ANSYS逆向分析功能介紹
作者:李桂花 上海安世亞太結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程師
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No.1 逆向求解背景介紹
傳統(tǒng)(正向)分析和逆向分析之間的基本區(qū)別在于初始幾何狀態(tài)。
傳統(tǒng)正向求解過程
初始幾何形狀在加載條件下發(fā)生變形,并根據(jù)變形幾何形狀對結(jié)果進(jìn)行評估。
而在某些情況下,零件已經(jīng)在荷載作用下設(shè)計好了,并且有了變形的幾何形狀,但是未變形的參考幾何形狀和變形的輸入幾何形狀上的應(yīng)力/應(yīng)變是未知的。
在這種情況下,需要用到逆向分析,以找到參考幾何和應(yīng)力/應(yīng)變相關(guān)的變形輸入幾何。
什么是逆向分析
通過在一組負(fù)載下已經(jīng)產(chǎn)生變形的初始幾何,求解未加載狀態(tài)下的幾何(也稱為參考幾何)的過程。
逆向分析僅適用于應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)動足夠大,需要將變形幾何與未變形參考幾何區(qū)分開的幾何非線性問題。

正向求解和逆向求解
逆向求解法在生物力學(xué)模擬中很有用。
在生物力學(xué)模擬中,輸入的幾何圖形一般由醫(yī)學(xué)掃描圖像組成,且模型已經(jīng)變形并承受載荷。
在這種情況下,如果要確定由于進(jìn)一步載荷加載產(chǎn)生的幾何變形和應(yīng)力應(yīng)變,需要使用非線性靜態(tài)分析反解的方法來恢復(fù)未變形的參考幾何形狀,然后使用正向求解分析來進(jìn)行進(jìn)一步的加載。
此外,在葉輪機(jī)械工程中,熱態(tài)-冷態(tài)法是常用的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計方法。
代表原始形狀的轉(zhuǎn)子葉片幾何形狀被稱為冷態(tài)幾何,而在工作條件下的形狀被稱為熱態(tài)幾何。
設(shè)計師一般從葉片的熱態(tài)幾何形狀開始,通過迭代的設(shè)計優(yōu)化來確定最終冷態(tài)幾何形狀。是一個以簡單梁模型代替的典型的葉片冷態(tài)設(shè)計工作流程。
熱態(tài)-冷態(tài)工作流
■ 迭代法的第一步是施加氣動、向心等載荷重新求解熱態(tài)幾何,得到兩倍變形的熱態(tài)幾何。
■ 然后將該分析的位移結(jié)果應(yīng)用于原始熱態(tài)幾何模型的反方向上,得到了1代冷態(tài)幾何模型。
■ 1代冷態(tài)幾何再次受到相同的載荷,以獲得1代熱態(tài)幾何。
■ 然后將該1代熱態(tài)幾何與原始熱態(tài)幾何進(jìn)行比較。如果差異夠小可接受,該1代冷態(tài)幾何被認(rèn)為是最終的冷態(tài)幾何;否則,將根據(jù)差異更新1代冷態(tài)幾何,并繼續(xù)此過程,直到獲得可接受的冷態(tài)幾何為止。
通過迭代方法獲得所需精度的冷態(tài)幾何過程非常費(fèi)時和消耗資源,因為每個迭代都是一個可能涉及許多子步的非線性求解過程。現(xiàn)在通過反解法,ANSYS可以在單一的求解分析中獲取冷態(tài)幾何。
No.2 ANSYS逆向求解操作步驟
在ANSYS中執(zhí)行逆向求解的過程,和正常的正向求解過程無異,不同的是需要在Analysis Settings的Advanced卡片中將“Inverse Option”屬性設(shè)置為Yes。
一般情況下,逆向分析只有一個載荷步,用戶可依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置逆向求解的End Step。
例如當(dāng)您需要了解額外負(fù)載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時,可以在逆向分析后進(jìn)行正向求解。通過將End Step設(shè)置為小于求解載荷步,就可以執(zhí)行這種類型的分析。分析開始時,輸入的幾何圖形已經(jīng)在指定的加載條件下發(fā)生了變形。在正向求解步驟開始時,求解器將位移重置為零,并從輸入幾何圖形開始。
注意 1:
End Step的默認(rèn)值是1,如果更改,需要啟用Beta選項(option-apperance)。
注意 2:
逆向求解分析載荷的加載方向:力驅(qū)動,加載方向從求解幾何到輸入幾何,即載荷方向相同;位移驅(qū)動,加載方向從輸入幾何到求解幾何,加載方向相反。

No.3 結(jié)果輸出和解讀
逆向求解得到的變形結(jié)果,表示模型相對于輸入幾何形狀的變形。變形結(jié)果繪制在求解幾何上。
所有其他結(jié)果項(如應(yīng)力、應(yīng)變、探針等)都繪制在分析的輸入幾何圖形上。
反解過程中產(chǎn)生的結(jié)果在圖形和表格數(shù)據(jù)窗口中以彩色高亮顯示。
您可以通過在逆向求解載荷步中,選擇某個狀態(tài)變形結(jié)果,右鍵Export > STL來保存求解出的幾何模型/參考幾何模型。
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