ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南p-方法結(jié)構(gòu)靜力分析

1、 6.1 p-方法分析的定義 p-方法得到按照用戶指定精度的結(jié)果，如位移、應(yīng)力或應(yīng)變等。為了計(jì)算這些結(jié)果，p-方 法操作（用于近似真實(shí)解的）有限元形函數(shù)的多項(xiàng)式水平（p-水平）。 其工作原理是，在一定的網(wǎng)格密度下，按照給定的p-水平求解，然后逐步增大p-水平，對 該網(wǎng)格再次求解。每一次進(jìn)行這種迭代后，把其結(jié)果與一組收斂準(zhǔn)則進(jìn)行比較。用戶可以指定 收斂判據(jù)中包括模型某一點(diǎn)或某些點(diǎn)的位移、轉(zhuǎn)角、應(yīng)力、應(yīng)變，以及總體應(yīng)變能。p-水平越 高，則有限元解越接近真實(shí)解。 為了利用p-方法的功能，用戶并不需要只限于在 p-方法生成的網(wǎng)格范圍內(nèi)工作。在網(wǎng)格生 成時(shí)考慮了 p-單元的應(yīng)用時(shí)，p-方法最為有效，但

2、并不要求必須如此。當(dāng)然，用戶可以對模型 采用p-單元來建立和分網(wǎng)，也可以對為 h-單元生成的網(wǎng)格（由ANSYS或CAD軟件包生成） 來進(jìn)行p-方法求解，但是該單元應(yīng)該至少有中節(jié)點(diǎn)。這樣，不論用什么方法生成網(wǎng)格，都可以 利用p-方法的優(yōu)點(diǎn)。p-方法可以對任意網(wǎng)格自動(dòng)改進(jìn)其結(jié)果。 6.2 應(yīng)用p-方法的優(yōu)點(diǎn) 對于結(jié)構(gòu)線性靜力分析而言，p-方法求解選項(xiàng)提供了比傳統(tǒng)h-方法（已在以前各章論述）更多 的優(yōu)點(diǎn)。最顯著的優(yōu)點(diǎn)是，不需用戶嚴(yán)格地控制網(wǎng)格，就可以使求解提高到合適的精度水平。 如果用戶是有限元分析的新手，或者在網(wǎng)格設(shè)計(jì)時(shí)沒有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，你可能更喜歡這種方 法，因?yàn)檫@種方法減輕了用戶手工設(shè)計(jì)精確

3、網(wǎng)格的負(fù)擔(dān)。 此外，p-方法自適應(yīng)加密方法提供了比h-方法更精確的誤差評估，可以按局部計(jì)算，也可 以按總體計(jì)算 （如某點(diǎn)處的應(yīng)力，而不是應(yīng)變能 ）。例如，用戶需要獲得在某點(diǎn)上的高精度解 （如 斷裂或疲勞組件），p-方法為在這些點(diǎn)上取得要求精度的結(jié)果提供了極佳的方法。 6.3 應(yīng)用p-方法 用 p- 方法進(jìn)行靜力分析分為四個(gè)步驟 1、選擇p-法； 2、建模； 3、施加載荷和求解； 4、檢查結(jié)果。 6.3.1 選擇 p- 方法 可用二種方法激活p-方法求解程序。 1. 通過GUI激活p-方法 命令： /PMETH G U I ：Main MenuPreferencesp-method 2. 定義p

4、-單元 如果用戶在GUI外工作，定義p-單元讓程序知道要采用p-方法求解，不再需要用其他命令 來初始化p-方法。如果在GUI內(nèi)工作，可在輸入窗口中用 ET命令來激活p-方法。請記住， ET命令必須在輸入窗口中輸入，因?yàn)槌羌せ頿-方法，缺省時(shí)在GUI上只顯示h-單元。 命令：ET GUI： Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 6.3.2 建模 必須按如下步驟建立包含p-單元的模型： 1 、定義單元類型； 2、指定材料特性和 /或?qū)嵆?shù)； 3、定義模型的幾何實(shí)體； 4、劃分實(shí)體或殼單元網(wǎng)格。 上面的步驟對大多數(shù)分析來說是共同的。 見

