ansys 循環(huán)對稱的案例
ANSYS workbench 循環(huán)對稱壓力容器靜力分析 ￥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會得到什么：
1、學(xué)習(xí)壓力容器的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)線性靜結(jié)構(gòu)分析步的建立
3、學(xué)習(xí)壓力容器分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)壓力容器對稱循環(huán)約束的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 壓力容器分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
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高級仿真－－循環(huán)對稱分析
1.如圖所示，取一基本區(qū)域作為分析對象
2.進入fem環(huán)境，劃分網(wǎng)格。
首先，設(shè)置網(wǎng)格匹配：2d dependent mesh,具體設(shè)置如圖所示
注意：Type:Symmetric
3.劃分主面2d網(wǎng)格
4.劃分從面2d網(wǎng)格
5.可看到主面和從面上節(jié)點的個數(shù)和位置是對應(yīng)的
6.劃分體，用tet10單元
7.設(shè)置材料屬性，這些不詳述，材料為鋁
8.進入sim環(huán)境
9.點 automatic coupling，具體設(shè)置如圖所示
這步的目的主要是設(shè)置從而的節(jié)點的位移與主面上節(jié)點的位移保持一致
10.施加邊界條件：
約束主面的節(jié)點第二自由度為0，即旋轉(zhuǎn)自由度為0
循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
對于葉輪機，螺旋槳，電機等這一類具有循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的機械來說，其建模分析應(yīng)充分利用此類結(jié)構(gòu)的特點—重復(fù)性和軸對稱性，只需通過對基本扇區(qū)的建模分析并對結(jié)果加以擴展即可得到整體結(jié)構(gòu)的結(jié)果。對于模型復(fù)雜、扇區(qū)較多的結(jié)構(gòu)利用循環(huán)對稱分析可以極大的降低計算規(guī)模，減少求解時間。
1.基本理論
通常結(jié)構(gòu)的動力學(xué)基本模型可以表示為：
式中M、C、K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。
U代表各節(jié)點的位移，f為結(jié)構(gòu)的外力。
結(jié)構(gòu)的循環(huán)對稱邊界條件可表示為：
ua，ub分別為低角度邊的基本扇區(qū)位移和復(fù)制扇區(qū)位移
Ua`，Ub`分別為高角度邊的基本扇區(qū)位移和復(fù)制扇區(qū)位移
k表示諧波指數(shù)，α為扇區(qū)角度，N為扇區(qū)數(shù)量。
2.算例模型
模型的基本參數(shù)如下表所示：
材料參數(shù)
幾何參數(shù)
彈性模量
2E11 Pa
扇區(qū)數(shù)量
18
泊松比
0.3
葉片長度
1 m
密度
8000 kg/m3
葉片厚度
0.05 m
算例模型及模型的對稱邊界區(qū)域如左圖所示，擴展后的模型如右圖：
在實際操作中需保證對稱邊界上幾何體的一致和網(wǎng)格節(jié)點的一一對應(yīng)。設(shè)置好模型的邊界條件后還需要施加模型的轉(zhuǎn)速并先進行預(yù)應(yīng)力求解，本例施加的轉(zhuǎn)速為1500r/min。最后再進行常規(guī)的模態(tài)分析。
3.結(jié)果分析
由于分析對象是循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，所以最終模態(tài)結(jié)果是按照節(jié)徑數(shù)排列的。
展開 Ls-dyna中的循環(huán)對稱
*BOUNDARY_CYCLIC
1.需要定義
XC x-component axis vector of axis of rotation
YC y-component axis vector of axis of rotation
ZC z-component axis vector of axis of rotation
對于軸對稱問題要定義旋轉(zhuǎn)軸
2.side1 和side2 對應(yīng)的節(jié)點數(shù)目要一致
3.對于R7以后的版本，不需要side1 和side2 的節(jié)點順序一一對應(yīng)，但是要激活I(lǐng)SORT選項，即等于1
