ANSYS介紹及對計算的意義

2017-07-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1.引言

ANSYS是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件,廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、汽車、造船、流體分析等工業(yè)領(lǐng)域,可在微機或工作站上運行,能夠進行應(yīng)力分析、熱分析、流場分析、電磁場分析等多物理場分析及耦合分析,并且具有強大的前后處理功能。ANSYS的流場分析求解模塊FLOTRAN基于能量守恒、質(zhì)量守恒和動量守恒,能求解流場速度、壓力、溫度分布等參數(shù)。利用ANSYS軟件對干氣密封面結(jié)構(gòu)處的流場進行仿真分析,能夠為干氣密封面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供理論依據(jù)。

ANSYS公司成立于1970年,總部設(shè)在美國的賓夕法尼亞洲,目前是世界CAE行業(yè)中最大的公司。其創(chuàng)始人John Swanson博士為匹茲堡大學(xué)力學(xué)教授、有限元界權(quán)威。在30多年的發(fā)展過程中,ANSYS不斷改進提高,功能不斷增強,本文分析使用的是ANSYS 8.0。

2. ANSYS簡介

1970年成立的美國ANSYS公司是世界CAE行業(yè)最著名的公司之一,長期以來一直致力于設(shè)計分析軟件的開發(fā)、研制,其先進的技術(shù)及高質(zhì)量的產(chǎn)品贏得了業(yè)界的廣泛認可。在我國,ANSYS用戶也越來越多,三峽工程、二灘電站、黃河下游特大型公路斜拉橋、國家大劇院、浦東國際機場、上?？萍汲翘粘恰⑸钲谀虾坊▓@大廈等在結(jié)構(gòu)設(shè)計時都采用了ANSYS作為分析工具。ANSYS的界面非常友好,有些類似于AUTOCAD,其使用方法也和AUTOCAD有相似的地方:GUI方式和命令流方式。GUI(Graphical User Interface)方式即通過點擊菜單項,在彈出的對話框中輸人參數(shù)并進行相應(yīng)設(shè)置從而進行問題的分析和求解:命令流方式是指在ANSYS的命令流輸入窗口輸入求解所需的命令,通過執(zhí)行這些命令來實現(xiàn)問題的解答。GUI方式較容易掌握,但是在熟悉了ANSYS的命令之后,使用命令流方式要比GUI方式效率高出許多。

目前,ANSYS軟件已形成完善、成熟的三大核心體系:以結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)為核心的MCAE體系,以計算流體動力學(xué)為核心的CFD體系,以計算電磁學(xué)為核心的CEM體系。這三大體系不僅提供MCAE/CFD/CEM領(lǐng)域的單場分析技術(shù),各單場分析技術(shù)之間還可以形成多物理場耦合分析機制。

ANSYS是一個大型通用的商業(yè)有限元軟件,功能完備的前后處理器使ANSYS易學(xué)易用,強大的圖形處理能力及得心應(yīng)手的實用工具使得用戶在處理問題時得心應(yīng)手,奇特的多平臺解決方案使用戶能夠做到物盡其用,多種平臺支持(NT、LINUX、UNIX)和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動,各種硬件平臺數(shù)據(jù)庫兼容,功能一致,界面統(tǒng)一。

ANSYS具有強大的實體建模技術(shù)。與現(xiàn)在流行的大多數(shù)CAD軟件類似。通過自頂向下或自底向上兩種方式,以及布爾運算、坐標(biāo)變換、曲線構(gòu)造、蒙皮技術(shù)、拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、鏡射、倒角等多種手段,可以建立起真實地反映工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何模型。

ANSYS提供兩種基本網(wǎng)格劃分技術(shù):智能網(wǎng)格和映射網(wǎng)格,分別適合于ANSYS初學(xué)者和高級使用者。智能網(wǎng)格、自適應(yīng)、局部細分、層網(wǎng)格、網(wǎng)格隨移、金字塔單元(六面體與四面體單元的過渡單元)等多種網(wǎng)格劃分工具,幫助用戶完成精確的有限元模型。

另外,ANSYS還提供了與CAD軟件專用的數(shù)據(jù)接口,能實現(xiàn)與CAD軟件的無縫幾何模型傳遞。這些CAD軟件有Pro/E、UG、CATIA、lDEAS,Solidwork、Solid edge、lnventor、MDT等。ANSYS還可以讀取SAT、STEP、ParaSolid、lGES 格式的圖形標(biāo)準文件。