5、ANSYS Modeling and Meshing Guide 在下面將討論p-方法分析特有的一些技術(shù)。 6.3.2.1 定義單元類型 用戶可以用下面五種P-單元來建模： 1、2D 四邊形單元 (PLANE145) ； 2、2D 三角形單元 (PLANE146) ； 3、3D 磚塊單元 (SOLID147) ； 4、3D 四面體單元 (SOLID148) ； 5、3D 殼單元 (SHELL150) 。 注意-h-單元和p-單元不能在模型中同時(shí)激活。 6.3.2.1.1 指定 p- 水平范圍 在應(yīng)用p-單元時(shí)，有許多選項(xiàng)可用。其中一個(gè)重要選項(xiàng)是可以指定(局部地或全部地)一個(gè) 可以變化的p-水平

6、范圍。 一個(gè)p-水平的可變范圍可以通過 p-單元KEYOPT 設(shè)置KEYOPT和KEY0PT(2)局部 地指定，也可以通過PPRANGE命令全面地通過整個(gè)模型控制。 缺省時(shí)，p-水平范圍是28c 在指定p-水平范圍時(shí)，如同時(shí)應(yīng)用 KEYOPT值和PPRANGE二者，則局部p-水平范圍 將優(yōu)先于全局p-水平范圍PPRANGE 例如，如用PPRANGE設(shè)置了總體p-水平范圍38，然后又對PLANE145單元定義了 局部p-水平范圍46(ET,1,145,4,6)。貝U PLANE145單元的p-水平范圍將為46,而模型內(nèi) 的其他部分將為3 PEXCLUDE ,STAT ;或*GET或打印EPLD命

7、令來確定哪些單元被包括 或被剔除。 被剔除的單元將在圖中反白顯示。也可以用ESEL命令ESEL,PEXC或ESEL,PINC 或相應(yīng)菜單來直接選擇包含和剔除哪些單元。這些方法把這些單元當(dāng)作為一個(gè)組元 CM。 命令：PINCLUDE GUI： Main MenuSolution-Load Step Opts-p-Method-Strain Energy- Include Elems 5 保存數(shù)據(jù)庫并備份到文件 保存數(shù)據(jù)庫并備份到一個(gè)文件。 命令:SAVE GUI： Utility MenuFileSave As 6 求解 開始p-水平迭代和求解。輸出文件將提供每一個(gè)循環(huán)的總體信息，說明當(dāng)前的p-

8、水平，收 斂統(tǒng)計(jì)，以及多少單元已收斂等狀態(tài)。 命令：SOLVE GUI: Main MenuSolutionCurrent LS 635常見問題解答 如果分析不成功，可嘗試用如下的方法來判斷和改正： 問題：檢測到“ Negative Pivot ”。 可能的原因：約束不足，存在剛體運(yùn)動(dòng)（部件可在一個(gè)方向上滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)等） 解決辦法：添加約束以阻止剛體運(yùn)動(dòng)。 問題：求解無法收斂到要求的容差。 可能的原因和解決辦法：這有許多原因。可用通用后處理器/POST1 來找到解決辦法 可能原因 解決辦法 收斂準(zhǔn)則太緊（對于最大允許P-水平和網(wǎng)格來說） 放松收斂準(zhǔn)則 在奇異點(diǎn)上指定了收斂準(zhǔn)則（奇異點(diǎn)上應(yīng)力和應(yīng)變

9、值無限大，如載荷作用點(diǎn) ），或者未剔除奇異點(diǎn)附近 的單元 不要監(jiān)視奇異點(diǎn) 網(wǎng)格太粗糙，特別是高應(yīng)力位置 重新加密網(wǎng)格 最大P-水平太低，無法得到所需的收斂 增大p-水平的最大 值 收斂準(zhǔn)則設(shè)置在這樣的位置：曲線邊界上相鄰單元邊的夾角大于55。 對該區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格 6.3.6 檢查結(jié)果 在ANSYS 中，通用后處理程序/POST1 的基本方法已在ANSYS Basic Analysis Guide 中4論述。雖然大部分功能也可直接用于 p-方法的分析，但p-方法分析的結(jié)果檢查有一些特 殊的地方，如： 單元子網(wǎng)（Subgrid）； 查詢子網(wǎng)結(jié)果； 打印和顯示節(jié)點(diǎn)和單元結(jié)果; 方法顯示和列表的特殊性。

