ANSYS分析经验讨论篇之结构分析及其它.doc

ANSYS分析经验讨论篇之结构分析及其它（欢迎完善）起因是，最近老有人问我一些，论坛上自己的提问，和回答，而这些回答我现在却想不起来了；同时，工作中也经常遇到一些自己曾经解决了的问题，而再次遇到的时候，又忘记了因而，搜集了一些自己在论坛上的东西，整理一下，希望同仁兄台相互讨论，更益求精！希望，各位朋友能就文中的不足提出意见更希望，各位朋友能拿出自己的心得体会，共同交流，共同进步一、求解分析（结构分析）（一）求解设置（二）边界条件l对称与反对称边界条件实体和单元1）针对对称边界条件下实体结构的分析，可利用ANSYS对称边界条件设置，求解半个或者1/4实体结构，将所得结果对称/循环，得到整体结果分析；2）针对反对称边界条件下实体结构的分析，可利用ANSYS反对称边界条件设置，求解半个实体结构，将所得结果按180度CYCLIC循环对称定义，注意反对称要求如下因素亦满足反对称条件：材料、约束方程、载荷、外形。l位移边界条件实体和单元1. 位移约束与强制位移位移约束（displacement constraint）是在节点、或关键点（自由点）上施加某种条件以限制其沿某一自由度方向的运动强制位移（enforced displacement）是在约束点（节点或关键点）上施加某种条件以促使其沿某一自由度方向运动。2. 限制刚体位移问题一：分析中有时会遇到这样一种情况：即外加载荷是整体平衡的，从理论上来说不会引起刚体位移，只会引起结构变形。但在进行静力分析时，如果不施加任何约束却会由于刚度矩阵的奇异无法计算，这是怎么回事？这种情况下约束应该如何施加？答1：这种情况叫做Pure Neumann boundary value problem。这种情况下所得到的位移都是相对位移加上一个常数，常数即为刚体位移。一个很简单的例子就是一根一维杆两端加大小相等方向相反的力，杆内任意两点之间有相对位移，但每一点的绝对位移却是整个杆的刚体位移加上相对位移。但是固定杆上的一个点，就会使这个常数即刚体位移为零。对于Pure Neumann boundary value problem，讨论位移或者温度没有意义，有意义的量是位移和温度的导数的函数。 梁，杆，壳单元可以通过固定任意一个节点，如固定刚体，刚体转动。对于体单元或者二维平面单元，固定一个点，会导致应力奇异。应该固定一个面或一条线，这样就不会发生应力奇异了。答2：这种情况下仍然必须施加约束，但要求这种约束只约束刚体位移，而不能约束任何的结构变形。要想达到这样的目的，我们可以找出模型中的任意三个点（不共线）来约束其刚体位移。如下图所示，这样的约束在载荷自身平衡的情况下只约束结构的刚体位移，而不会约束变形，即不会产生支反力。 这种约束也可以这么描述，找出不共线的三点1、2、3，三点组成一个平面，点1约束三个平动自由度，点2约束垂直于点1/2连线的两个线外平动自由度，点3约束垂直于点1/2/3连线平面的一个面外平动自由度。问题二：按照问题一解法所做，发现在约束点处出现应力奇异的现象，怎么解决？检查一下支反力，如果有较大的约束反力，则说明约束点取得不合适，或者看其和是否为零，特别是所有支反力是否会构成非零弯矩。平衡力系中也应该包括弯矩平衡，而这一点往往容易出问题。或者，也可以这样验算一下：六个约束刚体运动的自由度，施加位移约束：依次取其中一个为非零值 (可以取大一点)，其余为零，计算后看是否有应力和约束反力存在，如果有应力和约束反力，则说明该约束自由度取的不合适。如果都没有问题，则毛病肯定出在模型本身或载荷不平衡上。l载荷边界条件实体和单元面压力命令的比较：SF和SFA命令1：SF, Nlist, Lab, VALUE, VALUE2，节点命令2：SFA, AREA, LKEY, Lab, VALUE, VALUE2，几何实体面这两个命令SF和SFA中，VALUE都等于力F除以面积A；SF命令中，要求节点组必须能形成一个面。