ANSYS介绍及对计算的意义

2017-07-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

1.引言

ANSYS是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元软件,广泛应用于水利、铁路、汽车、造船、流体分析等工业领域,可在微机或工作站上运行,能够进行应力分析、热分析、流场分析、电磁场分析等多物理场分析及耦合分析,并且具有强大的前后处理功能。ANSYS的流场分析求解模块FLOTRAN基于能量守恒、质量守恒和动量守恒,能求解流场速度、压力、温度分布等参数。利用ANSYS软件对干气密封面结构处的流场进行仿真分析,能够为干气密封面结构的合理设计提供理论依据。

ANSYS公司成立于1970年,总部设在美国的宾夕法尼亚洲,目前是世界CAE行业中最大的公司。其创始人John Swanson博士为匹兹堡大学力学教授、有限元界权威。在30多年的发展过程中,ANSYS不断改进提高,功能不断增强,本文分析使用的是ANSYS 8.0。

2. ANSYS简介

1970年成立的美国ANSYS公司是世界CAE行业最著名的公司之一,长期以来一直致力于设计分析软件的开发、研制,其先进的技术及高质量的产品赢得了业界的广泛认可。在我国,ANSYS用户也越来越多,三峡工程、二滩电站、黄河下游特大型公路斜拉桥、国家大剧院、浦东国际机场、上海科技城太空城、深圳南湖路花园大厦等在结构设计时都采用了ANSYS作为分析工具。ANSYS的界面非常友好,有些类似于AUTOCAD,其使用方法也和AUTOCAD有相似的地方:GUI方式和命令流方式。GUI(Graphical User Interface)方式即通过点击菜单项,在弹出的对话框中输人参数并进行相应设置从而进行问题的分析和求解:命令流方式是指在ANSYS的命令流输入窗口输入求解所需的命令,通过执行这些命令来实现问题的解答。GUI方式较容易掌握,但是在熟悉了ANSYS的命令之后,使用命令流方式要比GUI方式效率高出许多。

目前,ANSYS软件已形成完善、成熟的三大核心体系:以结构、热力学为核心的MCAE体系,以计算流体动力学为核心的CFD体系,以计算电磁学为核心的CEM体系。这三大体系不仅提供MCAE/CFD/CEM领域的单场分析技术,各单场分析技术之间还可以形成多物理场耦合分析机制。

2.1 ANSYS软件的主要功能

ANSYS是一个大型通用的商业有限元软件,功能完备的前后处理器使ANSYS易学易用,强大的图形处理能力及得心应手的实用工具使得用户在处理问题时得心应手,奇特的多平台解决方案使用户能够做到物尽其用,多种平台支持(NT、LINUX、UNIX)和异种异构网络浮动,各种硬件平台数据库兼容,功能一致,界面统一。

2.1.1 前处理功能

ANSYS具有强大的实体建模技术。与现在流行的大多数CAD软件类似。通过自顶向下或自底向上两种方式,以及布尔运算、坐标变换、曲线构造、蒙皮技术、拖拉、旋转、拷贝、镜射、倒角等多种手段,可以建立起真实地反映工程结构的复杂几何模型。

ANSYS提供两种基本网格划分技术:智能网格和映射网格,分别适合于ANSYS初学者和高级使用者。智能网格、自适应、局部细分、层网格、网格随移、金字塔单元(六面体与四面体单元的过渡单元)等多种网格划分工具,帮助用户完成精确的有限元模型。

另外,ANSYS还提供了与CAD软件专用的数据接口,能实现与CAD软件的无缝几何模型传递。这些CAD软件有Pro/E、UG、CATIA、lDEAS,Solidwork、Solid edge、lnventor、MDT等。ANSYS还可以读取SAT、STEP、ParaSolid、lGES 格式的图形标准文件。

此外,ANSYS还具有近200种单元类型,这些丰富的单元特性能使用户方便而准确地构建出反映实际结构的仿真计算模型。

2.1.2 强大的求解器

ANSYS提供了对各种物理场的分析,是目前唯一能融结构、热、电磁、流场、声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非线性结构静力、动力分析之外,还可以解决高度非线性结构的动力分析、结构非线性及非线性屈曲分析。提供的多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。

