ANSYS工作台19.2

Take a hands-on look at how the ANSYS工作台 恩 vironment is used to explore the physics of a 基准 model.

Take a hands-on look at how the ANSYS工作台 恩 vironment is used to explore the physics of a 基准 model.

图1:浅屋顶的几何形状,载荷和边界条件。所有图片均由Tony Abbey提供。


编辑 ’注意:Tony Abbey提供实时在线学习课程,FEA咨询和指导。联系 [电子邮件 protected] 有关详细信息,或访问他的 网站.

ANSYS工作台将公司联合起来’的传统求解器及其预处理和后处理功能集成到一个集成平台中。几何图形的创建和处理也完全链接到Workbench。项目控制集中在可视化的“项目示意图”图形区域中。项目控制可以包括学科内的分析链或链接。它允许重复使用工作流元素,例如材料,几何图形或分析设置。此外,可以通过“示意图”窗口链接多学科。

一段时间以来,我一直在非线性训练课程中使用图1所示的浅屋顶模型。

它表示一种结构,该结构最初在负载下是稳定的,但在随后的负载,过渡或“snaps”到新的稳定配置。此行为如图2所示。

图2: 浅屋顶搭扣显示负荷与中心挠度。

完整的卡扣沿蓝线显示,并显示出卸载,反向加载和反向偏转。红线显示整体“jump”从一种配置到另一种。争论在于过渡如何发生。

扣接的实际例子有很多,例如带有内部蒸气压的油桶盖,机械开关系统或金属“clickers” for dog training. It has been used as a 基准 for many years.

正如我之前提到的 文章(2018年1月,“Demos and Benchmarks”), it is a typical example of a 基准 that is numerically challenging but is flawed, practically speaking. The reason it is flawed is that static stability is required at each load step in the 基准. This is impractical 上ce snap-through has started. This implies counterbalancing forces and reversal of motion at the center point during the snap-through. The three classic types of loading are:

1.力控负载,在中心点单调增加力;

2.在中心点施加的位移控制载荷;和

3.弧长位移控制载荷,允许反向位移(“snap-back”).

讨论基于以下事实:所有这些负载都不是现实的。板在捕捉过程中将趋向于远离加载中心点的位置,并且捕捉本质上是动态的。

I used ANSYS to explore the physics of this 基准 more deeply, in particular, looking at contact and dynamic loading.

用户界面

启动ANSYS Workbench时,将出现如图3所示的主用户界面。在主Toolbox菜单中,我们可以根据购买的物理应用程序查看大量可用的Analysis Systems。除了基于机械的解决方案之外,它还可以包含计算流体力学(CFD),热,电磁等。

图3: 工作台界面,显示已选择并突出显示(插入)的静态结构工作流程。

我选择了静态结构分析系统。相应的工作流程显示在“项目示意图”图形窗口中。我将同时使用静态结构(包括非线性分析)和瞬态结构。

工作流的每个步骤依次完成,当数据对ANSYS Workbench可接受时,将出现一个复选标记。图3显示了我对Engineering Data单元格的勾选标记,但这是基于默认材料的自动加载。要更改此设置,请双击Engineering Data单元,然后出现Material Input表单,如图4所示。

根据定义的材料属性,假定浅屋顶基准材料是一种聚酰亚胺。我创建了一个名为“benchmark”通过单击各向同性弹性和密度选项。黄色突出显示的区域显示在何处输入数据。我选择了项目单位为Kg,m,S. Young’泊松的模量为3.1E9 N / m ^ 2(Pa)’s ratio is 0.3, and I have used a typical polyimide value of 1,430 kg/m^3 for density (this is not defined in the 基准).

图4: 材料构造形式。

可以在Workbench中定义许多其他材料模型和物理特性,包括可塑性,超弹性,粘弹性,蠕变和断裂准则选项。您还可以定义自定义材料模型。

模型设定

工作流程的下一个阶段是定义支撑有限元分析(FEA)模型的几何。就我而言,我选择将屋顶几何图形导入为SolidWorks零件。在“几何”单元中导入,将在单独的窗口中打开SpaceClaim 计算机辅助设计工具。

SpaceClaim是一种复杂的Direct 计算机辅助设计建模工具,可用于设置和快速重新设计组件。我没有深入探讨此工具,因为我专注于Workbench的FEA功能。还提供了DesignModeler(一种可选的参数几何建模器)。 ANSYS文档建议使用后一种工具来处理现有几何图形,而使用SpaceClaim可以从头开始创建几何图形。

我在SolidWorks中通过创建屋顶段的中间表面对象和包含构造曲线的附加草图来准备几何。后者由SpaceClaim作为曲线导入,然后可以压印到曲面上,以细分网格和加载点位置。

另外,如果您熟悉SpaceClaim,则可以在该环境中非常快速地创建和准备几何图形。

现在,将在Workbench原理图中自动检查Geometry工作流程项,并双击Model单元以启动ANSYS Mechanical,如图5所示。

图5: ANSYS Mechanical,显示壳体网格。

图5显示了由Face Sizing网格控件控制的设置为5 mm的中心区域。默认网格为22.45毫米。该软件中包含广泛的网格控制和网格质量检查。表面几何形状的厚度定义为6.35 mm,并且由壳单元继承。材质属性也分配给几何并由网格继承。

将载荷设置为施加到中心几何顶点的点力。边缘约束设置为在两个直边上简单地支持。通过使用“位移”选项并将适当的DOF设置为零,可以选择任意约束自由度(DOF)。

机械接口允许线性和非线性,具体取决于定义的物理原理。我使用的非线性设置如图6所示。

图6: Nonlinear settings.

