ANSYS空间问题分析.ppt

ANSYS的坐标系与工作平面的坐标系与工作平面坐标系的种类：坐标系的种类：1、总体坐标系，、总体坐标系，2、局部坐标系，、局部坐标系，3、工、工作平面，作平面，4、显示坐标系，、显示坐标系，5、节点坐标系，、节点坐标系，6、单元坐标、单元坐标系，系，7、结果坐标系、结果坐标系 1、总体坐标系：是最基本的空间描述坐标系，是一个绝、总体坐标系：是最基本的空间描述坐标系，是一个绝对的参考系对的参考系ANSYS软件提供软件提供4个总体坐标系：个总体坐标系：2、局部坐标系、局部坐标系:Ø局部坐标系有创建、删除、激活等操作局部坐标系有创建、删除、激活等操作Ø坐标系类型：有直角坐标、柱坐标、球坐标和环坐标系坐标系类型：有直角坐标、柱坐标、球坐标和环坐标系Ø局部坐标系有创建、删除、激活和移动等操作局部坐标系有创建、删除、激活和移动等操作创建与删除局部坐标系菜单系统创建与删除局部坐标系菜单系统Ø坐标系类型：有直角坐标、柱坐标、球坐标和环坐标系坐标系类型：有直角坐标、柱坐标、球坐标和环坐标系图图8.8 坐标系类型坐标系类型  3、工作平面：、工作平面： Ø在总体坐标系中可以任意移动和旋转的流动坐标系。

在总体坐标系中可以任意移动和旋转的流动坐标系Ø工作平面是一个无限平面，与其他总体坐标系一样，包工作平面是一个无限平面，与其他总体坐标系一样，包括一个原点、二维坐标架（括一个原点、二维坐标架（X轴和轴和Y轴轴)和隐含和隐含z轴的坐标系轴的坐标系Ø工作平面在工作平面在ANSYS实体建模中发挥着重要作用，是创建实体建模中发挥着重要作用，是创建各种规则几何对象的基准坐标系，这些规则的几何对象包各种规则几何对象的基准坐标系，这些规则的几何对象包括圆线、弧线、圆面、矩形面、环面、扇区、长方体、圆括圆线、弧线、圆面、矩形面、环面、扇区、长方体、圆柱体、空心圆柱体、部分空心圆柱体、多边形柱等工作柱体、空心圆柱体、部分空心圆柱体、多边形柱等工作平面还可以作为布尔运算的切分面，作为镜面映射操作的平面还可以作为布尔运算的切分面，作为镜面映射操作的对称平面等对称平面等Ø用户可以设置工作平面的显示风格，也能方便地移动和用户可以设置工作平面的显示风格，也能方便地移动和转动到各种位置和方向上，还能激活工作平面使其成为当转动到各种位置和方向上，还能激活工作平面使其成为当前坐标系前坐标系工作平面操作菜单系统工作平面操作菜单系统（（1）工作平面的显示与隐藏）工作平面的显示与隐藏菜单路径：菜单路径：Utility Menu>Work Plane>Display Working Plane 8（（2）设置工作平面的显示风格和捕捉功能）设置工作平面的显示风格和捕捉功能设置工作平面选择菜单路径：设置工作平面选择菜单路径： Utility Menu>WorkPlane>WP Settings99（（A）） 直角坐标形式直角坐标形式 （（B）） 极坐标形式极坐标形式图图8.13 直角坐标系和极坐标系工作平面栅格直角坐标系和极坐标系工作平面栅格（（3）工作平面的平移与旋转变换）工作平面的平移与旋转变换 增量变换，选择菜单路径：增量变换，选择菜单路径： Utility Menu > WorkPlane > Offset WP by Increments 4、激活坐标系（当前坐标系）、激活坐标系（当前坐标系） 前面介绍了总体坐标系、局部坐标系和工作平面，前面介绍了总体坐标系、局部坐标系和工作平面，都是都是ANSYS几何建模时使用的坐标系。

