析,而对于别的分析不管不顾,这主要是工作的需要。经常有人问我,在静力学分析方面,相比PATRAN,ABAQUS而言,ANSYS有什么优点?由于静力学分析包含线性分析和非线性分析,而非线性分析又包含材料非线性,边界非线性,几何非线性三支。实际上,对于线性问题而言,三者都差不多。对于非线性分析而言,ABAQUS是不错的选择。除了静力学分析,然后就是linear buckling所谓的线性屈曲问题,其实就是我们在材料力学中的压杆稳定。确定临界载荷,并画出屈曲模态。这都属于静力学范畴。

动力学分析则范围广阔。包含modal模态分析,modal(samcef)模态分析,harmonic response谐响应分析,random vibriation随机振动分析,response spectrum响应谱分析。这些分析之中,模态分析至关重要。因为所谓的谐响应分析,随机振动分析,响应谱分析都以之为基础。

还有瞬态动力学分析,就是当激励很快的改变时,要求结构的响应问题。这种问题出现得如此频繁,对它的研究就相当重要。有所谓的隐式解法和显式解法来对付它。隐式解法就说,求解当前的时间步还需要用到后面时间步的信息;而显式解法是,只根据前面的时间步就可以得到当前的解答了。在ANSYS中,transient structural用的是隐式解法,而explicit dynamics用的是显式解法。一般而言,显式解法面对的都是时间很短暂的问题,例如冲击,碰撞,波的传播等。隐式解法所面对的时间则要较长一些。

除此以外,ANSYS还提供了对于多刚体动力学的支持。这在最初的版本里面是没有的,而且有些出乎我们一般人的意料。ANSYS在很多人眼中,是面对变形体的;而对于多刚体动力学,ADAMS,DADS,SIMPACK就做得很出色。但是ANSYS也加入了一个多刚体动力学模块,就是rigid dynamics。其功能相比ADAMS而言,还是有差距。毕竟别人是专门做多刚体动力学仿真的软件。不过,ANSYS 加入这一模块的目的,应该主要是为了做刚柔耦合仿真,只在ANSYS内部做,而不要联合一堆软件。所以,虽然rigid dynamics比ADAMS而言,还是有不少差距,但是对于在一个软件内部做刚柔耦合仿真,ANSYS这种举措还是有吸引力的。笔者十年前做刚柔耦合仿真,需要在ANSYS中生成模态中性文件,然后导入到ADAMS中,一旦到ADAMS中后,对于连接点,施加载荷的方式有诸多限制,让人深感不爽。而现在,只是借助于ANSYS做刚柔耦合仿真,则要舒服很多。

下面看流体分析。

主要有四个分析系统。一个是fluid flow(CFX),一个是fluid flow(fluent),一个是fluid flow(polyflow),一个是fluid flow-blowmodling(polyflow).其中,前两个软件本是世界上数一数二的计算流体动力学分析软件,CFX,FLUENT,二者在流体分析领域赫赫有名,被ANSYS所收购。而后二者主要针对材料成型的仿真,例如吹塑,注塑成型等。主要用于粘弹性材料的流动仿真。我们学习机械的都知道,塑料成型的仿真是一大主题,而POLYFLOW则可以很好的为这一主题服务。

接着是热分析。很有限的支持。steady-state thermal稳态热分析和transient thermal瞬态热分析两个分析系统。热分析在我们外人看来很简单,无非就是考虑热传导,对流,辐射情况下物体上面的温度分布而已。就热分析而言,FloTHERM应该是首选。ANSYS提供了我们所需要的最简单的热分析功能。

然后是电磁场分析。electric是静电场分析,magnetostatic是静磁场分析。功能也很简单。更高级的电磁场分析在ANSOFT中了。

接着看组件系统。

这里面包含了诸多单元模块,是构成前面分析系统的基础。可以组装,也可以单独使用。限于篇幅,不再赘述。

用户系统,则包含的是常见的耦合场分析。如下图。

image

例如前两个是流固体耦合分析,分别是从CFX,FLUENT到静力学分析的耦合;然后是预应力模态的分析,就是先做静力学分析,得到应力后,再做模态分析;接着是随机振动分析,就是先做模态分析,再做随机振动分析;接着是响应谱分析,同样是先做模态分析,再做响应谱分析;最后是热应力问题,是先做热分析,得到温度后,把温度导入到结构场,再做应力分析。

