ANSYS有限元全套学习资料第五章PPT课件

加载 刚性体和边界条件 第5章 March7 2002Inventory 0016305 2 加载 定义边界条件及刚体本章的目标 本章讲术了如何施加载荷 初始条件和阻尼 另外还讨论了刚体和约束问题 主题 加载和边界条件一般加载过程热载荷的施加初始速度阻尼的施加刚体约束本章的例题 March7 2002Inventory 0016305 3 加载 定义边界条件及刚体A 加载和边界条件 与隐式静力分析不同 所有显式动力分析施加的载荷必须是时间的函数 ANSYS中时间载荷步的概念将不再适用 因为时间的相关性 许多ANSYS中的加载命令 如 FandSF 在LS DYNA中不再适用 在显式动力分析中只能使用两个数组来定义载荷 一个数组是时间变量 另一个是载荷变量 阻尼是用来减小与载荷对应的动力响应 March7 2002Inventory 0016305 4 加载 定义边界条件及刚体 加载和边界条件 另外 D命令不能用来加载 因为它不与时间相关 它只能用来施加约束 永久性的零位移约束 在显式动力分析中 耦合 CP 和约束方程 CE 仅对位移的平动 U 和转动 ROT 有效 在大变形中使用耦合 CP 和约束方程 CE 要分外小心 另一种约束方法 如 用EDCNSTR 将在本章后面讨论 初始速度 EDVEL 和刚体 EDMP RIGID 的定义在显式动力分析中非常重要 它们可以通过避免渐增载荷和减少模型的自由度数来减少CPU时间 March7 2002Inventory 0016305 5 加载 定义边界条件及刚体 加载和边界条件 ANSYS LS DYNA通常被用来求解瞬态动力分析问题 EDDRELAX OFF 它也可以求解静力问题 但这类问题最好使用隐式方法求解 如 ANSYS 一个真动力松弛分析 EDDRELAX DYNA 使得LS DYNA显式求解器可以通过增加阻尼直到动能降为零来执行一个静力分析 一旦动力松弛分析已经确定了系统的初始应力状态 如预应力 就可以接着进行全瞬态动力分析 对预加载几何结构应力初始化 EDDRELAX ANSYS 类似于真动力松弛分析 但它需要通过前面的隐式静态分析预先获得预载变形 这种类型的分析称为隐式 显式顺序求解 详见11章 March7 2002Inventory 0016305 6 加载 定义边界条件及刚体B 一般加载过程 在ANSYS LS DYNA中 所有瞬态加载必需使用EDLOAD命令 并按以下步骤 创建节点组元 component 定义数组参数使用EDLOAD命令加载创建节点组元 component ANSYS LS DYNA中的许多载荷是加在节点组元上的 但压力是施加在单元组元 elementcomponents 上 而刚体载荷是被施加在Part上 就当前所选的节点使用CM命令创建节点组元UtilityMenu Select Entities NodesUtilityMenu Select Comp Assembly CreateComponent March7 2002Inventory 0016305 7 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 最好给创建的集合定义一个意义明确的名字 这样可以避免将载荷加到错误的结构上 定义数组参数 在ANSYS LS DYNA中 所有载荷都是按特定时间间隔施加 并成组地定义时间数组参数及相应的载荷数组参数 DIMand SET UtilityMenu Parameters ArrayParameters Define Edit Add March7 2002Inventory 0016305 8 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 每一个时间值与一个载荷值对应 载荷应施加在整个求解时间中 当达到定义的时间终点时 载荷将会迅速置为零 为避免结构的突然卸载 可以适当延长载荷的终止时间超过分析结束的时间 特别是在随后需要进行重起动的分析中应该注意这一点 使用EDLOAD命令加载 完成节点组元 component 和参数数组定义后可以使用EDLOAD命令来加载 Solution LoadingOptions SpecifyLoads先选择载荷选项中的 AddLoads 这一选项同时也可以列出载荷 listingLoads 和删除载荷 