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2019-04-18 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
子模型分析是得到模型局部區(qū)域中更加精確解的有限元技術(shù)。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析中,某些局部關(guān)鍵部位是我們關(guān)注的對象,需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化以獲得較為準(zhǔn)確的解,但如果對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行同樣的單元尺度劃分將嚴(yán)重影響求解效率,因此采用子模型技術(shù)是解決此類問題有效的方法,本文將基于分析實(shí)例,講解如何利用WB19.0進(jìn)行子模型技術(shù)的仿真和應(yīng)用。
子模型分析簡介
利用有限元技術(shù)進(jìn)行仿真分析時(shí),面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的求解,一般先采用較粗的單元網(wǎng)格尺度對整個(gè)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,求解獲得應(yīng)力較大部位,然后在對關(guān)鍵的薄弱點(diǎn)進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化,以獲得更為精確的求解值,經(jīng)過多次反復(fù)求解,將趨于收斂的求解結(jié)果作為最終結(jié)果。
采用上述方法計(jì)算時(shí)需要每次都對整個(gè)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算,效率非常低下,為了解決這一問題,研究人員提出使用子模型分析技術(shù)。該方法在對整個(gè)構(gòu)件進(jìn)行一次初略仿真之后,直接取出應(yīng)力薄弱點(diǎn)附近的小片區(qū)域,然后利用插值方法將邊界點(diǎn)的位移映射到該小片區(qū)域邊界作為邊界條件,然后再對該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化和求解,如下圖所示。
圖1子模型法
除了能夠提高計(jì)算效率,獲得模型某部分更精確解之外,采用子模型技術(shù)還具備一下優(yōu)點(diǎn):
1.該方法減少甚至消除了有限元實(shí)體模型中所需的復(fù)雜傳遞區(qū)域;
2.它使用戶可以再感興趣的區(qū)域就不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析;
3.它能夠幫助用戶證明網(wǎng)格劃分是否足夠細(xì)。
雖然存在上述優(yōu)勢,但是在使用子模型過程中仍然存在一些限制,比如只能針對實(shí)體或者殼單元進(jìn)行求解,子模型的切割邊界應(yīng)該遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域等,在具體使用中用戶需要注意。
在WB19.0中使用子模型方法進(jìn)行求解一般步驟如下:
1.創(chuàng)建幾何模型;
2.創(chuàng)建子模型分析項(xiàng)目,如圖18-2所示,單擊Geometry右鍵選擇Duplicate復(fù)制幾何模型;
3.在子模型分析項(xiàng)目中進(jìn)行切分,獲得子模型分析的局部幾何體;
4.完成粗糙網(wǎng)格的整體模型的求解;
5.將求解結(jié)果與子模型分析項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,同時(shí)加載到子模型切割邊界,如圖2所示,設(shè)置整體分析項(xiàng)目下Solution到子模型Setup中的連接;
6.在子模型分析項(xiàng)目中細(xì)化網(wǎng)格完成更為精確地求解;
7.結(jié)果后處理。
圖2創(chuàng)建分析項(xiàng)目和數(shù)據(jù)連接
子模型分析實(shí)例—直角支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析
