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ansys复习资料
扑优化设计实例
如图19-2所示,欲在道路上建造一座钢质桥,其长为50米,高为20米,左右两端点连接公路两侧,下面左右端点是桥的两个桥墩安装的位置点。
桥面施加100e6Pa的载荷,求在体积减小60%条件下寻找最合适的桥梁形状。
弹性模量为2.0×1011N/m2,泊松比为0.3。
2.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Quad8node82(Plane82),单击Apply按钮定义第一种单元类型,再次选择Quad8node82(Plane82)按OK按钮设置单元类型2,并完成单元类型选择,单击Close按钮完成设置,如图19-3所示。
3.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19-4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19-5所示,单击OK按钮完成材料属性输入并返回图19-4。
4.创建模型
(1)绘制矩形运行主菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>rectangle>ByDimention命令,在对话框中分别输入X1=0,Y1=0,X2=50,Y2=20,单击OK按钮完成模型建立。
(2)创建工作平面运行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumberingControls选择对话框,Linenumber置为On,显示线点编号,单击OK按钮完成设置。
5.划分网格,分配单元属性
(1)划分网格执运行主菜单MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool(网格划分工具)命令,出现MeshTool菜单,在ElementAttributes项中选Areas并按Set按钮,出现拾取对话框,按PickAll按钮,弹出单元属性定义对话框,选择如图19-6所示,按OK按钮完成单元属性定义;单击SizeControl设置框中Areas项的Set按钮,在单元尺寸对话框中的Elementedgelength项中输入单元尺寸,本例中输入1,单击OK按钮确定。
在MeshTool菜单中设置Mesh下拉框为Areas,Shape项选择Quad(四边形单元网格),选中Free(使用自由网格划分器)。
单击Mesh按钮划分网格,在出现的MeshAreas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19-7所示。
(2)选择不参加拓扑优化部分单元执行菜单UtilityMenu>Select>Entities显示选择对话框,先选择不参加拓扑优化部分的单元,各项设置如图19-8所示,按Apply按钮选择节点;选择依附于所选择节点的单元,各项设置如图19-9所示,按Apply按钮选择单元,按Plot按钮显示所选择的单元如图19-10所示,按OK按钮完成选择。
图19-8选择不参加拓扑优化节点图19-9选择不参加拓扑优化单元
(3)修改不参加拓扑优化部分单元属性执行菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Elements>ModifyAttrib,弹出ModifyElemAttrib单元拾取对话框,单击PickAll按钮弹出ModifyElemAttributes对话框如图19-11所示,Attributrstochange项置为ElemtypeTYPE,NewAttributeNumber项输入2(单元类型编号),然后单击OK按钮。
(4)选择所有模型执行菜单UtilityMenu>Select>Everything,选择所有模型。
(5)重新刷新图形窗口选取Utility>Menu>Plot>Replot,所有信息显示在图形窗口中。
6.施加约束和载荷
(1)施加约束执行菜单UtilityMenu>Plot>Lines显示模型为线。
运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints,出现拾取菜单,依次选择关键点1和2(模型左下角和右下角),单击OK按钮出现约束定义对话框,如图19-12所示,选择AllDOF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>OnLines命令,出现拾取菜单,拾取模型上面的线(线的编号为3),单击OK按钮出现载荷定义对话框,如图19-13所示,载荷类型为压力,数值为100e6N/m2,再单击OK按钮完成载荷的施加。
7.显示模型上的载荷和边界条件
(1)设置显示方式执行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Symbols弹出显示符号Symbols对话框如图19-14所示,Boundaryconditionsymbol项选择AllAppliedBCs,SurfaceLoadSymbols项选择为Pressure,Showpresandconvectas项选择为Arrows,其它项按默认设置,按OK按钮。
(2)将模型上的载荷转化到有限元模型上运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Operate>TransfertoFE>AllSolidLds命令,出现TransferAllSolidModelLoadstoFEModel对话框,单击OK按钮。
(3)绘制单元有限元模型上执行UtilityMenu>Plot>Replot,施加在单元上的约束和载荷信息显示在图形窗口中,如图19-15所示。
图19-15拟执行拓扑优化的有限元模型
8.执行拓扑优化求解
(1)进入拓扑优化求解器执行主菜单MainMenu>TopologicalOpt。