10、 p-方法分析的結(jié)果，寫到結(jié)果文件(Jobname.RST)中，包括如下數(shù)據(jù)： 初始解-節(jié)點(diǎn)位移(UX, UY, ROTX 等) 導(dǎo)出解-節(jié)點(diǎn)和單元的應(yīng)力、應(yīng)變、單元力等。 注意-在后處理階段查看位移以前，必須首先把結(jié)果數(shù)據(jù)從結(jié)果文件Jobname.RST)讀入 到數(shù)據(jù)庫中SET。結(jié)果文件中，溫度應(yīng)變不可用。 時(shí)間歷程后處理器/POST26也可以用于p-方法分析，但功能有所限制，因?yàn)?p-單元只能 用于線性靜力分析。本節(jié)將論述這些從標(biāo)準(zhǔn)后處理演變而來的方法，如打印和顯示操作等。在 閱讀本節(jié)以前，請回顧ANSYS Basic Analysis Guide中后處理的有關(guān)內(nèi)容。 6.3.6.1 p-

11、單元子網(wǎng) 如前所述，p-方法有限元模型通常要比h-方法的有限元模型的單元數(shù)要少，相應(yīng)地網(wǎng)格較 粗，因此在POST1中設(shè)計(jì)了子網(wǎng)方法來觀察結(jié)果。在子網(wǎng)方法中，每一個(gè)p-單元?jiǎng)澐殖蓴?shù)個(gè) 小一些的“h單元”。幾何曲率以及場量(位移、應(yīng)力等)的輸出和顯示都受這一方法的影響。在大 多數(shù)情況下，大量的小片(facets)將使單元表面和p-單元結(jié)果等值線顯示更為光滑。 進(jìn)入子網(wǎng)方法的命令是/EFACET ,NUM，其中NUM代表每個(gè)單元邊上的小片數(shù)目 (Utility MenuPlotCtrlsStyleSize and Shape)。下面的例子說明了 /EFACET 命令如何把一個(gè) 四邊形單元細(xì)分。如NU

12、M=2，則每個(gè)邊上有2個(gè)小片，而單元被分成4個(gè)子網(wǎng)小片，在單元“中 心”增加了一個(gè)偽節(jié)點(diǎn)。如果NUM=4，則每個(gè)單元邊有4個(gè)小片，這樣每個(gè)邊上增加了 2個(gè)偽 節(jié)點(diǎn)，單元內(nèi)部則增加了 9個(gè)偽節(jié)點(diǎn)，而單元被分成16個(gè)子網(wǎng)小片。 NUM呈 htUM - 圖 6-7 四邊形單元的 p- 單元子網(wǎng) 一般規(guī)則是，對于網(wǎng)格十分粗糙的模型，或者p-水平大于3的模型，應(yīng)當(dāng)考慮采用NUM=4 來觀察場量。由于在每個(gè)子網(wǎng)上都可顯示結(jié)果，因此在 NUM=4 時(shí)可得到更多的信息。 6.3.7 查詢子網(wǎng)結(jié)果 可用直接或交互方法查詢子網(wǎng)結(jié)果?？梢缘玫剿凶泳W(wǎng)點(diǎn) （或單元 ）結(jié)果。 命令：無等效命令。 GUI：Main Me

13、nuGeneral PostprocQuery Results 可在查詢以前用 /EFACET 命令激活的所有子網(wǎng)位置上的應(yīng)力、應(yīng)變、位移。 6.3.8 打印和顯示節(jié)點(diǎn)和單元結(jié)果 對于 PLANE145 、PLANE146 、SOLID147 、SOLID148 單元 ，可在所有節(jié)點(diǎn)位置上 （包 括角節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)）列出PRNSOL位移、應(yīng)力和應(yīng)變。對于 SHELL150單元，可在頂/底和中 間層位置列出 （由 SHELL 命令控制 ）和顯示結(jié)果。與此相似，這些節(jié)點(diǎn)值可以用等值線顯示 PLNSOL ，其中等值線的劃分由 /EFACET 命令控制。 注意-SHELL150 單元的結(jié)果在頂、底層上同

14、時(shí)顯示 。 在跨過p-單元邊界觀察節(jié)點(diǎn)場量（PRNSOL , PLNSOL ，或應(yīng)用查詢函數(shù)）時(shí)，結(jié)果可能按 不同方式顯示。結(jié)果數(shù)據(jù)可能沿單元邊界上平均 與 AVRES 命令一起 ?？梢栽谒羞吔?（缺 省），或在除實(shí)常數(shù)和 /或材料特性不連續(xù)外的所有邊界上進(jìn)行結(jié)果平均。如果存在幾何不連續(xù)， 在這些位置結(jié)果將不進(jìn)行平均處理。 注意一AVRES對節(jié)點(diǎn)自由度解（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ 等）無影響 對于所有的 p- 單元，可以在未變形結(jié)構(gòu)上或在未變形結(jié)構(gòu)邊緣上顯示變形圖 PLDISP 。在 應(yīng)用Powergraphics時(shí)/GRAPHICS ,POWER，位移形狀圖反映了每一