此外,ANSYS還具有近200種單元類型,這些豐富的單元特性能使用戶方便而準確地構(gòu)建出反映實際結(jié)構(gòu)的仿真計算模型。

ANSYS提供了對各種物理場的分析,是目前唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流場、聲學(xué)等為一體的有限元軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力、動力分析之外,還可以解決高度非線性結(jié)構(gòu)的動力分析、結(jié)構(gòu)非線性及非線性屈曲分析。提供的多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。

ANSYS的后處理用來觀察ANSYS的分析結(jié)果。ANSYS的后處理分為通用后處理模塊和時間后處理模塊兩部分。后處理結(jié)果可能包括位移溫度應(yīng)力應(yīng)變速度以及熱流等,輸出形式可以是圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。ANSYS還提供自動或手動時程計算結(jié)果處理的工具。

3 ANSYS軟件的主要功能

ANSYS軟件提供了對各種物理場量的分析,是一種能夠融結(jié)構(gòu)、熱流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,其主要功能包括:

結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。ANSYS能夠完成的結(jié)構(gòu)

分析有:結(jié)構(gòu)靜力分析;結(jié)構(gòu)非線性分析;結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析;隱式、顯示及顯示-隱式-顯示耦合求解。

熱分析用于計算一個系統(tǒng)的溫度等熱物理量的分布及變化情況。ANSYS能夠完成的熱分析有:穩(wěn)態(tài)溫度場分析;瞬態(tài)溫度場分析;相變分析;輻射分析。

ANSYS程序的FLOTRAN CFD分析功能能夠進行二維及三維的流體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析,其可以完成以下分析:層流、紊流分析;自由對流與強迫對流分析;可壓縮流/不可壓縮流分析;亞音速、跨音速、超音速流動分析;多組分流動分析;移動壁面及自由界面分析;牛頓流與非牛頓流體分析;內(nèi)流和外流分析;分布阻尼和FAN模型;熱輻射邊界條件,管流。

ANSYS程序能分析電感、電容、渦流、電場分布、磁力線及能量損失等電磁場問題,也可用于螺線管、發(fā)電機、變換器、電解槽等裝置的設(shè)計與分析。其內(nèi)容主要包括:2D、3D及軸對稱靜磁場分析;2D、3D及軸對稱時變磁場;交流磁場分析;靜電場、AC電場分析;

ANSYS程序能進行聲波在含流體介質(zhì)中的傳播的研究,也能分析浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。其涉及范圍包括:聲波在容器內(nèi)的流體介質(zhì)中傳播;聲波在固體介質(zhì)中的傳播;水下結(jié)構(gòu)的動力分析;無限表面吸收單元。

用于二維或三維結(jié)構(gòu)對AC、DC或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應(yīng)。主要研究內(nèi)容如下:穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析;諧響應(yīng)分析;瞬態(tài)響應(yīng)分析;交流、直流、時變電載荷或機械載荷分析。

多耦合場分析就是考慮兩個或多個物理之間的相互作用。ANSYS統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫及多物理場分析并存的特點保證了可方便的進行耦合場分析,允許的耦合類型有以下幾種:熱-應(yīng)力;磁-熱、磁-結(jié)構(gòu);流體流動-熱;流體-結(jié)構(gòu);熱-電;電-磁-熱-流體-應(yīng)力。

優(yōu)化設(shè)計是一種尋找最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。ANSYS程序提供多種優(yōu)化方法,包括零階方法和一階方法等。對此,ANSYS提供了一系列的分析-評估-修正的過程。此外,ANSYS程序還提供一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程的效率。

用戶可編輯特性(UPFS)是指,ANSYS程序的開放結(jié)構(gòu)允許用戶連接自己編寫的FORTRAN程序和子過程。UPFS允許用戶根據(jù)需要定制ANSYS程序,如用戶自定義的材料性質(zhì)、單元類型、失效準則等。通過連接自己的FORTRAN程序,用戶可以生成一個針對自己特定計算機的ANSYS程序版本。

ANSYS程序支持的其它一些高級功能包括拓撲優(yōu)化設(shè)計、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、子模型、子結(jié)構(gòu)、單元的生和死。