究竟哪个坐标几何建模时使用的坐标系究竟哪个坐标系是当前坐标系？如何将一个坐标系变为当前坐标系？系是当前坐标系？如何将一个坐标系变为当前坐标系？ 启动启动ANSYS，最初的默认激活坐标系总是总体，最初的默认激活坐标系总是总体直角坐标系（直角坐标系（0号号CS）•对体划分网格的两种选择：–自由网格划分，完全生成四面体网格，这很容易实现，但在某些情况下并不令人满意–映射网格划分，完全生成六面体网格，这一方法令人满意，但通常很难实现•过渡单元 提供了第三种选择，它集“两家之长”，将四面体和六面体网格很好的结合起来，并保持网格的完整性•这个选择是在六面体和四面体单元之间的过度区，生成金字塔形单元–必须有六面体网格，（至少在交界面上有四边形网格）–先生成四面体单元，然后通过组合重新组织过渡区的四面体单元形成金字塔形单元–仅适用于既支持金字塔形又支持四面体形状的单元类型•结构单元 SOLID95, 186, VISCO89•热单元 SOLID90•多物理场单元 SOLID62, 117, 122–即使在过渡区结果也会很好向二次四面体过渡，单元表面都是协调的SOLID95–过渡网格对二次到二次和线性到二次的过渡都是有用的。

8-节点六面体9-节点四面体10-节点四面体六面体网格六面体网格过渡层过渡层四面体网格四面体网格二次到二二次到二次次线性到二线性到二次次10-节点四面体13-节点金字塔形20-节点六面体包括四个步骤1.建立六面体网格–从规则形状划分映射网格开始（或对交界面划分四边形网格）–对于应力分析，既可采用8-节点块体单元，(SOLID45 或 SOLID185) ，又可用 20-节点块体单元 (SOLID95 或 SOLID186)2.激活既支持金字塔形又支持四面体的单元类型–这些块体单元通常可退化为金字塔形或四面体单元，请查看帮助的单元手册，看哪些单元类型有效–例如:•结构单元 SOLID95, 186, VISCO89•热单元 SOLID90•多物理场单元 SOLID62, 117, 1223.生成四面体单元–首先激活自由网格划分–然后对要生成四面体单元的体划分网格在分界面上会自动生成金字塔形单元2024/7/2121 轮子二维结构如图所示（尺寸单位为英寸），现要分析该轮仅承受绕其中心轴旋转角速度的作用下，轮的受力及其变形情况已知角速度：w=525rad/s,材料属性： 弹性模量E＝30×106psi 泊松比为0.3 密度为0.000731bf-2/in4[实例]轮子分析2024/7/2122思路分析： 这是一个空间问题的静力学分析，由于结构的复杂性，不能采用由2D网格拖拉生成3D网格的方式，宜采用自由网格和映射网格相结合的网格生成方式，根据该轮的对称性，在分析式只要分析其中的一部分即可。

1）先建立三维几何模型；2）根据三维模型的特点，对三维模型进行分割，使其中一部分模型能够采用映射网格方式划分，其余部分则可以用自由网格划分因此必须选用20节点六面体单元（Solid95)，它可以进行映射网格划分，同时也可以变成20节点的四面体网格进行自由网格划分因此能够实现不同网格形状的连接3）对划分网格的连接处进行网格转换即将20节点的四面体自由网格转换为10节点四面体网格，以减六面体单元（Solid95)，它可以进行映射网格划分，同时也可以变成20节点的四面体网格进行自由网格划分因此能够实现不同网格形状的连接4）对划分网格的连接处进行网格转换即将20节点的四面体自由网格转换为10节点四面体网格，以减少解题规模5）施加对称约束和角加速度6）求解分析7）显示结果2024/7/2124GUI操作方式（1）定义工作名”Wheel_Anal“和工作标题”The Stress calculating of Wheel by angular velocity”（2）定义单元类型和材料属性选择Structural Solid类型的Brick 20node 95两种单元；材料属性：在EX框输入30e6，PRXY框输入0.3，DENS框输入0.00073（3）建立2D模型（如下页所示） [Main Menu]Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimension 生成左边矩形面：X1＝1.0,X2＝1.5，Y1＝0,Y2=5.0 生成右边矩形面：X1＝3.25,X2＝3.75，Y1＝0.5,Y2=3.75 生成中间矩形面：X1＝1.0,X2＝3.75，Y1＝1.75,Y2=2.5面叠分布尔操作Overlap，Pick All2024/7/2125线倒角，生成由倒角线围成的面生成弧线的中心关键点（共两个）：X=3.5,Y=0.475X=3.5,Y=3.505生成圆弧线(如图所示）Arc>By End Kps&RadR=0.35生成由圆弧线围成的面（共两处）面相加（Pick All）线相加以减少线的数量（可不作）：L17＋L12＋L13；L22＋L10＋L202024/7/2126压缩编号操作，并重新显示线保存结果数据：存为Wheel_Anal_2D（4）通过拖拉生成3D模型生成轴线的关键点： (0,0)---(0,5)2D拖拉成3DPreprocessor>Modeling>Operate>Extrude>About Axis在Arc length in degree框中输入22.5度，输入NSEG＝1，即生成的实体由一块体积组成关闭线号显示改变视图方向：ISO结果如下页所示。