我已打开大挠度选项。这允许对该问题固有的几何非线性进行建模。我还使用时间来控制分析中使用的非线性步骤。默认值为使用子步骤。

在静态解决方案中,时间没有意义,因此1秒的任意持续时间表示100%的负载。初始时间步长为0.01秒(意味着100个步长)。最小值设置为此值的1/10(0.001秒),最大值设置为0.05秒。

ANSYS用黄色突出显示任何不一致的值,这对于检查很有用。非线性迭代策略是使用Newton-Raphson方法的默认值设置的。 ANSYS将根据我设置的初始值来控制时间步长。在任何分析中,您将使用的实际值和策略可能会有很大差异,建议您进行数字测试以了解这些设置的适用性。

在分析之前定义所需的输出结果。我选择了“总位移”和“冯·米塞斯应力”。我还使用了数据探针来查找中心顶点处的垂直位移,并对简单支撑的边缘处的反作用力求和。通过约束标签或实体对反作用力进行分组很有用。

分析结果

The results are investigated 上ce I launch the analysis. The roof structure exhibits a snap-through at around 12 mm of deflection. The reaction force versus center deflection plot shown in Fig. 7 shows the classic 跳 of the force-controlled solution, across the snap-through.

图7: 力控制的快速响应,反应与位移。

如此处所述,在受力控制的载荷作用下,载荷只会不断增加,因此只能在载荷作用力的另一侧找到有效的解决方案。“jump”当结构达到下一个稳定配置时。在某一点上,结构的刚度在咬合之前下降到零(载荷挠曲曲线是水平的)。如果解离该点太近,则它无法收敛到平衡状态,分析将停止。

我的初始设置也是“clever” in a sense, as they will 所有ow the time step to adapt and get very close to the zero-stiffness point. I have repeated the analysis a few times with a manual time-step to get a solution just prior to snap-through, which can then 跳 to the next stable solution and bypass the snap-through. A step size of 0.02 seconds (50 steps) achieves this, as shown in Fig. 7.

ANSYS工作台允许快速重新定义非线性控件。此外,还具有直接重启功能。在复杂的模型中,这将允许建立并重新使用10mm处的会聚点。除此之外,还可以探索非线性设置,而不会浪费高达10毫米的资源。

分析期间,可以在Workbench环境中监视从ANSYS求解器输出的摘要文本。这对于理解非线性设置对非线性收敛和迭代策略的意义可能非常有用。

探头结果(位移和反作用力)可自动以xy图的形式获得,并且可以轻松地逐步执行。可以在从xy图确定的关键时刻检索全轮廓图。

我已经用Excel绘制了图7所示的复合结果。但是,Workbench Chart工具允许在Workbench环境中相互制表和绘制响应。可以将生成的Chart对象标记并用作后续分析中图表和表格结果的容器,并且可以轻松导出到Excel。

总位移选项包含完整分析的结果,快照如图8所示。位移历史可以直接从图形窗口中进行动画处理。逐步达到临界点是通过增量控制来实现的。

图8(a)顶部: 扣紧之前变形。 Fig. 8(b) Lower: 卡扣后变形。

初始配置如图8(a)所示,中心偏移为9.4 mm。扣合后的最终稳定配置如图8(b)所示。中心变形为31.5毫米。变形模式与初始配置完全不同,除了中心位置外还具有整体弯曲行为“dimple”-shaped deflection.

第二种分析类型

下一个任务是用位移控制代替中心力。我将其重命名为“排量控制”“项目示意图”窗口显示了“工程数据”,“几何图形”和“模型”之间的自动关联。我需要进行的下一个更改是在安装程序中。双击该单元格,重新打开ANSYS Mechanical,我用30 mm的强制位移替换了中心点载荷。反作用力与中心偏转响应的关系现在如图9所示。

图9: 位移控制的快速响应,反应与位移。

图中显示了各种设置,其中100步的手动解法最接近于理论垂直降落,因为快速响应会试图扭转变形。挠度控制的载荷不能“snap back”超越垂直。注意,自动方法可以’不能足够迅速地适应快速变化的刚度。这是我使用过的所有求解器的典型特征,并强调需要用户探索。通过使用易于访问的参数控件,ANSYS Workbench使数值实验变得简单明了。

所有解决方案都将受力控制的解决方案覆盖到极限载荷(零刚度),并在快速连接后过渡到相同的次级稳定解决方案。

为了实现经典的回弹解决方案,该解决方案允许位移反转,需要使用弧长方法。 ANSYS工作台不直接支持此功能,但ANSYS中提供了此功能,可以使用APDL(ANSYS参数设计语言)从Workbench进行访问。插入命令将打开用于直接输入APDL命令的界面。

