第12章3D实体的有限元分析.docx
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第12章3D实体的有限元分析
第12章3D实体的有限元分析
第1节基本知识
一、3D实体建模方法
在实际问题中,任何一个物体严格地说都是空间物体,它承受的载荷一般都是空间的,
任何简化都会带来误差,因此,在分析问题是应尽量对受力体建立三维模型,然后进行分析。
三维实体的建模方法主要有两种,一种是直接在ANSYS中建立三维图形,另一种是在其它
三维CAD软件中建立模型后到入ANSYS中。
第一种方法的特点是直接并且没有建模信息的丢失,但如果需要建立的模型比较复杂,特别是有比较复杂的曲面就必须采用第二中办法
了。
二、3D实体的常用单元
常用的3D实体单元类型和用途见表12-1o
表12-13D实体常用结构实体单元列表
板单元名称
说明
Solid45
三维结构实体单元。
单元由8个节点定义,具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应
变功能,其高阶单元是Solid95
Solid64
用于模拟三维各向异性的实体结构。
单元由8个节点定义,本单元具有大变形、大应变功能
Solid65
用于模拟三维有钢筋或无钢筋的混凝土模型。
该单元能够计算拉裂和压碎
Solid92
具有二次位移特性,非常适合模拟不规则模型。
如各种CAD系统产生的网格模型
Solid95
Solid45、Slid185单元
Solid147
砖形p-单元,最多支持阶数为8的多项式
Solid148
四面体p-单元,最多支持阶数为8的多项式
Solid1185
用于建立三维实体结构模型。
单元有8个节点定义,其高阶单元是Solid95
Solid186
用于建立三维实体结构模型。
单元有20点定义的结构实体单元
Solid187
高阶三维10节点实体单元。
适用于产生不规则网格网格模型,Solid92是它的类似单元
通过对三维实体物体进行有限元分析,可得到其在各个方向的位移、各个方向的应力并
可得到应力、位移动画等结果。
第2节3D实体的有限元分析实例
一、案例一一车刀的静力分析
图12-1车刀的示意图
如图12-1所示,为一车刀的示意图。
A1面受1000N/m2的压力作用,该面的高度为0.005m,如面A19、A26、A18固定,试计算其发生的变形、产生的应力。
车刀的图形存放在光
盘中'importansysfile文件夹下,文件名为cutter.igs,在建模时的单位为cm。
条件
弹性模量为2.0X1011N/m2,泊松比为0.3。
解题过程
制定分析方案。
分析类型为线弹性材料,结构静力分析,3D实体静力分析问题,选用
十节点四面体结构实体单元Tet10Node92单元Solid92,不需要设置实常数;边界条件为面
A19、A26、A18固定,A1面受1000N/m的压力作用。
1.ANSYS分析开始准备工作
(1)清空数据库并开始一个新的分析选取Utility>Menu>File>Clear&StartNew,弹出ClearsdatabaseandStartNew对话框,单击OK按钮,弹出Verify对话框,单击OK按钮完成清空数据库。
(2)指定新的工作文件名指定工作文件名。
选取Utility>Menu>File>ChangeJobname,
弹出ChangeJobname对话框,在EnterNewJobname项输入工作文件名,本例中输入的工作
文件名为“Cutter”,单击OK按钮完成工作文件名的定义。
(3)指定新的标题指定分析标题。
选取Utility>Menu>File>ChangeTitle,弹出Change
Title对话框,在EnterNewTitle项输入标题名,本例中输入“3Dproblem”为标题名,然后
单击OK按钮完成分析标题的定义。
(4)重新刷新图形窗口选取Utility>Menu>Plot>Replot,定义的信息显示在图形窗口中。
(5)定义结构分析运行主菜单MainMenu>Preferences,出现偏好设置对话框,赋值
分析模块为Structure结构分析,单击0K按钮完成分析类型的定义。
2.把图形倒入ANSYS中
(1)选择Nodefeaturing,输入cutter.igs文件选取UtilityMenu>File>lmport>IGES…,弹出InputIGESFile对话框,单击OK按钮,弹出ImportIGESFile对话框,如图12-2所示。
在光盘的
importansysfile文件夹中选择文件cutter.igs,单击OK按钮调入车刀模型。
GTOLKLRT-olsranceif-orjbm屛口y;
IIGESIKJULTK1.5)Filstoiuport
Ifscdefault*
Canab1
图12-2输入3D模型
(2)改变模型的单位由于cutter.igs文件图形是以厘米为单位建立模型,为了计算方
便,在ANSYS中统一采用国际单位,长度单位采用米。
运行MainMenu>Preprocessor>
modeling>Operate>Scale>Volumes,弹出拾取菜单,按PickAll,弹出ScaleVolumes对话框如图12-3所示,对RX、RY和RZ分别输入1/100,设置IMOVE为Moved,然后按OK。
选取Utility>Menu>Plot>Replot,在按钮菜单中按FitView按钮重新显示变换单位后的图形。
图12-3改变模型单位
3•定义单元
运行主菜单MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令,弹出ElementTypes对话框,单击Add按钮新建单元类型,弹出LibraryofElementTypes对话框,先选择
单元大类为Solid,接着选择Tet10node92(Solid92),单击OK按钮,完成单元类型选择,单击Close按钮完成设置,如图12-4所示。
图12-4定义单元类型
4.定义材料属性
运行主菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令,系统显示材
料属性设置对话框,在材料属性对话框中依次选择Structure>Linear、Elastic、Isotropic,如
图12-5所示。
完成选择后,弹出材料属性输入对话框,分别输入弹性模量2e11,泊松比0.3,如图12-6
所示,单击0K按钮完成材料属性输入并返回图12-5。
完成材料属性设置后,单击对话框右上方“X”按钮离开材料属性设置。
图12-5进入材料属性设置
图12-6定义材料属性
5.建立受力平面
(1)创建工作平面运行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumbering
Controls选择对话框,显示关键点编号,设置如图12-7所示,单击OK按钮完成设置。
运行菜单UtilityMenu>WorkPlane>AlignWPWith>Keypoints+,弹出拾取菜单,依次选
择关键点14,12,16定义工作平面,单击OK按钮完成设置,如图12-8所示。
(2)移动工作平面为了施加压力,需要在实体上建立一个面,建立面的方法为用定义的工作平面去分割面,从而产生一个新的面。
运行主菜单运行菜单UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPIncrement,在弹出OffsetWP对话框,在X,Y,ZOffsets输入框中分别输入0,0,-0.005,图12-9所示,单击OK按钮完成设置。
输入的0,0,-0.005的意义分别为,工作平面在X、Y方向的偏移量为0,在Z轴方向
向下移动0.005米。
图12-显示关键点
TOLUtES1
TfPEHUH
WZ
14wy
AN
MAY15200623:
21:
25
图12-8定义工作平面
BorkPlaricParamctcTEMe
DisplaySorkinsPlaneIShowSPSlatLis
OffweL卿Inurt;・tiuL OffsetWPto■ AligciIPidth ChsiigeActiveCStQkd-isuL^eDigpikijCSto■Loca]CoordinateSystte (3)产生受力平面运行MainMenu>Preprocessor〉Modeling>Operate>Booleans> Divide>AreabyWrkPlane,弹出拾取框,选择受力面所在的面或输入面号22,单击OK按钮 完成面的生成。 执行UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkPlane关闭工作平面显示。 执行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumberingControls选择对话框, AREA项设为On,其余均设为Off,单击OK按钮完成设置,生成受力平面A1如图12-10 所示。 IN„ANI] APIJSi^MAY14前帕 3Dprebl*■ 图12-10生成受力平面A1 6.划分网格 运行主菜单MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool(网格划分工具)命令,出现MeshTool菜单,选择SmartSize(智能分网),选择等级为4,Mesh项选择Volume,Shape项选择Tet、Free。 单击“Mesh”按钮划分网格,在出现的MeshLines对话框中单击PickAll 按钮,系统将自动完成网格划分。 划分网格结果如图12-11所示。 图12-11划分网格结果 7.施加约束和载荷 (1)施加约束执行菜单UtilityMenu>Plot>Areas显示模型为面。 运行主菜单Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>0nAreas,出现拾取菜单,依 次选择面A18、A19和A26,单击OK按钮出现约束定义对话框,如图12-12所示,选择All DOF约束所有自由度,其它项默认,再单击OK按钮,完成约束定义。 (2)施加载荷运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural> Pressure>OnAreas命令,出现拾取菜单,拾取A1面(或在输入框输入1),单击OK按钮出现载荷定义对话框,如图12-13所示,载荷类型为压力,数值为1000N/m2,再单击OK按钮完成载荷的施加。 图12-12施加约束 [SFA]App1? PRBSoelareasa CbnstnntvaJue▼ [fCo>n^tnntvnlii'ftthnnlVALUTELoadPRBSvalue JOOOl LKEfLoadkey.日丄]face 1 (re口-on1jforshe11elrarntf; ) (—OK■AppIj*|Cajnce11 Hell pj 图12-13施加载荷 &求解 运行主菜单MainMenu>Solution>CurrentLS命令,出现SolveCurrentLoadStep对话框,单击/STATCommand窗口菜单/STATCommand>File>Close关闭/STATCommand窗口,然后单击SolveCurrentLoadStep菜单中OK按钮确定,计算机开始进行求解,求解完成后出现 “Solutionisdone”提示表示求解完成,单击Close按钮完成求解。 选择菜单路径MainMenu>Finish退出求解器。 9•查看分析结果 (1)显示节点(单元)位移云图运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults〉ContourPlot>NodalSolu(orElementSolu)命令,选择DOFSolution>DisplacementVectorsum合位移,单击OK按钮,节点位移云图如图12-14所示。 (2)显示合应力云图运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Contour Plot>NodalSolu(orElementSolu)命令,选择Stress>VonMisesstress合应力,单击OK按钮,节点应力云图如图12-15所示。 NODALSQLVTIOH ETEPalSUB■]< AN 162006 0 MX .539-E-09-.10SE-08 .13SE-03 .162E-0B .216E-0B 3Dproblea 图12-14显示变形图 ETODALSGLVTIOH ETEP-1 TLMEhL SEQV也呻 SHH-3.06^ 5HK■鴻苛 3.066595.017L1S7 1779 AN MAY162006 00: 17: 12 2371 2015农訂 3Dpr-obleoi 第3节本章小结 1.三维实体倒入ANSYS的单位统一问题 三维实体模型倒如ANSYS后一定要明确其绘图单位,进入ANSYS要用统一的单位,执行MainMenu>Preprocessor>modeling>Operate>Scale>Volumes命令完成,建议采用国际单位。 2.受力面的生成问题 在进行3D实体的有限元分析时,经常遇到受力部位没有明确边界的现象,可以利用定义、移动工作平面巧妙地生成面或体。
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- 关 键 词:
- 12 实体 有限元分析