二、后处理与结果分析（一）后处理操作l路径操作常见错误1：* PATH DATA STATUS *USE UNIFORM LINE DIVISIONSDIRECTIONMAXMIN X0.404000.40400Y0.88500E-010.88500E-01Z7.91500.75100TOTAL PATH LENGTH21.445上面数据中，路径线两端Z坐标的差值为（7.915-0.715），相应的路径线实际长度也应该是（7.915-0.715）；而数据显示总的路径长度为21.445？这是由于节点选取的时候，没有按顺序从一端依次选到另一端，造成节点路径线往返多次。l*.out文件Batch方式下，自动放置到求解文件夹里GUI方式下，采用命令：/OUTPUT, filename, out，打印到屏幕（二）结果分析l应力奇异（结构奇异和单元/数值奇异）与应力集中（结构和人为）很经典的问题，也讨论过多次，一直没有得到合理的解释，有兴趣的话，可以开个专栏。三、专项讨论与分析（一）子结构l主自由度和载荷向量(1)与非超单元部分接触的节点，需要处理为主自由度/节点；(2)超单元部分本身的（非零）约束条件和载荷边界条件，需要处理为载荷向量，或者可以把所有约束条件和载荷条件在GEN部分处理为主自由度，在USE部分添加为边界条件。注1：在做载荷向量时，在一个/SOLU FINISH里好像只能做一个载荷向量计算；如果有多个载荷向量，就只能用多个/SOLU FINISH，待继续验证。注2：作用在超单元上的载荷，必须重新做自由度缩减，因为形成超单元时不仅要缩减刚度阵和质量阵，还有载荷向量。Error and Warning：第一个单元的第九个节点一定是内节点先导入超单元/子结构模型，在导入非超单元模型超单元上节点不可以改变节点坐标系Super-element does not have a complete degree of freedom set as required by large deflection analysis子结构/超单元部分只能用于线性小变形分析There are no degree of freedom active.lfds（二）实体装配连接装配：刚性连接焊接、螺接 柔性连接铰接1.焊接焊缝类型点焊、面焊线/角焊（单/双面），焊缝为等边直角三角形，直边长度等于板厚考虑焊缝的建模方法有多种，各有一定的优缺点。常用方法是：1) 采用三维实体单元模拟焊缝几何；2) 采用变厚度板壳单元模拟焊缝处厚度的变化；缺点：对竖板靠近焊缝部位采用了变厚度，可以反映焊缝材料对竖板的作用；但是，将焊缝材料加到竖板后，横板仍为基本厚度，不能反映焊缝材料对横板的加强作用；如果在横板上也采用变厚度来模拟焊缝材料，则焊缝材料将被重复考虑；3) 采用梁单元模拟焊缝对壳的加强。注：粗略简化，即忽略焊缝效应，很容易引发应力奇异，因为引入了结构奇异：直角边、直角尖点；即使考虑细节，适当圆角过渡，也难避免应力/数值奇异；若引入装配连接，也会引入应力集中，人为因素、网格的敏感性。2.螺接这个专题很大，有兴趣的话，也可开个专题3.铰接MPC184单元的应用，即multibody analysis部分（三）非线性分析1. 几何非线性2. 材料非线性橡胶/超弹材料lError and Warning：1) u-p element do not satisfy the volumetric compatibility3. 状态非线性接触/单元l接触分析结果不收敛大致应该有如下几种原因：(1) 载荷子步(2) 材料属性(3) 网格质量(4) 接触对设置(5) 边界条件优化(6) 约束耦合条件lWarning and Error：(1) Some contact elements overlap with the other contact element which can cause over constraint解决1：可能是图中的元素有重叠，如两个体有部分面重叠，用OVERLAP命令可以解决；解决2：可能是同一变形体多次应用MPC多点约束算法，适当避免加入太多DOF自由度（四）优化分析设计优化、变分优化、拓扑优化设计优化：可以定义一个包含所关心变量的泛函函数，通过调整所关心变量的变化，使得结构在满足一定特性的时候，其某个函数（例如质量、体积）达到最优，即最小/最大。