基于ANSYS透明屋结构分析.docx
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基于ANSYS透明屋结构分析
基于ANSYS透明屋顶结构分析
【摘要】CAE(ComputerAidedEngineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动态响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。
ANSYS因其强大的功能而受到越来越多的结果分析及其他相关专业科研与工程计算人员的青睐,可以说,ANSYS是架设于有限元理论和实际工程结构计算问题之间的桥梁。
本论文是将结构有限元分析的基本力学概念与ANSYS实践紧密结合,通过对透明屋顶的结构分析实例,系统全面地介绍ANSYS结构分析的方法。
通过建立几何模型,确定材料物性参数,设置结构分析单元类型、初始条件、边界条件等进行结构模拟分析,分析制件使用过程中应力、应变等参数的变化,制件可能存在的质量缺陷等问题。
【关键字】:
ANSYS;结构分析;透明屋顶
ThetransparentroofstructureanalysisbasedonANSYS
AbstractCAE(ComputerAidedEngineering)isusedcomputer-aidtosolvecomplexengineeringandproductstructuralstrength,stiffness,bucklingstability,dynamicresponse,heattransfer,three-dimensionalmulti-bodycontactandtheanalysisofelastic-plasticmechanicalpropertiessuchasstructuraloptimizationoftheperformancecalculationanddesignissuesisAnapproximatenumericalanalysismethods.ANSYSforitspowerfulfeaturesandresultsanalysisformoreandmoreotherrelatedfieldsofscientificresearchandengineeringcalculationsfondofitcanbesaid,ANSYSfiniteelementismountedonthetheoreticalandpracticalengineeringproblemsasabridgebetweenstructurecalculation.
ThispaperisthefiniteelementanalysisANSYSbasicmechanicalconceptsandpracticesclosely,throughthetransparentroofofthestructureofinstancesofsystematicandcomprehensiveintroductiontoANSYSstructuralanalysis.Throughtheestablishmentofthegeometricmodeltodeterminethematerialparameters,setthestructureofcelltypes,theinitialconditions,boundaryconditions,structuralsimulation,analysisoftheworkpieceduringuseofstress,strainandotherparameterschange,thequalityofpartsdefectsthatmayexistProblem.
Keywords:
ANSYS;TheStructuralAnalysis;Thetransparentroof
目录
引言-------------------------------------------------------------1
1结构分析的基础理论与分析软件介绍-------------------------------5
2.1有限元的发展概况-----------------------------------------------6
2.2有限元法的基础理论---------------------------------------------7
2.2.1有限元法的基本思想-------------------------------------------7
2.2.2有限元法的特点-----------------------------------------------9
2.2.3有限元法分析过程---------------------------------------------10
2.3有限元法的发展趋势---------------------------------------------12
2.4ANSYS软件介绍--------------------------------------------------14
2.4.1ANSYS在有限元软件中的地位------------------------------------14
2.4.2ANSYS的发展--------------------------------------------------15
2.4.3ANSYS的特点--------------------------------------------------15
2.4.4ANSYS软件的分析步骤------------------------------------------17
3透明屋顶模型的建立及有限元结构分析-------------------------------17
3.1材料的特性选择-------------------------------------------------18
3.2模型的建立-----------------------------------------------------18
3.3PRO/E和ANSYS的连接方法----------------------------------------21
