搜索建模與網(wǎng)格劃分指南第三章
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
作者: 安世亞太 來(lái)源: e-works
關(guān)鍵字: CAE 教程 網(wǎng)格劃分
第三章 坐標(biāo)系
3.1坐標(biāo)系的類型
ANSYS程序提供了多種坐標(biāo)系供用戶選取。
· 總體和局部坐標(biāo)系用來(lái)定位幾何形狀參數(shù)(節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)等)的空間位置。
· 顯示坐標(biāo)系。用于幾何形狀參數(shù)的列表和顯示。
· 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系。定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度方向和節(jié)點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。
· 單元坐標(biāo)系。確定材料特性主軸和單元結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。
· 結(jié)果坐標(biāo)系。用來(lái)列表、顯示或在通用后處理(POST1)操作中將節(jié)點(diǎn)或單元結(jié)果轉(zhuǎn)換到一個(gè)特定的坐標(biāo)系中。
工作平面與本章的坐標(biāo)系分開(kāi)討論,以在建模中確定幾何體素,參見(jiàn)§4中關(guān)于工作平面的詳細(xì)信息。
3.2總體和局部坐標(biāo)系
總體和局部坐標(biāo)系用來(lái)定位幾何體。缺省地,當(dāng)定義一個(gè)節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)時(shí),其坐標(biāo)系為總體笛卡爾坐標(biāo)系?？墒菍?duì)有些模型,定義為不是總體笛卡爾坐標(biāo)系的另外坐標(biāo)系可能更方便。ANSYS程序允許用任意預(yù)定義的三種(總體)坐標(biāo)系的任意一種來(lái)輸入幾何數(shù)據(jù),或在任何用戶定義的(局部)坐標(biāo)系中進(jìn)行此項(xiàng)工作。
3.2.1總體坐標(biāo)系
總體坐標(biāo)系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)絕對(duì)的參考系。ANSYS程序提供了前面定義的三種總體坐標(biāo)系:笛卡爾坐標(biāo)、柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)系。所有這三種系統(tǒng)都是右手系。且由定義可知它們有共同的原點(diǎn)。它們由其坐標(biāo)系號(hào)來(lái)識(shí)別:0是笛卡爾坐標(biāo),1是柱坐標(biāo),2是球坐標(biāo)(見(jiàn)圖總體坐標(biāo)系)
圖3-1總體坐標(biāo)系
· (a) 笛卡爾坐標(biāo)系(X, Y, Z) 0 (C.S.0)
· (b)柱坐標(biāo)系(R,θ, Z com ponents) 1 (C.S.1)
· (c) 球坐標(biāo)系(R,θ,φcomponents) 2 (C.S.2)
· (d)柱坐標(biāo)系 (R,θ,Y components) 5 (C.S.5)
3.2.2局部坐標(biāo)系
在許多情況下,有必要建立自己的坐標(biāo)系。其原點(diǎn)與總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)偏移一定的距離,或其方位不同于先前定義的總體坐標(biāo)系(如圖3-2所示用局部、節(jié)點(diǎn)或工作平面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)定義的一個(gè)坐標(biāo)系的例子)。用戶可定義局部坐標(biāo)系,按以下方式創(chuàng)建:
圖3-2歐拉旋轉(zhuǎn)角
·按總體笛卡爾坐標(biāo)定義局部坐標(biāo)系。
命令:LOCAL
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At Specified Loc
·通過(guò)已有節(jié)點(diǎn)定義局部坐標(biāo)系。
命令:CS
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>By 3 Nodes
·通過(guò)已有關(guān)鍵點(diǎn)定義局部坐標(biāo)系。
命令:CSKP
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>By 3 Keypoints
·在當(dāng)前定義的工作平面的原點(diǎn)為中心定義局部坐標(biāo)系。
命令:CSWPLA
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At WP Origin
· 通過(guò)激活的坐標(biāo)系由CLOCAL命令定義局部坐標(biāo)系。(見(jiàn)§3.2.3一節(jié))(沒(méi)有與CLOCAL相應(yīng)的GUI)