deletingload March7 2002Inventory 0016305 9 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 选择所要施加载荷的类型 对节点组元 Components Forces FX FY FZDisplacements UX UY UZ 位移 Velocities VX VY VZAccelerations AX AY AZBaseAccelerations ACLX ACLY ACLZMoments MX MY MZ 动量矩 Rotations ROTX ROTY ROTZAngularVelocities OMGX OMGY OMGZTemperatures TEMP对单元组元 ElementComponents Pressures PRESS对Parts 刚体 Forces RBFX RBFY RBFZDisplacements RBUX RBUY RBUZVelocities RBVX RBVY RBVZMoments RBMX RBMY RBMZRotations RBRX RBRY RBRZAngularVelocities RBOX RBOY RBOZ 注意左边的规定对于刚性体 根据方程F ma 平动加速度可以通过施加等效的力来实现 March7 2002Inventory 0016305 10 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 EDLOAD菜单的这个选项或者定义一些特定载荷类型 参见命令手册中的规定 的局部坐标系 通过EDLCS定义 或者施加压力时的单元面号 surface 下面的空格根据载荷类型或者定义节点 单元组元号或者定义Part号 如前所述 选定时间 TIME 和相应载荷 LOAD 数组 如果该栏空着 则可以指定预先定义的载荷曲线号 用EDCURVE创建 通过这种方法可以免去定义多次施加在不同组元上的相同载荷 March7 2002Inventory 0016305 11 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 预先定义的载荷曲线可以有载荷缩放系数 没有时间缩放系数 对多种载荷要指定它的开始时间和终结时间 在瞬态分析中 这种方法比赋零值要好 最后 你要指定分析阶段 默认值是瞬态阶段 Transientonly 如果你的载荷是应用于动力松驰分析 用来模拟隐式静态求解 选 Dynamicrelax 如果包括两种分析 请选 TransandDynam March7 2002Inventory 0016305 12 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 如ANSYS LS DYNA用户手册第四章讲到的 在动力松驰分析中如果载荷曲线定义了渐变 从零载荷 到稳定的动力松弛阶段 则使用最后一项 TransandDynam 可能会出问题 在松驰阶段后时间重置为0 开始瞬态分析 以前预加的载荷被移走 重新渐变加载进行瞬态分析 这样可能会引起不必要的振动 最好的途径是使用两条曲线 一条反映 Dynamicrelax 阶段的从零渐变的载荷 另一条开始于前一条曲线结束点的反映 Transientonly 阶段的载荷 在动力松驰分析和指定几何应力初始化分析中 仍然存在时间与载荷的概念 由于在随后的瞬态动力学分析中将时间重置为零 你可以认为这是一个假定的初始时间 March7 2002Inventory 0016305 13 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 在定义了载荷曲线后 你可以用EDPL命令来显示这条载荷曲线 Solution LoadingOptions PlotLoadCurve LCID 此列表能够使你验证所加载荷的信息 其中包括载荷类型 加载的组件 以及时间与加载的数据值 记住要经常检查此列表 当选择了PlotLoadCurve选项时 载荷参考号 LCID 会自动显示在右图的表中 March7 2002Inventory 0016305 14 加载 定义边界条件及刚体 一般加载过程 通过执行EDFPLOT ON可以显示载荷标识UtilityMenu PlotCtrls Symbols LS DYNALoadSymbols