計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱 CFD)以理論流體力學(xué)和計算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),是流體力學(xué)的一個分支。它通過在計算機上求解描述流體運動、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程(組),并對上述現(xiàn)象進行過程模擬,從而獲得流體在特定條件下的有關(guān)信息。CFD 可用來進行流體動力學(xué)的基礎(chǔ)研究,復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計,了解在燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng),分析實驗結(jié)果等。其主要優(yōu)點是能以較少的費用和較短的時間獲得大量有價值的研究結(jié)果,對投資大、周期長、難度高的實驗研究來說,CFD 的優(yōu)點就更為突出[09]。因此,將 CFD 與工程研究相結(jié)合,不僅有助于工程設(shè)計的改進,而且能減少實驗的工作量?？梢哉f,CFD 是一種有效和經(jīng)濟的研究手段。CFD 數(shù)值模擬實質(zhì)是通過時、空離散,把描述流體運動的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散為大型代數(shù)方程組,建立可以在計算機上求解的算法,從而獲得問題所需的解。主要的數(shù)值方法有:有限差分法、有限元法和邊界元法,近年來有限體積法亦成為一種被廣泛采用的數(shù)值方法。差分法特別適用于求解非定常問題(拋物型、雙曲型),但不適于表面復(fù)雜的曲線邊界。有限元法首先是在固體力學(xué)中發(fā)展起來的,比有限差分法較晚用于流體力學(xué)計算,該方法適用于求解復(fù)雜邊界的定常問題(橢圓型)。有限體積法由 Jameson等人于 1981 年提出,它能夠處理具有任意幾何外形,任意曲線網(wǎng)格物體的繞流問題,常用于傳熱問題分析。

計算流體動力學(xué)(CFD)是用于預(yù)測和分析復(fù)雜流體流動的計算方法。CFD方法涉及用數(shù)值方法求解有關(guān)的流體及熱量轉(zhuǎn)換的基本方程。流體領(lǐng)域被模型化為一個具有許多離散體積的網(wǎng)格,使我們能夠分析具有復(fù)雜形體的工程問題。由于CFD涉及的難度,它的應(yīng)用大都限于研究項目。

ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能是一個用于分析2D及3D流體流動場的先進工具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID141和FLUID142單元,可解決管道流體的復(fù)雜的3D流動。

FLOTRAN可做以下分析:

●層流或紊流

●傳熱或絕熱

●可壓縮或不可壓縮

●牛頓流或非牛頓流

●多組份傳輸

這些分析類型并不互相排斥,例如,一個層流分析可以是傳熱的或是絕熱的,一個紊流分析可以是可壓縮或是不可壓縮。

一個典型的FLOTRAN分析有如下七個主要步驟:

●確定問題的區(qū)域;

●確定流體的狀態(tài);

●生成有限元網(wǎng)格;

●施加邊界條件;

●設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù);

●求解;

●檢查結(jié)果。

(1)確定問題的區(qū)域

必須明確所分析問題的明確的范圍,將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方.如果不知道自己的問題中哪個地方梯度變化最大,也就要先作一個試探性的分析,然后根據(jù)結(jié)果來修改分析區(qū)域。

(2)確定流體的狀態(tài)

FLOTRAN能求解的流體包括氣流和液流,其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯著變化,FLOTRAN中的氣流只能是理想氣體。在大多數(shù)的情況下,近似認為流體性質(zhì)是常數(shù),即不隨溫度而變化,均可得到足夠精確的解。通過雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流,雷諾數(shù)反映了慣性力和黏性力的相對強度。通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮[13]。

(3)生成有限元網(wǎng)格

單元形狀在二維結(jié)構(gòu)中可分為四邊形和三角形,在三維結(jié)構(gòu)中可分為六面體和角錐體。網(wǎng)格劃分有默認尺寸大小,仍可以進行網(wǎng)格劃分,但不一定能滿足設(shè)計者的要求。單元大小基本上在線段上定義,可用線段數(shù)目和線段長度來劃分,通常以線段數(shù)目分割比較方便。

必須事先確定流場中哪個地方流體的梯度變化較大,在這些地方,網(wǎng)格必須做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了得到精確得結(jié)果,應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分,因其能在邊界上上更好地保持恒定的網(wǎng)格特性。對流動分析,尤其是湍流,在近壁處的使用金字塔單元可能導(dǎo)致不正確的結(jié)果,因此這種區(qū)域不應(yīng)使用。對于快速求解,可以在近壁處使用楔形單元。對于準確求解,應(yīng)在這些區(qū)域使用六面體單元。

