基于ansys的復雜結構靜強度分析

基于ansys的復雜結構靜強度分析

在應用于金元技術的結構分析中，不確定性建模消耗了大量的工程技術人員的時間和精力。長期以來,盡管有大量的商用有限元軟件包(如ANSYS、NASTRAN、DYNA3D、ALGOR、ADINA、MAGNA)可供使用,但是如何快速、方便的獲得一個合理、有效的有限元模型一直被工程界所關注。與目前科技發(fā)展的精確化、定量化所不相稱的是,有限元建模過程中大量依賴于建模人員的工程經(jīng)驗。將這些經(jīng)驗總結出來,對于工程人員之間的相互交流與人員培訓都非常有益。本文使用ANSYS5.7建立了某復雜結構的實體模型與有限元模型,通過對完整建模過程的介紹,試圖總結部分的建模經(jīng)驗以供同行參考。本文假設讀者已經(jīng)具備了ANSYS的初步知識。1蒙皮模型該結構由三個肋(左端肋、中間肋與右端肋)、前墻、前梁、后梁以及蒙皮組成。其中蒙皮為整體洗削變厚度蒙皮,共有兩種尺寸:2mm與5mm。前墻、前梁、后梁以及與之連接的蒙皮為模型左件,右端肋為模型右件,兩件之間采用螺栓連接,圖1為連接示意圖。整個右端肋為一整體機加件,上面分布有前后兩組耳片,耳片上施加有外部載荷。本文模型即用來分析外載荷的傳遞過程中該結構的應力分布以及連接螺栓承受的力。2步驟中的“方便”本文采用如下步驟建立該復雜結構的有限元模型。在這些步驟中,有些可能顯得“麻煩”,甚至被認為是沒有必要的(例如,自行建立實體模型)。但是,實踐表明,對于一個復雜的問題,采用這些步驟可以獲得較高的工作效率。2.1厚蒙皮模型的建立仔細分析設計圖紙后,根據(jù)圣為南原理選取大小合理的分離區(qū)并進行適當?shù)暮喕８鶕?jù)該結構的設計形式與受力特點,可以將結構各個部位簡化成體、板、梁、桿、集中質量以及彈簧等模型。在本文中,考慮到模型的連接特性,將所有的墻、梁、肋以及與之相連的厚蒙皮采用8節(jié)點等參體元模擬,并按照圖紙的真實設計尺寸建立模型;而對于主要承受面內載荷,同時具有少量抗彎能力的薄蒙皮使用4節(jié)點板彎元。在建模初期忽略對計算結果影響不大的導角、減重挖削等結構形式。這樣簡化的結果,使得模型建立方便且計算精度較高。模型中同時存在體元與板彎元兩種有限單元類型。在板與體的交界區(qū)域,由于體元節(jié)點的自由度與板元節(jié)點的自由度不匹配,在此將造成人為的模型應力集中。具體的解決方案如圖2所示。在板與體的交界單元增加一大剛度梁,協(xié)調板與體相鄰節(jié)點的自由度。需要注意的是,該梁的剛度不宜無窮大,否則ANSYS的計算結果將帶來一定的計算誤差。2.2給實體模型一個重要的功能對結構設計圖紙進行適當?shù)暮喕?需要建立實體模型。幾乎所有的商用有限元軟件都提供該功能。在ANSYS中,所謂實體模型,指關鍵點、線、面與體,級別逐次增加。通過IGES,也可以使用其它的CAD/CAE軟件建立實體模型,然后導入到ANSYS中。本文推薦建模人員自行建立實體模型,原因有以下三點:(1)目前各個CAD/CAE軟件彼此之間的模型通用型較差。在導入中經(jīng)常發(fā)生部分模型數(shù)據(jù)丟失的情況,即便是使用著名的CATIA與UG建立的模型在導入到ANSYS中也發(fā)生過這種情況。(2)建模人員自己建立實體模型,可以加深對設計圖紙、設計思想的理解,可以在最大的范圍內控制模型的生成,賦給模型合理的編號順序,利于有限元網(wǎng)格的劃分。(3)ANSYS中提供了賦給實體模型有限元模型屬性的功能。應用XATT與LESIZE等命令,可以方便的在建模的同時將材料特性、單元類型、實常數(shù)、預計劃分的網(wǎng)格密度以及載荷與約束等有限元模型屬性“施加”到實體模型上,這樣可大大方便后續(xù)的建模工作。而在由其它軟件生成的實體模型中,由于實體編號的混亂性,很難應用該功能。在建立實體模型的過程中,ANSYS提供了兩種建模方法:應用APDL語言編程;操作ANSYSGUID(圖形用戶界面)進行建模。APDL是ANSYS內部的編程語言,與FORTRAN語言極為相似,具有變量定義、數(shù)學計算、DO循環(huán)、使用子函數(shù)等功能。