Ansys Workbench工程實(shí)例之——梁?jiǎn)卧o力學(xué)分析

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梁?jiǎn)卧Ｓ糜诤?jiǎn)化長(zhǎng)寬比超過10的梁與桿模型，比如建筑桁架、橋梁、螺栓、杠桿等。Workbench中的梁?jiǎn)卧蠦eam188（默認(rèn)）與Beam189兩種，Beam188無中節(jié)點(diǎn)，Beam189有中節(jié)點(diǎn)。在全局網(wǎng)格設(shè)置下，梁?jiǎn)卧闹泄?jié)點(diǎn)設(shè)置Element MIdside Nodes默認(rèn)為dropped(無中節(jié)點(diǎn)），即默認(rèn)使用Beam188單元，如果改為kept(有中節(jié)點(diǎn))，則將改變?yōu)锽eam189單元。

1 梁?jiǎn)卧治龈乓?/h2>

1.1 建模與模型導(dǎo)入

線框模型可在DM中創(chuàng)建，也可導(dǎo)入stp/igs等模型。以下分別介紹通過DM創(chuàng)建與通過CAD軟件創(chuàng)建導(dǎo)入過程。

1.1.1 梁線體的創(chuàng)建

方法1，簡(jiǎn)單的線體模型可以在DM中創(chuàng)建，一般在XY平面繪制草圖或點(diǎn)，再通過Concept——Lines From Sketches、Lines From Points或3D Curve等創(chuàng)建。

區(qū)別在于Lines From Sketches是提取草圖所有的線條，如果線條是相連接的，提取的結(jié)果為一個(gè)線幾何體。

Lines From Points或3D Curve用于將草圖的點(diǎn)（可以是草圖線條的端點(diǎn)）連接成為線體，結(jié)合Add Frozen選項(xiàng)，可以創(chuàng)建多個(gè)線幾何體。

多個(gè)線條可以通過From New Part功能組合為一個(gè)幾何體，組合后兩條線共節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于焊接在一起。

方法2，通過CAD軟件創(chuàng)建后導(dǎo)入。

如果讀者使用的是creo建模，可在草圖中創(chuàng)建點(diǎn)，退出草圖后選擇基準(zhǔn)——曲線——通過點(diǎn)的曲線。

輸出時(shí)需要注意，可另存為stp或igs格式，在輸出對(duì)話框中必須勾選基準(zhǔn)曲線和點(diǎn)選項(xiàng)。

如果讀者使用Solidworks建模，可直接在草圖中創(chuàng)建線段，退出草圖后另存stp或igs，此時(shí)需要在另存選項(xiàng)中勾選“線框”和“輸出草圖實(shí)體”。

然后通過Workbench的分析項(xiàng)目導(dǎo)入，右擊Geometry——Import Geometry——Browse...導(dǎo)入模型。項(xiàng)目屬性中的Geometry屬性中必須勾選Line Bodies選項(xiàng)。

另外，復(fù)雜的框架模型可導(dǎo)入實(shí)體模型，然后通過SC實(shí)現(xiàn)快速抽梁線與合并頂點(diǎn)等操作，這將在實(shí)例6中詳解。

1.1.2 梁截面的定義

在DM軟件中，點(diǎn)擊Concept——Cross Section選擇預(yù)定義的截面形狀，并修改尺寸。綠色箭頭為截面主方向。

賦予截面：選擇特征樹中的線體，即可為線段賦予截面。

顯示梁形狀與方向：勾選View——Cross Section Solids可顯示桿梁圖形，勾選View——Cross Section Solids可顯示梁線體截面方向，綠色箭頭為主方向。

若要更改截面方向，可選中線體（選擇前先選中工具欄線過濾器），在屬性中修改。

當(dāng)Alignment Mode選擇Selection時(shí)，可在Cross Section Alignment 中選擇線體主方向即綠色箭頭要對(duì)齊的對(duì)象。當(dāng)Alignment Mode選擇Vector 時(shí)，可在Alignment X/Y/Z后設(shè)置數(shù)字，數(shù)字0表示不對(duì)齊此方向，數(shù)字1表示對(duì)齊此方向。Rotate表示繞藍(lán)色箭頭旋轉(zhuǎn)的方向，Reverse Orientation表示藍(lán)色箭頭反向。

1.2 線體之間的連接關(guān)系

1.2.1 設(shè)置鉸接

在DM中，如果多段線組成一個(gè)線體，或者多個(gè)獨(dú)立的線體通過From Nem Part組合，那么它們的連接處相當(dāng)于焊接在一起（剛性連接）。實(shí)際工況中，梁體之間有可能是鉸接關(guān)系，如何處理呢？

（1）對(duì)于剛性連接，需要通過End Release釋放線體的末端自由度。

在Mechanical中，添加接觸組Connections，在接觸組中添加末端釋放End Release，在屬性中分別選擇頂點(diǎn)和線段，再設(shè)置釋放哪個(gè)方向的自由度(梁?jiǎn)卧?個(gè)自由度)。

（2）如果是多個(gè)未組合的獨(dú)立線體，在Mechanical中，可通過添加Joint節(jié)點(diǎn)添加關(guān)系，就算各個(gè)線體的端點(diǎn)相互分離，也可通過Joint添加連接。