本例以直角支撐機(jī)構(gòu)為分析對象,為讀者詳細(xì)介紹如何使用WB19.0進(jìn)行子模型方法的應(yīng)用,通過每一步的操作設(shè)置以及最終分析結(jié)果對比,使讀者能夠更好的掌握該方法的使用。
1.問題描述
如圖3所示直角支撐板結(jié)構(gòu),厚度為10mm,其過渡圓角為8mm,分析在受到豎直向下的掛載力作用時(shí)結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布情況。
圖3直角板幾何示意圖
2.幾何建模
幾何體建模分為兩部分內(nèi)容,分別為整體幾何建模和子模型局部幾何體建模,下面分別作介紹。
1.整體幾何建模
(1)進(jìn)入DM編輯窗口建立幾何模型,如圖4所示為幾何模型草圖,各長度按照圖中給定的進(jìn)行繪制。
圖4幾何草圖
(2)退出草圖編輯,依次單擊菜單欄中的ConceptàSurfaces From Sketches,生成幾何面,然后在其詳細(xì)設(shè)置窗口中的Thickness輸入10mm,完成后單擊Generate生成模型,如圖5所示。
圖5繪制幾何體
2.子模型幾何體創(chuàng)建
(1)完成整體幾何體建模之后,單擊Geometry右鍵選擇Duplicate生成B項(xiàng)目,然后進(jìn)入B項(xiàng)目中的DM窗口。
(2)在DM窗口中單擊工具欄中的Slice命令,選擇YZ Plane作為切分面并單擊Generate,完成右側(cè)區(qū)域的幾何體切分,然后將右側(cè)且分出的部分利用Suppress進(jìn)行壓制,如圖6所示。
圖6右側(cè)區(qū)域切分
(3)新建基準(zhǔn)面,單擊New Plane圖圖標(biāo),設(shè)置新建基準(zhǔn)面相對ZX Plane偏移30mm(Offset Z),完成后如圖7所示。
圖7新建基準(zhǔn)面
(4)采用與步驟(2)一樣的方法進(jìn)行上側(cè)面幾何體的切分,切分面選擇步驟(3)中創(chuàng)建的新基準(zhǔn)面,完成后將上部分切出區(qū)域使用Suppress進(jìn)行壓制,最終結(jié)果如圖8所示。
圖8切出子模型
3.材料屬性設(shè)置
本實(shí)例中材料屬性設(shè)置為Structure Steel,各項(xiàng)參數(shù)按照圖9所示設(shè)置即可,其它各項(xiàng)參數(shù)及設(shè)置按照軟件默認(rèn)進(jìn)行。
圖9材料屬性參數(shù)
4.整體模型網(wǎng)格劃分
進(jìn)入A項(xiàng)目下的Model界面,單擊Mesh設(shè)置網(wǎng)格尺度為5mm,網(wǎng)格劃分方法采用Quadrilateral Dominant,完成劃分結(jié)果如圖10所示。
圖10整體單元網(wǎng)格劃分結(jié)果
5.整體模型邊界及載荷設(shè)置
根據(jù)分析背景,在整體模型上部邊線設(shè)置固定約束(Fixed Support),然后單擊LoadsàLine Pressure,選擇模型右側(cè)邊線施加-Y方向的載荷,大小設(shè)置為50N/mm,如圖11所示。
圖11邊界及載荷設(shè)置
6.子模型網(wǎng)格劃分
完成邊界及載荷設(shè)置后,采用軟件默認(rèn)設(shè)置提交計(jì)算機(jī)求解,輸出項(xiàng)目設(shè)置Equivalent Stress為輸出結(jié)果。
完成整體模型的求解之后,拖動(dòng)Solution與B項(xiàng)目Setup建立連接,然后雙擊B項(xiàng)目中的Setup進(jìn)入編輯窗口進(jìn)行子模型的操作。
在子模型中由于模型屬于局部幾何體,可以進(jìn)行更細(xì)致的網(wǎng)格劃分。單擊Mesh項(xiàng),設(shè)置單元?jiǎng)澐旨夹g(shù)為QuadrilateralDominant,大小3mm,劃分結(jié)果如圖12所示。
圖12子模型網(wǎng)格劃分結(jié)果(單元大小3mm)
7.子模型邊界設(shè)置
子模型邊界設(shè)置是子模型求解的關(guān)鍵,具體操作如下:
1.單擊Submodeling右鍵插入Cut Boundary Constraint,然后在彈出的詳細(xì)窗口中設(shè)置Geometry為切割的兩條邊線,如圖13所示。
圖13設(shè)置子模型邊界