應用APDL語言建立模型非常方便,例如,定義一個點只需要如下一條程序:K,NPT,X,Y,Z在ANSYS的GUID中,所有的程序都可以當作“命令”進行輸入,幾乎所有的GUID操作都有相對應的命令。本文推薦的建模方式是采用APDL編程,主要有以下一些優(yōu)點:(1)應用APDL建模,使得整個建模的過程具有理想的重復性、開放性與良好的修改性。(2)利用APDL有時可以大大簡化建模過程,例如利用*REPEAT命令可以重復執(zhí)行任意次前一個命令。(3)利用APDL可以方便的實現(xiàn)多人聯(lián)合建模。(4)APDL建立的模型為文本文件,文件長度小,非常利于交流拷貝與模型備份。(5)已有的APDL命令不會因為版本的更迭而發(fā)生變化,在ANSYS軟件升級后,可以較容易的掌握。(6)有些功能使用GUID不可能實現(xiàn)。圖3顯示了本文建立的該結構左右兩件的實體模型圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn):右端肋耳片并未建立實體模型,這是因為這部分區(qū)域模型比較復雜,需要其它的一些建模手段,這些建模方法將在本文的后面給予介紹。2.3anasas實體模型在實體模型建立后,建立有限元模型就非常容易了。如果前面在建立實體模型時已將材料等有限元模型屬性施加到實體模型上,只需要根據(jù)單元類型的不同,應用LMESH、AMESH、VMESH等命令即可將所有的實體模型有限元網(wǎng)格化。ANSYS自動判斷網(wǎng)格的合理性,如果存在不合適的網(wǎng)格長寬比、內角以及過大的平面翹曲,ANSYS將提出警告。大多數(shù)的ANSYS警告不會阻止下一步計算,所以在計算前沒有必要消除全部的警告,需要工程人員判斷的是:對于關鍵、關心區(qū)域的網(wǎng)格盡量控制規(guī)則化,而其它不關心的或低應力區(qū)域即便有一些警告也可以接受。在ANSYS中,提供了多種網(wǎng)格劃分方法。許多人貪圖方便,經(jīng)常使用自由網(wǎng)格劃分方法,這種方法對于簡單的模型勉強可以接受,但是對于復雜的模型建議不要采用。主要的原因在于,自由化網(wǎng)格的網(wǎng)格形狀操作人員難以控制,出現(xiàn)畸形網(wǎng)格的比率較高,如果在高應力區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)格畸形警告,還需要局部的網(wǎng)格調整,比較繁瑣。解決這類問題最簡單方法就是使用LESIZE、KESIZE等命令,明確定義每一條線上預計劃分的網(wǎng)格數(shù)量。顯而易見,如果這時實體模型上各條曲線的編號比較規(guī)則,則可以大大縮減工作強度。應用上述方法,本文劃分了該復雜結構左右兩件的有限元網(wǎng)格。圖4a顯示了有限元模型左件(為方便查看,除去了蒙皮網(wǎng)格),圖4b顯示了有限元模型右件。2.4典型截面模型的網(wǎng)格融合由于右端肋耳片區(qū)域的形狀比較復雜,因此本文在最初并未建立耳片的實體模型,而是在其它網(wǎng)格劃分結束后,編寫一個耳片子函數(shù),形成單獨的耳片有限元模型,然后應用網(wǎng)格融合技術,將耳片與右端肋的網(wǎng)格融為一體。重復2.1～2.3節(jié)操作即可建立耳片的有限元模型。為了方便建模,本文首先建立耳片的典型截面實體模型,使用平面板彎元將其有限元網(wǎng)格化,然后應用模型拉伸技術(ANSYS命令為:VDRAG),將實體板拉伸成實體體積,同時將平面板彎元拉伸成8節(jié)點體元。在提供一個范圍尺寸后,ANSYS的自動網(wǎng)格融合技術可以將相鄰兩節(jié)點合并為一個節(jié)點。這一步的操作需要十分的小心,如果尺寸給得較小,則有可能有一些節(jié)點沒有按照操作者的意愿融合,這樣,該處就有可能造成了一個人為的應力集中;如果尺寸給得較大,又有可能將一些不需要融合的區(qū)域進行了融合操作,甚至發(fā)生將一個完好單元的幾個節(jié)點融為一個節(jié)點的情況。解決該問題有兩種方法:(1)應用ANSYS提供的單元、節(jié)點選擇功能(ANSYS命令為:ESEL、NSEL),將需要融合的一小塊區(qū)域的節(jié)點與單元激活,其它區(qū)域的節(jié)點與單元為不可操作單元。