最后是设计探索模块。如下图。

image

第一个是全局优化,就是优化设计的内容。无非就是确定优化模型,然后选择一个初始设计点,做一次仿真,然后依据某种规则,找到另外一个设计点,再做一次仿真。如此反复不已,直到最后,发现目标值已经收敛,就不再仿真了,从而得到所谓的最优解。

第二个是参数关联,用于建立参数之间的相互关系。

第三个是响应面,是根据前面的有限次仿真,找到设计变量和目标变量之间的关系,从而用一个所谓的响应面勾勒出来,实际上就是曲线拟合的问题。

最后一个是6sigma分析,所谓的鲁棒性分析,质量工程那一套。看看当设计变量发生某种变动(例如服从正态分布)的时候,我们的目标变量的变化如何,是否在我们所限定的范围之内。

这篇文章是对于ANSYS WORKBENCH的一个总体介绍,下篇文章再说明具体的学习方法。

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Ansys workbench14.0机械设计模块中静力分析案例

Ansys workbench14.0机械设计模块中静力分析案例

这个案例演示ANSYS WORKBENCH 14.0机械设计模块中静力分析模块,通过对一个焊接机器人手臂模型进行模拟其工作状态下的受力分析来演示此模块的功能。

1.5.1案例介绍

此次使用某焊接机器人回转手臂模型进行静态力学分析。通过施加一个拉力模拟其回转时外部零件对其产生的应力效果以及一个重力。同时通过加细应力相对集中区域的网格来增加应力计算的精度。

1.5.2导入模型

(1) 首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0 。单击Toolbox(工具箱)→Static Structural(静力分析模块)。开始此次分析过程。如图-1所示。

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图-1 打开静力学分析模块

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图-2 导入模型

(2)在材料属性定义方面,由于此次仅仅是对ANSYS WORKBNCH 14.0进行操作演示,故暂不修改,而使用默认的“不锈钢”材质的材料参数。

(3)下面导入模型文件。双击项目A3项进入DM模块。

(4)进入DM模块后单击菜单栏上的File(文件)→Import External Geometry File(输入模型文件)。如图-2所示。

(5)找到模型文件后单击→单击“打开”按钮。如图-3所示。

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图-3 打开模型文件

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图-4 刷新模型文件信息

(6)模型导入DM模块后会在其Outline(分析树)产生一个Import 1 的图标。

在图标前方有一个小的黄色闪电符号,这说明这里的信息需要更新,向上单击Generate(刷新)按钮。 如图-4所示。

(7)经过几分钟后,模型刷新完毕。如图-5所示。

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图-5 导入后的模型

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图-6 保存并退出DM模块

(8)完成模型文件导入后我们保存项目文件并退出DM 模块。

单击File(文件)→Save Project (保存项目文件)如图-6所示。这时程序会自动弹出一个“另存为”对话框。如图-7所示。

在合适的文件夹处将此次分析的项目文件命名为“1”→单击“保存”按钮。然后回到DM模块继续单击File(文件)→Close Design Modeler(关闭Dm 模块)。如图-6所示。

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图-7 保存项目文件

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图-8 划分网格

1.5.3划分网格

(1)回到项目管理区。双击A4 项Model(网格)。如图-8所示。

(2)在机械设计模块开启过程中程序会自动出现 Attach Status(连接状况)对话框显示运行进度。此为自动执行过程,不需要其它操作。当连接执行完毕后此对话框也会自动消失。如图-8所示。

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图-8 连接状况

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图-9 自动划分网格

(3)进入机械设计模块后我们首先执行自动化网格划分。通过查看网格质量以及数量来决定是否进行网格控制操作。

单击Outline(分析树)→Mesh(网格)→Update(刷新网格)。如图-9所示。

(4) 大约10分钟后网格划分完毕。如图-10所示。

由此可见,由于模型曲面较多,自动化的网格划分较为粗糙。这里使用边线网格控制功能。

单击Details if “Mseh”(网格的详细信息)→Use Advanced Size(先进网格尺寸控制)→下拉菜单里面选择第二项On:Proximity and Curvature(在边及线上)。如图-11所示。

然后单击

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(刷新网格)按钮。刷新网格需要消耗接近一个小时时间,请耐心等待。