3.4ANSYS结构分析类型----------------------------------------------22
3.5选择单元类型---------------------------------------------------23
3.6网格划分-------------------------------------------------------25
3.7约束及载荷处理-------------------------------------------------27
3.8求解及计算结果分析---------------------------------------------27
3.9结构优化设计---------------------------------------------------
4.0本章小结-------------------------------------------------------29
结束语-------------------------------------------------------------29
致谢---------------------------------------------------------------30
参考文献-----------------------------------------------------------30
引言
现代的屋顶已不仅仅具有传统的大面积采光的功能,已经发展成集多种功能于一身的新型屋面材料。
用聚碳酸酯(PC)材料做的屋顶阳光板有透明、草绿、湖蓝、乳白、水晶等各种各样的颜色,能够满足不同人群的需求,特殊厚度还可能定做。
聚碳酸酯阳光板耐力板板适用于保温要求较高的建筑采光,其热导率(K值)达2.4W/m2.℃,是目前国内理想的节能采光材料,适用于大型体育场馆或商业空间的采光;同时其可冷弯的特性给设计师提供理想创作自由空间;与中空玻璃相比,其重量低至每平米2.8公斤,却具有很高的抗冲击性,保障安全;孔格宽度增加到20mm,提供更好的通透性和观感。
内表面有防露滴涂层的品种适用于现代设施农业温室和湿度较大的游泳馆等建筑采光。
表面具有共挤紫外线防护层的品种可避免人们受到太阳光中紫外线的伤害;用做仓储或博物馆等的采光时可避免有机物及其它高分子材料在紫外线影响下的褪色等损坏。
聚碳酸酯阳光板----中空板系列(又称不碎玻璃、卡布隆),及实心板系列(又称耐力板、透明钢板),是一种综合性能极佳的工程塑料,具有杰出的物理、机械、电气和热性能,故聚碳酸酯阳光板有“透明塑料之王”的美称,它有良好抗冲击、隔热、隔音、采光、防紫外线、阻燃等优点。
屋顶材料能够与蓝色的天空浑然一体,使建筑物产生了水晶宫殿般高贵、典雅的气派。
在装配有屋顶斜面材料的房间内,能体会到一种与竖直装配的外墙窗完全不同的采光感觉,同时减轻了在一般混凝土屋面下易产生的压抑感。
1.采光:
采光是屋顶斜面材料的基本功能。
从屋顶直接采光可以使房间更加明亮,而且给人一种开敞的感觉。
安装屋项采光窗可以使建筑物顶部剩余部份(如阁楼)适于居住,从而得到有效的利用。
表面有防紫外线的共挤层,可防止太阳光紫外线引起的树脂疲劳变黄。
表面共挤层具有化学键吸收紫外线并转化为可见光,对植物光合作用有良好的稳定效果。
人工气候老化试验4000小时,黄变度为2,透光率降低值仅0.6%。
十年后透光流失仅为6%,PVC流失率则高达15%—20%,玻璃纤维为12%-20%。
2.温度适应性:
PC板在-100℃时不发生冷脆,在135℃时不软化,在恶劣的环境中其力学,机械性能等均无明显变化。
夏天保凉,冬天保温,PC阳光板有更低于普通玻璃和其它塑料的热导率(K值),隔热效果比同等玻璃高4倍,PC阳光板的隔热最高至49%。
从而使热量损失大大降低,用于有暖设备的建筑,属环保材料。
3.耐候性:
PC板可以在-40℃至120℃范围保持各项物理指标的稳定性。
人工气候老化试验4000小时,黄变度为2,透光率降低值仅0.6%。
4.防结露:
室外温度为0℃,室内温度为23℃,室内相对湿度低于80%时,材料的内表面不结露。
5.节能:
PC阳光板屋顶斜面卓越的采光功能,使得屋顶下方的空间节省了大量用于人工照明的能源。
传统的屋顶斜面玻璃一般是单层无色的平板玻璃,当阳光充足时,室内温度会升高,形成温室效应。
在寒冷的冬季,这种温室作用会使人感到舒适,但在夏季,会让人感到闷热难当,这时如果使用空调,会增加空调的耗电量,浪费了能量。
另外,在冬季,由于单层玻璃隔热性能不佳,造成了室内供热的能耗加大。
因此,传统的单层无色玻璃制成的玻璃屋面已不能适应越来越高的节能要求,
6.阻挡雨雪:
传统的屋顶斜面玻璃可以在一定程度上阻挡雨雪,但由于安装方法简单、粗糙,安装材料性能不佳,无法防止雨水从玻璃与框架的间隙渗入室内。
随着安装方法和安装结构的完善,以及安装材料密封性能,耐老化性能的提高,目前的屋顶斜面玻璃己能够作到完全阻挡雨雪,这甚至是一般的混凝土屋顶都无法做到的。
阳光板屋面与混凝土屋面比较,它重量轻,强度高,施工速度快,如果不要求在屋面上设置设备,那么作为一种新型的屋面结构,它完全可以取代混凝土屋面。
维修人员能在屋顶斜面上作业的情景,它表明阳光板屋顶斜面已经成为一种新型的高强屋面材料。
1.结构分析的基础理论与分析软件介绍
随着现代科学技术的发展,人们正在不断建造更为快捷的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。
这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品或工程的技术性能需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。
例如分析高楼大厦和大跨度桥梁在地震时所受到的影响,看看是否会发生破坏性事故;分析计算核反应堆的温度场,确定传热和冷却系统是否合理;分析叶片内的流体动力学参数,以提高其运转效率等。
此时传统的解决方法往往不可行,需要寻求新的计算方法,为此一大批国内外科技工作者致力于这方面的研究。
近年来,在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析FEA(FiniteElementAnalysis)方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。
