經典仿真案例教程 | 05 - 空間框架示例

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介紹

本教程創建了一個簡單的三維空間框架問題。

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問題描述

在這個例子中要解決的問題是對一個自行車車架的分析。在這個例子中要建模的問題是一個簡單的自行車車架，如下圖所示。框架由外徑為25毫米、壁厚為2毫米的空心鋁管制成。

第一步是簡化問題。當你嘗試一種新的分析類型時，你需要一些東西（例如分析解或實驗數據）來比較結果。這樣你就可以確保你得到了正確的分析類型、單位、比例因子等。

將用于此問題的簡化版本為下圖所示的懸臂梁：

  

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預處理：定義問題

1、給簡化版本一個標題（例如“驗證模型”）。

Utility Menu > File > Change Title

2、輸入關鍵點

對于這個簡單的例子，這些關鍵點是梁的末端。

我們將為簡化結構定義兩個關鍵點，如下表坐標關鍵點所示

從“ANSYS主菜單”中選擇：

Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

3、形成線條

兩個關鍵點現在必須連接起來，以形成一條直線。

{ 選擇：Preprocessor > Modeling> Create > Lines > Lines > Straight Line

{ 選擇關鍵點1（即單擊它）。現在它將被一個小的黃色方框標記。

{ 現在選擇關鍵點2。將出現一條永久線。

{ 完成后，單擊“創建直線Create Straight Line”窗口中的“確定”。

4、定義單元類型

現在有必要在這行上創建單元。從預處理器菜單中，選擇：Element Type > Add/Edit/Delete。

單擊“'Add...”按鈕。將出現以下窗口：

  

對于本例，我們將使用上圖中選擇的三維彈性直管單元。選擇顯示的單元并單擊“確定”。您應該會在“單元類型”窗口中看到“類型1 PIPE16”。單擊“單元類型”對話框中的“選項…”按鈕。以下窗口將

出現：

  

點擊并按住K6按鈕（從底部開始第二個），選擇“Include Output”并單擊“OK”。這給了我們額外的力和力矩輸出。單擊“單元類型”對話框中的“關閉”并關閉“單元類型”菜單。

 5、定義幾何特性

我們現在需要指定單元的幾何屬性：

在“預處理器”菜單中，選擇Real Constants > Add/Edit/Delete；單擊“Add…”然后選擇“Type1 PIPE16”（實際上它已經被選中）。單擊“確定”。

輸入以下幾何特性：

外徑Outside diameter OD：25

壁厚Wall thickness TKWALL:2

這定義了外徑為25毫米、壁厚為2毫米。單擊“確定”。“設置1”現在出現在對話框中。單擊“實常量Real Constants”窗口中的“關閉”。

6、元件材料特性

然后需要指定材質屬性：

在“預處理程序”菜單中選擇Material Props > Material Models

雙擊“Structural”>“Linear”>“Elastical”，然后選擇“Isotropic”

關閉“Define Material Model Behavior”窗口。

我們將給出鋁的性質。輸入以下字段：

 EX 70000

PRXY 0.33

設置這些屬性并單擊“確定”。

7、篩網尺寸 

在“預處理器”菜單中，選擇“網格劃分>大小控制>手動大小>線>所有線”

Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines

 在“大小”字段中，輸入所需的單元長度。對于本例，我們希望單元長度為2cm，因此，請輸入“20”（即20mm），然后單擊“確定”。請注意，我們還沒有網格幾何，我們只是定義了單元大小。

（或者，我們可以在行中輸入所需的分區數。對于2cm的單元長度，我們將輸入25個[即25個分區]）。

注意

無需對梁單元進行網格劃分以獲得正確的解。然而，在這種情況下進行網格劃分，這樣我們就可以在梁的中間位置得到結果（即應力、位移）。

 8、網格

現在框架可以嚙合。

在“預處理程序”菜單中選擇Meshing > Mesh > Lines，然后單擊“網格線”中的“全部拾取”窗口

9、保存你的工作 

Utility Menu > File > Save as。。。. 選擇要保存文件的名稱和位置。

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解決方案階段：分配荷載和求解

1、定義分析類型

從解決方案菜單中，選擇“分析類型>新建分析Analysis Type > New Analysis”。確保選擇了“靜態'Static'”，然后單擊“確定”。

2、應用約束 

在“解決方案”菜單中，選擇“定義載荷>應用>結構>置換>關鍵點Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Keypoints”在圖形窗口中單擊桿的左端（關鍵點1），然后單擊“應用U，旋轉KPsApply U,ROT on KPs”窗口中的“確定”。此位置是固定的，這意味著所有平動和旋轉自由度（DOF）都受到約束。因此，點擊“所有DOF”并在“值”字段中輸入“0”，然后單擊“確定”。