注意:使用此种网格控制会极大的增加网格的数量,同时带来分析规模的大幅度增加。如果模型较为复杂或者零件较多,建议使用尽量高级的电脑。

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图- 10自动划分后的网格

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图-11 使用网格控制

(5) 执行网格划分操作时程序会自动出现ANSYS Workbench Update Model Status(网格刷新情况)对话框,显示并可监视网格划分的进度。在网格划分完毕后其回自动消失。

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图-12 网格刷新情况

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图-13 划分后的网格

(6)图-13为网格划分后的情况,对比第一次图10的网格,此次更加细致并相对更为规整,基本都是四面体网格。当然网格数量也随之大幅度增加。单击Details of “Mesh”(网格的详细信息)在最下面的Statistics(网格统计)里面可以看见此次节点数暴增至2222384个,单元数1455163个。大约145万节点需要相当多的运算时间。如图-14所示。

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图-14 网格的详细信息

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图-15 施加固定位移约束

1.5.4施加约束及荷载

(1)首先施加一个固定位移约束模拟模型底部固定时的状态。

单击Outline(分析树)→Static Structural (A 5)→Supports(支撑)→Fixed Support(固定位移约束)→回到模型空间在下方圆环面上单击。如图-15所示。

(2)回到Details of “Fixed Support”(固定位移约束的详细信息)在→Geometry(模型)中单击Apply(确定)按钮。如图16所示。

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图-16 确定约束面

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图-17施加力荷载

(3)单击Loads(荷载)→Force(力)→回到模型空间单击上方相对较小圆环面。如图-18所示。

(4)回到Details of “Force”(力荷载的详细信息)→Geometry(模型)→单击Apply(确定)。如图-19所示。

(5)向下在Magnitude(数量)里面输入1000牛顿。如图-20所示。

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图-19 确定荷载施加面

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图-20 设定荷载的大小

(6)再向下回到图-19的Direction(方向)单击以下然后回到模型空间单击其上方的小圆环面这时程序会自动在被选择面出现向外的红色圆柱状箭头预览力的方向,由于实际的力的方向为向模型外侧我们需要更改一下方向。

(7)在模型空间左下角的红黑双色箭头处单击右边的黑色箭头会更改力的作用方向,如图-21所示。

(8)更改后的荷载方向如图-22所示。再回到Details of “Force”(力荷载的详细信息)单击Direction(方向)右边的Apply(确定)按钮。如图-20所示。

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图-21 更改前的方向

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图-22更改后的方向

(9)下面施加重力加速度荷载,模拟其受到的重力作用影响。单击Inertial(加速度)→Acceleration (加速度)。

注意:由于每次模型建立时候的坐标方向不同,笔者每次都是使用Acceleration (加速度)功能并且输入当地重力加速度值来模拟重力加速度。如果模型建立时统一成其重力方向与系统坐标轴方向一致,这里也可以直接单击Standard Earth Gravity(地球重力)按钮。

同时,在各个版本的ANSYS中施加的重力加速度的方向与其产生重力效果的方向是相反的,故当需要模拟向下的重力时,在程序中的箭头方向应该是向上的。

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图-23 施加加速度荷载

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图-24 输入加速度的值

(10)在Details of “Acceleration”(加速度的详细信息)中的Magnitude(数量)里面输入9800。然后单击下面黄色的Direction(方向)这时需要设定重力加速度的方向。如图-24所示。

(11)回到模型空间单击下部突台面,会出现向上的红色圆柱状箭头。图如-25所示。

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图-25设定加速度的方向

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图-26确定方向

(12)在Direction(方向)右边单击Apply(确定)。以完成对等效工作力荷载以及机械手臂自身重力荷载的加载过程。(13)图-27为施加后的重力加速度的方向。

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图-27 加速度的方向

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图-28变形结果后处理

1.5.5求解及后处理

(1)我们需要获得总的以及三个方向上的变形结果同时输出等效应力结果。

首先单击Deformation(变形)→Total(全变形)并且连续单击三次Directional(方向)。如图-28所示。

(2)由于我们需要分别输出X、Y、Z三个方向上的变形在连续单击三次Directional(方向)程序会默认为X Axis(X轴向结果),我们需要分别设定Outline(分析树)→Directional Deformation 2以及Directional Deformation 3中的Orientation(方向)下拉菜单中分别选定Y Axis(Y轴向结果),Z Axis(Z轴向结果)。如图-29所示。

