旋轉(zhuǎn)周期對稱的案例
基于ABAQUS的旋轉(zhuǎn)周期對稱結(jié)構(gòu)振動仿真
本文主要介紹ABAQUS在旋轉(zhuǎn)周期對稱結(jié)構(gòu)仿真中的便捷性。在ABAQUS環(huán)境下，通常我們都對結(jié)構(gòu)的強度和振動進行仿真時，都將整個結(jié)構(gòu)模型進行網(wǎng)格劃分，然后進行整體分析。但對于一些結(jié)構(gòu)如光盤、風扇、輪胎，甚至是汽輪機轉(zhuǎn)子等的旋轉(zhuǎn)周期對稱結(jié)構(gòu)，我們則不必對整個模型進行建模，而是可以截取其中的一個扇區(qū)，將其作為計算模型，進行適當?shù)脑O(shè)置便可進行整個模型的振動仿真。
以一個空心盤為例。如下圖所示：
若我們對這個模型進行強度與振動仿真，我們只需截取其中的一個扇區(qū)，如截取其中1/72（即5°）的扇區(qū)如下圖：
將其導(dǎo)出并劃分好網(wǎng)格，再導(dǎo)入ABAQUS中，設(shè)置旋轉(zhuǎn)周期對稱條件便能仿真整個盤的振動了。具體視頻操作見鏈接：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10169
在這給出視頻中的相應(yīng)結(jié)果：
一階一節(jié)徑振型
一階二節(jié)徑振型
………………………………
展開 ABAQUS案例-旋轉(zhuǎn)對稱子模型分析及旋轉(zhuǎn)對稱模型在溫度場和過盈裝配下的應(yīng)力位移分析與過約束檢查 ￥3
旋轉(zhuǎn)對稱分析可以大大降低工作量以及計算量，本實例（附件中inp文件）演示了在何種情況下以及如何采用旋轉(zhuǎn)對稱子模型進行整結(jié)構(gòu)分析。本實例中采用了旋轉(zhuǎn)對稱子模型分析結(jié)構(gòu)在溫度場和過盈裝配下的應(yīng)力位移分布及計算過盈面總裝配作用力。并演示了如何避免過約束以及如何在局部坐標系下查看應(yīng)力和位移。
ANSYS Workbench周期對稱模型的模態(tài)分析方法 ￥10
對于風扇葉片、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 葉片風扇，單個扇區(qū)角度為 60°。
定義坐標系，在 DM 中創(chuàng)建全局坐標系，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 samcef周期對稱性模型建模2
在之前的案例中利用周期對稱性對一個圓盤轉(zhuǎn)子的15度扇形進行了建模，并據(jù)此分析了完整圓盤模型的臨界轉(zhuǎn)速。Samcef的另一強大功能是能夠?qū)⑦@種部分模型轉(zhuǎn)化為完整的3位模型，并進行完整模型的模態(tài)計算機三維顯示。
只需要在求解時，同樣在epilogue中輸入一定的命令，并選擇對于求解器進行計算。具體操作步驟見附件。
recombine sector in 3D model.zip
Hypermesh2021，abqus2021，周期對稱cyclic symmetry問題 ￥10
1 Hypermesh2021，abqus2021，周期對稱cyclic symmetry
（1）hypermesh周期對稱關(guān)鍵字設(shè)置：Tie
（2）導(dǎo)入abaqus提示報錯：
WARNING in the keyword "*tie", file="boundary.inp", line=309891: Parameters defined on cyclic symmetry tie constraint are not fully supported.
（3）分析原因
目前abaqus2021不支持Hypermesh2021提供的Tie。
可以從abaqus2021中看到周期對稱包含的內(nèi)容1、2如下，Hypermesh2021 Tie中參數(shù)不包含2，因此2中內(nèi)容需要在UNSUPPORTED CARDS MIDDLE中定義。
（4）解決方法如下
展開 葉輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)周期對稱模型
葉輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)周期對稱模型
對稱類型
鏡面對稱：幾何模型關(guān)于一個或多個正交平面對稱。 周期對稱：幾何模型關(guān)于某個旋轉(zhuǎn)軸會發(fā)生幾何重復(fù)。
l如果周期對稱模型在周期對稱面上沒有引起平面外的位移，此時可采用對稱邊界； l
如果周期對稱模型在周期對稱面上有可能會引起平面外的位移，此時則必須采用周期對稱邊界；
導(dǎo)入幾何模型
◇ADINA新版本8.9支持Parasolid模型采用中文路徑及中文名；
◇ 選擇導(dǎo)入后的長度單位為Meter；
建立2D面相關(guān)網(wǎng)格
對于周期對稱模型，相對于旋轉(zhuǎn)軸，在相同位置的重復(fù)面，其徑向、切向及軸向位移是相同的。為了模擬該行為： 1.