Show 载荷标识总是沿坐标系正向显示 因为载荷标识仅标识施加载荷的components或Parts 所以需要显示载荷曲线以保证采用了正确的载荷方向和数值 March7 2002Inventory 0016305 15 加载 定义边界条件及刚体C 热载荷的施加 在ANSYS LS DYNA中有两种类型的温度载荷 静态热载荷 Preload 使用TUNIF BFUNIFandLDREAD命令瞬态热载荷 使用EDLOAD TEMP命令静态热载荷 Preload 通常应用于从隐式 显式顺序求解过程中 第11章 如温度载荷突然施加 将会出现过度的振动 TUNIF BFUNIF命令是施加定常温度载荷到模型的所有节点上 LDREAD命令是用来施加来自热分析中的非均匀温度载荷 LDREAD命令假设温度不随时间变化 single RTHsolution LDREAD命令覆盖用TUNIF BFUNIF命令所加的温度载荷 March7 2002Inventory 0016305 16 加载 定义边界条件及刚体 热载荷的施加 瞬态热载荷 EDLOAD TEMP命令施加随时间变化的温度载荷到节点组元上 EDLOAD TEMP命令不能和LDREAD或TUNIF BFUNIF命令一起使用 在同一模型中不能同时施加瞬态和静态热载荷 静态和瞬态的结构载荷可以和热载荷一起施加 两种类型均需考虑 为了施加热载需要定义与温度相关的材料目前支持双线性各向同性材料 TB BISO 最多定义六种不同温度的材料数据 不能超过指定的材料温度范围 为模拟热弹性材料 需要将材料的屈服应力值设大一些 March7 2002Inventory 0016305 17 加载 定义边界条件及刚体 热载荷的施加 两种类型均需考虑 继续 实际温度载荷 用户施加的温度 TREFTREF默认值为0PLANE162 SHELL163 andSOLID164单元支持PLANE162不支持 drelax 文件 参见第十一章 只有瞬态热载荷或冲击热载荷适于单元PLANE162设置ALPX 0 仅定义与温度相关的机械力学性能 EX PRXY 使瞬态热 显式分析稳定 March7 2002Inventory 0016305 18 加载 定义边界条件及刚体D 初始速度 在开始瞬态分析时 初始速度有利于稳定加载 ANSYS LS DYNA允许使用EDVEL命令对节点或节点组元 component 施加平动或转动的初始速度 同样也可以使用EDPVEL命令对Parts或Part集合施加初始速度 EDPVEL命令实际上是对属于某个Part的节点建立一个集合 所以它可以象EDVEL命令一样使用 输入参数类似 在这儿不再讨论 使用EDVEL命令有两种方法定义初始速度 VGEN 在GUI操作中使用w AxialRotateVELO 在GUI操作中使用w NodalRotate March7 2002Inventory 0016305 19 加载 定义边界条件及刚体 初始速度 EDVEL VGEN命令 VGEN命令定义相对于总体坐标系的平动和对任一轴的转动 VGEN命令可以对转动的component施加速度 VGEN命令不能用在简单或完全重起动分析中 EDVEL VELO命令 VELO命令可以施加节点或节点组元相对于总体坐标系的初始平动或转动速度 VELO命令将旋转自由度直接施加于节点上 所以只对BEAM161和SHELL163单元适用 VELO不能用在完全重启动分析中 March7 2002Inventory 0016305 20 加载 定义边界条件及刚体 初始速度 EDVEL VGEN命令 w AxialRotate指定所要施加初始速度的节点或节点组元 同样存在listing和deleting选项 在总体Cartesian坐标系中施加X Y Z方向的平动速度 定义角速度 旋转轴的X Y Z坐标和相对于总体笛卡儿坐标系X Y Z的角度 March7 2002Inventory 0016305 21 加载 定义边界条件及刚体 初始速度 EDVEL VELO命令 w NodalRotate指定所要施加初始速度的节点或节点组元 同样存在listing和deleting选项 输入总体坐标系X Y Z方向的平动速度 输入相对于总体坐标系X Y Z方向的角速度 W March7 2002Inventory 0016305 22 加载 定义边界条件及刚体 初始速度 VGEN和VELO 