《高效率建模方法》PPT課件.ppt

September30 1998 B 29 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 常用單元的形狀 點(diǎn) 質(zhì)量 線 彈簧 梁 桿 間隙 面 薄殼 二維實(shí)體 軸對(duì)稱實(shí)體 線性 二次 體 三維實(shí)體 線性 二次 September30 1998 B 30 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 在單元手冊(cè) 資料或在線幫助 中 ANSYS單元庫(kù)有100多種單元類型 其中許多單元具有好幾種可選擇特性來(lái)勝任不同的功能 你要做的工作就是將單元的選擇范圍縮小到少數(shù)幾個(gè)單元上 具體單元名稱 單元圖示 ANSYS單元名稱 單元特性 類別 編號(hào) 中國(guó)最大的資料庫(kù)下載 September30 1998 B 31 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 準(zhǔn)則 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 在結(jié)構(gòu)分析中 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的選擇 選擇維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果 盡量做到能選擇點(diǎn)而不選擇線 能選擇線而不選擇平面 能選擇平面而不選擇殼 能選擇殼而不選擇三維實(shí)體 對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu) 應(yīng)當(dāng)考慮建立兩個(gè)或者更多的不同復(fù)雜程度的模型 你可以建立簡(jiǎn)單模型 對(duì)結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項(xiàng)作實(shí)驗(yàn)性探討 September30 1998 B 32 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 線單元 Beam 梁 單元是用于螺栓 桿 薄壁管件 C形截面構(gòu)件 角鋼或者狹長(zhǎng)薄膜構(gòu)件 只有膜應(yīng)力和彎應(yīng)力的情況 等模型 Spar 桿 單元是用于彈簧 螺桿 預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型 Spring單元是用于彈簧 螺桿 或細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件 或通過(guò)剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型 September30 1998 B 33 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 殼單元 Shell 殼 單元用于薄面板或曲面模型 殼單元分析應(yīng)用的基本原則是每塊面板的主尺寸不低于其厚度的10倍 準(zhǔn)則 September30 1998 B 34 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 X Y平面單元 在整體笛卡爾X Y平面內(nèi) 模型必須建在此面內(nèi) 有幾種類型的ANSYS單元可以選用 其中任何一種單元類型只允許有平面應(yīng)力 平面應(yīng)變 軸對(duì)稱 和 或者諧結(jié)構(gòu)特性 平面應(yīng)力或應(yīng)變 O K N J M P L I I J K L O P N M TriangularOption Y orAxial X orRadial September30 1998 B 35 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 平面應(yīng)力假定在Z方向上的應(yīng)力為零 主要有以下特點(diǎn) 當(dāng)Z方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X和Y方向上的尺寸才有效 所有的載荷均作用在XY平面內(nèi) 在Z方向上存在應(yīng)變 運(yùn)動(dòng)只在XY平面內(nèi)發(fā)生 允許具有任意厚度 Z方向上 平面應(yīng)力分析是用來(lái)分析諸如承受面內(nèi)載荷的平板 承受壓力或遠(yuǎn)離中心載荷的薄圓盤等結(jié)構(gòu) September30 1998 B 36 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 平面應(yīng)變假定在Z方向的應(yīng)變?yōu)榱?