(2)定义拓扑优化函数SCOMP执行MainMenu>TopologicalOpt>SetUp>AdvancedOpt>TopoFunction,弹出TopologicalOptimizationFunction对话框,默认系统设置,按OK按钮进入ComplianceFunction设置对话框如图19-16所示,Functionname项输入scomp,Loadcasenumber项输入1,然后按OK按钮。
图19-16定义拓扑优化函数
(3)定义目标函数执行MainMenu>TopologicalOpt>SetUp>AdvancedOpt>TopoObjective,弹出ObjectiveforTopologicalOptimization对话框,选择目标函数SCOMP,按OK按钮完成目标函数定义。
(4)定义约束条件执行MainMenu>TopologicalOpt>SetUp>AdvancedOpt>TopoConstraint>ByPercentage,弹出ConstraintforTopologicalOptByPercentage对话框,选择约束条件VOLUME,按OK按钮进入ConstraintforTopologicalOptByPercentage定义对话框,在Percentvolumereduct’n中输入60(体积减少60%),按OK按钮完成约束条件定义。
(5)选择优化方法并求解执行MainMenu>TopologicalOpt>Run,弹出RunTopologicalOptimization对话框如图19-17所示,Solutionapproach项选择Optimality(以体积为约束条件的选该项),Convergencetolerance项输入收敛精度准则值0.0001,Numberofiterations项输入迭代次数30,Plotdensity@eachiteration?
项选择Yes(每次迭代计算均刷新显示图形),按OK按钮开始求解。
程序开始求解并每求解一次刷新显示一次,直到求解完成。
图19-17定义优化方法
9.拓扑优化结果后处理
(1)关闭几何变形显示选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>displacementScaling,弹出DisplacementDisplayScaling对话框,将Displacescalefactor设置为0.0(关闭),其它项按默认设置,按OK按钮。
(2)设置两色等值图显示选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Contours>UniformContours,弹出UniformContours对话框,将Numberofcontous设置为2(两种颜色显示),其它项按默认设置,按OK按钮。
(3)关闭图形窗口的图例显示选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>WindowsControls>WindowOptions,弹出WindowOptions对话框,将Displayoflegeng设置为off,其它项按默认设置,按OK按钮。
(4)绘制节点伪密度分布图执行MainMenu>TopologicalOpt>PlotDensities,绘制节点伪密度图如图19-18所示,图中的深颜色为钢桥拓扑优化后的模型。
(5)绘制单元伪密度分布图执行MainMenu>TopologicalOpt>PlotDensUnavg,绘制单元伪密度图如图19-19所示。
(6)绘制目标函数与迭代次数关系曲线执行MainMenu>TopologicalOpt>GraphHistory,弹出GraphTopologicalOptimizationHistory菜单,选择Objectivefunc(目标函数),绘制目标函数与迭代次数关系曲线如图19-20所示,可见目标函数经过25次收敛。
图19-20
目标函数随迭代次数变化曲线
(7)读入最后序列结果执行MainMenu>GeneralPostproc>ReadResult>Last,读入最后序列结果。
(8)定义单元表在ANSYS中有些数据无法直接访问,需要通过定义单元表完成单元结果的访问。
运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable,弹出的菜单按Add…,出现单元表定义对话框如图19-21所示,Userlabelforitem项由用户定义表的名称,本例中定义为Tioporesult,Resultsdataitem项选择如图所示,按OK按钮返回上一菜单,按Close按钮完成单元表定义。
(9)绘制桥的概念设计模型选择菜单UtilityMenu>Select>Entitied,弹出选择对话框,对话框设置如图19-22所示,按Apply按钮弹出SelectElementsbyReaults对话框如图19-23所示,Rangeofvalves项分别输入0.8和1.0(伪密度在0.8—1.0之间),其它项按默认设置,按OK按钮,按图19-22中的Plot按钮显示桥的概念设计图19-24。
图19-21定义单元表
图19-22选择结果图19-23定义伪密度范围
图19-24钢桥经拓扑优化设计的概念模型
第3步,采用MPC技术装配模型并求解及后处理
2.装配模型
(1)读入归档文件选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>ArchiveModel>Read,弹出读入归档文件对话框如图13-11所示,读入文件名分别定义为cylinder和block,其中block读入两次,具体设置如下。
●DatatoArchive:
选择COMBAssociatedDBandSOLID(1file)。
●SolidModelFormat:
选择ANSYSNeutralFile,写出ANSYS中性文件。
●Archivefile:
输入归档文件名。
单击OK按钮结束。
执行取UtilityMenu>Select>Everything。