对相同的节点或节点组元重新执行EDVEL命令将会覆盖以前设定的值 VGEN和VELO命令不能在同一个分析中使用 如果EDDRELAX ANSYS 隐式到显式顺序求解 在EDVEL VGEN命令之前使用 那么ANSYS将自动设置 INITIAL VELOCITY GENERATION命令PHASE项 PHASE 0用于刚体节点 初始速度基于最初的几何模型 PHASE 1用于可变形体的节点 初始速度基于变形体的几何模型 因此 一个节点组元不应该把刚性体和变形体混合在一起 March7 2002Inventory 0016305 23 阻尼是在瞬态动力学分析中用来减小结构分析中不切实际的振动 可以通过EDDAMP命令在ANSYS LS DYNA中定义质量阻尼 alpha 和刚度阻尼 beta Preprocessor MaterialProps Damping 定义施加阻尼的Part号 如果Part ALL orblank globalalpha阻尼将被应用于整个模型 加载 定义边界条件及刚体E 阻尼控制 LCID EDCURVE 命令用来指定相对于时间的alpha阻尼或者 不变的阻尼系数 VALDMP alphaorbeta 可以用来代替对时间的alpha阻尼曲线或者使用alphaLCID命令中的比例系数 March7 2002Inventory 0016305 24 当Part ALL或曲线ID LCID 被指定时 alpha阻尼会自动的应用于模型 质量比例阻尼对于低频率振动是有效的 并会抑制刚性体运动 不能被同时定义常数和与时间相关的alpha阻尼 当LCID 0 orblank 且阻尼系数被指定时 beta阻尼被应用于指定的Part 刚度比例阻尼对于高频率振动是有效的 与时间相关的刚度阻尼是无效的 如果对一个Part要同时定义alpha和beta阻尼时 可以使用EDDAMP PART LCID来定义alpha阻尼 用MP DAMP MAT VALDMP来定义相对于材料 不是Part 的beta阻尼 所以最好每种材料定义在单独Part中 以免互相冲突 加载 定义边界条件及刚体 阻尼控制 March7 2002Inventory 0016305 25 加载 定义边界条件及刚体 阻尼控制 为了看到EDDAMP命令所指定的阻尼 执行 edsolv stat UtilityMenu List Status LS DYNA列出了显式动力加权阻尼LoadPartLcidValdmpDampingALL020 0000000Damping100 100000000E 04Damping200 100000000E 04Damping300 100000000E 04Damping400 100000000E 04Damping500 100000000E 04Damping600 100000000E 04Damping700 100000000E 04上面的信息显示在ANSYS输出窗口 或输出文件 MPLIST只列出由MP DAMP命令指定的BETA阻尼 这里所显示的大的质量比例 ALPHA 阻尼将迅速减小动力响应 施加在每一个Part上的刚度 BETA 阻尼用来消除高频振荡 March7 2002Inventory 0016305 26 加载 定义边界条件及刚体F 刚体 刚体的一般介绍 刚体用于定义模型中的刚性部分并且可以减少执行一个显式分析所使用的CPU时间 在ANSYS LS DYNA中 所有刚体的节点自由度都与其质心自由度耦合在一起 因此 刚性体无论其单元节点数量多大 都只有六个自由度 程序通过组成刚体的单元的体积和密度自动计算出质量 质心和惯量特性 这些特性都可以由EDIPART命令定义的值覆盖 作用于刚体上力和力矩由每一时间步的节点值叠加而得 刚体的运动通过质心计算而得 并把相应的位移值传递给节点 March7 2002Inventory 0016305 27 加载 定义边界条件及刚体 刚体 必须输入精确的刚体材料特性 EX NUXY andDENS 杨氏模量用来计算接触罚刚度 penaltystiffness 所以它的值不应该是任意大 通过这些命令定义刚体 EDMP RIGID MATID CON1 CON2Preprocessor MaterialProps MaterialModels LS DYNA RigidMaterial GUI在一个窗口里同时包括MP命令 定义EX NUXY andDENS 和EDMP