15、個(gè)計(jì)算的子網(wǎng)/EFACET 的位移。 對于 PLANE145 、PLANE146 、SOLID147 、SOLIP148 單元，可對每個(gè)單元在所有節(jié)點(diǎn) 位置列出應(yīng)力和應(yīng)變PRESOL。SHELL150單元的結(jié)果可在頂層、中間和底層上列出，首先 列底層。 P-單元輸出與h-單元輸出類似，節(jié)點(diǎn)結(jié)果為非平均值，并按單元號排序。與高階 h-單元的 輸出不同的是，p-單元結(jié)果是對所有的節(jié)點(diǎn)位置的（角節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)）。可以對整個(gè)模型 /GRAPHICS ,FULL或僅模型表面/GRAPHICS ,POWER輸出或顯示結(jié)果。 注意-應(yīng)用/PMETH ,ON命令或定義p-單元，將激活PowerGraghics

16、，除非在此之前應(yīng)用 了 /GRAPHICS ,FULL 命令。與此類似， /PMETH ,OFF 命令將關(guān)閉 PowerGraphics ，除非在 此之前應(yīng)用了 /GRAPHICS ,POWER 命令。 6.3.8.1 特殊的 p- 方法顯示和列表 有三個(gè)命令是專門用于為列表或顯示 p-單元結(jié)果數(shù)據(jù)的：PRCONV , PLCONV，PPLOT。 用戶可以輸出PRCONV 或顯示PLCONV以前定義的收斂值PCONV -特征p-水平圖。特征 p-水平相應(yīng)于在SOLUTION期間達(dá)到的從最少值PPRANGE 到最大p-水平范圍。最終關(guān)聯(lián)到 各個(gè)單元的p-水平可以用PPLOT命令來察看。觀察在模型

17、中指定位置的局部收斂準(zhǔn)則的一種 簡單方法，是顯示所關(guān)注位置的符號/PSYME ,PCON，然后用單元或節(jié)點(diǎn)打印命令。 6.4 p-方法分析示例（GUI方法） 6.4.1 問題描述 在本示例中，對一張中心有圓孔的鋼板執(zhí)行 p-方法分析。 642 幾何與材料特性 0.25 in。 由于對稱條件，取出模型的1/4來進(jìn)行分析。采用PLANE145單元。板的厚度為 載荷為P=(100)(10)(0.25)=250 lbs (作用于右端的總載荷)。 圖6-8有圓孔的鋼板 6.4.3 求解 6.4.3.1 設(shè)置分析標(biāo)題 在進(jìn)入ANSYS后，按如下步驟設(shè)置分析標(biāo)題。 1、選擇“ Utility MenuFil

18、eChange Title ”。 2、輸入 “Method Plate with Hole ”，并按“ OK”。 643.2 選擇p-方法 對話框 1、選擇“ Main MenuPreferences ”。出現(xiàn)“ Preferences for GUI Filtering 2、按“ Structural method on ”，然后Mfethpd Struct ”。 3、按“ OK”。 6.4.3.3 定義單元類型和選項(xiàng) 1、選擇“ Main MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete 2、按“ Add”。出現(xiàn)“ Library of Elemen

19、t Types對話框 3、按“ OK接受缺省的“ 2D Quad 145 ”。 4、按“ Options ”。出現(xiàn)“ PLANE145 element type options ”對話框。 5、 在“ Analysis type”下拉框，中選擇“ Plane Stress+TK ”。 6、按“ OK”。 7、按“ Close ”。 6.4.3.4 定義實(shí)常數(shù) 1 、選擇“ Main MenuPreprocessorReal ConstantAdd/Edit/Delete”。 2、 按“ Add”。出現(xiàn)“ Element Type for Real Constants”對話框。 3、 按“ OK

20、。出現(xiàn)“ Real Constants for PLANE145”對話框。 4、輸入厚度 0.25，并按“ OK”。 5、按“ Close ”。 6.4.3.5 定義材料特性 Define 1、選擇“ Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models”。出現(xiàn)“ Material Model Behavior ”對話框。 2、在“ Material Models Available ”窗口中，雙擊“ -StrLuicnteuarar-l Elastic- Isotropic 出現(xiàn)一個(gè)對話框。 3、輸入彈性模量 30e6 。 4、輸入 PRXY=