2.1.3 后处理功能

ANSYS的后处理用来观察ANSYS的分析结果。ANSYS的后处理分为通用后处理模块和时间后处理模块两部分。后处理结果可能包括位移温度应力应变速度以及热流等,输出形式可以是图形显示和数据列表两种。ANSYS还提供自动或手动时程计算结果处理的工具。

3 ANSYS软件的主要功能

ANSYS软件提供了对各种物理场量的分析,是一种能够融结构、热流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,其主要功能包括:

1 结构分析

结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。ANSYS能够完成的结构

分析有:结构静力分析;结构非线性分析;结构动力学分析;隐式、显示及显示-隐式-显示耦合求解。

2 热分析

热分析用于计算一个系统的温度等热物理量的分布及变化情况。ANSYS能够完成的热分析有:稳态温度场分析;瞬态温度场分析;相变分析;辐射分析。

3 流体动力学分析

ANSYS程序的FLOTRAN CFD分析功能能够进行二维及三维的流体瞬态和稳态动力学分析,其可以完成以下分析:层流、紊流分析;自由对流与强迫对流分析;可压缩流/不可压缩流分析;亚音速、跨音速、超音速流动分析;多组分流动分析;移动壁面及自由界面分析;牛顿流与非牛顿流体分析;内流和外流分析;分布阻尼和FAN模型;热辐射边界条件,管流。

4 电磁场分析

ANSYS程序能分析电感、电容、涡流、电场分布、磁力线及能量损失等电磁场问题,也可用于螺线管、发电机、变换器、电解槽等装置的设计与分析。其内容主要包括:2D、3D及轴对称静磁场分析;2D、3D及轴对称时变磁场;交流磁场分析;静电场、AC电场分析;

5 声学分析

ANSYS程序能进行声波在含流体介质中的传播的研究,也能分析浸泡在流体中的固体结构的动态特性。其涉及范围包括:声波在容器内的流体介质中传播;声波在固体介质中的传播;水下结构的动力分析;无限表面吸收单元。

6 压电分析

用于二维或三维结构对AC、DC或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。主要研究内容如下:稳态分析、瞬态分析;谐响应分析;瞬态响应分析;交流、直流、时变电载荷或机械载荷分析。

7 多耦合场分析

多耦合场分析就是考虑两个或多个物理之间的相互作用。ANSYS统一数据库及多物理场分析并存的特点保证了可方便的进行耦合场分析,允许的耦合类型有以下几种:热-应力;磁-热、磁-结构;流体流动-热;流体-结构;热-电;电-磁-热-流体-应力。

8 优化设计

优化设计是一种寻找最优设计方案的技术。ANSYS程序提供多种优化方法,包括零阶方法和一阶方法等。对此,ANSYS提供了一系列的分析-评估-修正的过程。此外,ANSYS程序还提供一系列的优化工具以提高优化过程的效率。

9 用户编程扩展功能

用户可编辑特性(UPFS)是指,ANSYS程序的开放结构允许用户连接自己编写的FORTRAN程序和子过程。UPFS允许用户根据需要定制ANSYS程序,如用户自定义的材料性质、单元类型、失效准则等。通过连接自己的FORTRAN程序,用户可以生成一个针对自己特定计算机的ANSYS程序版本。

