ANSYS AIM 18靜力學(xué)分析案例-中文版搶先試用

2017-06-03  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

2015年1月,ANSYS公司發(fā)布了ANSYS 16.0版,一并發(fā)布了全新的極富創(chuàng)新性的沉浸式仿真環(huán)境ANSYS AIM 16。其人性化的界面操作和清晰的邏輯關(guān)系,極大的降低了學(xué)習(xí)門檻,十分有利于設(shè)計(jì)師(CADer)進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真分析。

ANSYS軟件的平臺(tái)體系,被區(qū)分為經(jīng)典環(huán)境(Classic)、Workbench新一代協(xié)同仿真環(huán)境、沉浸式多物理場(chǎng)仿真環(huán)境AIM三駕馬車。其分別定位三種目標(biāo)人群,即科學(xué)家(Scientist)、工程師(Engineer)、設(shè)計(jì)師(Designer)的仿真需求。

2017年3月ANSYS公司發(fā)布ANSYS 18.0,并首次推出帶有中文界面的新一代沉浸式多物理場(chǎng)仿真環(huán)境ANSYS AIM 18。

本文以一個(gè)近似圓臺(tái)狀的,大直徑薄壁承受外壓力荷載的桶體模型為例,執(zhí)行靜力學(xué)分析以搶鮮試用ANSYS AIM。

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ANSYS AIM 18 中文版搶先試用

本文使用ANSYS AIM執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的靜力學(xué)分析,以演示AIM的基礎(chǔ)操作流程。

1、打開(kāi)軟件并導(dǎo)入模型

打開(kāi)ANSYS AIM 18,如圖-1所示。

圖-1 打開(kāi)ANSYS AIM 18

打開(kāi)后的操作界面如圖-2所示。可以看出其相對(duì)ANSYS的經(jīng)典環(huán)境與Workbench環(huán)境,看起來(lái)更簡(jiǎn)約時(shí)尚。其默認(rèn)語(yǔ)言認(rèn)為英文版,在設(shè)置中將其修改為中文版。

圖-2 ANSYS AIM界面

ANSYS AIM的界面布局與大部分有限元軟件不同,更為簡(jiǎn)潔直接。其左側(cè)為分析模板,右側(cè)為幫助文件,下側(cè)為本次分析所用模塊與求解信息窗口。

從ANSYS AIM 18開(kāi)始,軟件語(yǔ)言可以設(shè)置為簡(jiǎn)體中文。單擊左上角設(shè)置→Tools→Options。如圖-3所示。

圖-3 進(jìn)入設(shè)置

在左邊Regional & Language Options→向右調(diào)整為Chinese→單擊OK。如圖-4所示。

圖-4 調(diào)整語(yǔ)言

調(diào)整語(yǔ)言后需要重啟ANSYS,單擊OK。如圖-5所示。

圖-5 重啟ANSYS AIM

重新打開(kāi)后,軟件界面就變成了簡(jiǎn)體中文版。如圖-6所示。

圖-6 中文版設(shè)置完畢

圖-7 創(chuàng)建仿真流程

開(kāi)始執(zhí)行靜力學(xué)分析。雙擊仿真流程模板中的結(jié)構(gòu)。如圖-6所示。程序會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建所需的模塊。

本文使用現(xiàn)有的幾何模型導(dǎo)入ANSYS AIM。在圖-7的結(jié)構(gòu)模板的模型中,選默認(rèn)的導(dǎo)入現(xiàn)有幾何模型,當(dāng)然也可以使用ANSYS 剛剛收購(gòu)的SCDM模塊創(chuàng)建→計(jì)算類型為默認(rèn)的靜態(tài)→向下單擊創(chuàng)建仿真流程。

找到名為11的幾何模型→單擊打開(kāi)。如圖-8所示。

圖-8 打開(kāi)模型

由于本文所需為等厚度薄壁模型,比較適合使用殼(SHELL)單元進(jìn)行分析,故該模型提前使用SCDM模塊的中間面功能,對(duì)實(shí)體模型抽中面,在Workbench和AIM中將自動(dòng)采用殼單元進(jìn)行分析。

隨后ANSYS AIM會(huì)自動(dòng)將本次分析所需模塊依次創(chuàng)建出來(lái)。其開(kāi)啟需要幾分鐘時(shí)間。如圖-9所示。