3、施加荷載

如圖所示，在桿的末端有100N的垂直向下荷載；在“結構”菜單中，選擇“力/力矩>關鍵點Force/Moment > on Keypoints”。選擇第二個關鍵點（條的右端），然后在“應用F/M”窗口中單擊“確定”。單擊頂部的“力/力矩方向Direction of force/mom”并選擇FY。在“力/力矩值Force/moment value”框中輸入值-100，然后單擊“確定”。力將在圖形窗口中顯示為紅色箭頭。

應用的載荷和約束現在應該顯示如下。

  

4、解決系統問題

我們現在告訴ANSYS找到解決方案：Solution > Solve > Current LS

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后處理：查看結果

1、手工計算

現在，由于這個練習的目的是驗證結果-我們需要計算我們應該找到什么。

偏轉:

  

最大撓度出現在桿端部，如上圖所示，為6.2mm。

強調:

  

最大應力出現在桿底部，如上圖所示為64.9MPa（純彎曲應力）。

2、使用ANSYS的結果 

變形  

{ 從主菜單中，從“ANSYS主菜單”中選擇“常規后處理General Postproc”。在這個菜單中你會找到各種選項，我們現在要處理的兩個選項是“繪圖結果Plot Results”和“列出結果List Results”

{ 選擇“Plot Results > Deformed Shape”。

{ 選擇“Def+undef edge”并單擊“確定”以查看變形和未變形的對象。

  

{ 觀察左上角的最大偏轉值（此處用藍色邊框表示強調）。這與通過手工計算得到的結果相同。

偏轉  

關于梁撓度的更詳細版本，

{ 從“常規后處理”菜單中選擇“繪圖結果”>“等高線圖”>“節點解Plot results > Contour Plot > Nodal Solution”。

{ 選擇“DOF solution”和“USUM”。將其他選擇保留為默認值。單擊“確定”。

  

{ 您可能需要一個更有用的比例，這可以通過訪問實用程序來實現

菜單，然后選擇“Plot Controls > Style > Contours > Uniform Contours”

{ 撓度也可以如下表所示獲得。 General Postproc > List Results > Nodal Solution從“列表節點解決方案”窗口的列表中選擇“自由度解決方案DOF Solution”和“所有自由度ALL DOFs”，然后單擊“確定”。這意味著我們想要看到一個從解中得到的所有平動和轉動自由度的列表。例如，如果我們只想看到位移，我們會選擇“ALL Us”而不是“ALL DOFs”。

  

{ 同樣，最大撓度出現在節點2，桿的右端。還請注意，節點1處的所有旋轉和平移自由度都被約束為零。

{ 如果要將這些結果保存到文件中，鼠標轉到“文件File”菜單（位于此列表窗口的左上角），然后選擇“另存為Save as”。

壓力  

對于線單元（即梁、梁和管道），需要使用單元表來訪問導出的數據（即應力、應變）。

{ 從常規后處理器菜單General Postprocessor中選擇Element Table > Define Table

{ 單擊“Add…”

  

{ 如上圖所示，在上述窗口的“項目，組件”框中，選擇“Stress”和“von Mises SEQV”

{ 單擊“確定”并關閉“Element Table Data”窗口。

{ 通過在“單元表”菜單中選擇“繪制單元表”來繪制應力圖

{ 將出現以下窗口。確保選中“SEQV”，然后單擊“確定”

  

{ 如果將位移圖的等高線間隔更改為“用戶指定”，則可能需要將其切換回“自動計算”以獲取VMIN/VMAX的新值。

Utility Menu > PlotCtrls > Style > Contours > Uniform Contours 

  

同樣，為等高線圖選擇更合適的間隔

{ 列出應力

? 從“單元表”菜單中，選擇“列出單元表”

