ANSYSWORKBENCH全船結(jié)構(gòu)元分析流程

1、一、建立有限元模型與ANSYS經(jīng)典版相比,WORKBENCH的操作界面更加美觀,建模、分析 的過程更加智能化,更容易上手.但作為一個專注于有限元分析的軟件,其日漸強(qiáng)大的建模模塊(Geometry)對建立復(fù)雜的船體曲面仍顯得力不從心.因此需要在 其他建模軟件(筆者使用了 SolidWorks)中建立船體實體模型后導(dǎo)入 WORKBENCH中,完成隨后的建模和分析工作.鑒于實體單元在計算中消耗過多的內(nèi)存和計算時間,本文采用概念建模 (Concept)的方法將船體板定義為無厚度的殼體(SurfaceBody),將船體骨架定義為 線體(Line Body),殼體和線體劃分的網(wǎng)格類似于經(jīng)典版的殼單元 (S

2、hell)和梁單元 (Beam).1 .導(dǎo)入實體模型可采用多種方法導(dǎo)入,如直接將模型文件拖入 WORKBENCH的 ProjectSchematic頤目1K圖)窗口,如圖1所示.還可雙擊啟動 Geometry模塊后, 在其File菜單中選擇導(dǎo)入命令,導(dǎo)入后的模型如圖 2所示.模型已凍結(jié),分為船體和上層建筑兩局部,船首指向X軸正向,船體上方指向Z軸正向.坐標(biāo)原點位于船體基平面、中站面和中線面的交點處.圖1 用、懂型慷中圖2導(dǎo)入后的模型2 .生成舷墻(1)在中縱剖面(ZXPlane)建立草圖(NewSketch),進(jìn)入繪制草圖模式.點擊 “TreeOutline 一 “ Sketchng板邊線位置

3、繪制一條曲線.返回模型模式,點擊 “Sketching - “Modeling - “ ExtrUdfe個 SurfaceBody.(2)沿甲板將船體分開,點擊“Create 一 “ SliCe "DetailView窗口 “SliceType®頤中選擇“SlicebySurfac顏, “TargetFac選擇上步生成的 SurfaceBody, “Slice Targets 選項中選“SelectedBodies點選船體結(jié)構(gòu)一 "Apply 一 “Generat原來的船體分 成兩局部,上面是舷墻局部,下面是船艙局部,如圖3所示.圖3船體分為兩局部這時生成的Sur

4、faceBody已完成歷史使命,可將其抑制(Suppress抨了.注意 不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody抑制掉.(3)生成舷墻：選擇(2)中生成的舷墻局部進(jìn)行抽殼,點擊 “Thin 一 “Surface 在 “DetailView窗口 "Selection Typ蜒項中,選擇 “FacetoKeep®,保存舷墻局部, 設(shè)置厚度為0,然后點選生成.3 .生成船體外外表本文使用的船舶鋼板厚度都是一樣的,可將上層建筑與船體一起定義.倘假設(shè)船體各處鋼板厚度不同,計算過程中可分別定義各鋼板的厚度.(1)布爾并運算：點擊 “Create 一 “Bool

5、ean“DetailView窗口 Operation選 項中選擇Unite項,“Tool Bodies擇上層建筑生成的船艙局部,然后點選生成.(2)生成船體外表：選中(1)中生成的體,然后抽殼,保存全部外外表,厚度 設(shè)置為00抽殼后將在圖4所示的藍(lán)色區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生甲板大開口狀,需要補(bǔ)上去.(3)補(bǔ)全甲板：點擊“Concept 一 “Surfaces From Edgfe圖4所示藍(lán)色線 條位置處的4條邊,然后生成1個面.圖4抽殼后甲板位置有開口4 .在船體骨架位置處生成邊船體是一個板架結(jié)構(gòu),除了鋼板之外還應(yīng)該有骨架.有限元模型中骨架必須 位于船體板上,以免計算時骨架與板別離造成計算結(jié)果錯誤.為了保證

6、模型的骨架位于船體板上,需要在船體板上添加邊(edges),以便在邊上生成骨材 (LineBody).(1)解凍：點擊“Tools 一 “Unfreeze擇上面生成的船體外表,解凍后如圖 5所示.本文采用印痕操作(Imprint)在船體板上添加邊,只有非凍結(jié)體才能執(zhí)行 該操作.圖5解凍后的船體外表(2)印痕：本文采用拉伸命令(Extrude)生成印痕,所以先在中縱剖面(ZXPlane) 建立草圖(New Sketch),在肋骨位置上繪制一組直線,如圖6所示.然后 拉伸, 在 “DetailView窗口 Operation選項中選擇 “ImprintFace頻；Direction 項選擇 “Bo

