Ansys Workbench荷載、約束、接觸定義

對大多數(shù)有方向的載荷和支撐,其方向多可以在任意坐標系中定義:

– 坐標系必須在加載前定義而且只有在直角坐標系下才能定義載荷和支撐的方向.

– 在Details view中, 改變“Define By”到“Components”. 然后從下拉菜單中選擇合適的直角坐標系.

– 在所選坐標系中指定x, y, 和z分量

– 不是所有的載荷和支撐支持使用坐標系。

– 加速度以長度比上時間的平方為單位作用在整個模型上。

– 用戶通常對方向的符號感到迷惑。假如加速度突然施加到系統(tǒng)上,慣性將阻止加速度所產(chǎn)生的變化,從而慣性力的方向與所施加的加速度的方向相反。

– 加速度可以通過定義部件或者矢量進行施加。

標準的地球重力可以作為一個載荷施加。

– 其值為9.80665 m/s2 (在國際單位制中)

– 標準的地球重力載荷方向可以沿總體坐標軸的任何一個軸。

– 由于“標準的地球重力”是一個加速度載荷,因此,如上所述,需要定義與其實際相反的方向得到重力的作用力。

旋轉(zhuǎn)速度是另一個可以實現(xiàn)的慣性載荷

– 整個模型圍繞一根軸在給定的速度下旋轉(zhuǎn)

– 可以通過定義一個矢量來實現(xiàn),應用幾何結(jié)構(gòu)定義的軸以及定義的旋轉(zhuǎn)速度

– 可以通過部件來定義,在總體坐標系下指定初始和其組成部分

– 由于模型繞著某根軸轉(zhuǎn)動,因此要特別注意這個軸。

– 缺省旋轉(zhuǎn)速度需要輸入每秒所轉(zhuǎn)過的弧度值。這個可以在路徑“Tools > Control Panel >Miscellaneous > AngularVelocity” 里改變成每分鐘旋轉(zhuǎn)的弧度(RPM)來代替。

–壓力只能施加在表面并且通常與表面的法向一致

– 正值代表進入表面(例如壓縮);負值代表從表面出來(例如抽氣等)

– 壓力的單位為每個單位面積上力的大小

–力可以施加在結(jié)構(gòu)的最外面,邊緣或者表面。

– 力將分布到整個結(jié)構(gòu)當中去。這就意味著假如一個力施加到兩個同樣的表面上,每個表面將承受這個力的一半。力單位為質(zhì)量乘以長度比上時間的平方。

– 力可以通過定義矢量,大小以及分量來施加。

– 螺栓載荷僅適用于圓柱形表面。其徑向分量將根據(jù)投影面積來分布壓力載荷。徑向壓力載荷的分布如下圖所示。軸向載荷分量沿著圓周均勻分布。

– 一個圓柱表面只能施加一個螺栓載荷。假如一個圓柱表面切分為兩個部分,那么在施加螺栓載荷的時候一定要保證這兩個柱面都要選中。

– 載荷的單位同力的單位

– 螺栓載荷可以通過矢量和幅值或者部件來定義。

– 對于實體,力矩可以施加在任意表面

– 假如選擇了多個表面,那么力矩將分攤在這些表面上。

– 力矩可以用矢量及其大小或者分量來定義。當用矢量表示時,其遵守右手法則。

– 在實體表面,力矩也可以施加在頂點或邊緣,這與通過矢量或部件定義的以表面為基礎的力矩類似。

– 力矩的單位為力乘上長度。

– 允許用戶在面或者邊上施加偏置的力

– 用戶設定力的初始位置(利用頂點,圓或者x,y,z的坐標)

– 力可以通過向量和幅值或者分量來定義

– 這個在面上將得到一個等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩

– 這個力分布在表面上,但是包括了由于偏置力而引起的力矩

– 力的單位為質(zhì)量*長度/時間2

– 在圓柱形截面上施加預緊載荷以模擬螺栓連接;

– 施加預緊載荷(力)或者位移(長度)為初始條

件;

– 順序加載會出現(xiàn)其他選項;

在靜力分析中預緊載荷施加在初始求解中,而其他載荷施加在子步求解中;

– 注意,這樣的兩步順序是自動而且明顯的。

? 在第二步求解時,螺栓連接會自動被鎖死;

? 除第一步求解以外,在順序求解的每一步中你可以選擇是否打開螺栓連接;

螺栓連接注意:

– 只能在3D模擬中采用;

– 能夠運用到圓柱形表面或者實體,對于實體需要一個以z軸為主方向的局部坐標系;