圖-9 模塊創(chuàng)建中

從工作流程中可以很清晰的看出本次分析的邏輯順序,即幾何建模→網(wǎng)格劃分→物理場(chǎng)設(shè)置→結(jié)果提取。工作流程和當(dāng)前操作在整體分析中的位置進(jìn)度一目了然,十分方便。

幾何模型導(dǎo)入后,創(chuàng)建出的仿真流程如圖-10所示。

圖-10 仿真流程

圖-10中左下角為整體坐標(biāo)系,其與ANSYS經(jīng)典的坐標(biāo)系位置類似。而在Workbench中則在右下角顯示。操作界面的下方和右側(cè)為標(biāo)尺,隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)可以動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前坐標(biāo)位置。相對(duì)于ANSYS經(jīng)典和Workbench其更加方便和智能化。

2、劃分網(wǎng)格

AIM下方的工作流程中為已經(jīng)創(chuàng)建完成的模塊。右上角為模型選取、視角控制和顯示效果有關(guān)的按鈕。在左上角仿真流程中,幾何模型部分前方顯示為綠色對(duì)號(hào)圖標(biāo),說(shuō)明已經(jīng)準(zhǔn)備好。網(wǎng)格前方為黃色閃電圖標(biāo),說(shuō)明需要進(jìn)一步設(shè)置以創(chuàng)建網(wǎng)格再可進(jìn)行下步操作。

雙擊網(wǎng)格,以進(jìn)入設(shè)置。如圖-10所示。

ANSYS AIM中有著大量的自動(dòng)化操作設(shè)置,用戶可以調(diào)整的不多,即所謂封裝嚴(yán)密。但是也因?yàn)檫@樣才使得其可以將大量復(fù)雜高難度的設(shè)置讓軟件自動(dòng)完成,以幫助用戶快速完成簡(jiǎn)單分析,驗(yàn)證產(chǎn)品性能。而在AIM內(nèi)部,則使用ANSYS自己的相關(guān)求解器完成相關(guān)計(jì)算,從精度上來(lái)說(shuō)與其他的ANSYS產(chǎn)品不存在差別。

在網(wǎng)格設(shè)置中,將網(wǎng)格精度從中間位置拖拽到右側(cè)的高,其他部分使用默認(rèn)設(shè)置→單擊生成網(wǎng)格。如圖-11所示。

圖-11 網(wǎng)格設(shè)置

選用較高的網(wǎng)格精度會(huì)消耗大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU處理時(shí)間。可以查看右下角網(wǎng)格劃分進(jìn)度條,以判斷程序運(yùn)行狀態(tài)。如圖-12所示。

圖-12 網(wǎng)格劃分

生成的網(wǎng)格如圖-13所示。其整體上形狀比較規(guī)整,分布規(guī)律也比較均勻。除了少量位置,如圓形頂部附近,大部分位置網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖-13 生成的網(wǎng)格

回到網(wǎng)格菜單欄。在輸出項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中,可以查看節(jié)點(diǎn)數(shù)量和單元數(shù)量。其是衡量計(jì)算規(guī)模的重要窗口。由于采用殼單元建立有限元模型,該單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)方向平移3個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的正交方向自由度,則本次分析的計(jì)算規(guī)模為(3+3)x14173=85038個(gè)自由度。屬于較小的計(jì)算規(guī)模。

一般而言,每百萬(wàn)自由度計(jì)算消耗10G內(nèi)存容量,則本次分析所需內(nèi)存約為1G。考慮到操作系統(tǒng)和ANSYS軟件本身的內(nèi)存需求,本次分析可在6G以上內(nèi)存的電腦上較為流暢的運(yùn)行。

網(wǎng)格劃分部分至此完畢,向上單擊仿真流程1按鈕,回到上一級(jí)操作流程。如圖-14所示。

圖-14 網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3、設(shè)置約束與荷載

回到仿真流程1,在任務(wù)中單擊物理場(chǎng)按鈕,以進(jìn)行荷載、邊界條件、求解設(shè)置等方面的設(shè)置。如圖-15所示。

圖-15 物理場(chǎng)設(shè)置

在物理定義中,物理區(qū)域就是分析的幾何模型空間,已經(jīng)自動(dòng)設(shè)置。材料部分可以選用默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼(這與Workbench的默認(rèn)設(shè)置異曲同工,而在經(jīng)典環(huán)境下需要單獨(dú)設(shè)置材料屬性),也可以更換或自定義。