2.1有限元的发展概况
现代有限元方法的起源可以追溯到20世纪初,当时有一些研究人员利用等价弹性杆来近似模拟连续的弹性体。
然而,人们公认Courant(1943)是有限元方法的奠基人。
在20世纪40年代,Courant发表了一篇论文,他第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合的方法来研究扭转问题。
在20世纪50年代,Boeing及其后来者采用了三角形应力单元来建立飞机机翼的模型,极大地推动了有限元法的发展。
之后,一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限元的概念。
然而,直到1960年美国的飞机结构工程师CloughRW才在一篇名为“平面应力分析的有限元法”的论文中首先使用“有限元法”。
它是结构分析的一种数值计算方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。
由于当时理论尚处于初级阶段,计算机的硬件及软件也无法满足需求,有限元法和有限元程序无法在工程上普及。
直到1963年MeloshRJ在论文中提出有限元法的基础是变分原理,它是基于变分原理的一种新型Ritz法(采用分区插值方案的新型Ritz法)。
这样就使数学界与工程界得到了沟通,获得了共识,从而使有限元法被公认为既有严密理论基础又有普通应用价值的一种数值方法。
到20世纪60年代末70年代初,出现了大型通用有限元程序,它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品,成为结构工程强有力的分析工具。
40多年来,有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题,分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。
迄今为止,有限元法除了发展其自身的理论和方法外,还外延到其它领域,如随机有限元法等。
由于计算机的飞速发展,使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。
目前,有限元法在国外已广泛应用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、造船、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。
在汽车设计行业,国外著名汽车公司在豪华轿车的设计中,以前通过经验设计,需要制造200多辆样车才能完成汽车的安全碰撞设计,现在有80多辆就足够了,大部分的设计内容都是通过有限元分析软件在电脑中模拟实现的,这样可以节约2/3的资金和大量研制时间。
在飞机制造行业,以前通过做风洞试验检测飞机的各项性能,如今许多实验都是通过电脑仿真实现的。
在国外的日用消费品设计中,此类软件应用也很广泛,著名体育用品厂商耐克公司,在高级旅游鞋的受力结构研究设计中,也采用了有限元分析技术,在保证鞋体受力均衡的前提下,取得了鞋的最理想重量,成为体育用品设计的典范。
变分原理与有限元法的研究是我国学者的研究强项。
1954年胡海昌提出了弹性力学广义变分原理,为有限元法的发展提供了理论基础。
从上世纪60年代,冯康等人提出的基于变分原理的差分格式实质上就是今天的有限元法。
80年代这一领域的工程化应用渐渐在国内开始。
有限元法应用前景十分广阔,它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有重要的地位,近来在日用消费品设计方面的优势也己显著。
2000年11月中国科学院数学系统科学研究所和北京飞箭软件有限公司联合成功开发了世界上第一个可通过互联网使用的有限元软件,使我国在有限元方法及应用研究方面获得了突破性进展,该系统突破了国内外的通用有限元软件只适用于特定领域和特定有限元问题的限制,把广大工程师和科学家从繁琐、重复的编程工作中彻底解放出来,采用这一系统可以在数天甚至数小时内完成人们需要数月才能完成的编程工作。
最可贵的是该系统己放到了互联网络上,世界各地的用户可以在任何时候,任何地方,采用一台计算机使用这一软件。
用户只需给出他所要求解的有限元问题,就可得到所需要的全部有限元程序,并且在其计算机上自动编译运行,直至获得他所要的计算结果。
该系统己为美国、德国、加拿大等国家和地区及国内40多个单位应用,并取得了巨大成果。
2.2有限元法的基本理论
2.2.1有限元法的基本思想
有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学,是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。
其基本思想是将一个连续的实际结构(弹性连续体)划分为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体进行研究。
这些单元仅在节点处连接,单元之间的载荷也仅由节点传递。
这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化,也叫单元划分。
有限个的单元称为有限单元,简称单元。
利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体,建立近似的力学模型,对该模型进行数值计算,通过对这些单元分别进行分析,建立其位移与内力之间的关系,以变分原理为工具,将微分方程化为代数方程,再将单元组装成结构,形成整体结构的刚度方程。
离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况下,单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量也越大)。
所以有限元法中分析的结构己不是原有的物体或结构物,而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。
这样做的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。
离散化是有限元方法的基础,必须依据结构的
实际情况,决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。