21、0.29 。左側(cè)窗口中出現(xiàn)“ Material Model Number 1”。 5、選擇” MaterialExit “退出。 6.4.3.6 建立有中心孔的板 1、選擇“ Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-Rectangle By Dimensions ”。出現(xiàn)“ Create Rectangle by Dimensions ”對話框。 2、輸入X坐標(biāo)0,20 ; Y坐標(biāo)0,10。 3、按“ OK?，F(xiàn)在在圖形窗口中出現(xiàn)一個(gè)長方形。 4、選擇“ Main MenuPreprocessor-Modeling-Create -Areas- C

22、ircle By Dimensions ”。 出現(xiàn)“ Circular Area by Dimensions ”對話框。 5、輸入外徑 = 5 。 6、按“ OK。在圖形窗口中，在長方形左下角出現(xiàn)一個(gè)圓。 7、選擇“ MenuPreprocessor-Modeling-Operate -Booleans- SubtractAreas ”。出現(xiàn) “ Subtract Areas ”拾取框。 8、在長方形上拾取。 9、 在拾取礦按“ OK。然后出現(xiàn)另一個(gè)“ Subtract Areas ”拾取框。 10、在圓上拾取。 11、在拾取框中按“ OK?，F(xiàn)在長方形左下角移走了一個(gè)半圓。 6.4.3.7 分

23、網(wǎng) 1、選擇“ Main MenuPreprocessorMeshTool ”。出現(xiàn)“ MeshTool”。 2、按“ SmartSize ”方框，并把滑塊拖到5。 3、在“ Mesh section ” 中選“ Areas ”和“ Free ”。按“ MESH 按鈕。出現(xiàn)“ Mesh Areas ”拾取 4、按“ Pick All ”。現(xiàn)在建立了網(wǎng)格。 5、按“ Close ”。 6、在工具條中按“ SAVE_DB”。 1、選擇“ Utility MenuSelectEntities 2、 在頂部兩個(gè)框中，選擇“Nodes”和“ By Location ”。 3、在 Min,Max 域輸入

24、0，按“ OK”。 4、選擇“ Main MenuSolution-Loads-Apply-Structural- Displacement-Symmetry B.C.-On Nodes”。出現(xiàn)“ Apply SYMM on Nodes ”對話框。 5、按“ OK”接受缺省的對稱面垂直于X-軸。左邊下方出現(xiàn)位移符號。 6、選擇“ Utility MenuSelectEntities”。 7、按“ Y coordinates ”打開它。然后按“ OK”。 8、選擇“ Main MenuSolution-Loads-Apply-Structural- Displacement -Symmetry

25、B.C.-On Nodes”。出現(xiàn)“ Apply SYMM on Nodes ”對話框。 9、 在“ Symm surface is normal to”中選s“”。 10、按“ OK”。下邊出現(xiàn)位移符號。 6.4.3.9 定義右邊上的壓力 1、選擇“ Utility MenuSelectEntities”。出現(xiàn)“ Select Entities ”對話框。 2、按“ X coordinates ”打開它。 3、在 Min,Max 域輸入 20，然后按“ OK”。 4、選擇“ Main MenuSolution-Loads-Apply -Structural- Pressure On Node

26、s ”。出現(xiàn) “ Apply PRES on Nodes ”拾取框。 5、按“ Pick All ”。出現(xiàn)“ Apply PRES on Nodes ”對話框。 6、輸入壓力 =100，并按“ OK”。 7、選擇“ Utility MenuSelectEverything 6.4.3.10 定義收斂準(zhǔn)則 1、選擇“ Utility MenuParametersScalar Parameters出現(xiàn)Scalar Parameters ”對話框。 2、在選擇域，輸入“ NCVG = NODE(0,5,0) ”，并按“ Accept” 。 3、按“ Close ”。 4、在 ANSYS 輸入窗口，輸入 PCONV,1,S,X,NCVG ，按回車。 6.4.3.11 求解問題 1 、選擇“ Main MenuSolution-Solve-Current L S”。 2、仔細(xì)檢查狀態(tài)窗口出現(xiàn)的信息，然后關(guān)閉之。 3、 在“ Solve Current Load Step”對話框中按“ OK開始求解。 4、 在“ Soluti