材料分配按鈕,進(jìn)入設(shè)置。如圖-16所示。

圖-16 材料分配

進(jìn)入材料分配菜單欄。單擊材料下拉菜單。如圖-17所示。

圖-17 選取材料

如果分析內(nèi)容與默認(rèn)材料庫(kù)的不一致,可新建一個(gè)材料。單擊下拉菜單中的新建按鈕。如圖-18所示。

圖-18 新增材料

在材料屬性設(shè)置中,默認(rèn)狀態(tài)可選固體、液體和氣體。單擊固體,向下在固體屬性中單擊添加按鈕,可以設(shè)置如圖所示的材料屬性。用戶可根據(jù)具體分析需要進(jìn)行其中的一項(xiàng)或者幾項(xiàng)材料屬性的設(shè)置。如圖-19所示。

圖-19 設(shè)置材料屬性

由于ANSYS AIM 18暫時(shí)不支持非線性分析,其材料屬性也只能計(jì)算線性部分。對(duì)于一個(gè)一般的結(jié)構(gòu)有限元分析,最低需要各向同性的彈性模量,以模擬變形后的應(yīng)力值;還需要波松比參數(shù),以表達(dá)體積變化規(guī)律。

如需刪除新建材料可以單擊左上角的狀的刪除圖標(biāo)。如圖-20所示。

圖-20 刪除材料

材料設(shè)置完成后,單擊物理場(chǎng)按鈕,返回到物理場(chǎng)定義菜單。

下面設(shè)置邊界條件。單擊結(jié)構(gòu)條件后方下拉菜單→單擊支撐按鈕。如圖-21所示。

圖-21 設(shè)置支撐條件

本文在模型底部設(shè)置固定支撐。由于模型經(jīng)過(guò)抽取中間面,幾何模型已經(jīng)為曲面。設(shè)置支撐條件時(shí),應(yīng)將模型的選擇模式從默認(rèn)的表面。

修改為邊→單擊模型底部邊線→回到支撐菜單欄單擊位置后方的藍(lán)色十字圖標(biāo)以添加。如圖-22所示。

圖-22 設(shè)置支撐條件

支撐類型為默認(rèn)的定值,即各個(gè)方向自由度(對(duì)于面體模型為正交的3個(gè)方向平移和3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)不運(yùn)動(dòng)。

添加支撐條件后,在模型上會(huì)以三色圖形顯示自由度限制的方向。回到類型處,單擊下拉菜單,可以知道其可以設(shè)置為定值、無(wú)摩擦或者用戶指定三種。如圖-23所示。

圖-23 支撐類型

下面在模型表面設(shè)置向內(nèi)的壓力荷載。單擊支撐菜單中的下一步→添加→結(jié)構(gòu)條件→壓力。如圖-24所示。

圖-24 添加壓力荷載

單擊上方面選擇→按住鍵盤上Ctrl鍵并分別單擊希望設(shè)置壓力荷載的表面。如圖-25所示。

圖-25 設(shè)置施加位置

選中所需表面后單擊壓力菜單欄中位置后方的藍(lán)色十字圖標(biāo)→向下在壓力菜單中輸入壓力的數(shù)值,單位默認(rèn)為Pa。如圖-26所示。

圖-26 設(shè)置壓力

在壓力菜單下方輸入一個(gè)壓力值后,如本文的100000pa。此時(shí)ANSYS AIM會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)單位換算的下拉菜單,幫助用戶轉(zhuǎn)換成其他單位制的壓力值。設(shè)置完成后向上單擊物理場(chǎng),回到上一級(jí)流程。如圖-27所示。

圖-27 返回上一級(jí)

至此,我們完成了模塊的選擇和搭建、外部模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、材料設(shè)置、壓力荷載的設(shè)置、模型底部約束的設(shè)置工作。其他采用程序默認(rèn)控制,至此一個(gè)基本的線性靜力學(xué)分析可以進(jìn)入求解階段了。