(4)施加邊界條件

可以在網(wǎng)格劃分前后施加邊界條件和載荷,網(wǎng)格劃分前只能在幾何元素(點、線、面)定義邊界條件和載荷,劃分網(wǎng)格后還可以在節(jié)點和單元上施加載荷和邊界條件。載荷和邊界條件的形式在流體分析中通常表現(xiàn)為壓力分布、速度分布以及熱傳導(dǎo)、對流等相關(guān)的條件。

(5)設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)

為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項,用戶必須激活它們。諸如流體性質(zhì)等特定項目的設(shè)置,是與所求的流體問題的類型相關(guān)的。

(6)求解

根據(jù)問題的規(guī)模和計算機的求解能力,求解時間可以從幾分鐘到幾天,甚至幾周。通常湍流模型的求解都比層流模型的求解消耗更大。

(7)結(jié)果后處理

根據(jù)需要,用戶可以繪制流場的流速分布壓力分布流量分布等各種矢量圖或等值圖。

5 干氣密封氣膜流場的模擬

干氣密封是一種新型的非接觸軸封,與其它密相比,干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長、能低、操作簡單可靠、維修量低、被密封的流體不受污染等特點。機械密封一直不能干運轉(zhuǎn),但干氣封利用流體動壓效應(yīng),使旋轉(zhuǎn)的兩個密封端面之不接觸,而被密封介質(zhì)泄漏量很少,從而實現(xiàn)了既以密封氣體又能進行干運轉(zhuǎn)操作。在壓縮機應(yīng)用域,無論離心壓縮機、軸流式壓縮機、齒輪傳動壓機還是透平膨脹機,干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密、迷宮密封和油潤滑機械密封。在泵和反應(yīng)釜上氣密封應(yīng)用也越來越廣泛。

干氣密封與一般機械密封的平衡型集裝式結(jié)構(gòu)一樣,但端面設(shè)計有所不同,表面上有幾微米至十幾微米深的溝槽,端面寬度較寬。與一般潤滑機械密封不同,干氣密封在兩個密封面上產(chǎn)生了一個穩(wěn)定的氣膜。這個氣膜具有較強的剛度使兩個密封端面完全分離,并保持一定的密封間隙,這個間隙不能太大,一般為幾微米。密封間隙太大,會導(dǎo)致泄漏量增加,密封效果較差;而密封間隙較小,容易使兩密封面發(fā)生接觸,因為干氣密封的摩擦熱不能及時散失,端面接觸無潤滑,將很快引起密封變形、端面過度發(fā)熱從而導(dǎo)致密封失效。這個氣膜的存在,既有效地使端面分開又使相對運轉(zhuǎn)的兩端面得到了冷卻,兩個端面非接觸,故摩擦、磨損大大減小,使密封具有長壽命的特點,從而延長主機的壽命。

如圖所示,開槽的密封面,分為兩個功能區(qū),外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域,氣體進入開槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進入的氣體,在槽根部形成局部的高壓區(qū),使端面分開,并形成一定厚度的氣膜,為了獲得必要的泵送效應(yīng),動壓槽必須開在高壓側(cè)。開槽的密封間隙內(nèi)的壓力增加對干氣密封的工作是至關(guān)重要的,它將保證即使在軸向載荷較大的情況下,密封也能形成一個不被破壞的穩(wěn)定氣膜。密封的內(nèi)區(qū)域(即壩區(qū))是平面的,靠它的節(jié)流作用而限制了泄量。密封工作時端面氣膜形成的開啟力與由彈簧和介質(zhì)作用力形成的閉合力達到平衡,從而實現(xiàn)了非接觸運轉(zhuǎn)。干氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當(dāng)密封不受壓或不工作時能確保密封的閉合,防止意外發(fā)生。

由此看出,干氣密封的設(shè)計,決定性的因素是密封環(huán)上開槽的幾何形狀和幾何尺寸,選擇合理、適用易于加工制造的槽形設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是至關(guān)重要的。