? 在出現的“列表單元表數據”窗口中，確保突出顯示“SEQV”，然后單擊“確定”

注意，最大應力為64.914 MPa，出現在分析預測的梁的固定端。

彎矩圖  

為了進一步驗證簡化模型，可以創建彎矩圖。首先，讓我們看看ANSYS是如何定義每個單元的。管道16有兩個節點：I和J，如下圖所示。

  

要獲得該構件的彎矩，必須使用構件表。單元表包含了單元的大部分數據，包括節點I和節點J處每個單元的彎矩數據。首先，我們需要獲得彎矩數據。

{ General Postproc > Element Table > Define Table. 單擊“添加…”。

  

{ 在窗口里，

A、 輸入imement作為“item的用戶標簽”-這將為數據命名

B、 在項目框中選擇“按序列號”

C、 在第一個Comp框中選擇“SMISC”

D、 在第二個補償框E中輸入SMISC，6

E、單擊“確定”

這將保存每個單元左側（I側）的所有彎矩數據。現在我們需要找到每個單元右側（J側）的彎矩數據。

{ 再次單擊“單元表數據”窗口中的“Add…”。

A、 輸入JMoment作為“項的用戶標簽”-同樣，這將為數據命名

B、 同上

C、 同上

D、 對于步驟D，在第二個Comp框E中輸入SMISC，12

E、單擊“確定”

{ 單擊“單元表數據”窗口中的“關閉”并關閉“單元表”菜單。選擇Results > Contour Plot > Line Elem Res

  

{ 在“Plot Line Element Results”窗口中，從下拉菜單中選擇LabI的“IMOMENT”，從下拉菜單中選擇LabJ的“JMOMENT”。單擊“確定”。可以再次修改等高線圖的間隔。

  

現在，你可以重新檢查這些解。注意，I和J點之間的直線是線性插值。

{ 在解釋上述步驟之前，請在命令行中輸入help pipe16，如圖所示

然后按回車鍵。

  

{ 簡要閱讀出現的ANSYS文檔，特別注意文檔末尾的表格（如下所示）。

表1。第16項的序列號和命令節點I

請注意，SMISC 6（我們用來獲得節點I處的值）對應于MMOMZ——節點I的構件力矩。“e”的值隨不同的構件類型而變化，因此，您必須檢查每個構件的ANSYS文檔文件，以確定與您希望生成的繪圖相對應的適當SMISC。

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解決方案的命令文件模式

利用ANSYS的圖形用戶界面（GUI）對上述實例進行了求解。利用ANSYS命令語言接口也可以解決這個問題。要查看命令行的優點，請清除當前文件：

從實用程序菜單中選擇：File > Clear and Start New

確保選擇了“讀取文件”，然后單擊“確定”

在下面的窗口中選擇“yes”

將以下代碼復制到命令行中，然后按enter鍵。注意“！”后面的文本是評論。

請注意，您現在只使用這幾行代碼就完成了后處理和解決方案階段。有一些代碼可以完成后處理，我們稍后將回顧這些代碼。

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自行車示例

現在我們將回到自行車車架的分析。在驗證示例中完成的步驟將不會詳細解釋，因此請根據需要使用驗證示例作為參考。我們將結合使用圖形用戶界面（GUI）和使用命令行。

回憶一下自行車車架的幾何結構和尺寸：

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預處理：定義問題

1、清除所有舊的ANSYS文件并啟動新文件

Utility Menu > File > Clear and Start New

2、給這個例子一個標題

Utility menu > File > Change Title

3、定義一些變量

我們將使用變量定義框架的頂點。這些變量代表自行車構件的不同長度。請注意，通過使用這樣的變量，很容易設置模型的參數化描述。這將使我們能夠在必要時快速重新定義框架。輸入這些變量的最快方法是通過“ANSYS輸入”窗口輸入驗證模型的命令行代碼。鍵入以下每一行，然后按Enter鍵。

x1=500 

x2=825 

y1=325 

y2=400 

z1=50

 4、輸入關鍵點

對于此空間幀示例，這些關鍵點是幀頂點。我們將為該結構定義6個關鍵點，如下表所示（這些關鍵點在上圖中用圓圈數字表示）：

現在我們不再使用GUI窗口，而是在“命令行”中輸入代碼。首先，從“ANSYS主菜單”打開“預處理器菜單”。必須打開預處理器菜單才能識別預處理器命令。或者，也可以在命令行中鍵入。輸入關鍵點所需的命令行格式如下：