單擊物理場(chǎng)中藍(lán)色閃電圖標(biāo),求解物理場(chǎng),開(kāi)始求解這個(gè)超過(guò)8萬(wàn)個(gè)方程組規(guī)模的問(wèn)題。如圖-28所示。

圖-28 求解物理場(chǎng)

受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量、內(nèi)存速度、CPU計(jì)算能力、硬盤讀寫速度、硬盤容量等硬件條件的不同,本問(wèn)題的求解可能需要幾分鐘的時(shí)間。

求解完成后,物理場(chǎng)對(duì)話框中從剛剛黃色未更新字樣變?yōu)榫G色已更新字樣。單擊上方仿真流程1回到上一級(jí)目錄,以查看計(jì)算結(jié)果。如圖-29所示。如變形和等效應(yīng)力等。

圖-29 返回上一級(jí)

返回后單擊任務(wù)中結(jié)果按鈕。如圖-30所示。

圖-30 查看計(jì)算結(jié)果

為了方便查看變形結(jié)果在結(jié)果對(duì)話框中圖形控制中,將變形縮放調(diào)整為實(shí)際值,否則程序會(huì)自動(dòng)放大變形比例,以至于容易使得初學(xué)者誤會(huì)→單擊添加按鈕→選擇所需的計(jì)算結(jié)果,如位移大小→向上單擊藍(lán)色閃電圖標(biāo),以刷新該設(shè)置。如圖-31所示。

圖-31 提取結(jié)果

5、查看結(jié)果

圖-32為位移結(jié)果的云圖顯示。不同顏色對(duì)應(yīng)了不同的位移結(jié)果數(shù)值,其具體值應(yīng)查看右側(cè)的位移大小圖例。如圖-32所示。

圖-32 位移結(jié)果

在左側(cè)的位移大小2菜單欄的外觀的著色中,默認(rèn)為平滑,即將相鄰位移結(jié)果等值線附近進(jìn)行平滑處理,以生成更漂亮的結(jié)果云圖,但是這樣會(huì)在一定程度上喪失計(jì)算精度。在概要中列舉了最大值和最小值的具體數(shù)值和平均值。

由于圖-32中右邊位移大小圖例上看不到最大位移的具體數(shù)值,不利于展示,可在外觀的著色中修為帶狀,即顯示等值線結(jié)果。如圖-33所示。

圖-33 平滑結(jié)果

由于模型斜面位置的網(wǎng)格劃分時(shí),網(wǎng)格分布規(guī)律并不均勻平滑,也使得該處等值線為曲線,而實(shí)際情況應(yīng)該是均勻的圓形等值線。在后續(xù)分析中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了一定的優(yōu)化,劃分后的網(wǎng)格為均勻過(guò)渡,使得計(jì)算結(jié)果的等值線為更加符合實(shí)際的圓形。

將圖-32和圖-33的顏色分布狀況對(duì)比一下,可以看出明顯的區(qū)別。

用同樣方法提取等效應(yīng)力結(jié)果,其常用于一般的塑性材料,如一般的金屬類的應(yīng)力評(píng)定。最大等效應(yīng)力為5.3565x107 Pa,為53.565Mpa。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)鋼金屬材料來(lái)說(shuō),這個(gè)應(yīng)力值比較安全。如圖-34所示。

圖-34 等效應(yīng)力結(jié)果

圖中頂部中間位置的黑色三角形圖標(biāo)為動(dòng)畫(huà)控制的開(kāi)始圖標(biāo),其右側(cè)方形圖標(biāo)為動(dòng)畫(huà)停止圖標(biāo)。

由圖-34可知,應(yīng)力結(jié)果的等值線也是折線狀,不是圓形。

保存項(xiàng)目文件。在圖-34左上角單擊保存項(xiàng)目按鈕,彈出圖-35的對(duì)話框。

圖-35 保存項(xiàng)目

項(xiàng)目命名后單擊保存按鈕。隨著計(jì)算量和計(jì)算內(nèi)容的不同,項(xiàng)目文件可能從數(shù)十M到數(shù)十G之間。計(jì)算前應(yīng)留有足夠的硬盤空閑空間。

至此 ANSYS史上第一款準(zhǔn)中文計(jì)算平臺(tái)AIM 18的靜力學(xué)分析案例介紹完畢。

轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào): 好學(xué)ANSYS 作者:劉笑天

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