密封面開槽既可在動環(huán)上也可以在靜環(huán)上,一般來說高速情況下,在動環(huán)密封面上開槽;在低速或中速情況下可以在靜環(huán)上開槽。要注意由于密封間隙只有幾微米,因而一定要注意防止固體顆粒介質(zhì)進入密封端面。

5.3 密封模型

圖1描述了一個氣體潤滑的螺旋槽端面密封的幾何參數(shù)。只有幾微米深的螺旋槽通?？淘谛D(zhuǎn)環(huán)表面上,流體在帶有螺旋槽的旋轉(zhuǎn)環(huán)表面和光滑的靜止環(huán)表面間的流動,產(chǎn)生泵吸作用。當(dāng)螺旋槽開在密封環(huán)的外側(cè)時,流體由外向內(nèi)泵入;反之,也可以由內(nèi)向外泵出。圖1所示的密封環(huán),外側(cè)開有螺旋槽,內(nèi)側(cè)為密封壩,它既可以減少泄漏又可以增加軸向剛度。根據(jù)實際需要,密封壩可以在密封環(huán)外徑處,也可以在內(nèi)徑處,或內(nèi)徑和外徑處同時都有密封壩。

6 建模及計算模擬

本文所采用的數(shù)據(jù)是參考資料取相應(yīng)的值,由于本文著重點于使用ANSYS軟件對流場進行分析,重點分析在建模過程中所遇到的問題及對其采取的解決辦法,所以相關(guān)數(shù)值的選取只做簡單的描述。

氣膜在理想情況下可以看出是一個厚度很薄的圓盤,其厚度僅有0.3μm,半徑為78mm。由于圓盤是關(guān)于軸對稱的,故采用軸對稱分析方法對其進行分析。

本文可選用的單元類型有FLUID29、FLUID79、FLUID141。

FLUID29 用于模擬流體介質(zhì)和流體/結(jié)構(gòu)相互作用問題上的分界面。典型應(yīng)用包括聲波傳輸和水下結(jié)構(gòu)動態(tài)分析?？紤]到分界面處的聲壓和結(jié)構(gòu)運動,聲學(xué)控制方程,也就是2D波動方程被離散化。元素有4個角節(jié)點,每個節(jié)點3個自由度:只有分界面處的節(jié)點可以進行X、Y方向和壓力的平移。該單元可以包含在分界面處吸音材料的阻尼。還可以和它他2D結(jié)構(gòu)單元進行非均勻或阻尼模態(tài)、全諧波分析、全瞬態(tài)分析(參看TRNOPT 命令).當(dāng)沒有結(jié)構(gòu)運動時,該元素還可以用于靜力、模態(tài)、簡化諧波相應(yīng)分析。

Fluid79式2維結(jié)構(gòu)單元(plane42)的修改后的單元,它用來模擬容器中沒有凈流速的流體,這種單元非常適合計算靜水壓力下的流古界面。加速度的影響,比如晃動問題,溫度的影響也包括。

Fluid79每個單元由四個節(jié)點,每個節(jié)點有兩個自由度,分別為x,y方向的平移自由度。它可以用來分析平面軸對稱環(huán)單元。

FLUID141二維流體―熱單元

可使用FLUID141模擬瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的流體/熱系統(tǒng),包括流體和非流體區(qū)域。在流體域中求解粘性流與能量的守恒方程,在非流體域只能求解能量方程。與那些用一維區(qū)域連接成網(wǎng)狀模型的單元(如FLUID116)不同,使用FLOTRAN CFD單元可求解區(qū)域中的流動與溫度分布。

對于FLOTRAN CFD單元,可通過動量守恒定律求得速度,從質(zhì)量守恒定律求得壓力(如果需要計算溫度,可從能量守恒定律求得)。使用分離序貫算法求解,即對控制方程進行有限元離散得出矩陣并對每一個自由度分別進行求解。流動問題是非線性的,控制方程是耦合在一起的。順序求解所有的控制方程,連同更新任何與溫度或壓力相關(guān)的材料屬性,構(gòu)成一次總體迭代。要得到收斂的結(jié)果所需的整體迭代步數(shù)差別相當(dāng)大,這主要取決于問題的大小和穩(wěn)定性。對于多達六種組分的質(zhì)量組成需求解輸運方程。

