ansys的瞬態(tài)的案例
干貨 | ANSYS瞬態(tài)CFD分析方法—流體自控振蕩器的仿真
但實(shí)際中，由于物體運(yùn)動(dòng)、邊界條件改變或流動(dòng)自身特性等原因，流動(dòng)現(xiàn)象都是隨時(shí)間變化而變化的，這就必須進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析。今天我們就以流體自控振蕩器為例來了解下如何使用ANSYS進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析。
圖1顯示的是一個(gè)振蕩器結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，我們采用2D模型來分析。由于康達(dá)效應(yīng)的影響，入口射流會(huì)有偏向一側(cè)曲面的趨勢，而結(jié)構(gòu)又是對稱的，因此射流一開始會(huì)隨機(jī)偏向任意一側(cè)。當(dāng)流體偏向某一側(cè)的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)存在反饋回路（紅色虛線），反饋流體會(huì)對入口射流產(chǎn)生干擾，使得射流偏向另一側(cè)。這樣，即使在入口射流流量不變的條件下，射流將會(huì)在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)之間不斷來回切換，出口處就形成了交替出流的情況。這是一個(gè)明顯的瞬態(tài)現(xiàn)象，需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。
圖1 流體自控振蕩器結(jié)構(gòu)圖
瞬態(tài)分析有兩點(diǎn)是需要特別注意的：
1、 合理給定初始值。與穩(wěn)態(tài)分析的初始值不同，瞬態(tài)分析的初始值是有實(shí)際物理意義的，表示瞬態(tài)現(xiàn)象在0時(shí)刻的物理狀態(tài)，對于流動(dòng)內(nèi)部自發(fā)的瞬態(tài)現(xiàn)象，可以先求解一個(gè)穩(wěn)態(tài)解作為瞬態(tài)分析的初始值。
2、 合理設(shè)定時(shí)間步Δt。如果周期T已知，那么Δt< T/20，如果T未知，那么
其中L為特征網(wǎng)格長度，V為特征速度。
所以，我們先按穩(wěn)態(tài)模型設(shè)置的過程求解出一個(gè)穩(wěn)態(tài)解。
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但實(shí)際中，由于物體運(yùn)動(dòng)、邊界條件改變或流動(dòng)自身特性等原因，流動(dòng)現(xiàn)象都是隨時(shí)間變化而變化的，這就必須進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析。今天我們就以流體自控振蕩器為例來了解下如何使用ANSYS進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析。
圖1顯示的是一個(gè)振蕩器結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，我們采用2D模型來分析。由于康達(dá)效應(yīng)的影響，入口射流會(huì)有偏向一側(cè)曲面的趨勢，而結(jié)構(gòu)又是對稱的，因此射流一開始會(huì)隨機(jī)偏向任意一側(cè)。當(dāng)流體偏向某一側(cè)的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)存在反饋回路（紅色虛線），反饋流體會(huì)對入口射流產(chǎn)生干擾，使得射流偏向另一側(cè)。這樣，即使在入口射流流量不變的條件下，射流將會(huì)在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)之間不斷來回切換，出口處就形成了交替出流的情況。這是一個(gè)明顯的瞬態(tài)現(xiàn)象，需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。
圖1 流體自控振蕩器結(jié)構(gòu)圖
瞬態(tài)分析有兩點(diǎn)是需要特別注意的：
1、 合理給定初始值。與穩(wěn)態(tài)分析的初始值不同，瞬態(tài)分析的初始值是有實(shí)際物理意義的，表示瞬態(tài)現(xiàn)象在0時(shí)刻的物理狀態(tài)，對于流動(dòng)內(nèi)部自發(fā)的瞬態(tài)現(xiàn)象，可以先求解一個(gè)穩(wěn)態(tài)解作為瞬態(tài)分析的初始值。
2、 合理設(shè)定時(shí)間步Δt。如果周期T已知，那么Δt< T/20，如果T未知，那么
其中L為特征網(wǎng)格長度，V為特征速度。
所以，我們先按穩(wěn)態(tài)模型設(shè)置的過程求解出一個(gè)穩(wěn)態(tài)解。
展開 ANSYS Workbench瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)（Transient Structural）分析
瞬態(tài)分析一直是仿真分析比較難的一塊內(nèi)容，而瞬態(tài)分析時(shí)間步的設(shè)置又是瞬態(tài)分析的關(guān)鍵，瞬態(tài)時(shí)間步設(shè)置也有其關(guān)鍵設(shè)置方法。下面以一個(gè)傳動(dòng)軸的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析為例介紹在ANSYS Workbench中進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)（Transient Structural）分析的基本流程及瞬態(tài)時(shí)間步設(shè)置。
1、題例
一根直徑為40mm,長2米的傳動(dòng)軸，一端固定，另外一端面上施加一個(gè)集中力偶。
該力偶隨時(shí)間變化的載荷如下圖所示。
求傳動(dòng)軸上各點(diǎn)的應(yīng)力、位移隨時(shí)間變化的云圖。
2、問題分析
