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interpolate(一线工程师总结Ansys Workbench实例之——梁单元静力学分析(上))

时间:2022-11-25 12:16:01作者:大神

Ansys Workbench工程实例之——梁单元静力学分析

本文可能是您能在网络上搜索到的关于Ansys Workbench梁单元介绍最详细全面的文章之一。

梁单元常用于简化长宽比超过10的梁与杆模型,比如建筑桁架、桥梁、螺栓、杠杆等。Workbench中的梁单元有Beam188(默认)与Beam189两种,Beam188无中节点,Beam189有中节点。在全局网格设置下,梁单元的中节点设置Element MIdside Nodes默认为dropped(无中节点),即默认使用Beam188单元,如果改为kept(有中节点),则将改变为Beam189单元。

类型

单元形状

中节点

自由度

形函数

Beam188

3D梁

6

线性

Beam189

3D梁

6

二次

interpolate(一线工程师总结Ansys Workbench实例之——梁单元静力学分析(上))

1 梁单元分析概要

1.1 建模与模型导入

线框模型可在DM中创建,也可导入stp/igs等模型。以下分别介绍通过DM创建与通过CAD软件创建导入过程。

1.1.1 梁线体的创建

方法1,简单的线体模型可以在DM中创建,一般在XY平面绘制草图或点,再通过Concept——Lines From Sketches、Lines From Points或3D Curve等创建。

区别在于Lines From Sketches是提取草图所有的线条,如果线条是相连接的,提取的结果为一个线几何体。

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Lines From Points或3D Curve用于将草图的点(可以是草图线条的端点)连接成为线体,结合Add Frozen选项,可以创建多个线几何体。

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多个线条可以通过From New Part功能组合为一个几何体,组合后两条线共节点,相当于焊接在一起。

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方法2,通过CAD软件创建后导入。

如果读者使用的是creo建模,可在草图中创建点,退出草图后选择基准——曲线——通过点的曲线。

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输出时需要注意,可另存为stp或igs格式,在输出对话框中必须勾选基准曲线和点选项。

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如果读者使用Solidworks建模,可直接在草图中创建线段,退出草图后另存stp或igs,此时需要在另存选项中勾选“线框”和“输出草图实体”。

然后通过Workbench的分析项目导入,右击Geometry——Import Geometry——Browse...导入模型。项目属性中的Geometry属性中必须勾选Line Bodies选项。

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另外,复杂的框架模型可导入实体模型,然后通过SC实现快速抽梁线与合并顶点等操作,这将在实例6中详解。

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1.1.2 梁截面的定义

在DM软件中,点击Concept——Cross Section选择预定义的截面形状,并修改尺寸。绿色箭头为截面主方向。

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赋予截面:选择特征树中的线体,即可为线段赋予截面。

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显示梁形状与方向:勾选View——Cross Section Solids可显示杆梁图形,勾选View——Cross Section Solids可显示梁线体截面方向,绿色箭头为主方向。

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若要更改截面方向,可选中线体(选择前先选中工具栏线过滤器),在属性中修改。

当Alignment Mode选择Selection时,可在Cross Section Alignment 中选择线体主方向即绿色箭头要对齐的对象。当Alignment Mode选择Vector 时,可在Alignment X/Y/Z后设置数字,数字0表示不对齐此方向,数字1表示对齐此方向。Rotate表示绕蓝色箭头旋转的方向,Reverse Orientation表示蓝色箭头反向。

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1.2 线体之间的连接关系

1.2.1 设置铰接

在DM中,如果多段线组成一个线体,或者多个独立的线体通过From Nem Part组合,那么它们的连接处相当于焊接在一起(刚性连接)。实际工况中,梁体之间有可能是铰接关系,如何处理呢?

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(1)对于刚性连接,需要通过End Release释放线体的末端自由度。

在Mechanical中,添加接触组Connections,在接触组中添加末端释放End Release,在属性中分别选择顶点和线段,再设置释放哪个方向的自由度(梁单元有6个自由度)。

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(2)如果是多个未组合的独立线体,在Mechanical中,可通过添加Joint节点添加关系,就算各个线体的端点相互分离,也可通过Joint添加连接。

选择特征树Connections,在工具栏选择Body-Body——Revolute(转动),在属性中分别选择两条线段的端点,便创建了铰接点。如果两个端点重合不好选择,可以拖动工具栏Explode Group将模型爆炸开。

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1.2.2 连接误区

由于默认情况下梁只在两端有节点,中间无节点,所以不同线体之间通过T形或十字的连接将在计算中出错。

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如下图H梁由三条线体通过From New Part组合而成。通过DM软件中View——Display Vertices或Mechanical工具栏的Show Vertices可看到线体的节点,此时隐藏横梁,可以看到两端的竖梁在中间连接处未创建节点。

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固定下端两点,在横梁上施加图示的力。

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若零件是通过DM的From New Part组合的多线体零件,在计算中将报错且不能计算出结果。