其中X、Y、Z方向遵循预先设定的局部坐标系或者系统坐标系。系统坐标的方向如图-30所示。

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图-29 设定变形输出方向

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图-30 系统坐标轴

(3)下面输出等效应力结果。单击Stress(应力)→Equivalent (等效应力)。如图-31所示。确定各个参数输入正确后单击

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(求解)按钮。

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图-31 等效应力结果

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图-32 求解进度

(4)在计算机求解过程中程序会弹出 ANSYSWorkbench Solution Status(ANSYS求解进度)对话框。显示求解进度。如图-32所示。由此可见,CPU以及内存使用都接近满负荷。

注意:新版本的ANSYSWORKBENCH 14.0 相对稍微老一点的12.1版此处有个改进。原来12.1版的对话框仅仅有Stop Solution(停止分析)按钮,14.0新版增加了一个Interrupt Solution (暂停分析)按钮。这样我们可以在求解过程中暂停分析。但是在划分网格时弹出的进度对话框中没有此暂停功能。

(5)求解结束后,单击Outline(分析树)→Solution Information(分析信息)在右边的Worksheet(工作表)下拉到最下方可见,此次分析使用了1727秒完成,接近半个小时时间。如图-33所示。

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图-33 分析时间

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图-34 全变形结果

(6)下面察看分析结果。单击Outline(分析树)→Total Deformation(全变形)。可见变形为0.31886毫米。如图-34所示。

同样操作可见X方向变形为0.31674毫米,对比全变形的0.31886毫米,可见其X方向变形在整个中所占比例很大,这时由于施加的等效工作荷载1000牛为 X方向所致。

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图-35 X方向变形

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图-36 Y 方向变形

图-37为Z方向的变形结果,变形的数值为0.011488毫米。相对较小。

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图-37 Z方向变形

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图-38 等效应力

图-38为等效应力结果。其数值为42.421兆帕。我们对此应力较为感兴趣,由于有限元分析结果与网格密度相关,为了获得相对更为精确的应力结果我们尝试使用细化网格的网格控制方法。

注意:网格的细化不是提高分析精度的决定性因素。并且过于细化的网格有时甚至会导致错误的结果,请用户辩证判断。

(7)单击Outline(分析树)→Mesh(网格)→Mesh Control(网格控制)→Refinement(细化)。然后回到模型空间选定应力集中区域的曲面,由于曲面较多请先按住键盘Ctrl(控制)键并单击需要选择的面。如图-38所示。

注意:网格细化功能仅仅减小网格尺寸,对其规则性并没有实质性变化。

图-39为选取细化的面。我们要在左右两边同样位置执行同样的细化操作。

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图-38 细化网格控制

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图-39 选取目标面

(8) 我们可以设定网格细化的程度。单击Details of “Refinement”(网格细化的详细信息)中在Refinement(细化程度)后输入3。如图-40所示。

注意:Refinement(细化程度)共有1、2、3级,其中3级最细。

使用此功能会大幅度增加网格数量,同时带来运算规模的大量增加,故如果不是应力,变形等变化梯度较大或较为重要的区域,一般不需要使用3级细化网格控制。

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图-40 细化设置

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图-41 刷新网格

(9) 回到Outline(分析树)在Mesh(网格)下面出现了Refinement以及Refinement 2 两个图标。

回到模型空间放大细化的网格区域会发现,网格确实比其他区域更加细小。如图-42所示。

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图-42 细化后的网格

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图-43 网格统计

(10)单击Update(刷新网格)。此次需要更多时间。网格刷新后单击

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(求解)按钮。执行新的求解。

(12)单击Details of “Mesh”(网格的详细信息)→Statistics(统计)中可以看出节点数为2580786个 ,单元数为1708677个,较第一次的数量大概增加了15%。而这仅仅是细化如此小范围呢的网格带来的增加。如图-43所示。

(11) 打开“任务管理器”查看运行状况。如图-44所示。

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图-44 分析进度

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图-45细化网格后的等效应力结果

(12)经过漫长的等待完成了分析。从等效应力结果的最大值上看起从42.421兆帕增大为42.462兆帕。 变化较小,说明网格已经足够细化,其尺寸大小对结果影响不大了。如图-45所示。