主要具有以下特點(diǎn) 當(dāng)Z方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X和Y方向上的尺寸才有效 所有的載荷均作用在XY平面內(nèi) 在Z方向上存在應(yīng)力 運(yùn)動(dòng)只在XY平面內(nèi)發(fā)生 平面應(yīng)變分析是用于分析那種一個(gè)方向的尺寸 指定為總體Z方向 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺寸 并且垂直于Z軸的橫截面是不變的 September30 1998 B 37 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 軸對(duì)稱假定三維實(shí)體模型是由XY面內(nèi)的橫截面繞Y軸旋轉(zhuǎn)360o形成的 管 錐體 圓板 圓頂蓋 圓盤等 對(duì)稱軸必須和整體Y軸重合 不允許有負(fù)X坐標(biāo) Y方向是軸向 X方向是徑向 Z方向是周向 hoop 周向位移是零 周向應(yīng)變和應(yīng)力十分明顯 只能承受軸向載荷 所有載荷 Hoop September30 1998 B 38 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 諧單元將軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)承受的非軸對(duì)稱載荷分解成傅立葉級(jí)數(shù) 傅立葉級(jí)數(shù)的每一部分獨(dú)立進(jìn)行求解 然后根據(jù)再合并到一起 諧單元較常用于單一受扭或受彎的分析求解 其中受扭和受彎對(duì)應(yīng)于傅立葉級(jí)數(shù)的第1和第2項(xiàng) 這種簡(jiǎn)化處理本身不具有任何近似性 單元坐標(biāo)系 顯示的是KEYOPT 1 0情形 O K J M P L I I J K L O P N M TriangularOption y x N September30 1998 B 39 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 諧單元 舉例 假定一承受剪力 彎矩 和 或者扭矩的軸 軸上的扭矩以傅立葉級(jí)數(shù)的一項(xiàng)施加到軸上 這時(shí) 除了扭矩外 事實(shí)上是一般的軸對(duì)稱問(wèn)題 彎矩和橫向剪力可以分別作為傅立葉級(jí)數(shù)的其它兩項(xiàng)施加到軸上 諧單元還可以用于實(shí)際當(dāng)中的任意循環(huán)分布載荷 這可能需要分解成50 100項(xiàng)傅立葉級(jí)數(shù)才能得到滿意的結(jié)果 M V T September30 1998 B 40 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 三維實(shí)體單元 用于那些由于幾何 材料 載荷或分析結(jié)果要求考慮的細(xì)節(jié)等原因造成無(wú)法采用更簡(jiǎn)單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu) 四面體模型使用CAD建模往往比使用專業(yè)的FEA分析建模更容易 也偶爾得到使用 K R L Q O P M N J I Tetrahedronmesh Brickmesh September30 1998 B 41 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 主要單元類型舉例 專用單元 專用單元包括接觸單元 用于構(gòu)件間存在接觸面的結(jié)構(gòu)建模 如渦輪盤和葉片 螺栓頭部和法蘭 電觸頭 以及O 圈等等 做好接觸分析要求有這方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn) September30 1998 B 42 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 一旦你決定采用平面 三維殼或者三維實(shí)體單元 還需要進(jìn)一步?jīng)Q定采用線性 四邊形或P單元 線性單元和高階單元之間明顯的差別是線性單元只存在 角節(jié)點(diǎn) 而高階單元還存在 中節(jié)點(diǎn) 下面還提到一些差別 線性單元內(nèi)的位移按線性變化 因此 大多數(shù)時(shí) 單個(gè)單元上的應(yīng)力狀態(tài)是不變的 二次單元內(nèi)的位移是二階變化的 因此單個(gè)單元上的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的 p單元內(nèi)的位移是從2階到8階變化的 而且具有求解收斂自動(dòng)控制功能 自動(dòng)各位置上分析應(yīng)當(dāng)采用的階數(shù) September30 1998 B 43 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 其它 我們有必要講述一下ANSYS中各線性概念之間的區(qū)別 線性分析是指不包含任何非線性影響 如 大變形 塑性 或者接觸 線性方程求解器是指方程組解就是結(jié)構(gòu)的自由度解 即使是非線性分析 這些方程還是線性的 但必須進(jìn)行多次求解 線性單元假定單元內(nèi)的自由度按線性變化 跟二次單元 三次單元 或p單元相比 September30 1998 B 44 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 續(xù) 在許多情況下 同線性單元相比 采用更高階類型的單元進(jìn)行少量的計(jì)算就可以得到更好的計(jì)算結(jié)果 下面是根據(jù)不同分析目的進(jìn)行單元選擇的情況 September30 1998 B 45 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 續(xù) 再進(jìn)行單元選擇時(shí)應(yīng)考慮的其它因素 線性單元的扭曲變形可能引起精度損失 更高階單元對(duì)這種扭曲變形不敏感 就求解的精度的差別講 線性單元和二次單元網(wǎng)格之間的差別遠(yuǎn)沒(méi)有平面單元和三維實(shí)體單元網(wǎng)格之間的差別那么驚人之大 你可能更喜歡使用線性 平 殼單元 高度扭曲的二次情形 非平行對(duì)邊 September30 1998 B 46 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 