可在一個以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中求解方程組。自由度是速度、壓力和溫度。如果需要激活湍流模型選項,就會計算兩個湍流量:湍流動能與湍流動能耗散率。對于軸對稱模型,可以計算一個可選的垂直與平面的漩渦速度VZ。也可指定進口處或邊界(移動壁面)處的漩渦速度。

本文最初采用Fluid79對氣膜進行模擬分析,其分析結(jié)果僅得到氣膜的節(jié)點位移場分布云圖及位移矢量圖,不能得到壓力分布圖及速度分布圖。因為其不能模擬出氣膜內(nèi)的流場壓力分布,故選用Fluid79單元不合適。

模型可以在ANSYS的圖形界面上直接創(chuàng)建,也可以從AUTOCAD、Pro/E上導(dǎo)入。對于簡單的圖形可直接在ANSYS圖形界面上直接創(chuàng)建,相對比較復(fù)雜的可在CAD中創(chuàng)建,然后導(dǎo)入。在導(dǎo)入的過程中要注意單位的統(tǒng)一,CAD中的單位的定義在格式 /單位。ANSYS的單位可通過命令流對其進行定義,常用的有SI、CGS、MPA、BFT、BIN,具體操作參照附錄二(定義單位)。本文分析采用國際標(biāo)準單位制SI(SI or MKS; m, kg, s, K).

下面介紹從CAD導(dǎo)入圖形到ANSYS:在CAD中繪制好圖形,選擇(文件 | 輸出)命令,出現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)對話框,選擇保存目的地,選擇文件類型為ACIS(*.sat),然后更改文件名,單擊OK按鈕,出現(xiàn)一個小選取框,選擇需要導(dǎo)出的圖形,單擊Enter鍵確定。

在ANSYS的圖形界面上選擇Utility Menu | File | Import | Sat 命令,出現(xiàn)ANSYS Connection for SAT 對話框,選擇需要導(dǎo)入的圖形,單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。

從CAD導(dǎo)入平面或?qū)嶓w圖形后,選擇Utility Menu | Plot | Areas命令,會發(fā)現(xiàn)圖形僅顯示線。選擇Utility Menu | PlotCtrls | Style | Solid Model Facets 命令,出現(xiàn)Solid Mode Facets 對話框,參照下圖進行選擇,再選擇Utility Menu | Plot | Areas命令,顯示面。

6.3 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個環(huán)節(jié),它將幾何模型轉(zhuǎn)化為由節(jié)點和單元構(gòu)成的有限元模型。網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計算結(jié)果的準確度和計算進度,甚至?xí)驗榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計算布收斂。網(wǎng)格劃分主要包括以下三個步驟:

(1)定義單元屬性(單元類型、實常數(shù)、材料屬性)

(2)設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制

(3)執(zhí)行網(wǎng)格劃分

在很多情況下,要求局部的網(wǎng)格具有比較精細的劃分,以便在分析中獲得精確的結(jié)果。網(wǎng)格細化的命令在主菜單的Preprocessor | Meshing | Modify Mesh 子菜單中。在網(wǎng)格工具欄中也有網(wǎng)格細化(Refine)操作按鈕,位于工具欄的下方。

選擇Preprocessor | Meshing | Modify Mesh | Refine At | Lines 命令,彈出拾取對話框。在圖形窗口中拾取需要細化的邊后,單擊OK按鈕,彈出細化級別對話框。在這個對話框中可以選擇的網(wǎng)格細化的精度級別,最小為1,最大為5。也可以對某一個關(guān)鍵點附近的單元進行細化,或?qū)χ行牟课坏哪骋粏卧恢眠M行細化。

細化單元操作僅僅對于平面的三角形、四邊形網(wǎng)格,以及體的四面體網(wǎng)格適用,對于使用六面體進行劃分的三維幾何模型,不能進行網(wǎng)格細化。另外,細化可能會出現(xiàn)歧異單元,影響計算的收斂。

對于復(fù)雜模型的網(wǎng)格的劃分,有時候會出現(xiàn)歧異網(wǎng)格或“壞網(wǎng)格”,這些網(wǎng)格由于形狀不好會引起計算的不收斂或剛度矩陣產(chǎn)生歧異。因此需要做一下網(wǎng)格的檢查。選擇主菜單中的Preprocessor | Meshing | Individual | Plot Bad Elms命令,彈出壞網(wǎng)格顯示設(shè)置對話框,使用默認的設(shè)置,用黃色顯示警告的網(wǎng)格,用紅色顯示壞網(wǎng)格,同時用線條和顏色顯示這些網(wǎng)格。