(13)查看第二次分析的求解时间。单击Outline(分析树)→Solution Information(分析信息)右边的Worksheet(工作表)最下方可见求解时间为2337秒,比第一次增多了大概30%,而网格数量仅仅增加了15%,这说明计算机遇到了性能瓶颈。

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图-46 分析信息

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图-47 求解时间

1.5.11保存并退出

(1)单击File(文件)→Save Project(保存项目文件)→Close Mechanical(关闭机械设计模块)。如图-46所示。

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图-46 保存项目文件

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图-47 退出程序

(2)回到项目管理区。单击File(文件)→Exit(退出)。退出程序,完成此次分析。

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案例分享:ANSYS WORKBENCH 14.0空调框架模态分析结构优化

案例分享:ANSYS WORKBENCH 14.0空调框架模态分析结构优化

这个案例是使用ANSYS WORKBENCH 14.0中的模态分析模块进行功能演示。

我们对我国引进某最新核电站技术中的某空调框架结构进行模态分析。通过分析阵型发现结构上的薄弱环节从而使用最有效最简单的加强方案达到结构优化的目的。

1.5.1案例介绍

此案例属于某电厂放射性控制区域通风系统(VAS),其中本次分析的模型是VAS系统里面的化容系统(CVS)冷却空调。关于CVS空调,电站内部员工培训教程中有如下描述:

“其可用于反应堆停堆运行,阻止对安全系统的挑战。而VAS可维持RNS和CVS泵运行环境温度在设计范围内,确保其正常运行。

特定区域温度控制的目的是保证设备的正常运行和防止维修人员在高温下工作,通风系统应能保证电站受控制区域相对于清洁区域或厂房外的微负压,从而减少污染气体不受监控的对外释放。

服务于RNS和CVS泵房的VAS单元冷却器设备应设置冗余的类似设备,保证那些纵深防御系统功能不会丧失。

VAS系统必须维持RNS和CVS泵环境温度在10~54.4℃ (50~130℉)的设计温度范围内。

VAS系统必须监测气体的放射性,一旦监测到高放射性,必须能自动隔离来自辅助厂房及燃料操作区域的正常未经过滤的气体,系统必须自动启动备用的排气过滤系统,提供高效空气微粒过滤器,并维持高放射性厂房微负压。”

1.5.2启动Workbench并建立分析项目

(1) 此次分析我们要做结构加强前以及加强后两次Model(模态分析)。

首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0→双击Toolbox(工具箱)→Analysis System(分析系统)→Model(模态分析模块),生成项目管理文件A1。如图-1所示。

案例分享:ANSYS WORKBENCH 14.0空调框架模态分析结构优化

图-1 打开Model

案例分享:ANSYS WORKBENCH 14.0空调框架模态分析结构优化

图-2 关联Model

(2)然后再次单击Toolbox(工具箱)→Analysis System(分析系统)→Model(模态分析模块)→将其拖动到项目文件A2项 Engineering Data(工程数据)→放开鼠标,生成项目管理文件B。这样项目管理文件A2中的数据会与项目管理文件B2相互关联。如图-2所示。

(3)保存项目文件。单击菜单栏上的File(文件)→Save(保存)按钮,如图-3所示。程序会出现保存路径提示的对话框,在合适的文件夹处将此次分析项目文件保存为1→单击(保存)按钮。

稍等一会程序会完成相关文件的生成以及保存工作。操作如图-4所示。

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图-3 保存文件

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图-4 命名并保存

(4)由于之前文件夹中已经有了一个同名的项目文件“1”,故程序会出现如图-5的提示,单击Yes(确定),以替换掉原来的项目文件。

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图-5 替换文件

1.5.3定义材料属性

(1)定义材料。双击项目管理文件A中的A2项 Engineering Data(工程数据)。如图-6所示。

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图-6 定义材料

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图-7 输入材料数据

(2)此空调框架结构为依照美国ASTM(美国材料协会)标准的低碳钢热浸镀锌型钢焊接结构制造,需要输入相应碳钢的材料属性。

在Properties of outline row 3:Structural Steel中更改B8项Young`s Modulus(弹性模量)输入193Gpa,在B9项目 Poisson`s Ratio(泊松比)输入0.3。如图-7所示。

