ANSYS中如何處理奇異性方法

2017-03-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

ANSYS中如何處理奇異性方法

在有限元分析中(FEA)中,必須適當(dāng)?shù)睾喕瘜嶓w,我們很少分析包含所有細(xì)節(jié)的實體。由于計算條件限制了模型的規(guī)模,權(quán)宜之下,通常簡化螺紋孔、倒角、安裝凸臺和其它一些并不重要的部分。因為簡化一些無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)能使分析求解盡可能地高效,減少占用的RAM、硬盤空間和CPU時間。但問題是,隨著倒角和其它一些細(xì)節(jié)被簡化,在它們鄰近區(qū)域內(nèi)計算出的應(yīng)力值可能不準(zhǔn)確。比如用一個尖角代替倒角,尖角處產(chǎn)生奇異,導(dǎo)致該處有無限大的應(yīng)力集中因子。雖然奇異并不防礙ANSYS在該處的應(yīng)力計算,但計算的結(jié)果卻不能反映真實應(yīng)力,由于單元密度的疏密不同,計算的結(jié)果可能比實際值過高或過低。雖然計算的應(yīng)力值是不準(zhǔn)確的,若位移值仍然是好的,且奇異產(chǎn)生的區(qū)域并不特別重要,該應(yīng)力值則可以忽略,分析員可以放心的關(guān)注模型的其他部分。有時,一些模型細(xì)節(jié)明顯可以被簡化,有時細(xì)節(jié)剛開始并不顯得重要,但后來結(jié)果分析顯示該細(xì)節(jié)是至關(guān)重要的,這也是應(yīng)力分析學(xué)科的一個特點。分析員必須運用他們的經(jīng)驗和直覺來判斷設(shè)計細(xì)節(jié)的相關(guān)性能,確定它們能否被簡化而不產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。我發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)苁狗治鰡T的直覺靈敏,盡管如此,但仍可能出錯,有時分析員并不能掌握細(xì)節(jié)的重要性,當(dāng)他檢查結(jié)果時才發(fā)現(xiàn),簡化了的細(xì)節(jié)其實是非常重要的。象這樣的情況,我們有幾種選擇方案。一種是在模型中添加該細(xì)節(jié)重新計算,該方法適應(yīng)于具有簡單邊界條件和相對比較簡單的幾何實體,并且重新分析所需要的時間也不太多。如果第一次計算需要70個小時,且任務(wù)緊迫,那么修改并重新計算整個模型并非是很好的方式,此時應(yīng)該應(yīng)用已有的結(jié)果來得出精確的應(yīng)力。完成該任務(wù)的方法之一是子模型法,在包含細(xì)節(jié)的相關(guān)區(qū)域建立子模型來計算精確的應(yīng)力。在ANSYS在線文檔中可獲得子模型法,分析向?qū)У摹案呒壏治黾夹g(shù)”章節(jié)中包含了ANSYS可以完成的各種類型子模型例子,包括“shell-shell”、“shell-solid”和“solid-solid”。如果子模型在低應(yīng)力梯度區(qū)域內(nèi)具有邊界,根據(jù)在線文檔的指南可以得到滿意的求解。特別當(dāng)模型相對比較復(fù)雜和建立子模型計算結(jié)果所用的時間夠用時,可用子模型法來計算,因為子模型法通常比原始模型尺寸更小,運行的時間也更少,且對計算資源要求不高。當(dāng)然,可能也要花費一到兩天的的時間來建立子模型、施加邊界條件、求解和分析結(jié)果。另外一種獲得準(zhǔn)確應(yīng)力值的方法是外插值法。假設(shè)奇異在該區(qū)域沒有發(fā)生時來推斷奇異點的應(yīng)力值,并使用應(yīng)力集中因子來計算真實應(yīng)力。例如一個具有階躍截面的懸臂梁(圖1),大邊固定,在自由端的頂部施加一個垂直載荷。在實際幾何體中,雖然在階躍截面處有一小的倒角,但在模型中通常被簡化,因為初始的估計表明這并不重要。然而計算結(jié)果顯示(圖2)該區(qū)域的應(yīng)力是最值得關(guān)注的。通過沿著梁較薄部分底部的路徑畫應(yīng)力值(在該例中為最小應(yīng)力S3),從而可以較好的估計奇異點的應(yīng)力值。該任務(wù)通過以下的命令來完成:用PPATH定義路徑,PDEF命令插值該路徑上的S3 應(yīng)力值和PLPATH畫插值數(shù)據(jù)。該過程表明S3 隨位置呈線性變化(圖3),愈靠近尖角,數(shù)值愈大,當(dāng)接近尖角時,由于該位置的奇異,應(yīng)力值迅速增加。使用該圖,可以估計應(yīng)力曲線的線性部分與垂直軸在-7180PSI處相交,此數(shù)據(jù)與手工計算的-7200PSI數(shù)據(jù)接近。如果應(yīng)力集中因子為1.0,該應(yīng)力值即為尖角處的應(yīng)力值。處理尖角處不正確應(yīng)力時,一種較好的方法是分析員借助應(yīng)力集中手冊(如R.E.Peterson的《應(yīng)力集中因子》),找到幾何體的相應(yīng)應(yīng)力集中因子來計算正確的應(yīng)力值。 (http://www.ansys.com.cn/SUPPORT/caewz2.htm) 該例簡單從而可以容易地用手工計算來完成,但存在許多這樣的情況:問題并非這樣簡單并且根本不可能進(jìn)行手工計算。此時,在產(chǎn)生奇異的區(qū)域,你可以運用應(yīng)力的線性插值和合適的應(yīng)力集中因子來快捷計算準(zhǔn)確的應(yīng)力值。

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