7、t-SymmetricExtent選項選擇“ThroughAll, 然后生成.原來光滑的船體 外表將出現(xiàn)許多線條,如圖7所示.圖6在肋骨位置繪制直線圖7印痕后的船體外表(3)與(2)的操作相似,在基平面(XYPlane)建立草圖(NewSketch),沿甲板縱桁 位置和龍骨位置繪制直線,完成拉伸和印痕操作.在中縱剖面(ZXPlane)建立草圖(NewSketch),沿舷側(cè)縱桁位置繪制直線,完成拉伸和印痕操作.最終在船體 外表生成縱橫交錯的網(wǎng)格線,如圖8所示.注意：要等到所需的印痕操作全部完 成后再添加Line Body ,否那么后面的印痕操作可能造成之前添加的Line Body脫離船體外表.圖

8、8印痕后的船體外表4凍結(jié)船體,解凍上面補(bǔ)充的甲板面.如圖9所示,這里之所以要輪換凍結(jié)、 解凍不同的面,是由于多個非凍結(jié)體會自動執(zhí)行布爾并運算. 倘假設(shè)布爾運算結(jié)果 不符合WORKBENCH的要求,模型將出現(xiàn)錯誤而無法繼續(xù)建模.圖9印痕后的甲板面5 .生成艙壁1生成首尖艙艙壁：點擊 “Concept 一 “ Surfaces From Ed謔的圖10中圍 成首尖艙的各條邊edges然后點選 生成.圖10生成首尖艙艙壁2生成其他橫艙壁：與1中操作類似,選擇圍成艙壁所需的邊,一一生成其 余各橫艙壁.各橫艙壁生成后如圖11所示.圖11生成其余橫艙壁(3)在橫艙壁上印痕：在橫艙壁上生成縱橫交錯的網(wǎng)格線,

9、以便利用這些痕跡添加縱艙壁和船體骨架.印痕操作后如圖 12所示.圖12橫艙壁上的印痕(4)生成其他艙壁并在艙壁骨架位置印痕：與(1)、(2)中操作類似,選擇圍成 艙壁所需的邊,一一生成其余各艙壁,然后在各艙壁上印上縱橫交錯的痕跡.結(jié)果如圖13所示.圖13船體各艙壁6 .生成骨架為了減少工作量,本文著重分析除上層建筑外的船舶整體強(qiáng)度,不考慮上層建筑的受力情況,所以這里不為上層建筑添加骨架,也不關(guān)注上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.(1)生成甲板橫梁：點擊 “Concept 一 “Lines From Edg巡搽甲板上橫向的 印痕,如圖14中綠色線條,在“Detail View窗口 Operation選項中選擇

10、“AddFrozen®,生成凍結(jié)狀態(tài)的甲 板橫梁(LineBody).直接生成凍結(jié)體是為了防止它們與隨后添加的甲板縱桁發(fā)生布爾并運算.凍 結(jié)狀態(tài)下各個梁擁有各自獨立的橫截面特征,布爾并運算后各個梁將合為一體, 只能共同用一種橫截面特征.圖14選擇甲板上的橫向印痕生成橫梁(2)定義橫截面：點擊 “Concept 一 “Cross Section 一 “LSefetfen甲板 橫梁的橫截面為L形,此時將自動呈現(xiàn)繪圖窗口,顯示一個L形草圖.在“Detail View窗口 Dimensions項輸入橫截面尺寸值即可.(3)賦予甲板橫梁橫截面特性：選擇生成的Line Body(可群選),在“

11、DetailView窗口 “CrossSection®中選擇剛剛定義的橫截面.點擊“View 一 “ CrossSectionSoJids成的LineBody將顯示成實體模樣,此時可以 看出橫梁的位置稍微偏離甲板外表(有時方向跟預(yù)期結(jié)果不同),選擇其中一個 LineBody,在 “DetailView窗口 “Offset Type®中選擇 “UserDefined,可輸入數(shù) 值移動橫骨到適宜位置.如果發(fā)現(xiàn)方向與預(yù)期結(jié)果不同,可右鍵點擊其 “Line Body何群選),在右鍵 子菜單中選擇“Select Unaligned Line Edges?以調(diào)整,如可以在 “Detai

