ANSYS Workbench工具箱中Custom Systems功能介紹

2017-11-01  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

在ANSYS Workbench界面中,左側(cè)工具箱里面的Custom Systems中,是預(yù)定義好的項目流程,該流程中自動定義好了相應(yīng)分析的前后組合模塊,無需用戶手動添加,方便用戶直接調(diào)用。

1.流固耦合分析FSI:Fluid Flow → Static Structural

結(jié)構(gòu)與流體相互作用稱作流固耦合。在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常會遇到流體壓力作用于結(jié)構(gòu)表面引起結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)變形又反過來影響流體流動的情況。ANSYS FSI流固耦合分析技術(shù)為設(shè)計師和分析師們提供了方便、快捷、高效的流固耦合分析工具。流固耦合技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛,比如生物醫(yī)學(xué)(動脈血管)、航天航空(機(jī)翼顫振)、土木工程(結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載)等。流固耦合技術(shù)在行業(yè)設(shè)計和生產(chǎn)中的重要性日益提高,使得設(shè)計師設(shè)計出來的產(chǎn)品材質(zhì)更輕、使用更靈活、制造更容易,同時保證并提高了產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性。

FSI流固耦合分析是ANSYS獨(dú)具特色的高級分析技術(shù),它在ANSYS Mechanical和CFX/FLUENT兩個模塊的基礎(chǔ)上,通過專用的流固耦合算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析和流體分析的單向耦合計算和雙向耦合計算。

單向流固耦合

單向耦合可以通過下圖中的T型連接器的例子說明,流體流動使連接器內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度,從而引起明顯的熱應(yīng)力;然而,由于結(jié)構(gòu)變形很小,對流體的影響不大。因此,這就使得CFD求解和FEA求解獨(dú)立進(jìn)行,荷載數(shù)據(jù)由流體單向傳遞給結(jié)構(gòu)。

雙向流固耦合

在某些實際工況中,結(jié)構(gòu)變形對流體產(chǎn)生的影響不可忽略,這就需要采用雙向流固耦合技術(shù)。雙向流固耦合的行業(yè)應(yīng)用例子非常多,例如航空航天中的機(jī)翼顫振、汽車引擎罩的振動問題、建筑橋梁中的風(fēng)荷載、生物醫(yī)學(xué)中的血管血液流動等。諸如此類問題,ANSYS Mechaincal和CFX/FLUENT必須同步計算并且在兩個求解器之間互相傳遞荷載數(shù)據(jù)。

ANSYS Mechanical與CFX/FLUENT這種耦合方式的獨(dú)特之處在于耦合過程中的數(shù)據(jù)交換是內(nèi)部自動建立的,無需第三方的耦合軟件。ANSYS多物理場求解器提供了真正的雙向流固耦合技術(shù),針對運(yùn)動/變形幾何體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析。

ANSYS用于FSI計算的MFX多物理場求解器提供了易于操作的框架平臺,用于求解許多行業(yè)中的耦合問題,而在此之前針對此類問題是沒有準(zhǔn)確的處理方法的。多物理場求解器是自動交互式的耦合求解器,可用于所有物理場,支持與CFX/FLUENT的流固耦合分析。其中,結(jié)構(gòu)部分采用ANSYS Mechanical或Multphysics求解,流體部分采用CFX/FLUENT求解。由于功能得到增強(qiáng),多物理場求解器技術(shù)支持在一臺或者多臺機(jī)器同步進(jìn)行結(jié)構(gòu)和流體的計算,與單機(jī)耦合求解相比,在求解大型問題時更為高效。多物理場耦合基于客戶化的信息傳遞技術(shù),保證了CFX/FLUENT求解器在并行求解過程中采用自帶信息傳遞方法,不會與其它參與耦合的求解器發(fā)生沖突。因此,流體和結(jié)構(gòu)計算可以在不同的機(jī)器進(jìn)行,并且任意數(shù)目的計算機(jī)都可參與耦合計算,大大縮短了流體部分的計算時間。

ANSYS多物理場求解器為更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域提供了高效快捷的流固耦合分析工具,很好地解決了耦合中的數(shù)據(jù)傳遞和流體結(jié)構(gòu)模型建立等關(guān)鍵問題。

CFD計算肺動脈的壓力分布 肺動脈的變形

采用雙向流固耦合技術(shù)模擬動脈血管中血液流動的脈沖問題。生物醫(yī)學(xué)通過這種無侵害研究方法能夠更好地分析高血壓產(chǎn)生機(jī)理,同時發(fā)現(xiàn)一些潛在規(guī)律。