材料参数设定完毕后,单击

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(返回项目文件)按钮。回到项目管理区。

1.5.4导入模型

(1)单击项目文件A3项的Geometry(模型)。以此进入ANSYS WORKBENCH 14.0 的DM模块完成对模型的导入工作。如图-8所示。

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图-8 进入DM模块

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图-9 导入模型文件

(2)进入DM模块后单击菜单栏上的File(文件)→Import External Geometry File(导入模型文件)。如图-9所示。

(3)找到模型文件,CVS.x-t。

单击其→单击“打开”按钮。如图-10所示。然后单击DM模块菜单栏上的

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(刷新)按钮。来刷新模型文件。

此过程随着模型大小以及复杂程度不同需要几分钟到一个小时的过程,请耐心等待。图-11显示了导入后的模型。

注意:此模型文件是在实际生产用模型的基础上简化了外部面板以及全部内部设备的模型。

由于此次案例是作为教材演示,分析的内容以及深度与笔者实际工作时候稍加简化。比如分析计算主要参考技术规格书以及ASME 核电规范与标准-AG-1 核电厂空气和气体处理中的规定。实际是预应力模态分析,其考虑了风机运行时产生内外压差、内部设备重量、外部管道载荷、顶部在维修时承受的250磅重量、内外温度载荷、瞬态开关压差等等基础上的模态分析。但此并不影响展示如何使用ANSYS WORKBENCH 14.0的Model(模态分析)模块进行结构优化。

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图-10 打开模型文件

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图-11 导入后的模型

(4)完成导入模型后退出DM模块。单击菜单栏上的File(文件)→Close Design Modeler(关闭DM模块)。回到项目管理区。如图-12所示。

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图-12 关闭DM模块

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图-13 划分网格

1.5.5划分网格

(1)双击A4项 Model(模型)。来对模型进行网格划分工作。如图-13所示。

(2)首先用自动划分网格功能,划分后查看网格数量以及质量后再考虑是否进行进一步的网格控制操作。

单击Outline(分析树)→Mesh(网格)→Update(刷新网格)。如图-14所示。

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图-14 自动划分网格

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图-15 网格划分进程

(3)在网格划分过程中ANSYS WORKBENCH 14.0 会自动生成一个ANSYS WORKBENCH Update Model Status (刷新网格进程)的对话框。同时我们也可以打开系统的任务管理器查看CPU,内存等运作情况。如图-15所示。

图上对话框中被红框全出的数字显示了(77/92)。其代表了该模型共有92个零件组成,此时正在对第77个零件“HKW051.14-冷弯槽钢1539”零件进行网格划分。查看任务管理器发现网格划分时候仅仅调用了一个CPU核心进行,并且内存消耗并不大。

(4)等待10分钟左右网格划分完毕。如图-16所示。

整体上看由于框架都是型钢结构,形状相对简单,划分出来的网格相对比较规则。通过观察图上被红框圈出区域发现整个模型网格尺寸比较粗大,为了提高分析精度,我们将定义更小的网格尺寸。

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图-16 划分后的网格

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图-17 设定网格尺寸

(5)在Details of “Mesh”(网格的详细信息)→Element Size(网格尺寸)中输入20毫米。重新设定更小的网格尺寸。然后单击菜单栏中的

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(刷新网格)按钮。

由于此次网格数量更多,需要等待更长的时间。

(6)图-18显示了刷新网格后的情况,对比图-16红色框圈出的位置,可见网格密度大大增加。

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图-18刷新后的网格

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图-19 网格统计

(7)单击Details of “Mesh”(网格的详细信息)→Statistics(统计)中可以看出节点数为419840个,单元数为62986个。计算规模中等。如图-19所示。

1.5.5施加约束与分析设置

(1)我们要在空调底座面上施加0位移固定约束。先把模型旋转到底座面。单击模型空间的系统坐标系Y轴的绿色箭头。如图-20所示。

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图-20 旋转方向

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图-21 选择固定约束

(2)单击Supports(支撑)→Fixed Support(固定位移约束)→按住键盘的Ctrl(控制)键,分别单击模型底部面。被选定的目标面会变成浅绿色→回到Details of “Fixed Support”(固定位移约束的详细信)里面单击Apply(确定)。如图-22所示。