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若是在Mechanical中,通过Joint的Body-Body——Fixed创建横梁端点与竖梁的刚性连接,计算出得结果也是不正确的。

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解决方法如下:

若是几个梁是截面相同的材料,可以创建为一个线体。

若几个梁截面不同,则不能创建为一个线体,必须创建为多个线体,再赋予不同的截面。

T形连接处可通过DM中的Tools——Connect建立连接节点。在connect属性中,Edges中选择要连接的线体,连接公差Tolerance默认设置0.1mm,Location(位置)与T-Junction(T形相交)均设置为Interpolate(插值),表示若有间隙,则两者向中间插值移动,Merge Bodies(合并几何体)设置为No(若设置为YES,则将合并为一个线体)。经过创建连接节点处理后,还需要对几条线体进行From New Part组合(或者在Mechanical中通Body-Body——Fixed创建Joint连接)。

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此时再次查看节点如下图,可见在竖梁连接处出现了新节点

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以上方法仅仅对T形连接管用,对十字连接无法处理,十字连接的梁可通过DM中Concept——Split Edges分割线体,但是Split Edges不能使用一条线体分割另一条线体,而只能通过输入参数分割,这带来了很大的不便。

以下介绍SpaceClaim中如何快速处理梁的T形连接与十字连接。

在Workbench主界面,右击项目中的Geometry——Edit Geometry in SpaceClaim...

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在SpaceClaim中,选中顶部文件夹,设置属性中共享拓扑:共享(也可设置为合并),便创建了耦合点。当设置为组时,效果与DM中的From New Part相同。

通过SpaceClaim共享拓扑功能,既能处理T形连接又能处理十字连接。

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在Mechanical通过工具栏的Show Vertices可看到线体的节点如下图。

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1.3 边界条件

线体有6个自由度,即沿XYZ的移动与转动。下表为常用约束所限制的自由度数量。

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注意,简单约束Simply Supported 固定旋转Fixed Rotation=固定约束Fixed Support。

很多时候,分析梁单元是在2维工况下,所以需要限制梁的另外两个方向的转动。比如下图,三条梁通过端点Body-Body——Revolute创建的Joint铰接,除了A处竖直梁的固定约束与B处端点的受力外,还需要限制水平梁和斜梁在X和Z方向的转动自由度。

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1.4 结果后处理

1.4.1 Beam Tool

默认情况下,梁的应力结果不能通过Stress工具添加,而是需要通过Tool——Beam Tool添加,可添加的结果有:

Direct Stress:直接应力,即轴向拉伸或压缩应力。 Minimum Bending Stress:最小弯曲应力,与最大弯曲应力相反(绝对值相同,正负相反)。

Maximum Bending Stress:最大弯曲应力。 Minimum Combined Stres:最小组合应力≈最小弯曲应力 直接应力。 Maximum Combined Stress:最大组合应力≈最大弯曲应力 直接应力。

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需要说明的是,Beam Tool不能添加切应力(扭转切应力或弯曲切应力)结果,因为梁弯曲中,切应力比弯曲应力小得多,所以对梁的评价后处理中常常忽略,而使用组合应力作为评价对象。

但是在扭转杆梁中,主要应力是扭转切应力,便无法通过Beam Tool添加,处理方法将在1.4.3中详解。

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如果在DM中创建的截面不是软件预定义的,而是通过用户自定义的(DM中Concept——Cross Section——User Defined),结果后处理中便没有Beam Tool选项,此时需要通过Mechanical的工具栏中的Worksheet工具添加,梁的各应力结果在表中如下。右击需要添加的选项——Create User Defined Result便创建了相应结果。

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1.4.2 Beam Results

在Beam Results工具中,可添加轴向力、弯矩、扭矩、剪力、剪力与弯矩图等。其中剪力与弯矩图是建立在路径上的。相关功能将在实例中详解。

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1.4.3 Stress

默认情况下,梁的应力结果不能通过Stress工具添加。若要通过Stress工具添加等效应力、切应力等结果,用户只需要设置截面结果选项,设置方法如下:

选中特征树中的Solution,在属性窗口找到Pose Processiong项目下的Beam Section Results,参数修改为Yes即可。Stress各项含义请参考《Ansys Workbench之Mechanical——结果后处理》一文。

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1.5 用梁单元模拟螺栓连接

螺栓连接不用建模,而使用梁连接代替,梁单元截面半径即为螺杆的半径。在Mechanical的边界条件中可以对梁连接添加螺栓预紧力Bolt Pretension。具体操作将在下文实例5中详解。

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添加预紧力如下图。

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在Ansys18之前的版本,不能对梁连接施加螺栓预紧力。用户可在DM中建立线体,截面选择圆形,半径为螺栓半径。然后在Mechanical中通过joint建立梁线上下端点与连接面或边的Fixed刚性连接。边界条件中对梁线添加螺栓预紧力Bolt Pretension。本文不做详解,读者若感兴趣可自行操作。

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2 实例详解

未完待续

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