2.預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析Pre-Stress Modal

模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性,就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。

預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析是指對具有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。同樣的結(jié)構(gòu)在不同的應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的動力特性。例如,一根琴弦隨著拉力的增加,它的振動頻率也隨之增大。渦輪葉片旋轉(zhuǎn)時,由于離心力引起的預(yù)應(yīng)力的作用,它的自然頻率逐漸具有增大的趨勢。為了恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計這些結(jié)構(gòu),必須要做具有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。除了首先要通過進(jìn)行靜力分析把預(yù)應(yīng)力加到結(jié)構(gòu)上外,有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的過程和常規(guī)模態(tài)分析基本上一樣。所以預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析流程中,首先進(jìn)行靜力分析,然后進(jìn)行模態(tài)分析。

3.隨機(jī)振動分析Random Vibration

隨機(jī)振動分析是指機(jī)構(gòu)在一些隨機(jī)激勵作用下,計算一些物理量如位移或應(yīng)力等的概率分布情況。目前隨機(jī)振動分析在機(jī)載電子設(shè)備、聲學(xué)裝載部件、抖動的光學(xué)對準(zhǔn)設(shè)備等的設(shè)計上得到廣泛的應(yīng)用。

在Workbench中進(jìn)行隨機(jī)振動分析需要輸入的是:

• 從模態(tài)分析得到的固有頻率和振型

• 作用于節(jié)點(diǎn)上的單點(diǎn)或多點(diǎn)功率譜密度(PSD)激勵

輸出的是:作用于節(jié)點(diǎn)上的功率譜密度(PSD)的響應(yīng)。

4.響應(yīng)譜分析Response Spectrum

響應(yīng)譜分析是分析計算當(dāng)結(jié)構(gòu)受到瞬間載荷作用時產(chǎn)生的最大響應(yīng),可以認(rèn)為這是快速進(jìn)行接近瞬態(tài)分析的一種替代解決方案。響應(yīng)譜分析分為單點(diǎn)譜分析和多點(diǎn)譜分析。目前響應(yīng)譜分析廣泛應(yīng)用于分析核電廠建筑的地震響應(yīng)、機(jī)載電子設(shè)備的沖擊載荷分析和地震帶的商業(yè)建筑的分析等。進(jìn)行響應(yīng)譜分析之前必須知道:

• 先進(jìn)行模態(tài)分析后方可進(jìn)行響應(yīng)譜分析;

• 結(jié)構(gòu)必須是線性,具有連續(xù)剛度和質(zhì)量的結(jié)構(gòu);

• 進(jìn)行單點(diǎn)譜分析時,結(jié)構(gòu)受一個已知方向和頻率的頻譜所激勵;

• 進(jìn)行多點(diǎn)譜分析時,結(jié)構(gòu)可以被多個(最多20個)不同位置的頻譜所激勵。

5.熱應(yīng)力分析Thermal-Stress

在產(chǎn)品設(shè)計中,一般情況下按照靜力強(qiáng)度準(zhǔn)則已足以滿足使用要求,但是對于由不同線膨脹系數(shù)的材料組成的零件裝配成的產(chǎn)品,當(dāng)各個零件的溫度變化較大時,在一定溫升下各零件間的熱應(yīng)力因線膨脹系數(shù)不同而很大。特別是對于處于復(fù)雜環(huán)境中的產(chǎn)品,內(nèi)外表面因存在巨大的溫度差,而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,雖然該產(chǎn)品的常溫靜力強(qiáng)度富裕系數(shù)較大,但常常會因為熱應(yīng)力而導(dǎo)致產(chǎn)品破壞。因此對于工作在溫度變化比較大環(huán)境中的產(chǎn)品設(shè)計,往往需要對其進(jìn)行溫度場分析和熱應(yīng)力計算,以確定考慮溫度變化時結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度富裕系數(shù),即按照靜力載荷和溫度載荷聯(lián)合作用下的靜熱聯(lián)合強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則來設(shè)計結(jié)構(gòu)。

熱應(yīng)力分析最常見的是穩(wěn)態(tài)熱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。通過CFD軟件計算得到結(jié)構(gòu)的溫度場,然后將溫度場的邊界條件傳遞到問題熱分析中,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的熱分析,最后將熱分析的結(jié)構(gòu)傳遞到結(jié)構(gòu)分析中,進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,就可以得到結(jié)構(gòu)在熱載荷下的熱應(yīng)力結(jié)果。

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