- ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通
- 丁欣硕
- 2462字
- 2020-11-28 20:57:38
4.4 Mechanical前处理操作
在Mechanical前处理操作中，Outline（流程树）中列出了分析的基本步骤，Outline的更新直接决定了Context（索引工具）、Details View和Graphics Window（图形窗口）的更新。
4.4.1 几何分支
Geometry（几何）分支选项给出了模型的组成部分，通过该分支选项可以了解几何体的相关信息。
1．几何体
在模拟分析过程中，实体的体/面/部件（3D或2D）、只由面组成的面体、只由线组成的线体3种类型的实体都会被分析。
（1）实体
3D实体是由带有二次状态方程的高阶四面体或六面体实体单元进行网格划分的。2D实体是由带有二次状态方程的高阶三角形或四边形实体单元进行网格划分的。结构的每个节点含有3个平动自由度（DOF）或对热场有一个温度自由度。
（2）面体
面体是指几何上为2D、空间上为3D的体素，面体为有一层薄膜（有厚度）的结构，厚度为输入值。面体通常由带有6个自由度的线性壳单元进行网格划分。
（3）线体
线体是指几何上为一维、空间上为三维的结构，用来描述与长度方向相比，其他两个方向的尺寸很小的结构，截面的形状不会显示出来。线体由带有6个自由度的线性梁单元进行网格划分。
2．为体添加材料属性
在进行项目分析时需要为体添加材料属性，添加时先从分析树中选取体，然后在参数设置列表下的Assignment下拉菜单中选取相应材料，如图4-14所示。
图4-14 为体施加材料特性
技巧提示
新的材料数据在Engineering Data中添加和输入，在前面的章节中已经有所介绍，这里不再赘述。
4.4.2 接触与点焊
当几何体存在多个部件时，需要确定部件之间的相互关系。在ANSYS Workbench中是通过Contacts（接触）与Spot Weld（点焊）来定义的，用来确定部件之间的接触区域是如何相互作用的。
技巧提示
在Workbench中若不进行接触或点焊设置，则部件之间不会相互影响。而多体部件不需要接触或点焊。
在结构分析中，接触和点焊可以防止部件的相互渗透，同时也提供了部件之间载荷传递的方法。在热分析中，接触和点焊允许部件之间的热传递。
1．实体接触
在输入装配体时，Workbench会自动检测接触面并生成接触对。临近面用于检测接触状态。接触探测公差是在Connections分支中进行设置的，如图4-15所示。
图4-15 接触对
技巧提示
接触使用的是二维几何体，某些接触允许表面到边缘、边缘到边缘和混合体/面接触。在进行分析之前需要检查生成的接触对是否符合实际情况，以避免造成错误的接触。
接触单元提供部件间的连接关系，每个部分维持独立的网格，网格类型可以不保持一致。
在模拟分析中，每个接触对都要定义接触面和目标面：将接触区域的一个表面视作接触面，另一表面即为目标面，则接触面不能穿透目标面。
当一面被设计为接触面而另一面被设计为目标面时为非对称接触；当两边互为接触面（C）和目标面（T）时称为对称接触。默认的实体组件间的接触是对称接触，根据需要可以将对称接触类型改为非对称接触。
技巧提示
对于面、边接触，面接触通常被设定为目标面，而边接触通常被指定为接触面。
ANSYS Workbench 17.0中有6种可以使用的接触类型，分别为Bonded（绑定接触）、No Separation（不分离接触）、Frictionless（无摩擦接触）、Rough（粗糙接触）、Frictional（摩擦接触）及Forced Frictional Sliding（滑动摩擦），如表4-4所示。
表4-4 接触类型
Bonded和No Separation是线性接触，只需一次迭代；Frictionless、Rough和Frictional是非线性接触，需要多次迭代。
技巧提示
在Contacts分支下单击某接触对时，与构成该接触对无关的部件会变为透明，以便观察。
2．高级实体接触
选择Contacts分支下的某接触对时，会出现高级接触控制，高级接触控制可以实现自动检测尺寸和滑动、对称接触、接触结果检查、Pinball区域控制等。各参数分支如图4-16所示。
图4-16 实体接触参数
其中Pinball Region（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。
3．点焊
Spot Weld（点焊）提供的是离散点接触组装方法，点焊通常是在CAD软件中定义，只有在Mechanical支持的DM和Unigraphics中可以定义点焊。关于点焊的相关问题在此不做讲解，请参考相关的帮助文件。
4.4.3 坐标系
在Mechanical中，Coordinate Systems（坐标系）可用于网格控制、质量点、指定方向的载荷和结果等。坐标系通常不显示，可以通过在Model下进行添加得到，坐标系的相关参数如图4-17所示。
图4-17 坐标系的相关参数
当模型是基于CAD的原始模型时，Mechanical会自动添加Global Coordinate System（整体坐标系），同时也可以从CAD系统中导入Local Coordinate System（局部坐标系）。
新的坐标系是通过单击坐标系工具栏上的
（创建坐标系）按钮进行创建的。在Model下选择坐标系之后，会使坐标系工具栏中的按钮呈高亮显示，如图4-18所示。
图4-18 坐标系的工具栏
局部坐标系的参数如图4-19所示，它有两种定义方式。
图4-19 局部坐标系参数
● 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，并独立于几何模型存在。
4.4.4 分析设置
在Mechanical中，Analysis Settings提供了一般的求解过程控制，具体可以在如图4-20所示的Details of“Analysis Settings”各分支中进行设置。
图4-20 分析设置参数
1.Step Controls（求解步控制）
求解步控制包括人工时间步控制和自动时间步控制（Auto Time Stepping）两种求解步控制方式。
人工时间步控制需要指定分析中的分析步数目（Number Of Steps）和每步的终止时间（Step End Time）。
在静态分析中可以设置多个分析步，并一步一步地求解，终止时间被用于确定载荷步和载荷子步的追踪器。
技巧提示
求解过程中可以一个分析步一个分析步地查看结果。在给出的Tabular Data里可以指定每个分析步的载荷值。求解完成后可以选择需要的求解步，右击选择Retrieve This Result命令，可查看每个独立步骤的结果。
2.Solver Controls（求解控制）
求解控制包括直接求解（ANSYS中为稀疏矩阵法）及迭代求解（ANSYS中为PGC，即预共轭梯度法）两种求解方式（默认是Program Controlled），另外可通过Weak Springs设置尝试模拟得到无约束的模型。
3.Analysis Data Management（分析数据管理器）
分析数据管理器的相关参数设置如图4-21所示。
图4-21 分析数据管理器的参数
● Solver Files Directory：给出相关分析文件的保存路径。
● Future Analysis：指定求解中是否要进行后续分析（如预应力分析等），若在Project Schematic里指定了耦合分析，将自动设置该选项。
● Scratch Solver Files Directory：求解中的临时文件夹。
● Save MAPDL db：设置是否保存ANSYS DB分析文件。
● Delete Unneeded Files：在Mechanical APDL中可以选择保存所有文件以备使用。
● Nonlinear Solution：非线性求解默认关闭。
● Solver Units：包含Active System（有效系统）和Manual（手动设置）两个选项。
● Solver Unit System：如果以上设置是人工设置，则当Mechanical APDL共享数据的时候，就可以选择8个求解单位系统中的任何一个来保证一致性。