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2017-07-20 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
ANSYS高級分析技術指南—單元的生和死
1何為單元的生和死?
如果模型中加入(或刪除)材料,模型中相應的單元就“存在”(或消亡)。單元生死選項就用于在這種情況下殺死或重新激活選擇的單元。(可用的單元類型在表6-1中列出。)本選項主要用于鉆孔(如開礦和挖通道等),建筑物施工過程(如橋的建筑過程),順序組裝(如分層的計算機芯片組裝)和另外一些用戶可以根據(jù)單元位置來方便的激活和不激活它們的一些應用中。單元生死功能只適用于ANSYS/Multiphysics,ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural產(chǎn)品。
Table 6-1 Elements with birth and death capability
在一些情況下,單元的生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS的計算數(shù)值決定,如溫度,應力,應變等。可以用ETABLE命令(Main Menu>General Postproc>ElementTable>Define Table)和ESEL命令(Utility Menu>Select>Entities)來確定選擇的單元的相關數(shù)據(jù),也可以改變單元的狀態(tài)(溶和,固結,俘獲等)。本過程對于由相變引起的模型效應(如焊接過程中原不生效的熔融材料變?yōu)樯У哪Ｐ腕w的一部分),失效擴展和另外一些分析過程中的單元變化是有效的。
2
單元生死是如何工作的?
要激活“單元死”的效果,ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除,而是將其剛度(或傳導,或其他分析特性)矩陣乘以一個很小的因子[ESTIF]。因子缺省值為1.0E-6,可以賦為其他數(shù)值(詳見“施加載荷并求解”一章)。死單元的單元載荷將為0,從而不對載荷向量生效(但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn))。同樣,死單元的質量,阻尼,比熱和其他類似效果也設為0值。死單元的質量和能量將不包括在模型求解結果中。單元的應變在“殺死”的同時也將設為0。與上面的過程相似,如果單元“出生”,并不是將其加到模型中,而是重新激活它們。用戶必須在PREP7中生成所有單元,包括后面要被激活的單元。在求解器中不能生成新的單元。要“加入”一個單元,先殺死它,然后在合適的載荷步中重新激活它。當一個單元被重新激活時,其剛度,質量,單元載荷等將恢復其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒有應變記錄(也無熱量存儲等)。但是,初應變以實參形式輸入(如LINK1單元)的不為單元生死選項所影響。而且,除非是打開了大變形選項[NLGEOM,ON],一些單元類型將以它們以前的幾何特性恢復(大變形效果有時用來得到合理的結果)。單元在被激活后第一個求解過程中同樣可以有熱應(等于a*(T-TREF)),如果其承受熱量體載荷。
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如何使用單元生死特性
可以在大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中使用單元生死,其基本過程與相應的分析過程是一致的。對于其他分析來說,這一過程主要包括以下三步:
-
建模
-
施加載荷并求解
-
查看結果
修改基本分析步驟如下以包括單元生死特征:
建模:
在PREP7中,生成所有單元,包括那些只有在以后載荷步中才激活的單元。在PREP7外不能生成新的單元。
施加載荷并求解:
在SOLUTION中完成以下操作:
—定義第一個載荷步:
在第一個載荷步中,用戶必須選擇分析類型和所有的分析選項。用下列方法指定分析類型:
Command: ANTYPE
GUI: Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis
在結構分析中,大變形效果應打開。用下列命令設置該選項:
Command: NLGEOM,ON
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
對于所有單元生死應用,在第一個載荷步中應設置牛頓-拉夫森選項,因為程序不能預知EKILL命令出現(xiàn)在后面的載荷步中。用下列命令完成該操作:
Command: NROPT
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
殺死[EKILL]所有要加入到后續(xù)載荷步中的單元,用下列命令:
Command: EKILL