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图-22 确定约束设置

1.5.6求解以及结果后处理

(1)此次我们分析结构的前5阶固有频率。单击Outline(分析树)→Analysis Settings(分析设置)→在Max Model to Find中输入5。如图-23所示。

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图-23 求解设置

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图-24 查看分析进程

(2)单击

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(求解)按钮,开始模态分析。同时打开系统任务管理器查看分析进程。如图-24所示。

(3)由于我们刚才设定了分析结构的前5阶固有频率,所有要连续输出5个变形结果。 单击Outline(分析树)→Deformation(变形)→单击5次Total(全部)按钮。如图-25所示。

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图-25 输出变形结果

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图-26 查看求解时间

(4)分析完毕后我们可以查看分析的过程以及最终的结果。

单击Worksheet(数据表)下拉到其最下面。可以看出此次分析用时4826秒, 大概80分钟时间。如图-26所示。

(5)设定变形结果后处理。

刚才我们连续单击了5次Total(全部)按钮。但是程序自动默认状态为每个变形结果都是输出第一阶固有频率,故我们要分别设定从第二到第五阶固有频率的输出。

比如,要输出第二阶固有频率。需要单击Outline(分析树)→Total Deformation 2在下面的Model输入2,其他频率的变形输出方式以此类推。如图-27所示。然后单击

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(求解)按钮。完成对阵型结果的输出。

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图-27 设定第二阶频率输出

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图-28 第一阶阵型

(6)求解完毕后单击Outline(分析树)→Solution→Total Deformation,查看第一阶阵型。如图-28所示。

(7)再分别单击Total Deformation 2 到Total Deformation 5 显示结果。

由于结果越接近一阶固有频率其对整体结构振动影响越大,为了节约篇幅这里仅仅查看前5阶固有频率。图-28到32分别显示了前5阶阵型以及固有频率结果。

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图-29 第二阶阵型

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图-30 第三阶阵型

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图-31 第四阶阵型

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图-32 第五阶阵型

(8)我们还可以分别单击模型空间下方的Graph(图表)来查看固有频率的柱状图。如图-33所示。

(9)同样我们也可以单击Tabular Data(列表数据)查看具体的频率的数值。如图-34所示。

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图-33 固有频率图表

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图-34 列表查看固有频率

(10)根据Tabular Data(列表数据)可知该模型前5阶固有频率分别是:

一阶固有频率=33.1647375Hz

二阶固有频率=36.58631683Hz

三阶固有频率=45.92073378Hz

四阶固有频率=51.56883721Hz

五阶固有频率=53.79313194Hz

(11)此阶段分析结束,保存一下项目文件。

单击File(文件)→Save Project(保存项目文件)→Close Mechanical(关闭机械模块)。回到项目管理区。如图-35所示。

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图-35 保存项目文件

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图-36 导入加强后的模型

1.5.7执行加强后模型的模态分析

通过观察模型前5阶阵型可以发现,原始模型主要在顶部附近位置振动幅度相对较大,而模型顶部相对空旷单薄。在加强方案中我们选择了在顶部贯穿一根型钢,这样可以最简单最有针对性的加强模型,增大其固有频率从而提高其抗振动能力。

1.5.8导入模型

(1)由于材料特殊数据已经互联,故此次仅仅需要双击B 2项的Geometry(模型)进入DM模块。如图-36所示。

(2)导入模型。进入DM模块后单击File→Import External Geometry File(导入模型文件)。如图-37所示。

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图-37 导入模型文件

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图-38 选择模型

(3)这次打开“加强CVS.X-t”模型→单击打开按钮。如图-38所示。

(4)单击

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(刷新)按钮,刷新模型数据。然后退出DM模块。

1.5.9导入模型

(1)回到项目管理区双击B3 项 Geometry(模型)。如图-39所示。

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图-39 打开DM模块

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图-40 导入模型文件

(2)这次选择“加强CVS.X-T”文件→单击“打开”按钮。如图-41所示。

单击

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(刷新)按钮,刷新模型数据。由于加强后模型更为复杂,此过程较第一次刷新需要更多时间。