4對于軸循環(huán)問題IGLOBAL =0
展開 
非對稱循環(huán)荷載下的高周疲勞壽命預(yù)測
這部分具體的理論大家可以查看DesignLife Theory Guide中相應(yīng)位置，這里我們只需要知道這個對于非對稱循環(huán)荷載是一個很重要的參數(shù)（不是可選可不選，是大部分時候都需要選擇），并且根據(jù)材料的不同，需要合理選取相應(yīng)的修正方法。
圖 4 軟件help對應(yīng)查詢位置
4 軟件操作
上面大篇幅講了平均應(yīng)力修正的作用，下面具體說下相對于前文的對稱循環(huán)荷載，對于非對稱循環(huán)荷載需要注意哪些。
圖 5 非對稱恒幅荷載修改
首先，如上圖所示，載荷的形式仍為恒幅荷載（Constant Amplitude），默認是對稱循環(huán)荷載，載荷范圍為-1~1，我們可以將auo configure前面的√去掉，這樣就能自己定義載荷的上下限，本文由于是0~0.2，而有限元分析的荷載為0.1，因此這里施加0~2就行。我們也可以有限元分析施加1，這里施加0~0.2，具體的疊加規(guī)則參照下面的式子：
其次，我們在如下位置更改平均應(yīng)力修正方式，默認為None，這個一定要注意：
圖 6 平均應(yīng)力修正方法修改
來源：CAE交流之家
作者：ansys-聰聰
展開 實例篇：真●循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)分析 ￥2
分析具有對稱結(jié)構(gòu)的零部件的時候，我們采取的通用做法一般是對對稱面施加相應(yīng)的Symmetry/Anisymmetry/Encastre約束，這樣子雖然沒有錯，但是對稱面之間的力值傳遞沒有，與實際情況多少會有些出入，那么有沒有什么好的方法？
采用循環(huán)對稱分析，重編inp文件！
Step-1：導(dǎo)入幾何零部件、建立簡單的材料屬性
Step-2：中間輪緣要與兩側(cè)的結(jié)構(gòu)連為一體
在connector中，建立tie連接，將兩側(cè)的結(jié)構(gòu)耦合
Step-3：將兩側(cè)的循環(huán)對稱面也施加相關(guān)的tie約束
由于施加了tie約束，因此節(jié)點之間可以傳遞相應(yīng)的力與位移，不會像普通的約束那樣造成剛度過大
Step-4：這里，我們做一個簡單的離心力分析
首先，對心部結(jié)構(gòu)施加固定約束
然后對整體結(jié)構(gòu)施加200rpm的旋轉(zhuǎn)速度
這里，輸入表達式 “2*pi*200/60” 即可，因為pi實際在abaqus中為內(nèi)建的常量
Step-5：劃分網(wǎng)格
這個不難
Step-6：輸出inp文件，對其進行修改
這里，我們用ultraEdit打開進行編輯
先建立一個對稱循環(huán)坐標(biāo)系
然后對之前對稱面的tie連接進行修改
Step-7：提交作業(yè)并做出后處理顯示
展開 對稱循環(huán)荷載下的高周疲勞壽命預(yù)測
圖 18 疲勞壽命云圖
來源：CAE交流之家
作者：ansys-聰聰
添加循環(huán)對稱（含周期邊界）和彈簧的視頻
附件是關(guān)于添加循環(huán)對稱條件和彈簧單元的例子，歡迎下載
abaqus.part1.rar
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abaqus.part3.rar
abaqus.part4.rar
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案例13-離心葉輪的循環(huán)對稱和線性攝動分析
該案例演示了使用循環(huán)建模方法和線性攝動解方法進行離心葉輪葉片分析。該問題包括模態(tài)分析、全諧分析、使用線性擾動的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、使用非線性擾動的預(yù)應(yīng)力全諧響應(yīng)分析以及使用線性擾動進行的預(yù)應(yīng)力模態(tài)疊加諧響應(yīng)分析。
循環(huán)對稱性分析的結(jié)果與從全（360度）模型分析獲得的參考結(jié)果進行了驗證。
介紹
循環(huán)對稱建模是分析具有圍繞對稱軸360度重復(fù)幾何圖案的結(jié)構(gòu)的有力工具。循環(huán)對稱性存在于許多土木工程結(jié)構(gòu)中，如圓頂、冷卻塔和工業(yè)煙囪。也可以在機械設(shè)備中找到，例如銑刀、渦輪葉片盤、齒輪、風(fēng)扇和泵葉輪。
循環(huán)對稱模型可以使用整個結(jié)構(gòu)的單個部分（稱為基扇區(qū)）來求解，從而加強循環(huán)子結(jié)構(gòu)之間的連續(xù)性和兼容性邊界條件。循環(huán)對稱性分析大大減少了模型大小和計算成本。
問題描述