建立联络人

如前所述,人们认为接触控制加载是现实的,因此我借此机会在ANSYS Workbench中进行了设置。

我在“项目示意图”窗口中打开了一个新的“结构分析”工作流,并将其命名为“接触控制”。仅材料被重用,并且在上一个分析中,我从相应的“材料”单元格中拖动了一个链接以继承此数据。

在SolidWorks几何中设置了子弹形冲击器,并将其导入到SpaceClaim中。子弹的表面和平板都印在SpaceClaim中,以改善网格并为位移结果提供探测点。

我使用了手动选择技术,但是可以使用自动检测。在工作台中将这两个区域描述为“主体”和“目标”,并且会自动生成窗格,从而使区域选择变得简单明了。

子弹受位移控制,由钢制成。在随后的分析中,由于主体是多余的,因此我仅使用尖端区域。对于更复杂的模型,我可以使用刚性材料,对接触段进行主位移控制,以避免在可变形子弹上浪费资源。

控件设置为使用壳体的顶部表面作为接触表面—这对于薄壳接触建模很重要,可以避免开始使用中间表面,并避免接触几何形状的后续误差。

板和子弹表面的局部网格控制可用于提高接触精度和收敛性。球形网格细化区域可以在顶点周围可视化和定义。这是在联系中心点使用的。经过一些实验后,使用增强拉格朗日接触法进行非对称接触可获得最佳结果。

联络结果

在这种设置中,由于卡扣行为,板会从子弹上脱离。这种分离比夹带的位移更现实。随着分析的进行,ANSYS在消息窗口中报告失去联系。然后,子弹赶上盘子并重新建立联系。同样,ANSYS实时消息可用于警告用户接触刚度突然改变。图10显示了此设置的一系列反作用力与中心位移的关系图。

图10: 反应与中心位移进行接触控制。

最初的结果是使用50 mm半径的子弹,并显示出比位移控件更低的卡扣载荷。更改为半径为25 mm的子弹表明与先前的位移控件相匹配,该控件也如图10所示。

现在,在快速连接过程中反作用力降至零。没有接触,就不会有负载转移。不接触子弹和板的相对运动是在静态溶液中保持稳定性的艰巨时期。我发现使用该选项来使用系统定义的“soft springs”以帮助稳定此处的解决方案。

我使用SpaceClaim将子弹从50毫米锐化到25毫米半径。这是可以在Workbench中使用直接“push/pull”和其他变形方法。弧的半径成为此参数分析研究中的设计驱动力。

动态结果

使用接触控制,“gap”从快速将板子拉离子弹到子弹赶上板子之间的静态平衡很难体现。实际上,惯性效应将起重要作用。

因此,下一步是在Workbench中建立瞬态非线性动力学分析。从主工作台工具箱中选择一个瞬态分析系统,并将其放置在项目原理图上。可将工程数据,几何和模型单元链接到先前的分析,以便继承此数据。现在所需要做的就是设置位移控制和瞬态分析时间步长控制的时间依赖性。

我在0.1秒内使用了35毫米的挠度。这表示约1.26 km / hr或0.8 mph。工作台允许瑞利阻尼或结构阻尼具有规定的交叉频率。我将后者用于目标频率为80 Hz的情况下具有30%的结构阻尼。赫兹变量表示板的估计自由固有频率,并在运行期间通过诊断输出估计进行监视。

任何高于80 Hz的频率都将吸引比此更高的阻尼,因此趋于被抑制。无阻尼运行显示较高的频率含量覆盖了主要的快速响应。因此,假定搭接不受使用的阻尼水平的影响。

总体反作用与中心挠度的关系图如图11所示。

图11: 动态控制强制位移的反作用力与挠度。

该图跟踪到快速连接的入口以及到稳定配置的恢复。它’令人感兴趣的是,在重新建立接触之前,卡扣现在通过板的过动动态响应,从而产生振荡。在此期间内,曲线的奇怪形状是由于中心偏转和净反作用力之间的相位变化引起的。独立于时间绘制位移和反作用力显示正常的振荡行为。

ANSYS工作台 所有owed me to explore the snap-through 基准 in greater depth. I have not used classic ANSYS for many years, but found the Workbench 恩 vironment 所有owed me to quickly get up to speed again. The workflow made repetitive tasks, such as investigating the influence of non-linear settings, straightforward. The ability to quickly plot, review and paste to Excel 所有owed a large amount of data to be investigated efficiently.

“项目示意图”窗口帮助我组织了调查中使用的各种分析:从一个中心点而不是一系列单独的数据库进行的位移控制,负载控制,接触控制和动态控制。 

托尼·艾比(Tony Abbey)创建了一个非线性的在线学习课程,该课程与NAFEMS合作举办。在以下位置查看内容 goo.gl/otYmDY.

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关于作者

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托尼修道院

托尼修道院是他自己的公司FETraining的顾问分析师。他还担任NAFEMS的培训经理,负责开发和实施培训课程,包括电子学习课程。发送有关此文章的电子邮件至 [电子邮件 protected].

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