利用Pro/MECHANICA提高ANSYS求解有限元問題的能力

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

【摘要】利用Pro/MECHANICA工具,對ANSYS有限元分析工具進行處理方式的補充,克服了該軟件分析的單一系統的不足,為解決復雜的結構分析課題提供新的途徑。
【關鍵詞】 Pro/MECHANICA ANSYS 有限元

1 概述

工程中有大量的實際問題,如力場、溫度場、流場和電場等是呈勻態連續變化的。然而,由于具體問題的幾何形狀、物理特性和干涉條件的復雜性,要得到解析解十分困難。所以,有限元分析法就成為了解決工程問題的重要方式。

有限元分析法是一種以變分原理為基礎的重要的數值分析方法,其基本思想是將連續的求解區域離散為一組有限個并且按一定方式相互聯結在一起的單元的組合體,從而將全求解域上待求的未知場函數分片地表示為每一個單元內假設的近似函數。該近似函數通常由未知場函數或及其導數在單元的各個節點的數值和其插值函數來表達。這樣,未知場函數及其導數在各個節點上的數值就成為新的未知量,從而使一個連續的無限自由度問題就變成離散的有限自由度的問題。求解出這些未知量,就可以通過插值函數計算出各個單元內場函數的近似值,從而得到整個求解域上的近似值。

有限元分析法總體上可分成三個部分:前處理部分、主分析計算部分以及后處理部分。圖1為有限元分析的過程。

從當前的有限元解決方式看,主分析計算部分根據有限元模型的數據文件進行有限元分析,主要是借助目前成熟的商品化有限元分析應用軟件系統,例如ANSYS、NSTRAN和COSMOS等。后處理部分是有限元計算后輸出結果的加工階段,包括數據輸出和圖形顯示。從整個過程看,這兩個階段由于采用批處理方式和單純的輸出顯示,所以人工干預并不多。相比之下,最繁重的工作在于前處理階段,即特定分析對象的關系確定和建立模型,包括節點數和節點編碼等。因此,重點工作顯然在前處理過程中。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁及聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛應用于機械、電機、土木、電子及航空等不同領域。它是眾多有限元分析軟件中較出色的一個,以其高效的求解算法和效率聞名,并有相對獨立的前、后處理體系,可獨立完成多學科、多領域的分析任務。該軟件是當前結構分析中使用最為頻繁的軟件。但是,在處理分析過程中,ANSYS優點明顯,其缺點也同樣突出。本文將借助proeNGINEER中的MECHANICA模塊,就如何提高其處理能力進行分析比較。

2 當前方式缺點及改善方式

2.1 ANSYS軟件的缺點

ANSYS目前的結構分析過程主要有以下兩種情況:在ANSYS軟件中建立一些簡單的模型,然后進行分析處理;采用在三維造型軟件中建立三維模型,然后將模型數據文件導入到ANSYS中,進行簡化處理和分析。這就決定了它有以下幾個缺點。

(1)從ANSYS自身建模看,其圖形驅動技術支持的界面可管理性和操作性相對較差,無法完成復雜模型的建模,因此結構分析效果大大降低了可信度,影響工作效率。而建模恰恰是當前一些三維設計軟件的優勢所在,例如,proeNGINEER、UG、IDEAS等。所以,ANSYS自建模的方法使用得比較少。

(2)對利用軟件數據交換的方式,在進行圖形轉換的過程中,有時會出現一些問題。這種方式主要是利用三維設計軟件進行精確的三維造型,并通過標準數據接口或數據接口轉入ANSYS系統中。所采用的標準文件格式包括IGES、proeNGINEER或UG等。這種方法所遇到的主要的問題如下:ANSYS對造型軟件的一些處理方法無法識別,如面—面重疊等 ;ANSYS無法對造型軟件中的一些特征進行網格劃分,如細長面等 ;造型軟件與ANSYS定義圖元的方式不完全一致,從而產生一些特殊圖形格式,并在ANSSY分析中產生異議。

因此,用戶需要在ANSYS中進行模型修補。而由于ANSYS的建模能力較差,所以在進行修補的過程中,不能精確復原模型,對不識別的特征,往往只能采用簡化的方式。這些都造成模型不一致,精度較低,且修補時間長,工作效率低下。

2.2 提高解決能力的方式

筆者在進行機械零部件的結構分析過程中,將proeNGINEER的建模優點和ANSYS的分析計算能力結合起來,采用第二種方式,結果發現其分析結果有時候并不理想,尤其在超平面情況更是如此。筆者經過不斷嘗試,利用proeNGINEER軟件中的MECHANICA模塊,對模型進行了前處理工作,大大提高了ANSYS的分析處理能力。這樣做的優點是:由于proeNGINEER的特征相關聯性,所以更改模型方便;在處理過程中,模型一致性好,數據完整,克服了ANSYS前處理能力的不足,而且計算精度得到了適當的改善。這大大提高了整個有限元分析工作的效率。

本文以一個軸為例對這個過程進行分析,并對兩種方式的結果進行了比較。其具體過程如圖1所示。
(1)直接使用proeNGINEER生成的模型數據,包括點、線、面和體,完成有限元分析工具的建模工作,如圖2所示。

圖1 分析過程

圖2 建模

(2)利用MECHANICA模塊,定義模型所采用的材料,并定義約束和載荷。

(3)定義網格單元,劃分網格,如圖3所示。生成批處理作業命令流文件,該文件可直接為有限元分析工具所用,也可稍加修改后使用。

(4)將該文件導入到ANSYS中,進行分析計算,獲得分析結果。

如表1所示的清單就是利用本文方式獲得的ANSYS格式批命令輸入文件,因篇幅有限,節點和單元申明語句的中間部分已用省略號表示省略。

表1 清單

在前處理部分首先設置節點的全局直角坐標并順序列出模型節點的所有編號和節點坐標,接著聲明了單元類型、單元幾何參數屬性和單元材料等,并列出了單元的編號和構成單元的節點編號。本例節點編號從1開始到6825結束,共有6825個;單元編號從1開始到31062結束,共有31062個,其單元形狀為四面體。隨后設置了邊界條件及載荷,如圖4所示。

3 處理前后的結果比較

筆者對模型導入方式獲得的結果和本文提出的解決方式進行了比較,并將結果對比列出如下,分別如圖4、圖5所示。

圖3 劃分網格

圖4 處理前

圖5 處理后

從兩個分析結果可以看到,在單元劃分接近的情況下,本文方式更加接近最終結果,精度更高。而且,由于劃分網格等工作均在proeNGINEER中進行,避免了在ANSYS中修補模型的低效率工作。

4 結論

本文提出了利用proeNGINEER的MECHANICA模塊來提高ANSYS有限元分析軟件分析處理能力的方法和步驟。它大大提高了有限元分析的效率,提高了分析精度和有效性,可以引伸到其他機械零件的有限元分析工作中。

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