ANSYS Workbench 分析流程搭建及Mechanical界面认识

软件支持的分析类型众多,那么如何快速建立自己需要的呢?首先我们还是要从大框架上对分析做一个简单的分类,如此挑选的时候更容易做到心中有数。分类有许多的角度,这里将ANSYS结构分析简单分为如下几个类别:
结构分析基础分类

线性分析与非线性分析

所谓的线性分析,即响应与激励是线性关系。激励就是作用在结构上的一些影响,力载荷、热载荷等。如结构受到一千牛的压力,亦或者放置在一个高温的环境下,让结构的性质受到影响的因素都可以称之为激励,只是有些可以被量化,有些不能罢了。响应就是结构对影响所做出的反应,如你用一千牛去压结构,结构会抵抗这种作用。如果结构足够的刚,你可能看不到结构做出显著性的反应,而结构如果比较弱,你可能会看到结构变形甚至是开裂等现象,这些在抵抗影响所带来的反应,如变形等,称之为响应。

所谓的线性,即成一个比例关系,就是谁是谁的多少倍。在线性分析中,这种线性表征的是响应与激励之间的关系,响应是激励的多少倍。线性关系最大的优势在于叠加效果,假如1000N力作用在结构上,产生10mm变形,那么2000N就产生20mm变形。早前在材料力学中学过的胡克定律就是最简单的表达,呈现的是在线弹性范围内,结构的伸长量与作用力成比例关系。在材料力学一开始就给出了五个基本假设,提到了小变形。所以线性结构分析是有条件的,而小变形只是其中的一种情况,因此一定要谨慎选择。

材料力学胡克定律F=KX,其中K为刚度,为常数,对于一维拉伸。而有限元是将整体剖分为小的局部求解,在局部上使用这种关系,注意这里的这种关系指的是位移与力的关系,不一定是线性。在节点上建立平衡方程,用节点位移表示节点力,本质也是胡克定律的更广义的表示。有限元里面用矩阵法将节点平衡方程改写,节点位移作为列矢量,节点等效力为力的列矢量,而上面这种刚度系数就变成了矩阵的元素,所有刚度系数组成刚度矩阵。由前面胡克定律刚度系数为常数很容易想到刚度矩阵中全部为常系数,整个刚度矩阵都是定值,也表达了节点位移与节点力之间的线性关系。

非线性分析,即响应与载荷不再成一个固定的比例关系,它不满足叠加原理。胡可定律表达了一种线弹性关系的材料,如果不是这种关系的材料呢?如表达式F=N(y)X,这里表达响应与激励之间关系的量N(y)不再是一个固定的值,而是一个函数关系(这里是广义的函数),这种关系受到某个量影响,它随着变化。我们可以粗略理解为一种可变的刚度系数,那对应的矩阵即一个刚度系数变化的矩阵,因此凡是能够影响刚度系数(表征的是结构刚度)的都将导致非线性关系。

ANSYS可以考虑三种非线性:几何非线性、材料非线性、状态非线性。几何非线性指的是,结构的形状变化影响自身结构的刚度,进而响应与激励之间呈非线性关系。材料非线性,指的是材料的本构为一种非线性函数。状态非线性主要指的是结构在空间的中与它相互作用对象之间的状态变化,如结构在空间中如何固定(边界),结构是否与其他结构相接触等等,这些状态将直接影响结构刚度。

稳态分析与瞬态分析

所谓稳态,就是一种平衡状态。如你将一杯开水放在室温状态下的房间里面,一开始由于能量并不平衡,所以会发生交换,但是它不可能一直都在变化(指的是一开始那种比较剧烈的),总会达到一个稳定的情况,而这种稳定的状态就是稳态。你或者考虑在塑料杯子上放一个橙子,一开始杯子会变形(假定橙子的重量能够让杯子变形),但是它不会一直变形,慢慢就停止了,最后那个状态就是稳态,简单理解为一种终点值。那么稳态分析就是看这个平衡态,如最终水多少度,杯子变形了多少,我们不考虑从开始到最后这中间是如何的。

所谓瞬态,就是一种过程量。上面例子中,开水渐渐降低温度,这个过程中任意时刻的状态称之为这整个过程的一个瞬态。瞬态分析可以看整个水降温过程中某一个时刻水温,也可以看整个过程中水温随着时间变化的曲线。一句话,看整个过程任意时刻的状态,或者看整个状态,它是包含前面的稳态的。

单一分析与耦合分析

单一分析指的是在激励作用下产生的反应不对其他对象产生作用。单一分析通常是只存在一种场,如力作用下的只是分析力的作用效应。而耦合分析通常是多个场之间的作用,所以也称耦合场分析,如既包括力场,也包括温度场。

耦合分析简单分为单向和双向。所谓单向耦合,即前者对后者有影响,而后者对前者没影响或者影响小到忽略不计。如结构受到一个温度场作用,在温度作用下,非自由变形结构产生了热应力,而温度的不同必然考虑导致结构应力的变化,前者影响后者十分明显。然而结构受到热应力作用而可能导致结构变形,但是这种变形对温度的分布影响甚微,这就是典型的单向热力耦合分析。那什么是双向的呢,如一条管道中高速流淌着某种流体,那么流体的急速流动必然是会对管道产生一定的冲击作用,这种效果可能导致管道的形变,反过来管道的形状亦会影响流体的流动,这种相互影响称之为耦合,这个例子就是简单的双向流固耦合分析。至于最终选择哪一类型分析,那就是另外一个问题了,以后慢慢学习。

基础分析流程

基础分析类型,系统都已经建立好了,更复杂的需要自己建立。启动Workbench看到如下图示:

工具箱的模块你可以双击,系统将自动放置在右侧项目概图区域。你也可以手动拖住它们到右侧区域指定地方,松手即可完成。

建立数据共享

另外,新版本可以直接从Mechanical里面建立后面的分析模块,在标题栏下方,有个【New Analysis】之类的选项,进去直接选择即可,ANSYS会自动创建项目概图区域需要的连接与模块。
保存典型分析流程

前面大致的区分了分析的基本类型以及界面介绍,有直接体现瞬态和稳态的,而非线性是通过分析流程里面的设置完成的。当然直接看界面你还可以分出时域分析与频域分析,这些以后学到具体的再掌握。目前介绍的都是零基础的,最简单的入门知识级,关于分析流程还有很多比较复杂的,不是该阶段我们需要考虑的。

首先任意建立一个模型,进入Mechanical以后的界面如下图所示,注意一点:界面随着鼠标点左侧击树型栏不同的对象,Mechanical上方的工具栏会发生变化,仔细观察。
Mechanical界面认识
主界面

对象选择

有时候我们想基于有限元元素加载,那么选择的对象就需要变更为单元或者节点,且再在加载的时候选择有限元载荷,如节点载荷。必须是如此对应,否则你可能会遇到,为什么我选择了节点却没有办法施加节点载荷呢

边界条件

如果是基于有限元载荷加载,选择就需要选择节点或者单元
后处理放在以后具体分析中再详细介绍,这里你只需要点击Solutions即可在工具栏看到后处理的工具,或者单击鼠标右键。

注:仅记录学习FEM的一个过程,表达的是个人观点与认识,欢迎一起讨论学习。有疑问可以私,本号没有留言功能,无法互动。本人小白一枚,正在努力的路上!

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