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements
單元在載荷步的第一個子步被殺死(或激活),然后在整個載荷步中保持該狀態(tài)。要注意保證使用缺省的矩陣縮減因子不會引起一些問題。有些情況下要考慮用嚴格的縮減因子。用下列方法指定縮減因子數(shù)值:
Command: ESTIF
GUI: Main Menu>Solution>Other>StiffnessMult
不與任何激活的單元相連的結點將“漂移”,或具有浮動的自由度數(shù)值。在一些情況下,用戶可能想約束不被激活的自由度[D,CP等]以減少要求解的方程的數(shù)目,并防止出現(xiàn)位置錯誤。約束非激活自由度,在重新激活的單元要有特定的(或溫度等)時很有影響,因為在重新激活單元時要刪除這些人為的約束。同時要刪除非激活自由度的結點載荷(也就是不與任意激活的單元相連的結點)。同樣,用戶必須在重新激活在自由度上施加新的結點載荷。
下面是第一個載荷步中命令輸入示例:
!第一個載荷步
TIME,... !設定時間值(靜力分析選項)
NLGEOM,ON !打開大位移效果
NROPT,FULL !設定牛頓-拉夫森選項
ESTIF,... !設定非缺省縮減因子(可選)
ESEL,... !選擇在本載荷步中將不激活的單元
EKILL,... !不激活選擇的單元
ESEL,S,LIVE !選擇所有活動單元
NSLE,S !選擇所有活動結點
NSEL,INVE!選擇所有非活動結點(不與活動單元相連的結點)
D,ALL,ALL,0 !約束所有不活動的結點自由度(可選)
NSEL,ALL !選擇所有結點
ESEL,ALL !選擇所有單元
D,... !施加合適的約束
F,... !施加合適的活動結點自由度載荷
SF,... !施加合適的單元載荷
BF,... !施加合適的體載荷
SAVE
SOLVE
請參閱TIME,NLGEOM,NROPT,ESTIF,ESEL,EKILL,NSLE,NSEL,D,F,SF和BF命
到更詳細的解釋。
后繼載荷步
在后繼載荷步中,用戶可以隨意殺死或重新激活單元。象上面提到的,要的施加和刪除約束和結點載荷。
用下列命令殺死單元:
Command:EKILL
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements
用下列命令重新激活單元:
Command: EALIVE
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem
!第二個(或后繼)載荷步:
TIME,...
ESEL,...
EKILL,... !殺死選擇的單元
ESEL,...
EALIVE,... !重新激活選擇的單元
...
FDELE,... !刪除不活動自由度的結點載荷
D,... !約束不活動自由度
...
F,... !在活動自由度上施加合適的結點載荷
DDELE,... !刪除重新激活的自由度上的約束
SAVE
SOLVE
請參閱TIME,ESEL,EKILL,EALIVE,FDELE,D,F和DDELE命令得到更詳細的解釋。
查看結果
對于大多數(shù)部分來說,用戶在對包含不激活或重新激活的單元操作時應按照標準的過程來做。但是必須清楚的是,“殺死”的單元仍在模型中,盡管對剛度(傳導)矩陣的貢獻可以忽略。因此,它們將包括在單元顯示,輸出列表等操作中。例如,不激活的單元在結點結果平均(PLNSOL命令或Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu)時將“污染”結果。整個不激活單元的輸出應當被忽略,因為很多項帶來的效果都很小。建議在單元顯示和其他后處理操作前用選擇功能將不激活的單元選出選擇集。
4
使用ANSYS結果控制單元生死
在許多時候,用戶并不清楚的知道殺死和重新激活單元的確切位置。例如,用戶要在熱分析中“殺死”熔融的單元(在模型中移去溶化的材料),事先不會知道這些單元的位置;用戶必須根據(jù)ANSYS計算出的溫度確定這些單元。當決定殺死或重新激活單元依靠ANSYS計算結果時(如溫度,應力,應變等),用戶可以使用命令識別并選擇關鍵單元。
用下列方法識別關鍵單元:
Command: ETABLE
GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table
用下列方法選擇關鍵單元:
Command:ESEL
GUI: Utility Menu>Select>Entities
然后用戶可以殺死或重新激活選擇的單元。(也可以用ANSYS APDL語言編寫宏以完成這些操作。)
用下列方法殺死選擇的單元:
Command:EKILL,ALL
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements
用下列方法重新激活選擇的單元:
Command:EALIVE,ALL
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem
下面的例子是殺死總應變超過許用值的單元:
/SOLU !進入求解器
...