                           K、N\P  T，X，Y，Z

其中，每個縮寫代表以下內容：

                           Keypoint, Reference number for the keypoint, coords x/y/z

有關更詳細的說明，請在命令行中鍵入help k，例如，要輸入第一個關鍵點類型：

                       K,1,0,y1,0

輸入命令行，然后按Enter鍵。

與任何編程語言一樣，您可能需要添加注釋。感嘆號表示后面的任何內容都被注釋掉了。ie-對于第二個關鍵點，您可以鍵入：

                         K,2,0,y2,0 ! keypoint, #, x=0, y=y2, z=0

使用命令行輸入剩余的4個關鍵點（在上表中列出），現在，您可能需要檢查以確保您正確輸入了所有關鍵點：Utility Menu > List > Keypoints > Coordinates only（或者，在命令行中鍵入 'KLIST'）

  

如果有需要重新輸入的關鍵點，只需重新輸入代碼。先前定義的相同編號的關鍵點將被重新定義。但是，如果有需要刪除的代碼，只需輸入以下代碼：

                           KDELE,#

其中#對應于關鍵點的編號。

在本例中，我們通過使用先前定義的變量（如y1=325）來定義關鍵點。這只是為了方便。例如，為了定義關鍵點1，我們可以交替使用坐標x=0，y=325，z=0。

5、改變繪圖方向 

{ 為了更好地查看模型的視圖，我們將以等軸測視圖進行查看：

{ 選擇Utility menu bar > PlotCtrls > Pan, Zoom, Rotate...'

 

z 在出現的窗口（如左圖所示）中，有許多控件。試著用它們做實驗。通過打開動態模式（單擊“動態模式”旁邊的復選框），您可以使用鼠標拖動圖像，在所有三個軸上平移和旋轉圖像。

z 要獲得等軸測視圖，請單擊“Iso”（在右上角）。你可以讓“平移、縮放、旋轉Pan, Zoom, Rotate”窗口保持打開狀態并將其移動到屏幕上的空白區域，或者如果你的屏幕已經很混亂，就關閉它。

6、創建線條

我們將結合以下要點：

 

同樣，我們將使用命令行來創建這些行。crea直線的命令格式如下：

L, P1, P2 

 Line, Keypoint at the beginning of the line, Keypoint at the end o

例如，為了獲得第一行，我會寫下： L,1,2

注意：與“Keypoints”不同，“Lines”將自動為自己分配下一個可用的參考號。

{ 輸入剩余的行，直到得到如下圖所示的圖片。

{ 再次檢查以確保正確輸入了所有行：在命令行中鍵入 LLIST

{ 如果有任何行需要更改，請鍵入以下代碼刪除該行：LDELE,#;其中#對應于行的參考號。（這可以從行列表中獲得）。然后重新輸入行（注意：將分配新的參考號），得到：

  

7、定義單元類型 

Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Add

在驗證模型中，定義單元的類型（pipe16）。在驗證模型中，不要忘記更改選項K6“Include Output”以獲得額外的力和力矩輸出。

8、定義幾何特性 

預處理器>實常量>添加/編輯/刪除

Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete

現在指定單元的幾何屬性

 Outside diameter OD: 25 

 Wall thickness TKWALL: 2

9、元件材料特性

要設置楊氏模量和泊松比，我們將再次使用命令行。（確保“預處理程序”菜單仍處于打開狀態—如果未打開，請單擊主菜單中的“預處理程序”將其打開）

{  要輸入70000 MPa的彈性模量（LAB=EX），請鍵入： MP,EX,1,70000

{  若要設置泊松比（PRXY），鍵入MP，PRXY，1,0.33

在驗證模型中，將單元長度設置為20 mm

Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines

11、網格

現在框架可以嚙合。

{ 在“預處理程序”菜單中選擇“網格”>“線”，然后在“網格線”窗口中單擊“全部拾取”