10 其它功能

ANSYS程序支持的其它一些高级功能包括拓扑优化设计、自适应网格划分、子模型、子结构、单元的生和死。

4. 计算流体动力学分析的概念与基本步骤

4.1 计算流体力学概述

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称 CFD)以理论流体力学和计算数学为基础,是流体力学的一个分支。它通过在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程(组),并对上述现象进行过程模拟,从而获得流体在特定条件下的有关信息。CFD 可用来进行流体动力学的基础研究,复杂流动结构的工程设计,了解在燃烧过程中的化学反应,分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果,对投资大、周期长、难度高的实验研究来说,CFD 的优点就更为突出[09]。因此,将 CFD 与工程研究相结合,不仅有助于工程设计的改进,而且能减少实验的工作量。可以说,CFD 是一种有效和经济的研究手段。CFD 数值模拟实质是通过时、空离散,把描述流体运动的连续介质数学模型离散为大型代数方程组,建立可以在计算机上求解的算法,从而获得问题所需的解。主要的数值方法有:有限差分法、有限元法和边界元法,近年来有限体积法亦成为一种被广泛采用的数值方法。差分法特别适用于求解非定常问题(抛物型、双曲型),但不适于表面复杂的曲线边界。有限元法首先是在固体力学中发展起来的,比有限差分法较晚用于流体力学计算,该方法适用于求解复杂边界的定常问题(椭圆型)。有限体积法由 Jameson等人于 1981 年提出,它能够处理具有任意几何外形,任意曲线网格物体的绕流问题,常用于传热问题分析。

计算流体动力学(CFD)是用于预测和分析复杂流体流动的计算方法。CFD方法涉及用数值方法求解有关的流体及热量转换的基本方程。流体领域被模型化为一个具有许多离散体积的网格,使我们能够分析具有复杂形体的工程问题。由于CFD涉及的难度,它的应用大都限于研究项目。

ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析2D及3D流体流动场的先进工具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID141和FLUID142单元,可解决管道流体的复杂的3D流动。

4. 2 FLOTRAN分析的类型

FLOTRAN可做以下分析:

●层流或紊流

●传热或绝热

●可压缩或不可压缩

●牛顿流或非牛顿流

●多组份传输

这些分析类型并不互相排斥,例如,一个层流分析可以是传热的或是绝热的,一个紊流分析可以是可压缩或是不可压缩。

4.3 FLOTRAN分析的步骤

一个典型的FLOTRAN分析有如下七个主要步骤:

●确定问题的区域;

●确定流体的状态;

●生成有限元网格;

●施加边界条件;

●设置FLOTRAN分析参数;

●求解;

●检查结果。

(1)确定问题的区域

必须明确所分析问题的明确的范围,将问题的边界设置在条件已知的地方.如果不知道自己的问题中哪个地方梯度变化最大,也就要先作一个试探性的分析,然后根据结果来修改分析区域。

(2)确定流体的状态

FLOTRAN能求解的流体包括气流和液流,其性质可随温度而发生显著变化,FLOTRAN中的气流只能是理想气体。在大多数的情况下,近似认为流体性质是常数,即不随温度而变化,均可得到足够精确的解。通过雷诺数来判别流体是层流或紊流,雷诺数反映了惯性力和黏性力的相对强度。通常用马赫数来判别流体是否可压缩[13]。

(3)生成有限元网格

单元形状在二维结构中可分为四边形和三角形,在三维结构中可分为六面体和角锥体。网格划分有默认尺寸大小,仍可以进行网格划分,但不一定能满足设计者的要求。单元大小基本上在线段上定义,可用线段数目和线段长度来划分,通常以线段数目分割比较方便。

必须事先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大,在这些地方,网格必须做适当的调整。为了得到精确得结果,应使用映射网格划分,因其能在边界上上更好地保持恒定的网格特性。对流动分析,尤其是湍流,在近壁处的使用金字塔单元可能导致不正确的结果,因此这种区域不应使用。对于快速求解,可以在近壁处使用楔形单元。对于准确求解,应在这些区域使用六面体单元。

(4)施加边界条件

可以在网格划分前后施加边界条件和载荷,网格划分前只能在几何元素(点、线、面)定义边界条件和载荷,划分网格后还可以在节点和单元上施加载荷和边界条件。载荷和边界条件的形式在流体分析中通常表现为压力分布、速度分布以及热传导、对流等相关的条件。