执行取UtilityMenu>Plot>Volumes。
连续读入的模型如图13-12所示。
图13-11读入归档文件
图13-12读入的几何模型
(2)装配几何模型选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Move/Modify>Volumes,弹出体移动对话框,拾取圆柱体,单击OK按钮,弹出的偏移量设置对话框,DY项输入1,其它默认,按OK按钮完成圆柱体移动。
选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Copy>Volumes,弹出体复制对话框,拾取轴座,单击OK按钮,弹出的偏移量设置对话框,DZ项输入1.8,其它默认,按OK按钮完成轴座的移动。
完成模型装配,装配结果如图13-12所示。
图13-12
模型装配结果
3.创建接触装配
(1)装配模型显示为面选进入前处理器,模型显示为面。
选择菜单路径Utility>Menu>Plot>Areas。
(2)创建接触装配选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair,弹出图13-13所示的接触管理器。
图13-13接触管理器
单击接触管理器左上角的按钮,弹出图13-14所示的定义接触对目标面对话框。
设置选项如下。
●TargetSurface:
目标面的对象,选择Areas。
●TargetType:
目标类型,选择Flexible即柔性目标面。
单击PickTarget按钮,用鼠标拾取圆柱体的2个外圆弧,单击Apply按钮,返回图13-14。
图13-14定义接触对目标面对话框
单击Next按钮弹出图13-15所示的定义接触对接触面对话框。
设置下列选项。
●ContactSurface:
接触面的对象,选择Areas。
●ContactElementType:
接触面类型,选择Surface-to-Surface,即面-面接触。
单击PickContact按钮,用鼠标拾取每个轴座的2个内壁圆弧(或输入面号1,3,10,11),单击Apply按钮,返回图13-15。
图13-15定义接触对接触面对话框
单击Next按钮弹出如图13-16所示的接触绑定设置对话框。
设置如下,
●Includeinitialpenetration:
包括初始渗透。
●Friction:
MaterialID选择1,CoefficientofFriction项为空。
单击Optionalsettings按钮弹出定义接触绑定属性设置对话框如图13-17所示。
在该对话框中,Contactalgorithm(接触算法)设置为MPCalgorithm即MPC算法。
其它按图中设置。
按OK返回图13-16,按Create按钮创建接触对,结果如图13-18。
按Finish按钮,关闭接触管理器。
选择菜单路径UtilityMenu>Select>Everything。
图13-16接触对设置对话框
图13-17接触绑定属性设置-基本属性选项卡设置
图13-18创建接触对
4.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MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnAreas,出现拾取菜单,依次选择轴座底面(或输入6,18),单击OK按钮出现约束定义对话框,如图13-19所示,选择AllDOF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>Force/Moment>OnNodes命令,出现拾取菜单,在输入框输入1210(坐标为x=0,y=1.15,z=1的节点编号),单击OK按钮出现载荷定义对话框,如图13-20所示,载荷类型为力,数值为40000N,再单击OK按钮完成载荷的施加。
图13-19施加约束
图13-20施加载荷
5.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13-21所示。
(2)显示合应力云图运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu(orElementSolu)命令,选择Stress>VonMisesstress合应力,单击OK按钮,节点应力云图如图13-22所示。
3D实体的有限元分析实例
一、案例——车刀的静力分析
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。
弹性模量为2.0×1011N/m2,泊松比为0.3。
(1)选择Nodefeaturing,输入cutter.igs文件选取UtilityMenu>File>Import>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。
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。
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OK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
5.建立受力平面
(1)创建工作平面运行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumberingControls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12-7显示关键点
图12-8定义工作平面
图12-9移动工作平面
(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。
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,Mes
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