Saving Your Job

Utility Menu > File > Save as 

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解決方案階段：分配荷載和求解

關閉“預處理器”菜單并打開“解決方案”菜單（從同一“ANSYS主菜單”）。

1、定義分析類型 

Solution > Analysis Type > New Analysis... > Static

 2、應用約束

再次，我們將使用命令行。我們將固定（平動自由度將被固定）第一個關鍵點，并在y和z方向約束與后輪連接位置相對應的關鍵點。以下是在關鍵點應用約束的命令行格式。

本例不需要所有字段，因此在輸入代碼時，某些字段將為空。例如，要鎖定第一個關鍵點，請輸入：

             DK，1，UX，0，，，UY，UZ

平移運動的自由度標簽是：UX，UY，UZ。請注意，5和6字段為空。它們對應于“value2”和“擴展鍵”，這兩個鍵不是此約束所必需的。還要注意，所有三個平移自由度都被限制為0。如果值相同，則只能在一個命令行中限制自由度。

要對Keypoint 5應用約束，命令行代碼為：

             DK，5，UY，0，，，UZ

請注意，只有UY和UZ被限制為0。用戶體驗不受限制。再次注意，5和6字段是空的，因為它們不是必需的。

{ 將約束應用到其他后輪位置（關鍵點6-UY和UZ）。{現在列出約束DKLIST，并根據以下內容驗證它們：

  

如果需要刪除任何約束，請使用以下命令：“DKDELE，K，Lab”（即“將刪除關鍵點1的“z”方向上的約束DKDELE,1,UZ）

 3、施加荷載

我們將在座椅立柱位置（關鍵點3）施加600N的垂直向下荷載，在踏板曲柄位置（關鍵點4）施加200N的垂直向下荷載。我們將使用命令行來定義這些加載條件。

要在鍵點3處向下施加600N的力，代碼應如所示：FK,3,FY,-600

同時應用力并列出力，以確保正確輸入（FKLIST）

如果需要刪除其中一個力，代碼如所示：“FKDELE，K，Lab”（即“將刪除關鍵點3的y方向的力），應用的載荷和約束現在應該顯示如下。

  

 4、解決系統問題 

Solution > Solve > Current LS

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后處理：查看結果

打開“后處理”菜單

1、變形 

Plot Results > Deformed Shape... 'Def + undef edge'

 

你可能需要嘗試從不同的角度來繪制這個圖，以便通過使用之前概述的“平移-縮放-旋轉Pan-Zoom-Rotate”菜單更好地了解發生了什么。

嘗試“前”視圖按鈕（請注意，“前”、“左”、“后”等視圖取決于對象最初的定義方式）。

得到：

  

2、偏轉

現在讓我們來看看框架中的一些實際偏轉。撓度已經在模型的節點處計算出來了，所以我們要做的第一件事就是畫出節點和節點號，這樣我們就知道我們要找的是哪個節點。

{ 轉到 Utility menu > PlotCtrls > Numbering并啟用“節點編號Node numbers”。關掉其他一切。

{ 注意感興趣的節點號。特別是那些應用約束的節點，以查看它們的位移/旋轉是否確實固定為零。還要注意座椅和曲柄位置的節點號。

{ 列出節點偏差（(Main Menu > General Postproc > List Results > Nodal Solution.）。檢查匹配

{ 繪制撓度圖。

General Postproc > Plot Results > (-Contour Plot-) Nodal Solution select 'DOF solution' and 'USUM' in the window

  

{ 別忘了使用更有用的間隔時間。

 3、分力

我們也可以用同樣的方法來觀察這些單元中的力：

{ 從“列表結果”菜單中選擇“Element Solution”

{ 從顯示的列表中選擇“節點力數據”和“所有力”。

{ 單擊“確定”。

{ 對于模型中的每個單元，將顯示每個單元兩個節點上的力/力矩值。

{ 完成瀏覽后關閉此列表窗口。

{ 然后關閉“列出結果”菜單。

 4、壓力

如懸臂梁示例所示，使用單元表獲取導出的應力。

{ General Postproc > Element Table > Define Table  

{ 選擇“Add”

{ 選擇“Stress”和“von Mises”

{Element Table > Plot Elem Table

{ 同樣，為等高線圖選擇適當的間隔

5、彎矩圖

如前所示，可以生成彎矩圖。

選擇 Element Table > Define Table（記住SMISC，6和SMISC，12）

并且， Plot Results > Line Elem Res繪制單元表中的數據的步驟

  

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