(5)设置FLOTRAN分析参数

为了使用诸如紊流模型或求解温度方程等选项,用户必须激活它们。诸如流体性质等特定项目的设置,是与所求的流体问题的类型相关的。

(6)求解

根据问题的规模和计算机的求解能力,求解时间可以从几分钟到几天,甚至几周。通常湍流模型的求解都比层流模型的求解消耗更大。

(7)结果后处理

根据需要,用户可以绘制流场的流速分布压力分布流量分布等各种矢量图或等值图。

5 干气密封气膜流场的模拟

5.1 干气密封

干气密封是一种新型的非接触轴封,与其它密相比,干气密封具有泄漏量少、磨损小、寿命长、能低、操作简单可靠、维修量低、被密封的流体不受污染等特点。机械密封一直不能干运转,但干气封利用流体动压效应,使旋转的两个密封端面之不接触,而被密封介质泄漏量很少,从而实现了既以密封气体又能进行干运转操作。在压缩机应用域,无论离心压缩机、轴流式压缩机、齿轮传动压机还是透平膨胀机,干气密封正逐渐替代浮环密、迷宫密封和油润滑机械密封。在泵和反应釜上气密封应用也越来越广泛。

5.2 干气密封的基本工作原理

干气密封与一般机械密封的平衡型集装式结构一样,但端面设计有所不同,表面上有几微米至十几微米深的沟槽,端面宽度较宽。与一般润滑机械密封不同,干气密封在两个密封面上产生了一个稳定的气膜。这个气膜具有较强的刚度使两个密封端面完全分离,并保持一定的密封间隙,这个间隙不能太大,一般为几微米。密封间隙太大,会导致泄漏量增加,密封效果较差;而密封间隙较小,容易使两密封面发生接触,因为干气密封的摩擦热不能及时散失,端面接触无润滑,将很快引起密封变形、端面过度发热从而导致密封失效。这个气膜的存在,既有效地使端面分开又使相对运转的两端面得到了冷却,两个端面非接触,故摩擦、磨损大大减小,使密封具有长寿命的特点,从而延长主机的寿命。

如图所示,开槽的密封面,分为两个功能区,外区域和内区域,气体进入开槽的外区域这些槽将压缩进入的气体,在槽根部形成局部的高压区,使端面分开,并形成一定厚度的气膜,为了获得必要的泵送效应,动压槽必须开在高压侧。开槽的密封间隙内的压力增加对干气密封的工作是至关重要的,它将保证即使在轴向载荷较大的情况下,密封也能形成一个不被破坏的稳定气膜。密封的内区域(即坝区)是平面的,靠它的节流作用而限制了泄量。密封工作时端面气膜形成的开启力与由弹簧和介质作用力形成的闭合力达到平衡,从而实现了非接触运转。干气密封的弹簧力是很小的。主要目的是当密封不受压或不工作时能确保密封的闭合,防止意外发生。

由此看出,干气密封的设计,决定性的因素是密封环上开槽的几何形状和几何尺寸,选择合理、适用易于加工制造的槽形设计和结构设计是至关重要的。

密封面开槽既可在动环上也可以在静环上,一般来说高速情况下,在动环密封面上开槽;在低速或中速情况下可以在静环上开槽。要注意由于密封间隙只有几微米,因而一定要注意防止固体颗粒介质进入密封端面。

5.3 密封模型

图1描述了一个气体润滑的螺旋槽端面密封的几何参数。只有几微米深的螺旋槽通常刻在旋转环表面上,流体在带有螺旋槽的旋转环表面和光滑的静止环表面间的流动,产生泵吸作用。当螺旋槽开在密封环的外侧时,流体由外向内泵入;反之,也可以由内向外泵出。图1所示的密封环,外侧开有螺旋槽,内侧为密封坝,它既可以减少泄漏又可以增加轴向刚度。根据实际需要,密封坝可以在密封环外径处,也可以在内径处,或内径和外径处同时都有密封坝。

6 建模及计算模拟

本文所采用的数据是参考资料取相应的值,由于本文着重点于使用ANSYS软件对流场进行分析,重点分析在建模过程中所遇到的问题及对其采取的解决办法,所以相关数值的选取只做简单的描述。