（1）由于載荷的時(shí)間歷程已知，這是一個(gè)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題，需要使用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。
（2）分析設(shè)置：先設(shè)置5個(gè)載荷步，然后對每個(gè)載荷步設(shè)置3個(gè)載荷子步。
（3）邊界條件：固定左端面，對右端面施加扭矩。該扭矩用表格方式輸入。
3、求解過程
進(jìn)入ANSYS Workbench并創(chuàng)建瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)（Transient Structural）分析項(xiàng)目。
進(jìn)入DesignModeler模塊創(chuàng)建幾何模型。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行分析設(shè)置。首先設(shè)置5個(gè)載荷步，然后對每個(gè)載荷步進(jìn)行設(shè)置。第一個(gè)載荷步：關(guān)閉自動(dòng)時(shí)間步長，定義5個(gè)載荷子步。
其它載荷步做同樣的設(shè)置，下圖所示為第5個(gè)載荷步的設(shè)置示例。
將左端固定，在右端施加扭矩。
扭矩的詳細(xì)設(shè)置如下所示：
設(shè)置完成后進(jìn)行求解計(jì)算。
4、結(jié)果后處理
傳動(dòng)軸上各點(diǎn)的最大位移隨時(shí)間的變化曲線如下圖所示。
傳動(dòng)軸上各點(diǎn)的最大等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如下圖所示。
在徑向上傳動(dòng)軸中間的位移和應(yīng)力小，邊緣的位移和應(yīng)力大，這與理論情況一致。
展開 ANSYS workbench 連桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)連桿的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)連桿接觸相關(guān)的接觸設(shè)置
3、學(xué)習(xí)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)連桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 連桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
ANSYS workbench 芯片瞬態(tài)熱分析 ￥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(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)芯片的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)芯片瞬態(tài)熱分析步的建立
3、學(xué)習(xí)芯片瞬態(tài)熱分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)芯片瞬態(tài)熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 芯片瞬態(tài)熱分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
AnsysWB-手機(jī)跌落瞬態(tài)仿真 ￥10
AnsysWB-手機(jī)跌落瞬態(tài)仿真
ANSYS workbench杯子瞬態(tài)散熱分析 ￥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(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)杯子的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)杯子瞬態(tài)散熱分析步的建立
3、學(xué)習(xí)杯子瞬態(tài)散熱分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)杯子瞬態(tài)散熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 杯子瞬態(tài)散熱分析分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
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ANSYS workbench 滑塊瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)滑塊的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)滑塊非線性接觸相關(guān)的接觸設(shè)置
3、學(xué)習(xí)非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)滑塊瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
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ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析
（5）阻尼設(shè)置
圖8
阻尼設(shè)置對于瞬態(tài)分析還是比較重要的，能夠反映隨著時(shí)間過程中的阻尼對結(jié)果的影響，阻尼的數(shù)值也比較難確定，關(guān)于這方面有很多的文章，可查閱了解。
stiffness coefficient Defined By：剛度阻尼的定義方式。
stiffness coefficient：剛度阻尼數(shù)值
Mass coefficient：質(zhì)量阻尼
Numerical Damping：數(shù)值計(jì)算阻尼