RIGID命令 施加刚体约束 的定义 具有相同MATID的单元 尽管互相不相连 可以定义在一个刚性体中 平动和转动约束被施加在刚体质心 定义刚体 March7 2002Inventory 0016305 28 加载 定义边界条件及刚体 刚体 GUI根据定义方式显示材料特性 命令 MPLIST 则以另一种格式输出 平动 转动约束用相应的标识号显示 约束是平行于总体坐标系的 March7 2002Inventory 0016305 29 加载 定义边界条件及刚体 刚体 刚体加载 如前所述 所有的刚体位移都应用于Part号而不应用于component 在使用EDLOAD命令施加刚体载荷前要经常检查Part列表 因为EDMP RIGID MATID命令定义材料刚性 不是Part 此外 划网格时对不同的PART尽量要使用不同的材料 Solution LoadingOptions SpecifyLoads AddLoads 可以施加的刚体载荷 RBFX RBFY RBFZ Forces RBUX RBUY RBUZ Displacements RBVX RBVY RBVZ Velocities RBMX RBMY RBMZ Moments RBRX RBRY RBRZ Rotations RBOX RBOY RBOZ AngularVelocities March7 2002Inventory 0016305 30 加载 定义边界条件及刚体 刚体 合并刚体 可以使用EDCRB命令将两个刚体合并 合并后它们将被看作一个刚体 Preprocessor Coupling Ceqn RigidBodyCE 从Part附属于主Part 从PART的参数将被忽略 根据需要 可以将多个从PART合并到主PART中 但不要创建新的主PART 为避免覆盖合并了的刚体 不要重复使用EDCRB命令定义同一参考号 March7 2002Inventory 0016305 31 加载 定义边界条件及刚体 刚体 刚体的惯性量 使用EDIPART定义刚体的惯性量 缺省地情况下 LS DYNA自动地通过有限元网格 单元体积 密度 位置 来计算刚体的惯性 当模型比较复杂或网格比较粗糙时 人工定义刚体的惯性比缺省值要准确 EDIPART允许对部分结构进行网格划分 使用EDIPART命令时必须已经定义了Parts Preprocessor LS DYNAOptions InertiaOptions DefineInertia March7 2002Inventory 0016305 32 加载 定义边界条件及刚体 刚体 指定刚体的惯性量和初始状态 质心的位置 X Y Z 平动质量惯性张量 IXX IXY IXZ IYY IYZ IZZ 初始速度 RBVX RBVY RBVZ RBOX RBOY RBOZ 如果没有选择globalorigin GUI自动跳出一个窗口要求指定相应坐标向量 March7 2002Inventory 0016305 33 加载 定义边界条件及刚体 刚体 总结 与ANSYS中的隐式分析不同 在定义PART时不要使用过高的弹性模量值 EX 来使之刚化 需要精确的材料特性来计算接触刚度 使用EDMP RIGID命令来定义相应材料刚性 不能给刚体的节点施加约束 所有的约束都必须施加到刚体的质心上 两个刚体不能共享同一节点 用EDCRB命令可以将刚体合并到一起 将结构中变形不重要的部位定义为刚体 如 金属成形中的冲头与模具 这样可以大大节省CPU时间 March7 2002Inventory 0016305 34 加载 定义边界条件及刚体G 约束 在ANSYS LS DYNA中 非零位移作为与时间相关的载荷施加 然而有许多种约束方式可以用来定义其它的边界条件 ANSYS LS DYNA约束 约束节点坐标系旋转对称边界面非反射边界面额外节点组元节点刚体壳与实体的连接铆接点焊注 同一节点或同一自由度不允许多重约束 March7 2002Inventory 0016305 35 加载 定义边界条件及刚体 约束 约束 Solution Constraints Apply OnNodes etc D命令只能对节点施加零位移 转动和平动 如前所述 非零位移要用EDLOAD命令施加 由于速度和加速度不是物理自由度 所有不能约束它们 然而分析中可以计算这些数值并将之作为节点的自由度存储以便进行随后的后处理 NodalCSRotations Solution