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2017-06-03 by:CAE仿真在线 来源:互联网
2015年1月,ANSYS公司发布了ANSYS 16.0版,一并发布了全新的极富创新性的沉浸式仿真环境ANSYS AIM 16。其人性化的界面操作和清晰的逻辑关系,极大的降低了学习门槛,十分有利于设计师(CADer)进行多物理场仿真分析。
ANSYS软件的平台体系,被区分为经典环境(Classic)、Workbench新一代协同仿真环境、沉浸式多物理场仿真环境AIM三驾马车。其分别定位三种目标人群,即科学家(Scientist)、工程师(Engineer)、设计师(Designer)的仿真需求。
2017年3月ANSYS公司发布ANSYS 18.0,并首次推出带有中文界面的新一代沉浸式多物理场仿真环境ANSYS AIM 18。
本文以一个近似圆台状的,大直径薄壁承受外压力荷载的桶体模型为例,执行静力学分析以抢鲜试用ANSYS AIM。
ANSYS AIM 18 中文版抢先试用
本文使用ANSYS AIM执行一个简单的静力学分析,以演示AIM的基础操作流程。
1、打开软件并导入模型
打开ANSYS AIM 18,如图-1所示。
图-1 打开ANSYS AIM 18
打开后的操作界面如图-2所示。可以看出其相对ANSYS的经典环境与Workbench环境,看起来更简约时尚。其默认语言认为英文版,在设置中将其修改为中文版。
图-2 ANSYS AIM界面
ANSYS AIM的界面布局与大部分有限元软件不同,更为简洁直接。其左侧为分析模板,右侧为帮助文件,下侧为本次分析所用模块与求解信息窗口。
从ANSYS AIM 18开始,软件语言可以设置为简体中文。单击左上角设置→Tools→Options。如图-3所示。
图-3 进入设置
在左边Regional & Language Options→向右调整为Chinese→单击OK。如图-4所示。
图-4 调整语言
调整语言后需要重启ANSYS,单击OK。如图-5所示。
图-5 重启ANSYS AIM
重新打开后,软件界面就变成了简体中文版。如图-6所示。
图-6 中文版设置完毕
图-7 创建仿真流程
开始执行静力学分析。双击仿真流程模板中的结构。如图-6所示。程序会自动创建所需的模块。
本文使用现有的几何模型导入ANSYS AIM。在图-7的结构模板的模型中,选默认的导入现有几何模型,当然也可以使用ANSYS 刚刚收购的SCDM模块创建→计算类型为默认的静态→向下单击创建仿真流程。
找到名为11的几何模型→单击打开。如图-8所示。
图-8 打开模型
由于本文所需为等厚度薄壁模型,比较适合使用壳(SHELL)单元进行分析,故该模型提前使用SCDM模块的中间面功能,对实体模型抽中面,在Workbench和AIM中将自动采用壳单元进行分析。
随后ANSYS AIM会自动将本次分析所需模块依次创建出来。其开启需要几分钟时间。如图-9所示。
图-9 模块创建中
从工作流程中可以很清晰的看出本次分析的逻辑顺序,即几何建模→网格划分→物理场设置→结果提取。工作流程和当前操作在整体分析中的位置进度一目了然,十分方便。
几何模型导入后,创建出的仿真流程如图-10所示。
图-10 仿真流程
图-10中左下角为整体坐标系,其与ANSYS经典的坐标系位置类似。而在Workbench中则在右下角显示。操作界面的下方和右侧为标尺,随着鼠标的移动可以动态显示当前坐标位置。相对于ANSYS经典和Workbench其更加方便和智能化。
2、划分网格