2024/7/2127（5）生成一个圆柱孔激活工作平面旋转工作平面：Workplane>Offset by increments，在”XY，YZ，ZX Angles”下面的输入栏中输入”0，－90“,工作平面的”WZ”将指向上方；生成一个圆柱体：Create>Cylinder>Solid Cylinder，出现一个对话框，输入WP X=2.375WP Y=0，Radius＝0.45，Depth＝2.6(注：>2.5)体相减得到的3D几何模型如图所示另存盘为：Save as “Wheel_Anal_3D”2024/7/2128（6）生成网格平移工作平面到关键点9上用工作平面切分体：Operate>Divide>Volu by WrkPlane，拾取“Pick All”显示体平移工作平面到关键点14上用工作平面切分体：Operate>Divide>Volu by WrkPlane，拾取下部分体（编号为V4）关闭工作平面结果如上图所示2024/7/2129设置单元尺寸：用Mesh Tool工具，单击Gloabal上的Set，输入Size＝0.25采用映射网格生成单元：在MeshTool工具条下的“Shape”下选择”Hex”六面体网格类型和“Mapped”映射生成方式，单击Mesh，拾取V1，V2，V3，V5。

生成的网格单元如下图所示采用自由网格划分单元：在MeshTool工具条上，选择Shape下的“Tet”四面体网格类型和“Free”自由网格生成方式，单击Mesh，拾取V6，则完成自由网格划分注：20节点六面体网格到10节点四面体网格之间的连接，必须在会合面上通过五面体（20节点的退化形式）过渡，即20节点六面体－>20节点五面体－>20节点四面体，退化是通过节点重合实现的转变的单元类型：Meshing>Modify Mesh>Change Tets，出现一个对话框，在“Change from”后面的框中选择”95 to 92”即20节点95退化四面体单元转换成10节点四面体单元以降低求解规模2024/7/2130显示单元的过渡区域：通过建立选择集来局部观察，Utility>Select>Entities弹出对话框，选择Elements和By Element name，输入Soli95，再显示单元Utility>plot>Element，得到如图左上所示图形；再选择全部实体Utility>Select>Everything, Utility>Select>Entities弹出对话框，选择Elements和By Element name，输入Soli92，再显示单元Utility>plot>Element，得到如图左下所示图形；可以清楚看到，六面体单元到四面体单元通过连接边界面附近的五面体单元过渡而成。

保存单元网格数据：save as”Wheel_Anal_Mesh”2024/7/2131（7）施加载荷并求解1）在面上施加对称约束：由于图中截面（A1+A39+A7+A20+A40+A27）及其反面（A15＋A41＋A3＋A34＋A41）均不能沿面的法向移动，面也不能沿两个方向摆动，因此应对这两个面施加对称约束…..Displacement>Symmetry B.C.>On Areas在弹出的对话框中输入1,39,7,20,40,27，单击Apply，再输入15，21，3，34，41,单击OK注：这两个截面上的约束实际上是斜约束，即与总体坐标系成角度，因此无法用诸如UX，UY..等来表示，只能通过对称约束实现2）在关键点1上施加UY＝0的约束，原因是防止计算误差导致轴向合力近似＝0，而这一较小的轴向力将造成Y向刚体位移因此只要约束一个角点就足够了2024/7/21323）施加旋转角速度：Apply>Structural>Intertia>Angular Veloc>Global，在弹出的对话框OMEGY框中输入5254）保存：Save As “Wheel_Anal_Load”5)开始求解运算Solution>Solve>Current LS2024/7/2133(8)浏览分析结果浏览Von Mises应力：General postProc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，弹出对话框，在Item to be contoured后面左栏选择Stress，右栏选择Von Mises SEQV，单击OK。

结果如图所示 周向扩展浏览1）将工作平面平移到全局直角坐标系的原点，并在此工作平面的原点上定义局部柱坐标系；2）绕局部坐标柱系的Z轴（轴向）扩展结果：Utility>PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>User Specified Expansion在对话框中分别输入和选择：NREPEAT＝16，TYPE＝Local PolarPATTERN＝Alternate Symm，DY＝22.5。