Constraints Apply RotatedNodalEDNROT命令在用EDLCS命令定义的旋转节点坐标系中定义零位移约束 March7 2002Inventory 0016305 36 加载 定义边界条件及刚体 约束 除了定义 adding 旋转节点约束外 还可以列出 list 和删除 delete 它们 因为局部坐标系 CID 不能自动被激活 它须要指定它 节点旋转只对指定的节点组元有效 对选择的节点集无效 如ANSYS中使用selectentity选择的节点集 最多可以定义六个自由度 UX UY UZ ROTX ROTY 和ROTZ 注 求解结果不能根据EDNROT命令所使用的局部坐标系给出 March7 2002Inventory 0016305 37 加载 定义边界条件及刚体 约束 对称边界面 Solution Constraints Apply SymmBndryPlane EDBOUND命令定义平面对称和循环对称 它允许只对模型的某一对称部分建模 对于滑移 sliding 对称 由垂直于过总体坐标原点的矢量来定义边界面 并且定义一个与此面相关联的节点组元 Cname 这种情况下 不必定义第二个节点组元 约束选项 COPT 定义节点移动方式 COPT 0 节点沿垂面移动 COPT 1 节点沿矢量方向移动 March7 2002Inventory 0016305 38 加载 定义边界条件及刚体 约束 对循环对称 EDBOUND CYCL 通过总体坐标原点矢量定义旋转轴 定义循环对称时要用到两个节点组元 Cname和Cname2 第二个节点组元的节点不仅要在周向偏移相同的角度 其节点号与第一组集合相应的节点必须要按某一定量增加 不用定义约束选项 COPT March7 2002Inventory 0016305 39 加载 定义边界条件及刚体 约束 非反射边界 Solution Constraints Apply Non ReflBndry用EDNB命令定义非反射边界 它可以防止人为应力反射波 产生于模型外部边界 重新进入模型从而破坏结果 地质力学特别的需要一个无限域表示地层 非反射边界可以大大减小模型尺寸同时又可以表达无限域 非反射边界只用于SOLID164单元外部表面上的节点 指定集合中的节点不应该用其它方式约束 这样它会减弱阻尼器吸收入射应力波的效果 通常有限域的高质量足以限制运动 March7 2002Inventory 0016305 40 加载 定义边界条件及刚体 约束 LS DYNA假设这些外部边界上的材料是线性的 所以有限域应该足够大以满足这一假设 阻尼器定位为垂直于膨胀波 相切于剪切波 可同时激活这两种类型的标记 March7 2002Inventory 0016305 41 加载 定义边界条件及刚体 约束 额外节点组 Solution Constraints Apply AdditionalNodal ExtraNodeSet 用EDCNSTR ENS命令来创建额外节点组 ExtraNodeSet 它在已有刚体上增加一组节点 这些点可以在空间任何位置 它们可被当作加载点 集中质量位置或变形体的依附点 这些额外节点的坐标随刚体移动而更新 所以它只能从属于一个刚性体 March7 2002Inventory 0016305 42 加载 定义边界条件及刚体 约束 节点刚性体 Solution Constraints Apply AdditionalNodal Nodalrigidbody 用EDCNSTR NRB命令创建节点刚性体 它是变形parts节点之间的一种刚性连接 焊点 节点刚性体与存在的part和材料无关 质量特性取决于节点的质量与位置 数据的输出参照指定的局部坐标系 CIDfromEDLCS March7 2002Inventory 0016305 43 加载 定义边界条件及刚体 约束 优于CE s 节点组的旋转可以根据刚体动力学来更新约束方程 CE 能带来非物理的响应非重合节点 a 和 b 的约束比较 如下图所示 由于约束方程 CE s 和耦合 CP s 特性较差 此处不作介绍 March7 2002Inventory 0016305 44 加载 定义边界条件及刚体 约束 壳与实体的连接 Solution Constraints Apply AdditionalNodal Shell Solidtie用EDCNSTR STS命令创建壳与实体的连接 壳16