气膜在理想情况下可以看出是一个厚度很薄的圆盘,其厚度仅有0.3μm,半径为78mm。由于圆盘是关于轴对称的,故采用轴对称分析方法对其进行分析。

6.1 单元类型的选取

本文可选用的单元类型有FLUID29、FLUID79、FLUID141。

FLUID29 用于模拟流体介质和流体/结构相互作用问题上的分界面。典型应用包括声波传输和水下结构动态分析。考虑到分界面处的声压和结构运动,声学控制方程,也就是2D波动方程被离散化。元素有4个角节点,每个节点3个自由度:只有分界面处的节点可以进行X、Y方向和压力的平移。该单元可以包含在分界面处吸音材料的阻尼。还可以和它他2D结构单元进行非均匀或阻尼模态、全谐波分析、全瞬态分析(参看TRNOPT 命令).当没有结构运动时,该元素还可以用于静力、模态、简化谐波相应分析。

Fluid79式2维结构单元(plane42)的修改后的单元,它用来模拟容器中没有净流速的流体,这种单元非常适合计算静水压力下的流古界面。加速度的影响,比如晃动问题,温度的影响也包括。

Fluid79每个单元由四个节点,每个节点有两个自由度,分别为x,y方向的平移自由度。它可以用来分析平面轴对称环单元。

FLUID141二维流体―热单元

可使用FLUID141模拟瞬态或稳态的流体/热系统,包括流体和非流体区域。在流体域中求解粘性流与能量的守恒方程,在非流体域只能求解能量方程。与那些用一维区域连接成网状模型的单元(如FLUID116)不同,使用FLOTRAN CFD单元可求解区域中的流动与温度分布。

对于FLOTRAN CFD单元,可通过动量守恒定律求得速度,从质量守恒定律求得压力(如果需要计算温度,可从能量守恒定律求得)。使用分离序贯算法求解,即对控制方程进行有限元离散得出矩阵并对每一个自由度分别进行求解。流动问题是非线性的,控制方程是耦合在一起的。顺序求解所有的控制方程,连同更新任何与温度或压力相关的材料属性,构成一次总体迭代。要得到收敛的结果所需的整体迭代步数差别相当大,这主要取决于问题的大小和稳定性。对于多达六种组分的质量组成需求解输运方程。

可在一个以恒定角速度旋转的坐标系中求解方程组。自由度是速度、压力和温度。如果需要激活湍流模型选项,就会计算两个湍流量:湍流动能与湍流动能耗散率。对于轴对称模型,可以计算一个可选的垂直与平面的漩涡速度VZ。也可指定进口处或边界(移动壁面)处的漩涡速度。

本文最初采用Fluid79对气膜进行模拟分析,其分析结果仅得到气膜的节点位移场分布云图及位移矢量图,不能得到压力分布图及速度分布图。因为其不能模拟出气膜内的流场压力分布,故选用Fluid79单元不合适。

6.2 模型的创建

模型可以在ANSYS的图形界面上直接创建,也可以从AUTOCAD、Pro/E上导入。对于简单的图形可直接在ANSYS图形界面上直接创建,相对比较复杂的可在CAD中创建,然后导入。在导入的过程中要注意单位的统一,CAD中的单位的定义在格式 /单位。ANSYS的单位可通过命令流对其进行定义,常用的有SI、CGS、MPA、BFT、BIN,具体操作参照附录二(定义单位)。本文分析采用国际标准单位制SI(SI or MKS; m, kg, s, K).

下面介绍从CAD导入图形到ANSYS:在CAD中绘制好图形,选择(文件 | 输出)命令,出现输出数据对话框,选择保存目的地,选择文件类型为ACIS(*.sat),然后更改文件名,单击OK按钮,出现一个小选取框,选择需要导出的图形,单击Enter键确定。

在ANSYS的图形界面上选择Utility Menu | File | Import | Sat 命令,出现ANSYS Connection for SAT 对话框,选择需要导入的图形,单击OK按钮关闭对话框。

6.3 划分网格

网格划分是建模中非常重要的一个环节,它将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型。网格划分的好坏将直接影响到计算结果的准确度和计算进度,甚至会因为网格划分不合理而导致计算布收敛。网格划分主要包括以下三个步骤:

(1)定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性)