2.然單擊Imported CutBoundary Constraint,右鍵插入Validation,在詳細(xì)設(shè)置窗口中設(shè)置Component為Y Component,Type為Distance Based AverageComparison,用于查驗(yàn)整體模型結(jié)果到子模型結(jié)果的映射情況。
3.完成設(shè)置后單擊Submodeling,右鍵選擇Import Load,將整體模型在該位置的計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)來作為子模型邊界,結(jié)果如圖14所示。
圖14導(dǎo)入整體計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果
8.子模型結(jié)果后處理
對子模型按照軟件默認(rèn)設(shè)置求解內(nèi)容,并將Equivalent Stress作為輸出參數(shù),提交計(jì)算機(jī)求解。
求解完成之后我們可以獲得子模型部分的最大Mises應(yīng)力云圖,當(dāng)網(wǎng)格尺度為3mm時(shí),應(yīng)力云圖結(jié)果如圖15所示,最大應(yīng)力值為229.28MPa。
圖15 Mises應(yīng)力結(jié)果云圖
繼續(xù)細(xì)化網(wǎng)格,分別計(jì)算單元尺度為2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm幾種情況下的最大應(yīng)力結(jié)果,匯總后如表-1所示,將各個(gè)結(jié)果同時(shí)繪制成曲線,如圖16所示。從計(jì)算結(jié)果可以看到,隨著網(wǎng)格細(xì)化,最大Mises應(yīng)力值逐漸趨于收斂,通過子模型的計(jì)算能夠高效的計(jì)算模型的精確結(jié)果,本例中最大Mises應(yīng)力值處于256MPa左右。
表-1 Mises應(yīng)力結(jié)果
|
單元大小(單位:mm) |
5 |
3 |
2 |
1 |
0.5 |
0.25 |
0.1 |
|
最大Mises應(yīng)力(單位:MPa) |
213.92 |
229.28 |
240.01 |
250.29 |
254.18 |
255.48 |
256.18 |
圖16最大Mises應(yīng)力結(jié)果變化曲線
9.子模型邊界驗(yàn)證
為了檢驗(yàn)該切分方法計(jì)算結(jié)果是否可信,分別在整體模型和子模型中創(chuàng)建切割面路徑,獲取沿路徑的應(yīng)力分布結(jié)果。
整體模型選取路徑起點(diǎn)為(0,0,0),終點(diǎn)為(0,20,0),提取路徑上的應(yīng)力分布結(jié)果,如圖17所示。子模型中直接選取切割面起始點(diǎn)兩位置點(diǎn)創(chuàng)建路徑,同時(shí)提取路徑應(yīng)力分布結(jié)果,如圖18所示。對比兩圖的結(jié)果,可以看到子模型同整體模型在切割面處的應(yīng)力分布情況基本一致,使用該切割路徑進(jìn)行子模型的分析具備較好的可信度。
圖17整體模型沿切割面路徑的應(yīng)力分布
圖18子模型沿切割面路徑的應(yīng)力分布
本案例出自江民圣老師近期出版的《ANSYS Workbench 19.0基礎(chǔ)入門與工程實(shí)踐》一書。本書分為24章,涵蓋軟件通用功能的介紹,如幾何建模、網(wǎng)格劃分以及結(jié)果后處理等方面內(nèi)容,同時(shí)包括靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、屈曲分析、熱力學(xué)分析、電磁場仿真以及流體力學(xué)分析等諸多領(lǐng)域的仿真講解,對仿真平臺進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。本書通俗易懂、案例豐富,與工程實(shí)際緊密貼合,特別適合有志于從事CAE仿真領(lǐng)域的學(xué)生、工程技術(shù)研發(fā)人員和科研人員。另外,本書也適合其他對有限元仿真感興趣的技術(shù)人員。
本書四大特點(diǎn):
全面:覆蓋近20種有限元分析方法,綜合各學(xué)科仿真知識
權(quán)威:凝聚筆者近6年工程經(jīng)驗(yàn),分享實(shí)戰(zhàn)技巧
圖解:全書包括660多張圖片,手把手教你有限元分析
實(shí)戰(zhàn):提供近50個(gè)分析模型,貼合工程實(shí)際
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