12、l View窗 口 Rotate項填入旋轉(zhuǎn)角度.(4)重復(fù)步驟(1)-(3),生成其他骨架并賦予它們橫截面特征,調(diào)整各骨架位置 結(jié)果如圖15所示.圖15生成船體骨架7 .連接各面(Joint)Joint命令用于將各個面連接起來,連接后的板共同有一條相鄰的邊,相鄰 板之間的網(wǎng)格協(xié)調(diào)一致.Form New Part命令可以使該P(yáng)art中的各個局部連接起 來,使這個Part中的線、面網(wǎng)格都協(xié)調(diào)一致.(1)點擊“Tools 一 “Jqinte搽全部體,然后 生成.(2)在Graphics窗口框選全部體,右鍵點擊進(jìn)入子菜單,選擇“FormNewPa比 二、計算完成建模后,直接退出正在運行的 Geomet

13、ry模塊,在 Workbench的Toolbox 窗口雙擊 “StaticStructure "(ANSYS “ProjectSchematid白中出現(xiàn)新的工程 Bo如圖16所示,拖動工程A中“Geometryf!工程B的相應(yīng)位置,這時出現(xiàn)一條連接線,建好的模型就可以導(dǎo)入分析模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分析計算.雙擊 B 中的“Mode進(jìn)入分析模塊.如果A中模型被修改,再次翻開B時系統(tǒng)將會提示 是否更新模型.圖16新建分析工程1 .定義鋼板尺寸及材料屬性在Outline窗口中展開Geometry(點“十號),再展開Parti,選擇“SurfaceBody可稗選),在 “Details of M

14、ultiple Selection窗口 ThiCkness項中填入 厚度值即可.如果各個板厚度不同,可一一定義.同一個板也可以擁有不同的局 部厚度值.本文中船體構(gòu)件都是鋼,采用默認(rèn)材料即可.如需其他材料,需要從材料庫 添加.2 .劃分網(wǎng)格WORKBENCH中的網(wǎng)格劃分更加智能,不再需要選擇網(wǎng)格單元,系統(tǒng)將自 動選擇通用單元完成分析計算.但劃分網(wǎng)格前可自行設(shè)置各種參數(shù).在Outline窗口選擇Mesh,在“DetailofMesh®'口中設(shè)置網(wǎng)格尺寸并選擇所需 的選項即可.也可以右鍵點擊 “MeshS加特殊命令,為某一個(些)特殊局部專門 定義尺寸、劃分網(wǎng)格的方法等.本文中采用

15、的是正方形網(wǎng)格,如圖 17所示.圖17劃分網(wǎng)格3 .定義邊界條件船舶是航行在水中的,因此外板會受到來自水的壓力作用.本文中添加了 HydrostaticPressure模塊來模擬水壓力.船上運載物的重量加載到其所在艙室的 骨架上,固定首尾尖艙上的3個點.在 Outline 窗口選擇 "StaticStructural(B5),右鍵點擊“Insert - “ HydrostaticPressfere(DefailofHydrostaticPressuret口填入水密度®(Definition 選項中 “FluidDensity、重力加速度值("Hydrostatic

16、 Accelerations項)并定義液面位置(“FreeSurfaceLocatio選項中“Location縉果如圖18所示.其他邊界條件的定義方法類似,定義后如圖19所示.圖18定義水壓力4 .分析計算本文中船體骨架采用的是梁單元,計算出來的應(yīng)力是正應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力,而 且只有在“ BeamToo里才能顯示.圖19邊界條件在 Outline 窗口選擇 "Solution(B6),右鍵點擊 “Insert 一 “BeamTOO力口一 個梁工具.同樣方法添加其他感興趣的結(jié)果,如變形 (Deformation) 應(yīng)力(Stress) 及應(yīng)變(Strain)等,也可以自定義結(jié)果(User

17、Denned Result).如添加自定義的總變 形(等效應(yīng)力)結(jié)果：右鍵點擊“Insert " 一 "User Defined Res®S形窗口點選或 框選自己關(guān)注的結(jié)構(gòu),點擊 “Detail of User DefinedResult 一 “ Geometry 一 “,Appy輸出的結(jié)果就是所選擇的那局部結(jié)構(gòu)的結(jié) 果.在Expression項填入usum(Seqv),這樣輸出的結(jié)果就是總變形(等效應(yīng)力). 列舉幾個云圖,如圖20圖22所示.圖20中只關(guān)注了船舶中間局部的結(jié)果, 這時船首尾兩端是固定的,等效應(yīng)力比擬大.如果顯示全船等效應(yīng)力,船舶中間 局部的云圖梯度太小,不容易區(qū)分哪里應(yīng)力更大.根據(jù)圣維南原理,中間局部的 結(jié)果相對精確,固定端的結(jié)果精確度欠佳.圖20骨架正應(yīng)力云圖圖21自定義總變形云圖三、結(jié)語ANSYS WORKBENCH是相比照擬新的軟件,船舶強(qiáng)度分析方面的例子也 并不多見,這里筆者所采用的方法不一定是最好的,僅供參考.圖22自定義等