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图-41 选择模型文件

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图-42 网格划分

(3)导入模型后如图-43所示。

注意:模型的顶盖中间部分较第一次分析的模型多了一根纵向型钢。

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图-43 加强后的模型

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图-44 划分后的网格

1.5.10划分网格并求解

(1)网格划分部分的设定与第一次一样,尺寸20毫米。划分后的模型,如图-44所示。

(2)图-45展示了加强后模型网格划分后的详细信息。其中Statistics(统计)中可以看出节点数为494956个,单元数为73751个。计算规模较第一次增加约17%。

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图-45 网格统计

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图-46 求解时间

(3)图-46展示了新模型的总的求解时间。其中Elapsed Time(总时间)有38278秒,远远大于第一次分析用的4826秒。这是由于计算机遇到了明显的硬盘传输效率瓶颈的结果。

1.5.11结果后处理以及对比评价

(1)分析设定与后处理设定根第一次一样,这里不再赘述。图46到图50分别为加强后模型的前5阶阵型。

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图-46 第一阶阵型

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图-47 第二阶阵型

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图-48 第三阶阵型

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图-49 第四阶阵型

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图-50 第五阶阵型

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图-51 固有频率的图表

(2)图-51显示了固有频率的图表。可以看出频率间隔较近并稳步上升。

(3)图-52显示了固有频率的数值。

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图-52 固有频率的数值

(4)结果对比。通过表格即可看出加强前后的不同。

频率

加强前最大振动值

加强后

降低的幅度

加强前的固有频率

加强后

提高的幅度

1

10.735mm

4.619mm

57%

30.1647375Hz

40.27479906Hz

34%

2

4.1605mm

4.1618mm

0

36.58631683 Hz

43.04413144Hz

18%

3

15.712mm

36.018mm

-229%

45.92073378Hz

58.7957727Hz

28%

4

14.773mm

9.0452mm

38%

51.56883721Hz

64.59030893Hz

25%

5

10.576mm

26.169mm

-274%

53.79313194Hz

69.65754113Hz

30%

通过以上对比表格可见,振动值除了第三,第五阶有较大不同外,其他都不同程度的降低了振动。

固有频率在前5阶都大幅度提高。说明结构整体都被明显加强。

综合来说结构加强效果良好、方法正确、实现简单、成本低。如此加强是成功的。

1.5.12保存并退出

(1)保存项目文件。

单击菜单栏上的File(文件)→Save Project(保存项目文件)→Close Mechanical(关闭机械设计模块)。如图-53所示。

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图-53 保存项目文件

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图-54 退出ANSYS

​(2)回到项目管理区。单击菜单栏上的File(文件)→Save(保存项目文件)→Exit(退出程序)。

完成此次分析工作。如图-53所示。

分类
ansys

ANSYS Workbench轴对称模型分析及结果扩展显示

ANSYS Workbench轴对称模型分析及结果扩展显示

1、引言

在对中心对称或轴对称的实体进行ANSYS计算时,往往为了提高计算效率,只仿真实体的一半或者四分之一甚至更小。在计算完成后,查看应力或变形云图,却只能看到仿真的这小部分,看不到整个模型的结果。本文将介绍在Workbench中如何实现对称模型及结果的扩展显示。

2、实例分析过程

下面以一个实例来说明

1)创建一个静力学分析系统,设置分析类型为2D,在SCDM中创建矩形面(XY坐标系内),导入Mechanical,设置几何模型为对称模型,自动划分网格;

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2)在Mechanical中施加约束:

在底边施加固定约束,在顶部边上施加斜向的载荷(Fx=100N;Fy=100N);

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3)边界条件设置完成后,进行求解,得到位移、应力等结果。

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3、对称显式设置

1) 打开Workbench,选择Tool->Options,在Options中选择Appearance,选中Beta Options前面的方框。

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2) 进入Mechanical界面,选择Model,插入Symmetry,在Symmetry选项中设置2D Axisymmetry,间隔为10度,总个数=360/10+1=37

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3) 显示单元,已经按照轴对称形式显示了。

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4)显示结果,也已经按照实体显式。结果与二维显示完全一致。

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4、结论

对于明显具有对称结构和边界的模型,采用这种简化方式,可以使用更少的单元和节点得到结果,并通过扩展显示功能,查看整体的结果云图。对于该模型是否能用对称模型简化,需要在计算时对结构进行综合评价。