1.在該兩個重復(fù)面上生成2D相關(guān)網(wǎng)格，這樣以控制重復(fù)面在相同的空間位置有對應(yīng)的節(jié)點；
2.采用2D面相關(guān)網(wǎng)格以劃分3D體網(wǎng)格；
建立3D體網(wǎng)格
◇ 上圖可見兩個重復(fù)面上的2D面網(wǎng)格數(shù)量是相同的；
◇ 這樣即可利用已有的相同的2D面網(wǎng)格進行3D體網(wǎng)格的劃分，劃分后3D體網(wǎng)格在對應(yīng)的重復(fù)面上節(jié)點在旋轉(zhuǎn)后的空間位置上也是對應(yīng)的；
◇ 把2D面網(wǎng)格刪除掉；
計算結(jié)果
葉輪周期對稱結(jié)構(gòu)的總體位移及等效應(yīng)力云圖
附上in文件及葉片模型
葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)周期對稱模型-01.rar
展開 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.part4.rar
abaqus.part1.rar
abaqus.part2.rar
abaqus.part3.rar
JCMsuite：旋轉(zhuǎn)對稱發(fā)射器
幾何形狀為非理想微柱結(jié)構(gòu)：
單光子柱發(fā)射器（旋轉(zhuǎn)對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創(chuàng)建的（見下文）。
參數(shù)掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_wavelength.m對偶極子源的波長進行掃描并產(chǎn)生以下曲線，顯示了該設(shè)備的效率和Purcell因子（此處為直柱）：
效率vs波長 Purcell因子vs波長 Purcell因子（log）vs波長
左：微柱發(fā)射器相對于波長的效率。 右：Purcell因子
警告
由于波長掃描的采樣率為0.1nm，Purcell因子的最大值丟失（遠高于80）
近場和遠場圖@969nm
下圖顯示了直柱和上述非理想柱的三個偶極子的近場和遠場強度
（垂直偶極子極化的偽彩色圖與水平偶極子的比例不同）。
x,y,z極化偶極子強度（@969nm），直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質(zhì)中）, 直柱
喇叭形支柱
x,y,z極化偶極子的強度（@969nm），斜柱）
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 斜柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質(zhì)中）, 斜柱
參考文獻
[1]N. Gregersen, T. R. Nielsen, et al., Quality factors of nonideal micro pillars, APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 011116 (2007)
展開 Jcmsuite：旋轉(zhuǎn)對稱發(fā)射器
Jcmsuite：旋轉(zhuǎn)對稱發(fā)射器
示例取自Gregersen等人[1]。幾何形狀為非理想微柱結(jié)構(gòu)：
單光子柱發(fā)射器（旋轉(zhuǎn)對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創(chuàng)建的（見下文）。
參數(shù)掃描
Matlab®腳本data_analysis/run_scan_wavelength.m對偶極子源的波長進行掃描并產(chǎn)生以下曲線，顯示了該設(shè)備的效率和Purcell因子（此處為直柱）：
效率vs波長 Purcell因子vs波長 Purcell因子（log）vs波長
左：微柱發(fā)射器相對于波長的效率。 右：Purcell因子
警告
由于波長掃描的采樣率為0.1nm，Purcell因子的最大值丟失（遠高于80）
近場和遠場圖@969nm
下圖顯示了直柱和上述非理想柱的三個偶極子的近場和遠場強度
（垂直偶極子極化的偽彩色圖與水平偶極子的比例不同）。
x,y,z極化偶極子強度（@969nm），直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質(zhì)中）, 直柱
喇叭形支柱
x,y,z極化偶極子的強度（@969nm），斜柱）
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 斜柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質(zhì)中）, 斜柱
展開 案例：Samcef轉(zhuǎn)子動力學(xué)周期對稱性模型建模
Cyclic symmetry model
案例：Samcef轉(zhuǎn)子動力學(xué)周期對稱性模型建模
通過本案例學(xué)習，主要掌握在samcef中對于周期對稱性的模型能夠利用簡便方法快速建模分析。案例使用的完整模型為一個關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對稱的圓盤轉(zhuǎn)子，建模時只需要對其中15度的扇形區(qū)域進行建模，然后其24倍的對稱模型就能形成完整圓盤轉(zhuǎn)子。另外，在samcef中可以完成更為復(fù)雜的對稱模型建模，稱為“multi-stage cyclic symmetry”。
通過對15度扇形區(qū)域設(shè)置材料屬性，網(wǎng)格劃分，可以得到扇形區(qū)域的有限元模型。在對零界轉(zhuǎn)速求解計算時，只需要在epilogue中輸入一定的命令行，就可以對整個圓盤轉(zhuǎn)子進行臨界轉(zhuǎn)速分析。如下圖，“We can see that the solver detected 69216 degrees offreedom. As we remember the real 3D structure is made of 24 times thiselementary sector, this means that we are calculating here in a few seconds (53on our computer) a structure corresponding to around 700000 degrees of freedom!!”