(2)设定网格尺寸控制

(3)执行网格划分

在很多情况下,要求局部的网格具有比较精细的划分,以便在分析中获得精确的结果。网格细化的命令在主菜单的Preprocessor | Meshing | Modify Mesh 子菜单中。在网格工具栏中也有网格细化(Refine)操作按钮,位于工具栏的下方。

选择Preprocessor | Meshing | Modify Mesh | Refine At | Lines 命令,弹出拾取对话框。在图形窗口中拾取需要细化的边后,单击OK按钮,弹出细化级别对话框。在这个对话框中可以选择的网格细化的精度级别,最小为1,最大为5。也可以对某一个关键点附近的单元进行细化,或对中心部位的某一单元位置进行细化。

细化单元操作仅仅对于平面的三角形、四边形网格,以及体的四面体网格适用,对于使用六面体进行划分的三维几何模型,不能进行网格细化。另外,细化可能会出现歧异单元,影响计算的收敛。

对于复杂模型的网格的划分,有时候会出现歧异网格或“坏网格”,这些网格由于形状不好会引起计算的不收敛或刚度矩阵产生歧异。因此需要做一下网格的检查。选择主菜单中的Preprocessor | Meshing | Individual | Plot Bad Elms命令,弹出坏网格显示设置对话框,使用默认的设置,用黄色显示警告的网格,用红色显示坏网格,同时用线条和颜色显示这些网格。

当有警告网格时,仍可以进行计算,但计算的结果不一定正确,若出现坏网格,则ANSYS将不进行进一步的求解。

出现坏网格可以采用多种解决方法,以下列出常用的几种解决方案:

● 删除原有网格,采用更高精度重新划分;

● 局部加密网格;

● 将几何模型切分为多个小块,分别划分网格;

● 使用另外的网格形状。

在本文的模型中,需要对槽区部分进行细化,也可以通过设定线段划分的段数来进行局部细化,其效果图如下:

7 操作技巧

7.1 鼠标操作

ANSYS推荐使用三键鼠标,因为ANYS中提供了使用鼠标进行几种快速操作的功能。

7.1.1 图形拾取

在进行图形拾取时,ANSYS的鼠标指针将变成向上的箭头“↑”,此时可以在图形显示区中,通过单击鼠标左键对需要的对象进行拾取。当单击鼠标右键的时候,鼠标指针变为向下的箭头“↓”,在图形显示区中可以通过单击鼠标左键取消前面的误操作或不需要选择的对象。

单击鼠标中键,表示应用当前操作,相当于单击对话框中的Apply按钮,这在多次重复操作的时候非常有用。

7.1.2 调整显示

当按下Ctrl键的时候,图形显示区中的鼠标变成了“”形状,此时按下鼠标的左键、右键、中键,可以对显示进行不同的调整。

⊙ 按下“Ctrl键+鼠标左键”:上下左右移动视图。(注意:只是移动视图,并没有改变模型的坐标位置。)

⊙ 按下“Ctrl键+鼠标中键”:放大缩小以及在屏幕所在的平面内旋转视图。

⊙ 按下“Ctrl键+鼠标右键”:在空间旋转视图。

7.2 结合使用log文件

单击应用菜单中的命令:List | Files | Log File,弹出文本窗口,这个文件记录的是前面所有操作的命令方式。对于不熟悉的命令,只要知道器菜单操作,就可以从这个log文件中找到该命令的使用。

8 加载和求解

气膜在动环和静环之间,其模型可以理想的看成是一个旋转的圆盘,其半径为0.078m,厚度为0.3mm。圆盘的左右两个面与动、静环相接触,可以看作在X方向的位移为0,即UX=0。该圆盘关于X轴对称并绕其旋转,转速为1200rad/s,

密封冲洗气的压力设为0.6MPa。其实体模型的载荷图如右图所示。

由于气膜很薄,在ANSYS图形界面显示成一条直线。选择Utility Menu | PlotCtrls | Numbering命令,出现Plot Numbering Controls对话框。选择LINE Line numbers复选框,使其从Off转变为On打开线段的编号,在选择线段时单击线段的编号,不需要放大即可准确选取。