Numerical Damping Values：數(shù)值計(jì)算阻尼的大小。
（6）分析數(shù)據(jù)設(shè)置
圖9
這里面就說一個(gè)
Save MAPDL db：是否保存db文件，如果需要將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ANSYS經(jīng)典，那么可以選擇保存db文件。
（7）可視化
下面是否設(shè)置顯示施加的載荷等，當(dāng)然是要Display啦。
瞬態(tài)分析不同于靜力學(xué)分析的是需要考慮時(shí)間的影響，在計(jì)算過程中時(shí)間也會(huì)參與積分，由此而衍生出一些相關(guān)的設(shè)置問題，很多設(shè)置可以直接采用程序默認(rèn)的方式，但有些設(shè)置比如阻尼大小，需要查閱資料才能得到準(zhǔn)確數(shù)值，算是比較費(fèi)勁的一個(gè)內(nèi)容。
其中有些不容易理解的，比如弱彈簧效應(yīng)，盡可網(wǎng)上查資料了解，說的很詳細(xì)，很好理解。
展開 ANSYS workbench 塔架瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析案例 ￥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(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)塔架三維模型的處理
2、學(xué)習(xí)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步的建立
3、學(xué)習(xí)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的邊界條件的施加
4、學(xué)習(xí)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 塔架瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。
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ANSYS workbench 葉片基于模態(tài)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)葉片的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)基于模態(tài)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步的建立
3、學(xué)習(xí)基于模態(tài)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 葉片瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。
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Ansys EMI 瞬態(tài)聯(lián)合仿真方法
Ansys Circuit，類似SPICE的電路求解器，利用HFSS模型和真實(shí)的激勵(lì)模式進(jìn)行瞬態(tài)仿真。仿真結(jié)果在HFSS中進(jìn)行回饋，以計(jì)算最終電磁場。
圖7：STMicroelectronics中使用的ANSYS電磁干擾流
在上述兩種工具中進(jìn)行的時(shí)域和頻域仿真都需要再現(xiàn)真實(shí)的電磁干擾場。如圖7所示，Ansys EMI電磁干擾流確保了數(shù)據(jù)交換（端口級(jí)的S參數(shù)模型和頻譜）的自動(dòng)化。 該方法的發(fā)展在于找到最佳設(shè)置，以獲得預(yù)期精度內(nèi)的結(jié)果，并限制仿真時(shí)間。從這個(gè)角度來看，降低HFSS中的模型復(fù)雜性至關(guān)重要（圖8）。已開展的調(diào)查確定了適當(dāng)?shù)那懈铋g隙規(guī)則。仿真的基本參數(shù)包括結(jié)構(gòu)周圍的包圍盒類型和尺寸、端口類型、寬帶S參數(shù)建模的掃頻、網(wǎng)格設(shè)置和收斂準(zhǔn)則。
圖8：HFSS 3D結(jié)構(gòu)仿真
HFSS S參數(shù)模型鏈接在電路環(huán)境內(nèi)部，并在原理圖中實(shí)例化（圖9）。請注意，默認(rèn)情況下，S參數(shù)模型會(huì)在類似SPICE的模型中自動(dòng)轉(zhuǎn)換。端口激勵(lì)由IBIS格式的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置，使用偽隨機(jī)位序列(PRBS)來再現(xiàn)真實(shí)的用例。在運(yùn)行仿真之前，原理圖應(yīng)完整，包括具有足夠精度的模型。此外，時(shí)間步長和停止時(shí)間等參數(shù)是非常重要的，因?yàn)樗鼈冇糜谕ㄟ^FFT生成端口級(jí)的頻譜。分辨率帶寬(RBW)與停止時(shí)間相關(guān)聯(lián)，帶寬(BW)可受時(shí)間步長限制。
圖9：HFSS模型在電路Circuit環(huán)境下的原理圖
例如，15位長度的PRBS每45.32 kHz產(chǎn)生次諧波。由于在這種情況下所需的最小頻率是第一次諧波的頻率，因此時(shí)域激勵(lì)的采樣頻率必須更小。第一次諧波值的四分之一在此約束與瞬態(tài)仿真持續(xù)時(shí)間（采樣頻率=11.33kHz=>停止時(shí)間=88.33μs)之間提供了很好的折衷。
展開 ANSYS Workbench齒輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真
4
總結(jié)