具體操作文檔見附件。操作視頻：
http://v.youku.com/v_show/id_XODk4OTY3Nzc2.html
sector.zip
展開 案例 samcef周期對稱性模型建模2
在之前的案例中利用周期對稱性對一個圓盤轉(zhuǎn)子的15度扇形進行了建模，并據(jù)此分析了完整圓盤模型的臨界轉(zhuǎn)速。Samcef的另一強大功能是能夠?qū)⑦@種部分模型轉(zhuǎn)化為完整的3位模型，并進行完整模型的模態(tài)計算機三維顯示。
只需要在求解時，同樣在epilogue中輸入一定的命令，并選擇對于求解器進行計算。具體操作步驟見附件。
recombine sector in 3D model.zip
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
abaqus.part2.rar
abaqus.part3.rar
abaqus.part4.rar
JCMsuite：旋轉(zhuǎn)對稱發(fā)射器
幾何形狀為非理想微柱結(jié)構(gòu)：
單光子柱發(fā)射器（旋轉(zhuǎn)對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創(chuàng)建的（見下文）。
參數(shù)掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_wavelength.m對偶極子源的波長進行掃描并產(chǎn)生以下曲線，顯示了該設(shè)備的效率和Purcell因子（此處為直柱）：
效率vs波長 Purcell因子vs波長 Purcell因子（log）vs波長
左：微柱發(fā)射器相對于波長的效率。 右：Purcell因子
警告
由于波長掃描的采樣率為0.1nm，Purcell因子的最大值丟失（遠高于80）
近場和遠場圖@969nm
下圖顯示了直柱和上述非理想柱的三個偶極子的近場和遠場強度
（垂直偶極子極化的偽彩色圖與水平偶極子的比例不同）。
x,y,z極化偶極子強度（@969nm），直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 直柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質(zhì)中）, 直柱
喇叭形支柱
x,y,z極化偶極子的強度（@969nm），斜柱）
x,y,z極化偶極子（@969nm）的上遠場（在空氣中）, 斜柱
x,y,z極化偶極子（@969nm）的低遠場（在基質(zhì)中）, 斜柱
展開 ANSYS壓氣機輪 盤結(jié)構(gòu)（周期對稱）分析-附命令流
將工作平面繞工作平面Y軸旋轉(zhuǎn)21度
VSBW,ALL !將所有體用當前工作平面分割
wprot,,,9 !將工作平面繞工作平面Y軸旋轉(zhuǎn)9度
VSBW,ALL !將所有體用當前工作平面分割
wprot,,,9 !將工作平面繞工作平面Y軸旋轉(zhuǎn)9度
VSBW,ALL !將所有體用當前工作平面分割
LDELE,52,,,1 !刪除軸線
CSYS,1 !將激活坐標系轉(zhuǎn)到總體柱坐標系
VSEL,S,LOC,X,180,220 !選擇徑向位置與均壓孔相同的體
CM,HOLEVOL,VOLU !用這些體創(chuàng)建名為HOLEVOL的組件，便于后面引用
ALLSEL
VPLOT !顯示體
SAVE
!定義周期對稱分析選項
ASEL,S,LOC,Y,0 !選擇低角度組件
CM,CYCLIC_M01L,AREA !定義低角度組件
ASEL,S,LOC,Y,60 !選擇高角度組件
CM,CYCLIC_M01h,AREA !定義高角度組件
ALLSEL
CYCLIC,6,60,1,'CYCLIC' !指定周期對稱分析選項
!對盤扇區(qū)進行網(wǎng)格劃分
ESIZE,3 !全局單元尺寸
!連接多于面和線
CMSEL,S,HOLEVOL !擇組件HOLEVOL
VSEL,R,LOC,Y,21,30 !選擇均壓孔一側(cè)的體
ASLV,S !所有關(guān)聯(lián)于體的面
WPCSYS,-1,0 !作平面與總體笛卡兒坐標系對齊
wprot,30
wpoff,200 !作平面原點移至均壓孔圓心位置
CSWPLA,11,1 !在工作平面原點創(chuàng)建柱坐標系，并激活
ASEL,U,LOC,Z,264.1 !去除均壓孔上表面
ASEL,U,LOC,Z,258.7 !去除均壓孔下表面
ASEL,U,LOC,X,9.9,1.1,0.1 !去除均壓孔側(cè)表面
CSYS,1 !
展開 旋轉(zhuǎn)機械的周期性網(wǎng)格劃分與CFD數(shù)值分析
attention：此葉輪之所以能劃分出60°周期性網(wǎng)格，是因為葉片數(shù)為6，所以無論以怎樣的60°角度去切，其左右部分旋轉(zhuǎn)60°后是都可以重合在一起的，即其各種計算參數(shù)都是一致的 即 P:left=P:right
葉輪1.jpg
葉輪2.jpg
分割成60°周期模型.jpg
截圖23.gif
網(wǎng)格放大圖1.jpg
截圖26.gif
進口邊網(wǎng)格細化
截圖27.gif
葉輪主流區(qū)域網(wǎng)格劃分，葉輪的左邊兩塊和右邊兩塊區(qū)域都是一一對稱的，這也是能夠進行周期計算的原因
截圖29.gif
截圖30.gif
截圖01.gif
壁面附近相對速度矢量分布放大圖
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