– 在螺栓連接處推薦單元細化(螺栓長度方向上的單元數(shù)必須大于1)。

– 在頂點,邊緣或面上約束所有的自由度

– 對于實體,限制x,y和z的平移

– 對于殼和梁,限制x,y和z的平移和轉(zhuǎn)動

– 在頂點,邊緣或面上給定已知的位移

– 允許在x,y和z方向給予強制位移

– 輸入“0”代表此方向上即被約束

– 不設定某個方向的值則意味著實體在這個方向上自由運動

– 在面上施加法向約束

– 對于實體,這個約束可以用施加一個對稱邊面界條件來實現(xiàn),因為對稱面等同于法向約束

– 施加在圓柱表面

– 用戶可以指定是軸向,徑向或者切向約束

– 僅僅適用于小變形(線性)分析

– 在任何給定的表面可以施加法向僅有壓縮的約束。這個約束僅僅限制這個表面在約束的法向正方向移動。

– 解釋這個約束的一種方法就是將它想象為一個“剛性”結(jié)構(gòu),它與選擇的表面有相同的形狀。注意到這些接觸(壓縮)面事先不知道。

– 可以在一個圓柱面上模擬“扣牢的圓柱約束”,這個約束可以適用于7.1版本,但是它是“僅有壓縮約束”的一種特例。如右圖所示,顯示出了沒有變形的圓柱的輪廓。有壓縮力的表面阻止原始圓柱變形,而可伸長的表面自由變形。

– 這個需要一個迭代(非線性)求解器來求解。

? 由于事先不知道壓縮面的行為,所以需要利用迭代求解器來判斷哪個表面顯示的是壓縮行為

– 可以施加在梁或殼體的邊緣或者頂點上

– 限制平移但是所有旋轉(zhuǎn)都是自由的

– 可以施加在殼或量的表面,邊緣或者頂點上

– 約束旋轉(zhuǎn),但是平移不限制

約束總結(jié):

約束和接觸對都可以歸結(jié)為邊界條件。

– 接觸對模擬在兩個已知模型之間的一個“柔性”邊界條件

– 固定約束在被模擬部件之間提供一個“剛性”邊界條件,剛性的

固定部件不必建立模型。

? 假如對部件A和B之間連接比較感興趣,那么就要考慮兩個部分是否都需要分析(通過接觸)或者僅提供部件B對A的影響的固定約束是否足夠。

– 換句話說,部件B相對于A來說是‘剛性的’?假如是的話,可以僅僅模擬對部件A的一個固定約束。假如不是則需要模擬兩者之間的摩擦。

模型當中,溫度會引起熱膨脹

– 熱應變計算如下式:

其中α是熱膨脹系數(shù)(CTE), Tref 是熱應變?yōu)榱銜r的參考溫度,T是施加的溫度,εth 是熱應變。

– 熱應變自身不會引起應力。而當約束、溫度梯度或者熱膨脹系數(shù)不相匹配是才會產(chǎn)生應力。

– CTE在“Engineering” 下拉菜單中定義并且其單位為單位溫度下的應變

– 參考溫度在“Environment”下拉菜單下定義。

熱載荷可以施加在模型上:

– 任何溫度載荷都可以施加

– DS通常首先進行熱分析,然后在結(jié)構(gòu)分析時將計算所得的溫度域作為載荷輸入。

當輸入實體的組合體時,兩個實體之間自動生成接觸。

– 面對面接觸允許在兩個實體邊界上的不匹配的單元劃分

– 用戶可以在“Contact” 菜單下,指定探測自動接觸距離的滑塊來控制容差

在DS中,在每個接觸對中都要定義目標面和接觸面。

– 接觸區(qū)域的其中一個表面構(gòu)成“接觸”面,此區(qū)域的另一個表面構(gòu)成“目標”面。

– 接觸中利用目標面的滲透量(在給定容差范圍內(nèi))來限制接觸面上的積分點。但是其相反的情況是不正確的。

? 當一個面為目標面而另一個面為接觸面時稱為不對稱接觸。而當兩面都為接觸面或者目標面時則稱為對稱接觸,因為任何一邊都可以滲透到另一邊。

? 在缺省情況下,DS對組合體定義的是對稱接觸。對于ANSYS Professional licenses 以及結(jié)構(gòu)模塊,用戶需要根據(jù)上述介紹將其改變成非對稱接觸。

四種接觸類型可供選擇:

– 綁定的和不分離的接觸是最基礎的線性行為,僅僅需要一次迭代

– 無摩擦以及粗糙接觸是非線性行為,需要多次迭代。但是,需要注意的是仍然利用了小變形理論的假設。

? 當需要利用這些選項時,可以在相應的菜單下設定

“Actual Geometry (and Specified Offset)” 或

“Adjusted to Touch”,其中允許用戶調(diào)整ANSYS模型的間隙到‘剛剛接觸’ 的位置

? 對于高級用戶,接觸的另外一些選項可以進行修改

– 方程式可以從“Pure Penalty” 修改到“Augmented Lagrange” , “MPC”或“Normal Lagrange”.