ANSYS Workbench對齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真是非常方便，包括接觸的設(shè)置、轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)置等都非常方便。如果計(jì)算不收斂時(shí)，主要通過調(diào)試網(wǎng)格質(zhì)量、接觸算法、載荷施加的方式等；再者就是裝配體模型一定不要有干涉。還有就是由于齒輪的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算量較大，可以仿真轉(zhuǎn)動(dòng)兩三個(gè)齒即可，為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，可以將這兩三個(gè)齒進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，以便更加接近真實(shí)解。
源自CAE集中營
基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據(jù)其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計(jì)算結(jié)構(gòu)體的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動(dòng)過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導(dǎo)致盤片變形，變形的盤片進(jìn)一步影響盤片和摩擦片的接觸關(guān)系，又進(jìn)一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合。
隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態(tài)模塊進(jìn)行完全熱-力耦合分析。
圖1 WB耦合場模塊
2、三維模型搭建與網(wǎng)格劃分
利用solidworks對剎車盤進(jìn)行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預(yù)定距離為1mm，如圖2所示，導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行幾何清理（將小孔、窄邊等進(jìn)行優(yōu)化）和網(wǎng)格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網(wǎng)格兼容性較好，因此Hypermesh導(dǎo)出網(wǎng)格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。
圖2剎車盤三維模型
圖3 剎車盤網(wǎng)格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導(dǎo)入.inp網(wǎng)格文件，搭建分析流程，如圖4所示。
圖4 分析流程搭建
3.1 材料定義
材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數(shù)，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)是三個(gè)必要的熱力學(xué)參數(shù)。
展開 ANSYS Workbench連桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真 ￥19.89
</p><p>5 連桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析</p><p>5.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)基本理論</p><p>瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是一種用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的方法。在Ansys中，這種技術(shù)可以用來計(jì)算結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷下的位移、應(yīng)變和應(yīng)力隨時(shí)間的變化。在進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，需要考慮慣性力和阻尼的影響，這些因素與載荷和時(shí)間的相關(guān)性有關(guān)。如果不考慮慣性力和阻尼，則可以使用靜力學(xué)分析來代替瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。對于線性結(jié)構(gòu)，它的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)平衡方程如下：</p><p><br></p><p>在Ansys有限元分析軟件中，式共有三種求解方法分別為：完全法、模態(tài)疊加法和縮減法。完全法和縮減法采用直接積分求解瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)平衡方程。而模態(tài)疊加法則使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解耦后開始求解。</p><p><br></p><p>5.1.1 模態(tài)疊加法</p><p>針對模態(tài)疊加法，式中的可寫為：</p><p><br></p><p>式中：</p><p>為節(jié)點(diǎn)力隨時(shí)間變化量；</p><p>為關(guān)于矢量載荷的比例因子；</p><p>是在模態(tài)分析中的矢量載荷。</p><p>利用模態(tài)坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)位移可通過下式得到：</p><p><br></p><p>式中，是第階模態(tài)振型；</p><p>是所要提取的模態(tài)數(shù)量。</p><p>根據(jù)式可得利用模態(tài)疊加法計(jì)算瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題首先需要進(jìn)行模態(tài)分析，因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)位移中包含了模態(tài)振型。
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