當(dāng)用戶定義了一個(gè)局部坐標(biāo)系后,它就會(huì)被激活。當(dāng)創(chuàng)建了局部坐標(biāo)系后,分配給它一個(gè)坐標(biāo)系號(hào)(必須是11或更大),可以在ANSYS進(jìn)程中的任何階段建立(或刪除)局部坐標(biāo)系。
若要?jiǎng)h除一個(gè)局部坐標(biāo),利用下列方法:
命令:CSDELE
GUI: Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Delete Local CS
要查看所有的總體和局部坐標(biāo)系使用下列方法:
命令:CSLIST
GUI: Utility Menu>List>Other>Local Coord Sys
與三個(gè)預(yù)定義的總體坐標(biāo)系類似,局部坐標(biāo)系可以是笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系或球坐標(biāo)系。局部坐標(biāo)系可以是圓的,也可以是橢圓的,此外,還可以建立環(huán)形局部坐標(biāo)系,如圖3-3所示。
圖3-3坐標(biāo)系類型
注意:一般建議不要在環(huán)形坐標(biāo)系下進(jìn)行實(shí)體建模操作,因?yàn)樯傻目赡懿皇怯脩粝胍拿婊蝮w。
3.2.3坐標(biāo)系的激活
用戶可定義任意多個(gè)坐標(biāo)系,但某一時(shí)刻只能有一個(gè)坐標(biāo)系被激活。激活坐標(biāo)系的方法如下:首先自動(dòng)激活總體笛卡爾坐標(biāo)系。每當(dāng)用戶定義一個(gè)新的局部坐標(biāo)系,這個(gè)新的坐標(biāo)系就會(huì)自動(dòng)被激活。如果要激活一個(gè)總體坐標(biāo)系或以前定義的坐標(biāo)系,可用下列方法:
命令:CSYS
GUI :Utility Menu>Change Active CS to>Global Cartesian
Utility Menu>Change Active CS to>Global Cylindrical
Utility Menu>Change Active CS to>Global Spherical
Utility Menu>Change Active CS to>Specified Coord Sys
Utility Menu>Change Active CS to>Working Plane
在ANSYS程序運(yùn)行的任何階段都可以激活某個(gè)坐標(biāo)系。若沒(méi)有明確地改變激活的坐標(biāo)系,當(dāng)前激活的坐標(biāo)系將一直保持有效。
注意:在定義節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)時(shí),不管哪個(gè)坐標(biāo)系是激活的,程序都將坐標(biāo)標(biāo)為X、Y和Z,如果激活的不是笛卡爾坐標(biāo)系,用戶應(yīng)將X、Y、Z理解為柱坐標(biāo)中的R、θ、Z或球及環(huán)坐標(biāo)系中的R、θ、Φ。
3.2.4曲面
給一個(gè)單一的坐標(biāo)就表示一個(gè)曲面。例如,在笛卡爾坐標(biāo)中X=3表示在X=3處的Y-Z平面(或曲面)。這種曲面常與各種操作一起使用(如選擇命令xSEL,移動(dòng)命令MOVE、KMOVE等)。由常量生成的一些曲面見(jiàn)圖3-4和圖3-5。這些曲面均可在總體或局部坐標(biāo)系中按所需的方向定位。對(duì)橢圓坐標(biāo)系,曲面R=C中R只能是沿X軸取值。
3.2.5封閉曲面和奇異曲面
曲面可看成是無(wú)限延伸的。如圖3-6所示,圓柱面在θ=±180°處奇異。所以生成節(jié)點(diǎn)〔FILL〕命令或生成關(guān)鍵點(diǎn)〔KFILL〕命令不能超過(guò)180°線。這樣,從A點(diǎn)到C點(diǎn)經(jīng)過(guò)B點(diǎn),從A點(diǎn)到D點(diǎn)要經(jīng)過(guò)E點(diǎn),從C點(diǎn)到D點(diǎn)要經(jīng)過(guò)B、A和E點(diǎn)。
對(duì)柱坐標(biāo)系可將奇異點(diǎn)移至θ=0°(或360°),則從C點(diǎn)到D點(diǎn)就可以不通過(guò)B、A和E點(diǎn)了。移動(dòng)奇異點(diǎn)使用下列方法:
命令:CSCIR
GUI :Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Move Singularity
圖3-4常數(shù)所表示的一些曲面
同樣地,環(huán)坐標(biāo)系在Φ=±180°處發(fā)生奇異,可用上述方法將其轉(zhuǎn)移。球坐標(biāo)系在Φ=±90°處發(fā)生奇異,因此,不使用這些位置。
圖3-5常數(shù)所表示的一些曲面
圖3-6奇異點(diǎn)
注意:奇異點(diǎn)不影響實(shí)體模型中的線。二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的曲線將取其夾角最小的路徑而不管奇異點(diǎn)的位置如何。(為此,曲線不會(huì)超過(guò)180°)。在上圖中從B點(diǎn)到D點(diǎn)或從D點(diǎn)到B點(diǎn)的圓弧都經(jīng)過(guò)C點(diǎn)。