变分优化：可以定义连续变量和离散变量；连续变量可以是几何尺寸、实常数、截面尺寸、材料特性等，通过调整连续变量，可以查知某个变量对结构体某方面特性的影响；离散变量可以是结构体中的某一个部分组，通过调整离散变量，可以确定结构某一个组件对其的影响。因而，可以这么认为：变分优化是设计优化的前提和基础；通过变分优化，确定结构中组件（离散变量）的有无，结构变量（连续变量）影响的深浅，尽量缩减影响结构特性的变量的数目，即希望在设计优化泛函函数中包含尽量少的变量数目，以减少设计优化的计算量。由此看来，设计优化前，进行必要的变分优化是有所帮助的。l优化设计多工况下结构体的优化设计问题：一个结构体，分析其在不同工况下的强度和刚度，进而对其进行优化设计，我们该如何着手？例如，如果单以承压工况，优化设计后，其结构体在承拉工况下未必合理；而在承拉工况下优化得到的结构体，在承压工况下也未必合理；如何兼顾两者，同时优化，同时最优合理？首先，找到不同工况下最大应力值所处的位置然后，进入时间历程后处理器，定义这些位置相应的变量，如等效应力，然后绘出时间历程曲线再次，在变分优化中寻找对应力结果影响较显著的变量最后，在优化设计中，忽略不必要的、影响不大的变量，进行结果优化分析。（五）复合材料l疑惑1. 铺层与分网假设一个复合材料壳体，其厚度为120mm，铺层情况为(45/90/-45/0/45/90/-45/0/45/-45)4，每层3mm，建立实体模型，实体壳体厚度120mm，有两种正常方法分网：方法一，SECTYPE定义10层，实体壳体厚度方向分为4层，即沿厚度方向有四个单元方法二：SECTYPE定义40层，实体壳体厚度方向分为1层，即沿厚度方向有一个单元问题：方法一和方法二，哪一种好一点，或者说都不好，更好的方法是什么？方法三：SECTYPE定义40层，实体壳体厚度方向分为3层，即沿厚度方向有三个单元问题：方法三，又作如何解释？按截面定义理解，定义了40层，每层厚度3mm，总120mm；按分网单元理解，分网3层，每层/单元厚度40mm，每个单元内单元分层40层，每层厚度1mm，如此一来不是就矛盾？2. 铺层方向分网前后，可以利用ESYS、EORIENT、VEORIENT三个命令调整铺层方向，其中ESYS命令效果不太明显，一般在XATT命令里设置；EORIENT命令调整铺层，其方法不好掌握；VEORIENT命令，方法简单，效果明显，不过需要一个体一个体来调整，如果遇到体很多，操作势必很麻烦，同时，点线面体等实体的选择，不利用参数化模型的构建；期待更好的操作。（六）动力学分析模态分析、谐波响应分析、瞬态分析和谱分析模态分析，能分析线性问题，得到线性材料的振动频率；瞬态分析，通过做出位移时间曲线，用FFT变换得到频谱图；四、APDL参数化编程与二次开发1. APDL基本符号/ Commands that begin with a slash ( / ) usually perform general program control tasks such as entry to routines, file management, and graphics controls.* Commands that begin with a star ( * ) are part of the ANSYS Parametric Design Language (APDL),such as control statement. 图片导入命令开始符号.$ 换行符号；续行符号，个人认为能换行，就可以续行，但是确实没有找到2.