續(xù) 大多數(shù)二次單元允許忽略部分或所有邊的中節(jié)點(diǎn) 但是 在沒(méi)有中節(jié)點(diǎn)的邊上 你只能得到線性結(jié)果 如果所有中節(jié)點(diǎn)均不存在 該單元就變成了線性單元 計(jì)算精度也隨之降低 由于轉(zhuǎn)化成線性單元的二次單元和塊單元具有 不相容的位移模式 并引起單元彎曲 September30 1998 B 47 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 續(xù) 更高階的單元模擬曲面的精度就越高 低階單元 更高階單元 September30 1998 B 48 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 續(xù) 采用越來(lái)越高階的單元 給曲線結(jié)構(gòu)劃分越來(lái)越稀疏的單元網(wǎng)格 ANSYS開(kāi)始向你發(fā)出警告 甚至發(fā)出由于單元扭曲變形超過(guò)單元允許范圍而引起網(wǎng)格劃分失敗的信息 其原因是 由于模型表面單元的彎曲程度過(guò)大 使部分中節(jié)點(diǎn)偏離了自身位置 最終決定了你能劃分單元網(wǎng)格的稀疏程度 同其它軟件一樣 ANSYS程序允許用更高階的直邊單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格 降低了實(shí)際幾何模型的精度 特別是對(duì)于p單元而言 通常極不理想 也允許用不帶中節(jié)點(diǎn)的更高階單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格 即降低了幾何模型的精度 又降低了單元精度 所以在通常情況下更不理想 所以 一般建議采用盡可能稀疏的單元網(wǎng)格 而又不至于出現(xiàn)形狀檢查警告 September30 1998 B 49 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 線性單元 二次單元 p單元 續(xù) 你不能將接觸單元同具有中節(jié)點(diǎn)的單元連起來(lái) 僅對(duì)于節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn) 面接觸單元而言 對(duì)于面 面接觸單元?jiǎng)t是允許的 類似地 在熱分析問(wèn)題中 你不能將輻射link單元或者非線性對(duì)流表面添加到具有中節(jié)點(diǎn)的單元上 ANSYS提供了多種劃分必須忽略中節(jié)點(diǎn)的單元網(wǎng)格的方法 在非線性材料特性區(qū)域內(nèi) 二次單元并不比線性單元更有效 September30 1998 B 50 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 四邊形單元 三角形單元 塊單元 四面體單元 針對(duì)平面或者三維殼體分析模型而言 四邊形單元和三角形單元是有差別的 下表列出了這些差異 September30 1998 B 51 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 四邊形單元 三角形單元 塊單元 四面體單元 續(xù) 全部采用三角形單元網(wǎng)格的理由是相當(dāng)少的 給面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分的實(shí)質(zhì)問(wèn)題是 你是否允許模型中存在一些三角形單元網(wǎng)格 實(shí)際上 各處存在三角形單元會(huì)相當(dāng)麻煩 但是應(yīng)當(dāng)仔細(xì)思考下列問(wèn)題 如果采用更高階單元 三角形單元的計(jì)算精度接近于二次單元 所以 全部采用二次單元網(wǎng)格也是沒(méi)有什么理由的 如果你采用線性單元 三角形單元就十分糟糕 但是 不這樣會(huì)使四邊形單元網(wǎng)格扭曲 除了多數(shù)不重要的結(jié)構(gòu)外 任何四邊形單元網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)的或者非結(jié)構(gòu)的 不得不包含部分形狀糟糕的三角形單元網(wǎng)格 所以 還是沒(méi)有理由全部采用四邊形單元 September30 1998 B 52 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 四邊形單元 三角形單元 塊單元 四面體單元 續(xù) 對(duì)三維實(shí)體分析模型而言 塊單元和四面體單元是有差別的 下表列出了這些差異 September30 1998 B 53 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 四邊形單元 三角形單元 塊單元 四面體單元 續(xù) 建立三維實(shí)體模型需要作出下列選擇 使用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格采用簡(jiǎn)便方法建立實(shí)體模型 選用二次單元或者p單元 或者使用塊單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格選用塊單元網(wǎng)格建立實(shí)體模型 通常需要花費(fèi)更多時(shí)間和精力 劃分子區(qū)域連接處理延伸采用任何塊單元 September30 1998 B 54 IntroductiontoANSYS Release5 5 001128 高效率建模方法 單元種類 續(xù) 其它可供選擇的單元類型 四邊形單元 三角形單元 塊單元 四面體單元 續(xù) 為