AIM下方的工作流程中为已经创建完成的模块。右上角为模型选取、视角控制和显示效果有关的按钮。在左上角仿真流程中,几何模型部分前方显示为绿色对号图标,说明已经准备好。网格前方为黄色闪电图标,说明需要进一步设置以创建网格再可进行下步操作。
双击网格,以进入设置。如图-10所示。
ANSYS AIM中有着大量的自动化操作设置,用户可以调整的不多,即所谓封装严密。但是也因为这样才使得其可以将大量复杂高难度的设置让软件自动完成,以帮助用户快速完成简单分析,验证产品性能。而在AIM内部,则使用ANSYS自己的相关求解器完成相关计算,从精度上来说与其他的ANSYS产品不存在差别。
在网格设置中,将网格精度从中间位置拖拽到右侧的高,其他部分使用默认设置→单击生成网格。如图-11所示。
图-11 网格设置
选用较高的网格精度会消耗大量的计算机内存和CPU处理时间。可以查看右下角网格划分进度条,以判断程序运行状态。如图-12所示。
图-12 网格划分
生成的网格如图-13所示。其整体上形状比较规整,分布规律也比较均匀。除了少量位置,如圆形顶部附近,大部分位置网格质量较好。
图-13 生成的网格
回到网格菜单栏。在输出项目的统计项目中,可以查看节点数量和单元数量。其是衡量计算规模的重要窗口。由于采用壳单元建立有限元模型,该单元的每个节点有3个方向平移3个方向旋转的正交方向自由度,则本次分析的计算规模为(3+3)x14173=85038个自由度。属于较小的计算规模。
一般而言,每百万自由度计算消耗10G内存容量,则本次分析所需内存约为1G。考虑到操作系统和ANSYS软件本身的内存需求,本次分析可在6G以上内存的电脑上较为流畅的运行。
网格划分部分至此完毕,向上单击仿真流程1按钮,回到上一级操作流程。如图-14所示。
图-14 网格数量统计
3、设置约束与荷载
回到仿真流程1,在任务中单击物理场按钮,以进行荷载、边界条件、求解设置等方面的设置。如图-15所示。
图-15 物理场设置
在物理定义中,物理区域就是分析的几何模型空间,已经自动设置。材料部分可以选用默认的结构钢(这与Workbench的默认设置异曲同工,而在经典环境下需要单独设置材料属性),也可以更换或自定义。
材料分配按钮,进入设置。如图-16所示。
图-16 材料分配
进入材料分配菜单栏。单击材料下拉菜单。如图-17所示。
图-17 选取材料
如果分析内容与默认材料库的不一致,可新建一个材料。单击下拉菜单中的新建按钮。如图-18所示。
图-18 新增材料
在材料属性设置中,默认状态可选固体、液体和气体。单击固体,向下在固体属性中单击添加按钮,可以设置如图所示的材料属性。用户可根据具体分析需要进行其中的一项或者几项材料属性的设置。如图-19所示。
图-19 设置材料属性
由于ANSYS AIM 18暂时不支持非线性分析,其材料属性也只能计算线性部分。对于一个一般的结构有限元分析,最低需要各向同性的弹性模量,以模拟变形后的应力值;还需要波松比参数,以表达体积变化规律。
如需删除新建材料可以单击左上角的状的删除图标。如图-20所示。
图-20 删除材料
材料设置完成后,单击物理场按钮,返回到物理场定义菜单。
下面设置边界条件。单击结构条件后方下拉菜单→单击支撑按钮。如图-21所示。
图-21 设置支撑条件
本文在模型底部设置固定支撑。由于模型经过抽取中间面,几何模型已经为曲面。设置支撑条件时,应将模型的选择模式从默认的表面。
修改为边→单击模型底部边线→回到支撑菜单栏单击位置后方的蓝色十字图标以添加。如图-22所示。
图-22 设置支撑条件
支撑类型为默认的定值,即各个方向自由度(对于面体模型为正交的3个方向平移和3个方向转动自由度)不运动。
添加支撑条件后,在模型上会以三色图形显示自由度限制的方向。回到类型处,单击下拉菜单,可以知道其可以设置为定值、无摩擦或者用户指定三种。如图-23所示。
