搜索应用 | 关于DM壳功能使用介绍
2017-09-20 by:CAE仿真在线 来源:互联网
在构建诸如汽车车身、飞机引擎罩、发动机气道、钣金件以及其他薄壁结构的有限元模型时通常选用壳单元。壳单元能很方便的用于薄壁结构的建模,并且能极大的减少单元节点以及单元数,这样避免了采用实体单元建模时候所带来的复杂性和规模庞大的网格。
实体单元中,厚度是由节点的位置决定,而壳单元是单层的,厚度是由实常数决定的。由于壳单元的厚度独立于几何模型,因此可以很方便的进行参数化和优化设计。建立一个用于生成壳单元的面几何模型要比建一个三维实体几何模型简单的多。
如图1所示使用壳单元构建一个工字截面梁,左边为实体模型,右边是对应的壳单元模型,如果壳单元使用模型的顶面和底面生成,那么有限元模型的刚度与实际结构的刚度将发生很大的差别。
图1.工资型梁的三维实体和中面壳单元模型
与模型的复杂程度有关,有的时候很难或不可能得到中面,许多时候分析人员只能用模型的顶面或底面,希望壳单元的偏置影响较小可以忽略,这样做有的场合可以,有时则不行。而且,分析人员从来不知道这样做带来的误差有多大。本文主要针对DesignModeler中的Thin/Surface功能做一个详细全面的解读。
本文以一个厚度为5mm,内径为80mm,高为200mm的圆柱筒体与一个200×200×10薄板结构作为分析优化设置案例对功能做一个详细全面的解析。模型如图2所示。
图2.案例分析模型
选中ANSYS Workbench中的菜单键"Thin/Surface",弹出下面的窗口
图3.Thin/Surface的视图显示
在Selection Type的选项下有Faces to Keep、Faces to Remove、Bodies Only,分别是对当前面的保留,去除和体划分。在Direction的选项下有Inward、Outward、Mid-Plane,分别对应内面、外面、中性面。在DesignModeler中中Selection Type和Direction选项的选择将决定后续壳网格划分的方向。
一、Faces to Keep
在本文中Selection Type选择Faces to Keep,选中图示所示的圆柱筒体的外表面和薄板的上表面进行抽壳处理。
图5.抽壳前后示意图
在Diretion下,选择Inward和Outward,分别是向内或者向外进行壳结构的建立对应不同的圆柱筒体效果,如图6所示:从图6我们可以发现抽壳时候需要关注抽壳的方向,否者后续分析中会结构的偏置,导致结果的误差。
图6.Inward和Outeward效果示意图
为了研究后续网格的划分效果将Thickness设置不为0mm时候。DM建立的壳结构会在后续分析中自动转化为实体结构。这不满足对壳单元的划分。因此为了在MESH中生成壳单元,在DM中Thickness必须是0mm。
图7.壳单元的效果示意图
当在DM中厚度设置为0mm时,在后续分析程序中壳体单元下也有Thickness和OFFSET Type两个功能选项的补充;其中OFFSET Type中也会有Top,Bottom,Middle三种类。
对板结构与其它体接触的面进行抽壳时,所选择面会做为壳单元的Top面(见图8),当板结构与其它面不接触的时候进行抽壳时,所选择的面会作为钣金件真实厚度方向的Bottom面(见图9);圆柱结构面向内为TOP面,向外为Bottom面。从下列图示可以很清楚的认清两种偏置的区别。
图8.壳单元的方向示意图(左边是Top,右边是Bottom)
图9.壳单元的方向示意图(都是对结构的内表面作为抽壳选择面)
二、Faces to Remove
当选择Faces To Remove时候,所选择的面就会被祛除,其它面结构就会作为面体结构。
图10.去除面后的示意图
三、Bodies Only
当选择Bodies Only时候,会将所选择的体进行抽空,向内部厚度方向为Top的偏置类型,向外部的方向为Bottom的偏置类型。
图11.选择Bodies Only剖面示意图
尽管使用壳单元有许多优点,但是也有一些缺点在使用时需要加以注意,
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首先,壳单元只适用于几种结构类型,因为壳单元是假设弯曲应力沿壳单元厚度方向线性变化的;
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其次,在多数情况下为了得到较为理想的结果,壳单元一般需要建立在实体结构的中心层或中面上;
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最后,许多时候分析人员只能用模型的顶面或底面,这个时候需要分清楚壳单元的面体方向想,如果不清楚软件中的壳体方向设置,需要在壳体面上做更多的检查。
最后将采用壳模型对钣金件的三种偏置情况进行对比说明,案例模型说明:在静力学中给钣金件的四周设置Fixed Support支持,在圆柱体上端添加200N竖直向下的作用力。
当钣金件的OFFSETTYPE设置为Bottom时候
当钣金件的OFFSETTYPE设置为Middle时候
当钣金件的OFFSETTYPE设置为Top时候
真实情况下,偏置类型应该是Top,当选择错误的偏置方向会导致结果出现比较明显的误差。因此正确的设置偏置类型对仿真精度是十分重要的。
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