3.3顯示坐標(biāo)系
在缺省情況下,即使是在其它坐標(biāo)系中定義的節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn),其列表都顯示它們的總體笛卡爾坐標(biāo)?？捎孟铝蟹椒ǜ淖冿@示坐標(biāo)系:
命令:DSYS
GUI:UtilityMenu>WorkPlane>ChangeDisplay CSto>Global Cartesian
Utility Menu>WorkPlane>Change Display CS to>Global Cylindrical
Utility Menu>WorkPlane>Change Display CS to>Global Spherical
Utility Menu>WorkPlane>Change Display CS to>Specified Coord Sys
改變顯示坐標(biāo)系也會(huì)影響圖形顯示。除非用戶有特殊的需要,一般在用諸如NPLOT,EPLOT命令顯示圖形前,應(yīng)將顯示坐標(biāo)系重置為C、S、0(總體笛卡爾坐標(biāo)系)。DSYS命令對(duì)LPLOT,APLOT和VPLOT命令無(wú)影響。
3.4節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系
總體和局部坐標(biāo)系用于幾何體的定位,而節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系則用于定義節(jié)點(diǎn)自由度的方向。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系,缺省情況下,它總是平行于總體笛卡爾坐標(biāo)系(與定義節(jié)點(diǎn)的激活的坐標(biāo)系無(wú)關(guān))?？捎孟铝蟹椒▽⑷我夤?jié)點(diǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到所需方向:
· 將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到激活坐標(biāo)系的方向。即節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的X軸轉(zhuǎn)成平行于激活坐標(biāo)系的X軸或R軸,節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的Y軸旋轉(zhuǎn)到平行于激活坐標(biāo)系的Y或θ軸。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的Z軸轉(zhuǎn)成平行于激活坐標(biāo)系的Z或Φ軸
命令:NROTAT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-To Active CS
Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-To Active CS
· 按給定的旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系(由于通常不易得到旋轉(zhuǎn)角,因此NROTAT命令可能更有用)在生成節(jié)點(diǎn)時(shí)可以定義旋轉(zhuǎn)角度,或?qū)σ延泄?jié)點(diǎn)指定旋轉(zhuǎn)角度(NMODIF命令)
命令:N
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>In Active CS
命令: NMODIF
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-By Angles
Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-By Angles
· 按方向余弦旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系
命令:NANG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-By Vectors
Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-By Vectors
· 可利用下列方法列出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系相對(duì)總體笛卡爾坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的角度。
命令:NLIST
GUI : Utility Menu>List>Nodes
Utility Menu>List>Picked Entities>Nodes
圖3-7節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系
3.4.1節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)譯碼:
輸入數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中譯碼包含的分量如下:
約束自由度
力
主自由度
從自由度
約束方程
下列是在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系下輸出文件和POST26中顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果:
自由度解
節(jié)點(diǎn)載荷
反作用載荷
在POST1中,結(jié)果數(shù)據(jù)換算到結(jié)果坐標(biāo)系〔RSYS〕下記錄的,而不是在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系下。
3.5單元坐標(biāo)系
每個(gè)單元都有它自己的坐標(biāo)系,單元坐標(biāo)系用于規(guī)定正交材料特性的方向,加面壓力和結(jié)果(如應(yīng)力和應(yīng)變)的輸出方向。所有的單元坐標(biāo)系都是正交右手系。
大多數(shù)單元坐標(biāo)系的缺省方向遵循以下規(guī)則:
· 線單元的X軸通常從該單元的I節(jié)點(diǎn)指向J節(jié)點(diǎn)
· 殼單元的X軸通常也取I節(jié)點(diǎn)到J節(jié)點(diǎn)的方向。Z軸過(guò)I點(diǎn)且與殼面垂直,其正方向由單元的I、J和K節(jié)點(diǎn)按右手定則確定,Y軸垂直于X軸和Z軸。
· 對(duì)二維和三維實(shí)體單元的單元坐標(biāo)系總是平行于總體笛卡爾坐標(biāo)系。
然而,并非所有的單元坐標(biāo)系都符合上述規(guī)則;對(duì)于特定單元坐標(biāo)系的缺省方向參見(jiàn)《ANSYS Elements Reference》部分的詳細(xì)說(shuō)明。
許多單元類型都有選項(xiàng)(KEYOPTS;在DT或KETOPT命令中輸入)。這些選項(xiàng)用于修改單元坐標(biāo)系的缺省方向。對(duì)面單元和體單元而言,可用下列命令將單元坐標(biāo)系的方向調(diào)整到已定義的局部坐標(biāo)系上:
命令:ESYS
GUI : Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs
Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Elem Attributes
Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Default Attributes
如果既用KEYOPT命令又用了ESYS命令,則KEYOPT命令的定義有效。對(duì)某些單元而言,通過(guò)輸入角度可相對(duì)先前的方向進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。(例如:SHELL63單元中的實(shí)常數(shù)THETA)
3.6結(jié)果坐標(biāo)系
在求解的過(guò)程中,計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)有位移(UX,UY,ROTX等),梯度(TGX,TGY等),應(yīng)力(SX,SY,SZ等),應(yīng)變(EPPLX,EPPLXY等)等等。這些數(shù)據(jù)存貯在數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中,要么是在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系(初始或節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù))要么是單元坐標(biāo)系(導(dǎo)出或單元數(shù)據(jù))。但是,結(jié)果數(shù)據(jù)通常是旋轉(zhuǎn)到激活的結(jié)果坐標(biāo)系(缺省為總體坐標(biāo)系)中顯示、列表和單元表數(shù)據(jù)存貯(ETABLE命令)。
用戶可將活動(dòng)的結(jié)果坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到另一個(gè)坐標(biāo)系(如總體柱坐標(biāo)系或一個(gè)局部坐標(biāo)系),或轉(zhuǎn)到在求解時(shí)所用的坐標(biāo)系下(例如,節(jié)點(diǎn)和單元坐標(biāo)系)。如果用用戶列表、顯示或操作這些結(jié)果數(shù)據(jù),則它們將首先被旋轉(zhuǎn)到結(jié)果坐標(biāo)系下。利用下列方法即可改變結(jié)果坐標(biāo)系:
命令:RSYS
GUI : Main Menu>General Postproc>Options for Output
Utility Menu>List>Results>Options
參見(jiàn)《ANSYS Basic Analysis Guide》中§5來(lái)詳細(xì)查看將結(jié)果旋轉(zhuǎn)到一個(gè)不同的坐標(biāo)系以進(jìn)行后處理。
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