图-23 支撑类型
下面在模型表面设置向内的压力荷载。单击支撑菜单中的下一步→添加→结构条件→压力。如图-24所示。
图-24 添加压力荷载
单击上方面选择→按住键盘上Ctrl键并分别单击希望设置压力荷载的表面。如图-25所示。
图-25 设置施加位置
选中所需表面后单击压力菜单栏中位置后方的蓝色十字图标→向下在压力菜单中输入压力的数值,单位默认为Pa。如图-26所示。
图-26 设置压力
在压力菜单下方输入一个压力值后,如本文的100000pa。此时ANSYS AIM会自动生成一个单位换算的下拉菜单,帮助用户转换成其他单位制的压力值。设置完成后向上单击物理场,回到上一级流程。如图-27所示。
图-27 返回上一级
至此,我们完成了模块的选择和搭建、外部模型的导入、网格划分、材料设置、压力荷载的设置、模型底部约束的设置工作。其他采用程序默认控制,至此一个基本的线性静力学分析可以进入求解阶段了。
单击物理场中蓝色闪电图标,求解物理场,开始求解这个超过8万个方程组规模的问题。如图-28所示。
图-28 求解物理场
受到计算机内存容量、内存速度、CPU计算能力、硬盘读写速度、硬盘容量等硬件条件的不同,本问题的求解可能需要几分钟的时间。
求解完成后,物理场对话框中从刚刚黄色未更新字样变为绿色已更新字样。单击上方仿真流程1回到上一级目录,以查看计算结果。如图-29所示。如变形和等效应力等。
图-29 返回上一级
返回后单击任务中结果按钮。如图-30所示。
图-30 查看计算结果
为了方便查看变形结果在结果对话框中图形控制中,将变形缩放调整为实际值,否则程序会自动放大变形比例,以至于容易使得初学者误会→单击添加按钮→选择所需的计算结果,如位移大小→向上单击蓝色闪电图标,以刷新该设置。如图-31所示。
图-31 提取结果
5、查看结果
图-32为位移结果的云图显示。不同颜色对应了不同的位移结果数值,其具体值应查看右侧的位移大小图例。如图-32所示。
图-32 位移结果
在左侧的位移大小2菜单栏的外观的着色中,默认为平滑,即将相邻位移结果等值线附近进行平滑处理,以生成更漂亮的结果云图,但是这样会在一定程度上丧失计算精度。在概要中列举了最大值和最小值的具体数值和平均值。
由于图-32中右边位移大小图例上看不到最大位移的具体数值,不利于展示,可在外观的着色中修为带状,即显示等值线结果。如图-33所示。
图-33 平滑结果
由于模型斜面位置的网格划分时,网格分布规律并不均匀平滑,也使得该处等值线为曲线,而实际情况应该是均匀的圆形等值线。在后续分析中对网格进行了一定的优化,划分后的网格为均匀过渡,使得计算结果的等值线为更加符合实际的圆形。
将图-32和图-33的颜色分布状况对比一下,可以看出明显的区别。
用同样方法提取等效应力结果,其常用于一般的塑性材料,如一般的金属类的应力评定。最大等效应力为5.3565x107 Pa,为53.565Mpa。对于一般结构钢金属材料来说,这个应力值比较安全。如图-34所示。
图-34 等效应力结果
图中顶部中间位置的黑色三角形图标为动画控制的开始图标,其右侧方形图标为动画停止图标。
由图-34可知,应力结果的等值线也是折线状,不是圆形。
保存项目文件。在图-34左上角单击保存项目按钮,弹出图-35的对话框。
图-35 保存项目
项目命名后单击保存按钮。随着计算量和计算内容的不同,项目文件可能从数十M到数十G之间。计算前应留有足够的硬盘空闲空间。
至此 ANSYS史上第一款准中文计算平台AIM 18的静力学分析案例介绍完毕。
转自微信公众号: 好学ANSYS 作者:刘笑天
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