... !標準的求解過程
SOLVE
FINISH
!
/POST1 !進入POST1
SET,...
ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV !將總應變存入ETABLE
ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 !選擇所有總應變大于或等于0.20的單元
FINISH
!
/SOLU !重新進入求解器
ANTYPE,,REST
EKILL,ALL !殺死選擇(超過允許值)的單元
ESEL,ALL !讀入所有單元
...
... !繼續(xù)求解
請參閱ETABLE,ESEL,ANTYPE和EKILL命令得到更詳細的解釋。
5
進一步的說明
不活動的自由度上不能施加約束方程[CE,CEINTF等]。(不活動的自由度當結點不與活動的單元相連時出現(xiàn))。
可以通過先殺死然后重新激活單元的方法做應力松弛(如退火)操作。
在非線性分析中,注意不要因為殺死或重新激活單元引起奇異性(如結構分析中的尖角)或剛度突變。這將使得收斂困難。
在有單元生死的分析中打開FULL牛頓-拉夫森方法的適應下降選項將得到好的結果。用下列方法:
Command: NROPT,FULL,,ON
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
可以通過一個參數(shù)值來指示單元生死狀態(tài)[*GET,Par,ELEM,n,ATTR,LIVE]
(Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data)。該參數(shù)可以用于APDL邏輯分支(*IF等),或其他要控制單元生死的應用場合中。
用戶可能想通過改變材料特性來殺死或重新激活單元[MPCHG](Main Menu>Preprocessor>Material Props>Change Mat Num)。但是,在這個過程中要特別小心。軟件保護系統(tǒng)和限制使得“殺死”的單元在求解器中改變材料特性時將不生效。(單元集中載荷不能自動刪除;應變,質量,比熱等也不能刪除。)不當?shù)氖褂肕PCHG命令將帶來許多問題。例如,如果將單元的剛度縮減到近于0,而保留其質量,在有加速度和慣性載荷的問題中將產(chǎn)生奇異性。
一個MPCHG的應用是在建立模型時涉及“出生”單元的應變歷程的情況下。使用MPCHG可以得到單元在變形的結點構造中的初始應變。
在單元生死中不能用多載荷步求解[LSWRITE],因為不激活或重新激活的單元狀態(tài)將不寫入載荷步文件中。有多個載荷步的生死單元分析應該用一系列的SOLVE命令(Main Menu>Solution>Current LS)來做。
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單元生死應用實例(命令行格式)
問題描述
等截面桿兩端固定,承受均勻的溫度載荷時將其中間1/3段移去。過程是將其應變自由化并移去均勻溫度。分析其熱應力和應變情況。材料特性和幾何模型參數(shù)見下圖。
/PREP7
/TITLE, ELEMENT BIRTH/DEATH IN A FIXED BAR WITH THERMAL LOADING
ET,1,LINK1 !二維桿單元
MP,EX,1,30E6 !材料特性
MP,ALPX,1,.00005
MP,EX,2,30E6
MP,ALPX,2,.00005 !重新‘出生’單元的特性
MP,REFT,2,100 !單元出生的參考溫度
R,1,1.0
N,1
N,4,10
FILL
E,1,2
EGEN,3,1,-1 !生成三個單元
FINISH
/SOLU
ANTYPE,STATIC
D,1,ALL,,,4,3 !固定桿的兩端
TREF,0 !參考溫度0度
TUNIF,100 !均勻溫度載荷
NROPT,FULL
OUTPR,BASIC,ALL
SOLVE
EKILL,2 !‘殺死’中間的單元
SOLVE
EALIVE,2 !重新激活中間單元
MPCHG,2,2 !將材料特性改為2以生成自由應變單元
SOLVE
TUNIF,0 !刪除溫度載荷
SOLVE
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