本示例中的葉輪葉片組件是航空航天應(yīng)用中使用的燃氣渦輪發(fā)動機的子系統(tǒng)。
以下模型顯示了單個離心葉輪葉片的循環(huán)對稱扇形：
該模型由護罩和扇形角為27.692度的葉輪葉片組件組成。整個模型由13個主葉片和分離器組成，如圖所示：
在循環(huán)扇形模型上分別進行了模態(tài)、帶線性和非線性基礎(chǔ)靜態(tài)解的擾動預(yù)應(yīng)力模態(tài)、全諧波、帶非線性基礎(chǔ)靜態(tài)解的擾動預(yù)應(yīng)力全諧波、以及帶非線性基礎(chǔ)靜態(tài)解的擾動模態(tài)疊加諧波分析。
擾動模態(tài)循環(huán)對稱分析包括線性和非線性靜態(tài)分析的初始預(yù)應(yīng)力條件。具有線性靜態(tài)解的初始應(yīng)力狀態(tài)由旋轉(zhuǎn)葉輪組件以及施加在葉輪葉片上的壓力載荷產(chǎn)生。非線性靜態(tài)分析的初始應(yīng)力狀態(tài)是由旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片、施加在葉輪葉片上的壓力載荷和施加在葉輪葉組件模型所有節(jié)點上的熱載荷產(chǎn)生的。
擾動全諧和擾動模態(tài)疊加諧循環(huán)對稱性分析包括由于非線性靜力分析而產(chǎn)生的初始預(yù)應(yīng)力條件。初始應(yīng)力狀態(tài)由葉輪組件的旋轉(zhuǎn)和施加在葉輪葉片組件模型的所有節(jié)點上的熱載荷產(chǎn)生。
展開 風(fēng)扇循環(huán)對稱模態(tài)計算－－1節(jié)徑和2節(jié)徑各有兩階振頻相同，怎么解釋？
小弟做風(fēng)扇葉片的循環(huán)對稱模態(tài)分析，計算結(jié)果如下：
SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE HRM-INDEX
1 232.29 1 1 1 0
2 421.05 1 2 2 0
3 516.10 1 3 3 0
4 1168.8 1 4 4 0
5 1435.7 1 5 5 0
6 239.84 2 1 6 1
7 239.84 2 2 7 1
8 465.82 2 3 8 1
9 465.82 2 4 9 1
10 930.28 2 5 10 1
11 238.95 3 1 11 2
12 238.95 3 2 12 2
13
展開 
軸流通風(fēng)機葉片模態(tài)仿真及其對氣動噪聲的影響
2.5 循環(huán)對稱處理
循環(huán)對稱模態(tài)求解是ANSYS對循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)提供的一種特殊簡化模態(tài)求解 方法，在求解前有一些特殊的預(yù)處理。
首先，需要選擇葉輪上下兩個剖面上的節(jié)點并建立兩個組集，取名為“ Low和
“ High。”其次運行CYCGEN的宏在基本扇區(qū)上建立第二個扇區(qū),模態(tài)分析就是通 過這兩個扇區(qū)完成的，如果不帶參數(shù)運行這個命令,它將內(nèi)部耦合和約束方程也拷 貝到第二個扇區(qū)上；如果運行CYCGEN,,LOAD?的命令，則會把負載也拷貝到第二 個扇區(qū)上。這里運行 CYCGEN,,LOAD? ”
2.6 求解
選用BlockLanczos為求解方法，設(shè)置求解頻率范圍為20Hz到200Hz。對于求 解循環(huán)對稱模態(tài)，ANSYS也提供了專用的求解宏指令（不可直接用solve命令），該 指令格式為：CYCSOL,NDMIN,NDMAX,NSECTOR, LOW
各參數(shù)含義如下：
NDMIN、NDMAX:計算的上下節(jié)徑范圍,NDMIN最小為0,NDMAX 對偶數(shù) 最大可取n/2,對奇數(shù)最大可取（n-1）/2。
NSECTOR:循環(huán)對稱的扇區(qū)數(shù)，這里為4。LOW:較低角度剖面上節(jié)點構(gòu)成的 組集名稱。
該命令對應(yīng)菜單路徑:MainMenu>Solution>ModalCyclicSym。
輸入CYCSOL,0,2,4,LOW 進行求解。
3. 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對照
試驗是在葉輪安裝狀況下通過錘擊法進行的，支架剛度很大，忽略支架的影響 認為結(jié)構(gòu)在20?200Hz范圍內(nèi)的振動模態(tài)頻率由葉輪決定。
展開 ANSYS Workbench周期對稱模型的模態(tài)分析方法 ￥10
對于風(fēng)扇葉片、螺旋槳類型的產(chǎn)品模態(tài)分析，往往采用循環(huán)對稱的方式來進行計算，這樣建立其中的一份，剩余的自動擴展計算就可以了，這樣可以極大的縮小網(wǎng)格數(shù)量，降低計算量。在ANSYS Workbench中如何設(shè)置操作設(shè)置循環(huán)對稱的方法呢？