? “MPC” 僅僅適用于綁定的接觸

? “Augmented Lagrange” 應用于規(guī)則的ANSYS模型中

– 在綁定的接觸中,純粹的罰函數(shù)法可以想象為在接觸面間施加了十分大的剛度系數(shù)來阻止相對滑動。這個結(jié)果是在接觸面間的相對滑動可以忽略的情況下得到的。

– MPC 方程當中對接觸面間的相對運動定義了約束方程,因此沒有相互的滑動。這個方程經(jīng)常作為罰函數(shù)法的最好的替代。

–pinball region可以自己定義和顯示出來

? pinball region定義了近距離開放式接觸的位置。而超出pinball region 范圍之外的為遠距離開放式接觸。

? 最初,pinball region 作為十分有效的接觸探測器使用,但是它也用于其它方面,例如綁定接觸等。

? 對于綁定或者不分離的接觸,假如間隙或者滲透小于pinball region,則隙/滲透自動被刪除。

? 其它的高級選項將在以后的章節(jié)中討論。

ANSYS Professional1 licenses 及其以上版本支持殼和實體的混合裝配體

– 允許十分復雜的組合體,在應用中利用了殼的優(yōu)點

– 更多的接觸選項可供用戶選擇

– 可以進行接觸的后處理操作

? 邊緣接觸是生成接觸的一個子集

– 包括殼面或者實體邊的接觸,只有定義綁定或不分離的接觸類型。

– 對于包括殼邊緣的接觸,只能定義MPC 形式的綁定行為。

? 對于以MPC為基礎的綁定接觸,用戶可以將搜索器設定為目標法向或是pinballregion(這種方法需要給定多點的約束)。

? 假如存在間隙(這在殼的組合體中經(jīng)常出現(xiàn)),pinball region 可以用來作為探測越過間隙的接觸探測器。

DS中接觸類型及其可供的選項總結(jié)如下表所示:

– 這個表在DS的在線幫助當中也有。利用這個張表將有助于用戶決定哪些選項可供選擇。

?焊點提供了一種在不連續(xù)位置處連接殼組合體的方式。

– ANSYS DesignSpace licenses不支持殼接觸,因此焊點就是唯一定義一個殼組合的方法。

– 焊點是在CAD軟件中進行定義的。目前DS只認在DM和UG當中所定義的焊點。

– 焊點也可以在DS中生成,但是只能在不連續(xù)的頂點處生成。

2)接觸結(jié)果

– 對于所選擇的有接觸單元的實體或者表面接觸結(jié)果可被要求.

– ANSYS中接觸單元利用的是接觸面和目標面的概念.僅有接觸單元可以顯示接觸結(jié)果.以MPC為基礎的接觸,任何接觸的目標面以及以邊緣為基礎的接觸都不顯結(jié)果.并且線不能顯示任何接觸結(jié)果.

? 如果使用不對稱和自動不對稱,只有接觸面上由結(jié)果而目標面上結(jié)果為零

? 如果使用對稱接觸,接觸面和對稱面上都會有結(jié)果。比如接觸壓力,真實的接觸壓力為接觸和目標面上以力的平均值

– 在“Solution”分支中“Contact Tool”中要求接觸結(jié)果

? 用戶可以在“Contact Tool”中要求接觸結(jié)果

– 在工作表中可以很容易的為“Contact Tool”添加接觸區(qū)域

– 接觸和目標面上的結(jié)果可以從數(shù)據(jù)表中選擇(對稱與非對稱)

– 從Context工具條中指定接觸結(jié)果

? 接觸結(jié)果種類:

– Contact Presure顯示法向接觸壓力分布

– Contact Penetration 顯示穿透深度而Contact Gap 顯示縫隙大小

(在pinball 半徑內(nèi)).

– Sliding Distance 表示面相對滑動大小. Frictional Stress 是由于摩擦力引起的切向接觸引力.

– Contact Status 提供是否接觸的信息

– 對open state, near-field 意味著在pinball 區(qū)域內(nèi), far-field指在pinball 區(qū)域外.

?如果“Reactions” 在“Contact Tool”被要求, 所選擇接觸區(qū)域的力和力矩將會被報告

– 在“Worksheet”標簽下,所有要求的接觸區(qū)域的接觸力將會被列出

– 在“Geometry” 標簽下,將會顯示接觸力和力矩的方向.