當(dāng)有警告網(wǎng)格時,仍可以進行計算,但計算的結(jié)果不一定正確,若出現(xiàn)壞網(wǎng)格,則ANSYS將不進行進一步的求解。

出現(xiàn)壞網(wǎng)格可以采用多種解決方法,以下列出常用的幾種解決方案:

● 刪除原有網(wǎng)格,采用更高精度重新劃分;

● 局部加密網(wǎng)格;

● 將幾何模型切分為多個小塊,分別劃分網(wǎng)格;

● 使用另外的網(wǎng)格形狀。

在本文的模型中,需要對槽區(qū)部分進行細化,也可以通過設(shè)定線段劃分的段數(shù)來進行局部細化,其效果圖如下:

7 操作技巧

ANSYS推薦使用三鍵鼠標(biāo),因為ANYS中提供了使用鼠標(biāo)進行幾種快速操作的功能。

在進行圖形拾取時,ANSYS的鼠標(biāo)指針將變成向上的箭頭“↑”,此時可以在圖形顯示區(qū)中,通過單擊鼠標(biāo)左鍵對需要的對象進行拾取。當(dāng)單擊鼠標(biāo)右鍵的時候,鼠標(biāo)指針變?yōu)橄蛳碌募^“↓”,在圖形顯示區(qū)中可以通過單擊鼠標(biāo)左鍵取消前面的誤操作或不需要選擇的對象。

單擊鼠標(biāo)中鍵,表示應(yīng)用當(dāng)前操作,相當(dāng)于單擊對話框中的Apply按鈕,這在多次重復(fù)操作的時候非常有用。

當(dāng)按下Ctrl鍵的時候,圖形顯示區(qū)中的鼠標(biāo)變成了“”形狀,此時按下鼠標(biāo)的左鍵、右鍵、中鍵,可以對顯示進行不同的調(diào)整。

⊙ 按下“Ctrl鍵+鼠標(biāo)左鍵”:上下左右移動視圖。(注意:只是移動視圖,并沒有改變模型的坐標(biāo)位置。)

⊙ 按下“Ctrl鍵+鼠標(biāo)中鍵”:放大縮小以及在屏幕所在的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)視圖。

⊙ 按下“Ctrl鍵+鼠標(biāo)右鍵”:在空間旋轉(zhuǎn)視圖。

單擊應(yīng)用菜單中的命令:List | Files | Log File,彈出文本窗口,這個文件記錄的是前面所有操作的命令方式。對于不熟悉的命令,只要知道器菜單操作,就可以從這個log文件中找到該命令的使用。

8 加載和求解

氣膜在動環(huán)和靜環(huán)之間,其模型可以理想的看成是一個旋轉(zhuǎn)的圓盤,其半徑為0.078m,厚度為0.3mm。圓盤的左右兩個面與動、靜環(huán)相接觸,可以看作在X方向的位移為0,即UX=0。該圓盤關(guān)于X軸對稱并繞其旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為1200rad/s,

密封沖洗氣的壓力設(shè)為0.6MPa。其實體模型的載荷圖如右圖所示。

由于氣膜很薄,在ANSYS圖形界面顯示成一條直線。選擇Utility Menu | PlotCtrls | Numbering命令,出現(xiàn)Plot Numbering Controls對話框。選擇LINE Line numbers復(fù)選框,使其從Off轉(zhuǎn)變?yōu)镺n打開線段的編號,在選擇線段時單擊線段的編號,不需要放大即可準確選取。

求解

氣膜繞X軸高速旋轉(zhuǎn),氣膜內(nèi)的流場屬于瞬態(tài)、紊流流場。又因氣膜受溫度的影響很小,所以可以把它看成是理想的絕熱過程。

對于密封氣體,可用空氣來代替密封的氣體。選擇AIR-SI,即在標(biāo)準國際單位制下的空氣屬性,包括密度、粘度、組分等。因為在建模時采用的是標(biāo)準國際單位制,如果單位不統(tǒng)一,將會出現(xiàn)錯誤的運算結(jié)果,甚至無法進行運算。

綜合自網(wǎng)絡(luò)

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