在 ANSYS Workbench 中對風(fēng)扇葉片、螺旋槳等循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析的步驟如下：
1. 幾何模型準(zhǔn)備
創(chuàng)建基礎(chǔ)扇區(qū)，在 DesignModeler 或外部 CAD 軟件中，僅建模一個完整扇區(qū)（例如單個葉片及其對應(yīng)的輪轂部分）。
確保扇區(qū)的兩個邊界（起始面和終止面）與旋轉(zhuǎn)對稱軸形成的角度為 360°/n（n 為葉片總數(shù)）。例如，對于 6 葉片風(fēng)扇，單個扇區(qū)角度為 60°。
定義坐標(biāo)系，在 DM 中創(chuàng)建全局坐標(biāo)系，確保 Z 軸與旋轉(zhuǎn)對稱軸重合（即葉片繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)）。
2. 循環(huán)對稱設(shè)置（Modal 模塊）
導(dǎo)入幾何到 Modal 分析系統(tǒng)，將扇區(qū)模型拖入 Modal 分析系統(tǒng)的 Geometry 模塊。
進入 Mesh 模塊，激活循環(huán)對稱：右鍵點擊 Mesh → Insert → Cyclic Symmetry。
選擇循環(huán)對稱類型：
Full Cyclic：適用于所有葉片完全相同的結(jié)構(gòu)。
定義循環(huán)對稱邊界
Source Face：選擇扇區(qū)的起始面（例如 0° 位置的面）。
Target Face：選擇扇區(qū)的終止面（例如 60° 位置的面）。
Axis Definition：選擇局部坐標(biāo)系的 Z 軸作為旋轉(zhuǎn)對稱軸。
3. 網(wǎng)格劃分優(yōu)化
網(wǎng)格控制，對葉片邊緣、輪轂等關(guān)鍵區(qū)域使用更精細的網(wǎng)格（如 Sizing 或 Inflation）。
展開 在ansys中怎么施加對稱載荷
比如一個圓柱體如圖所示怎施加對稱載荷呢？
ANSYS Workbench Mechanical 設(shè)置對稱邊界及結(jié)果擴展顯示
循環(huán)對稱需要依據(jù)坐標(biāo)系進行，該程序默認設(shè)置的參考系只有笛卡爾全局坐標(biāo)系，而循環(huán)對稱需要依據(jù)柱坐標(biāo)系進行，因此需要手動插入柱坐標(biāo)系，并使得坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸心與循環(huán)對稱的旋轉(zhuǎn)軸心重合。在項目樹中右鍵點擊“坐標(biāo)系”，選擇插入坐標(biāo)系。點擊“模型->坐標(biāo)系->坐標(biāo)系”，在詳細信息框中進行詳細設(shè)置。將“類型”設(shè)置為圓柱形，“原點”依據(jù)本人的設(shè)置參考進行，本案例依據(jù)全局坐標(biāo)系進行參考，由于該案例的循環(huán)對稱軸心穿過全局坐標(biāo)系原點，便直接將“原點X”、“原點Y”、“原點Z”均設(shè)置為0。調(diào)整主軸朝向，使得柱坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸與循環(huán)對稱的旋轉(zhuǎn)軸重合，旋轉(zhuǎn)方向與循環(huán)對稱的旋轉(zhuǎn)方向一致。此處設(shè)置主軸Z依據(jù)全局Y軸進行定義，主軸Y保持默認。界面操作如圖 10所示。
圖 10 Workbench Mechanical創(chuàng)建循環(huán)對稱參考坐標(biāo)系操作
添加循環(huán)邊界。點擊項目樹中的“模型->對稱->循環(huán)區(qū)域”，在詳細信息框中進行詳細設(shè)置。選擇循環(huán)對稱低邊界和高邊界，需要注意此處需要完整選擇所有的低邊界-高邊界對，未被選擇的將默認不進行循環(huán)對稱操作，會影響計算結(jié)果的正確性。選擇坐標(biāo)系，為上一步創(chuàng)建的坐標(biāo)系。界面操作如圖 11所示。
圖 11 Workbench Mechanical添加循環(huán)邊界操作
添加顯示擴展。若希望在結(jié)果計算完成后，顯示完整的實體，而非一個循環(huán)對稱單元，需要添加顯示擴展。點擊項目樹中“模型->對稱”，在詳細信息框中將“重復(fù)數(shù)量”設(shè)置為需要重復(fù)的數(shù)量，此案例是四分之一對稱模型，因此“重復(fù)數(shù)量”設(shè)置為4，“類型”設(shè)置為“極”，“方法”為完全。由于該案例旋轉(zhuǎn)單元每繞軸心旋轉(zhuǎn)90°重復(fù)一次，因此“Δθ”設(shè)置為90°。界面操作如圖 12所示。至此，完成對稱區(qū)域的設(shè)置。
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