这样做的目的是:
将结构分割成足够小的单元,使得简单位移模型能足够近似地表示精确解,同时又不能太小,否则计算量很大。
分析过程中首先从单元分析入手,确定单元内的位移、应变、应力模式,并确定单元节点力与单元节点位移的关系,建立单元刚度矩阵。
根据离散化结构的联接方式,将各个单元刚度矩阵进行组集,得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。
通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移,再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。
可见,有限元分析的主要内容是:
单元离散化、单元分析、整体分析。
有限元法与传统的力学方法有很大差别,正是这种差别,使得它能够把许多难以求解的问题变的容易处理:
(1)由于可任选单元体的形状和尺寸,故可以“组拼”出形状复杂的机械零件。
在作应力分析时,无需对零件的几何形状作过多的简化,从而提高了解题精度大了可解的范围;
(2)对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察;
(3)对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点处来计算;
(4)易于解决有初应力、热应力的问题;
(5)易于处理材料的不均匀性,对各向异性材料也可求解;
(6)可以解决材料的非线性和结构的非线性问题;
(7)采用大型的通用有限元程序,可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和稳定性。
由于计算机的求解方程组的能力非常强大,构造模型又非常准确,因而有限元法在计算机上使用极为普遍。
有限元方法计算精度高,速度快,可缩短设计试制周期和降低成本。
目前,优秀的绘图系统软件都配有有限元分析程序窗口。
当图形绘制完毕,可立即进行网格划分,并进行强度计算。
通过不断修改图形和反复计算,能够使设计质量大幅度提高。
有限元法可用于各种模拟和分析方法中,在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工程等领域得到了广泛应用。
由于其所涉及问题和算法基本上都是来源于工程实际,应用于工程中,其解决工程实际问题的能力愈来愈强。
在汽车领域,有限元法可用于建立汽车结构系统的振动模型,还可以用于设计的刚度与变形分析、设计的应力与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等。
2.2.2有限元法特点
有限元能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用,除了电子计算机技术的发展提供了充分有利的条件外,还与有限元法所具有的优越性是分不开的,综合来说,有限元法的优点有:
(1)有限元法能够完成复杂结构的分析,它利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算,并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程,从而可以用多种方法对其求解,虽然它的解是近似的,但适当选择单元的形状于大小,可使近似解达到满意的精度。
(2)引入边界条件的方法简单,边界条件不进入单个有限元单元的方程,而是在得到整体代数方程后再引入边界条件,这样内部和边界上的单元都能够采用相同的场变量模型。
而且当边界条件改变时,内部场变量模型不需要改变。
(3)有限元法不仅适应与复杂的几何形状和边界条件,而且能处理各种复杂的材料性质问题,另外还可解决非均值连续介质的问题。
(4)有限元法考虑了物体的多维连续性,不仅在离散过程中把物体看成是连续的,而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。
(5)有限元法通常采用矩阵表达形式,非常便于编制计算机程序,从而适应于电子计算机的运算工作。
(6)该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。
对有较深数学知识的人来说,
完全可以用数学语言来描述,并获得严格推理。
而对一般人来说,可以只从物理层面上得到理解。
但有限元法也有不足,主要体现在:
(a)在输入的数据中,如有差错,没有被发现,将会导致错误的计算结果,而且往往较难发现,带来不少麻烦;
(b)有限元计算,尤其是在对复杂问题的分析上,所耗费的计算资源是相当惊人的,计算资源包括计算时间、内存和磁盘空间;
(c)对无限区域问题,有限元法较难处理;
(d)尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格的技术,但到底采用什么样的单元、网格的密度多大才合适等问题完全依赖于经验;
(e)有限元分析所得结果不是计算机辅助工程的全部,而且一个完整的机械设计不能单独依靠有限元分析来完成,必须结合其他分析和工程实践才能完成整个工程设计。
2.2.3有限元法分析过程
应用有限元法求解弹塑性问题的分析过程,概括起来可以分为以下几个步骤:
(1)结构的离散化
有限元法把弹性连续体分割成数目有限的单元,相邻单元之间仅在节点处相连,节点一般都在单元边界上,节点的位移分量作为基本未知量,组成了有限单元集合体并引进了等效节点力及节点约束条件,就成为有限元自由度的有限元计算模型,替代了原来无限多自由度的连续体。
有限元法的实质是把无限多个自由度的弹性连续体,理想化为有限个自由度的单元集合体,使问题简化,适合数值求结构的离散化是有限元分析的第一步,它是有限元法的基础。
对于每个具体问题,离散化的具体内容是选择适当的单元类型、决定单元尺寸和数量、单元的布局以及节点连接的方式。
单元的形状原则上是任意的,不管单元取什么样的形状,在一般情况下,单元的边界总是不可能与求解区域的真实边界完全吻合,这就带来了有限元的一个基本近似性一几何近似。
单元尺寸足够小才能保证计算的精度,单元尺寸足够大才能减少计算过程的工作量,理论上说,单元划分的越细,节点布置得越多,计算结果就越精确,在计算机发展到今天,计算机的容量和运算速度己经不是主要矛盾
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