利用Pro/MECHANICA提高ANSYS求解有限元問題的能力

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

【摘要】利用Pro/MECHANICA工具,對ANSYS有限元分析工具進行處理方式的補充,克服了該軟件分析的單一系統(tǒng)的不足,為解決復雜的結(jié)構(gòu)分析課題提供新的途徑。
【關鍵詞】 Pro/MECHANICA ANSYS 有限元

1 概述

工程中有大量的實際問題,如力場、溫度場、流場和電場等是呈勻態(tài)連續(xù)變化的。然而,由于具體問題的幾何形狀、物理特性和干涉條件的復雜性,要得到解析解十分困難。所以,有限元分析法就成為了解決工程問題的重要方式。

有限元分析法是一種以變分原理為基礎的重要的數(shù)值分析方法,其基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個并且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體,從而將全求解域上待求的未知場函數(shù)分片地表示為每一個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)。該近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達。這樣,未知場函數(shù)及其導數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量,從而使一個連續(xù)的無限自由度問題就變成離散的有限自由度的問題。求解出這些未知量,就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值,從而得到整個求解域上的近似值。

有限元分析法總體上可分成三個部分:前處理部分、主分析計算部分以及后處理部分。圖1為有限元分析的過程。

從當前的有限元解決方式看,主分析計算部分根據(jù)有限元模型的數(shù)據(jù)文件進行有限元分析,主要是借助目前成熟的商品化有限元分析應用軟件系統(tǒng),例如ANSYS、NSTRAN和COSMOS等。后處理部分是有限元計算后輸出結(jié)果的加工階段,包括數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示。從整個過程看,這兩個階段由于采用批處理方式和單純的輸出顯示,所以人工干預并不多。相比之下,最繁重的工作在于前處理階段,即特定分析對象的關系確定和建立模型,包括節(jié)點數(shù)和節(jié)點編碼等。因此,重點工作顯然在前處理過程中。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛應用于機械、電機、土木、電子及航空等不同領域。它是眾多有限元分析軟件中較出色的一個,以其高效的求解算法和效率聞名,并有相對獨立的前、后處理體系,可獨立完成多學科、多領域的分析任務。該軟件是當前結(jié)構(gòu)分析中使用最為頻繁的軟件。但是,在處理分析過程中,ANSYS優(yōu)點明顯,其缺點也同樣突出。本文將借助proeNGINEER中的MECHANICA模塊,就如何提高其處理能力進行分析比較。

2 當前方式缺點及改善方式

2.1 ANSYS軟件的缺點

ANSYS目前的結(jié)構(gòu)分析過程主要有以下兩種情況:在ANSYS軟件中建立一些簡單的模型,然后進行分析處理;采用在三維造型軟件中建立三維模型,然后將模型數(shù)據(jù)文件導入到ANSYS中,進行簡化處理和分析。這就決定了它有以下幾個缺點。

(1)從ANSYS自身建模看,其圖形驅(qū)動技術支持的界面可管理性和操作性相對較差,無法完成復雜模型的建模,因此結(jié)構(gòu)分析效果大大降低了可信度,影響工作效率。而建模恰恰是當前一些三維設計軟件的優(yōu)勢所在,例如,proeNGINEER、UG、IDEAS等。所以,ANSYS自建模的方法使用得比較少。

(2)對利用軟件數(shù)據(jù)交換的方式,在進行圖形轉(zhuǎn)換的過程中,有時會出現(xiàn)一些問題。這種方式主要是利用三維設計軟件進行精確的三維造型,并通過標準數(shù)據(jù)接口或數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)入ANSYS系統(tǒng)中。所采用的標準文件格式包括IGES、proeNGINEER或UG等。這種方法所遇到的主要的問題如下:ANSYS對造型軟件的一些處理方法無法識別,如面—面重疊等 ;ANSYS無法對造型軟件中的一些特征進行網(wǎng)格劃分,如細長面等 ;造型軟件與ANSYS定義圖元的方式不完全一致,從而產(chǎn)生一些特殊圖形格式,并在ANSSY分析中產(chǎn)生異議。

因此,用戶需要在ANSYS中進行模型修補。而由于ANSYS的建模能力較差,所以在進行修補的過程中,不能精確復原模型,對不識別的特征,往往只能采用簡化的方式。這些都造成模型不一致,精度較低,且修補時間長,工作效率低下。

2.2 提高解決能力的方式

筆者在進行機械零部件的結(jié)構(gòu)分析過程中,將proeNGINEER的建模優(yōu)點和ANSYS的分析計算能力結(jié)合起來,采用第二種方式,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其分析結(jié)果有時候并不理想,尤其在超平面情況更是如此。筆者經(jīng)過不斷嘗試,利用proeNGINEER軟件中的MECHANICA模塊,對模型進行了前處理工作,大大提高了ANSYS的分析處理能力。這樣做的優(yōu)點是:由于proeNGINEER的特征相關聯(lián)性,所以更改模型方便;在處理過程中,模型一致性好,數(shù)據(jù)完整,克服了ANSYS前處理能力的不足,而且計算精度得到了適當?shù)母纳?。這大大提高了整個有限元分析工作的效率。

本文以一個軸為例對這個過程進行分析,并對兩種方式的結(jié)果進行了比較。其具體過程如圖1所示。
(1)直接使用proeNGINEER生成的模型數(shù)據(jù),包括點、線、面和體,完成有限元分析工具的建模工作,如圖2所示。

圖1 分析過程

圖2 建模

(2)利用MECHANICA模塊,定義模型所采用的材料,并定義約束和載荷。

(3)定義網(wǎng)格單元,劃分網(wǎng)格,如圖3所示。生成批處理作業(yè)命令流文件,該文件可直接為有限元分析工具所用,也可稍加修改后使用。

(4)將該文件導入到ANSYS中,進行分析計算,獲得分析結(jié)果。

如表1所示的清單就是利用本文方式獲得的ANSYS格式批命令輸入文件,因篇幅有限,節(jié)點和單元申明語句的中間部分已用省略號表示省略。

表1 清單

在前處理部分首先設置節(jié)點的全局直角坐標并順序列出模型節(jié)點的所有編號和節(jié)點坐標,接著聲明了單元類型、單元幾何參數(shù)屬性和單元材料等,并列出了單元的編號和構(gòu)成單元的節(jié)點編號。本例節(jié)點編號從1開始到6825結(jié)束,共有6825個;單元編號從1開始到31062結(jié)束,共有31062個,其單元形狀為四面體。隨后設置了邊界條件及載荷,如圖4所示。

3 處理前后的結(jié)果比較

筆者對模型導入方式獲得的結(jié)果和本文提出的解決方式進行了比較,并將結(jié)果對比列出如下,分別如圖4、圖5所示。

圖3 劃分網(wǎng)格

圖4 處理前

圖5 處理后

從兩個分析結(jié)果可以看到,在單元劃分接近的情況下,本文方式更加接近最終結(jié)果,精度更高。而且,由于劃分網(wǎng)格等工作均在proeNGINEER中進行,避免了在ANSYS中修補模型的低效率工作。

4 結(jié)論

本文提出了利用proeNGINEER的MECHANICA模塊來提高ANSYS有限元分析軟件分析處理能力的方法和步驟。它大大提高了有限元分析的效率,提高了分析精度和有效性,可以引伸到其他機械零件的有限元分析工作中。

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