這樣即可避免大面積的融合操作;(2)使用本文下面將要講述的網(wǎng)格細修方法,由操作者手工將需要融合的節(jié)點融合。本文主要采用第一種方法。圖5顯示了融合后的模型局部。2.5實體模型不得單獨體制為了方便建模,在建模初期不可避免的有一些簡化工作,例如過渡導角、減重挖削以及結構的細小變化等在初期都被忽略了。需要將已經(jīng)建立好的網(wǎng)格進行局部的修改以符合實際的工程結構。在ANSYS中,有限元網(wǎng)格與實體網(wǎng)格是完全一體不可分割的,也就是說,不可能單獨刪掉一個實體板上的某一個單元而其它單元保持不變。這一點與其它的商用有限元軟件(例如PATRAN)有很大的差別。因此在網(wǎng)格細修前,需要將實體模型全部刪除,保留“純粹”的有限元模型。由于實體模型并不參與計算,所以這樣做不會對計算結果產(chǎn)生任何影響。ANSYS提供了多種方法可以實現(xiàn)上述操作。最為簡單的方法為應用模型輸出命令:CDWRITE,該命令可以將現(xiàn)有的模型輸出成兩個不同的文件,一個為純粹的有限元模型(APDL語言方式,非常容易理解),另一個為純粹的實體模型(IGES格式)。在此之后應用CDREAD或/INPUT命令將完整而純粹的有限元模型導入到ANSYS中。2.6螺栓模型的建立2.1～2.5節(jié)的操作建立了該復雜結構左右兩件的有限元模型,這兩部分使用螺栓連接。螺栓的有限元模型主要有三種:(1)將螺栓連接的兩塊板的相對應的節(jié)點融合為一個節(jié)點。(2)采用彈簧元模擬螺栓。(3)采用一個圓柱梁和兩個與梁的末端固接的兩圓片的集合來模擬螺栓,使用間隙元來連接螺栓和板的邊界接觸區(qū)域的節(jié)點。第一種模型過于簡單,且無法考慮螺栓的實際連接剛度;第三種模型對于螺栓數(shù)量較多的情況操作過于復雜,因此本文選擇了第二種模型模擬實際連接結構。具體模擬方法如圖6所示,點I與點L之間采用桿元連接,桿元的剛度值為:EA/L(參數(shù)分別為螺栓的彈性模量、截面積與長度),點J與點K之間共有三個彈簧元,分別模擬兩點之間的X、Y、Z方向的連接剛度,Y、Z方向的彈簧元剛度可以通過查表格獲得,而X方向的連接剛度視實際連接特性而定:如果所連接的兩塊板在該點為互相壓縮模式,則該點的X方向剛度需要取一個較大的數(shù)值(例如109)來模擬不可穿透條件;如果為互相拉伸模式,則需要在考慮螺栓的預緊力后給出較小一點的適當?shù)膹椈稍獎偠?。這里需要注意的是,采用這種方法建立的釘元,在釘元周圍的有限元網(wǎng)格上的應力是不準確的,而且偏大。主要原因是實際結構中依靠釘孔壓縮面來傳遞釘載,而在本模型中僅僅依靠一個節(jié)點來傳遞釘載。如果需要詳細的分析釘孔周圍的應力分布,則需要取更小的分離區(qū),按照模型3來建立螺栓模型,同時將釘孔周圍的有限元網(wǎng)格密化(實踐表明,釘孔周圍一圈內最少要分布64個單元才可以獲得穩(wěn)定的單元應力輸出)。本文最終的有限元模型如圖7所示。3anasas表現(xiàn)為(1)建立實體模型前,建議先將各個實體模型的位置與編號書寫在圖紙上(可以事先將設計圖紙打印出來),這樣非常利于后續(xù)的模型調整工作,并方便APDL編程。(2)應用APDL編制模型程序時,盡量應用模塊化編程思想,將不同區(qū)域的模型以及約束、載荷等信息設計成不同的子程序,最后設計一個主程序調用。(3)多使用APDL中的變量設計參數(shù),比如板的厚度,某一區(qū)域網(wǎng)格劃分密度等,以利于調整改動。(4)ANSYS中采用APDL語言編輯輸入文件可以獲得最大的方便性,但是諸如模型顯示(PLOT)等工作采用GUID的方法比較方便,所以在具體工作中采用命令輸入方式與GUID相結合方式可以獲得最大工作效率。(5)多人協(xié)作建模可以采用編號分段劃分方法。因為在ANSYS中任何實體模型元素與有限元模型元素皆具有編號,且不要求連續(xù)。材料、單元類型、實常數(shù)特性等可以設計成公共函數(shù)供調用。(6)孔邊載荷的加載方式工程上一般采用余弦分布載荷。但是,對于本模型,由于耳片設計的比較強大,幾乎不可能發(fā)生耳片靜載破壞事件,而且,本文關注的重點在于