選擇特征樹Connections，在工具欄選擇Body-Body——Revolute（轉(zhuǎn)動(dòng)），在屬性中分別選擇兩條線段的端點(diǎn)，便創(chuàng)建了鉸接點(diǎn)。如果兩個(gè)端點(diǎn)重合不好選擇，可以拖動(dòng)工具欄Explode Group將模型爆炸開。

1.2.2 連接誤區(qū)

由于默認(rèn)情況下梁只在兩端有節(jié)點(diǎn)，中間無節(jié)點(diǎn)，所以不同線體之間通過T形或十字的連接將在計(jì)算中出錯(cuò)。

如下圖H梁由三條線體通過From New Part組合而成。通過DM軟件中View——Display Vertices或Mechanical工具欄的Show Vertices可看到線體的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)隱藏橫梁，可以看到兩端的豎梁在中間連接處未創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)。

固定下端兩點(diǎn)，在橫梁上施加圖示的力。

若零件是通過DM的From New Part組合的多線體零件，在計(jì)算中將報(bào)錯(cuò)且不能計(jì)算出結(jié)果。

若是在Mechanical中，通過Joint的Body-Body——Fixed創(chuàng)建橫梁端點(diǎn)與豎梁的剛性連接，計(jì)算出得結(jié)果也是不正確的。

解決方法如下：

若是幾個(gè)梁是截面相同的材料，可以創(chuàng)建為一個(gè)線體。

若幾個(gè)梁截面不同，則不能創(chuàng)建為一個(gè)線體，必須創(chuàng)建為多個(gè)線體，再賦予不同的截面。

T形連接處可通過DM中的Tools——Connect建立連接節(jié)點(diǎn)。在connect屬性中，Edges中選擇要連接的線體，連接公差Tolerance默認(rèn)設(shè)置0.1mm，Location(位置)與T-Junction(T形相交)均設(shè)置為Interpolate(插值)，表示若有間隙，則兩者向中間插值移動(dòng)，Merge Bodies(合并幾何體)設(shè)置為No(若設(shè)置為YES，則將合并為一個(gè)線體)。經(jīng)過創(chuàng)建連接節(jié)點(diǎn)處理后，還需要對(duì)幾條線體進(jìn)行From New Part組合(或者在Mechanical中通Body-Body——Fixed創(chuàng)建Joint連接)。

此時(shí)再次查看節(jié)點(diǎn)如下圖，可見在豎梁連接處出現(xiàn)了新節(jié)點(diǎn)

以上方法僅僅對(duì)T形連接管用，對(duì)十字連接無法處理，十字連接的梁可通過DM中Concept——Split Edges分割線體，但是Split Edges不能使用一條線體分割另一條線體，而只能通過輸入?yún)?shù)分割，這帶來了很大的不便。

以下介紹SpaceClaim中如何快速處理梁的T形連接與十字連接。

在Workbench主界面，右擊項(xiàng)目中的Geometry——Edit Geometry in SpaceClaim...

在SpaceClaim中，選中頂部文件夾，設(shè)置屬性中共享拓?fù)洌汗蚕?也可設(shè)置為合并)，便創(chuàng)建了耦合點(diǎn)。當(dāng)設(shè)置為組時(shí)，效果與DM中的From New Part相同。

通過SpaceClaim共享拓?fù)涔δ?，既能處理T形連接又能處理十字連接。

在Mechanical通過工具欄的Show Vertices可看到線體的節(jié)點(diǎn)如下圖。

1.3 邊界條件

線體有6個(gè)自由度，即沿XYZ的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。下表為常用約束所限制的自由度數(shù)量。

注意，簡(jiǎn)單約束Simply Supported+固定旋轉(zhuǎn)Fixed Rotation=固定約束Fixed Support。

很多時(shí)候，分析梁?jiǎn)卧窃?維工況下，所以需要限制梁的另外兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。比如下圖，三條梁通過端點(diǎn)Body-Body——Revolute創(chuàng)建的Joint鉸接，除了A處豎直梁的固定約束與B處端點(diǎn)的受力外，還需要限制水平梁和斜梁在X和Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

1.4 結(jié)果后處理

1.4.1 Beam Tool

默認(rèn)情況下，梁的應(yīng)力結(jié)果不能通過Stress工具添加，而是需要通過Tool——Beam Tool添加，可添加的結(jié)果有：

Direct Stress：直接應(yīng)力，即軸向拉伸或壓縮應(yīng)力。 Minimum Bending Stress：最小彎曲應(yīng)力，與最大彎曲應(yīng)力相反(絕對(duì)值相同，正負(fù)相反)。

Maximum Bending Stress：最大彎曲應(yīng)力。 Minimum Combined Stres：最小組合應(yīng)力≈最小彎曲應(yīng)力+直接應(yīng)力。 Maximum Combined Stress：最大組合應(yīng)力≈最大彎曲應(yīng)力+直接應(yīng)力。

需要說明的是，Beam Tool不能添加切應(yīng)力（扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力或彎曲切應(yīng)力）結(jié)果，因?yàn)榱簭澢?，切?yīng)力比彎曲應(yīng)力小得多，所以對(duì)梁的評(píng)價(jià)后處理中常常忽略，而使用組合應(yīng)力作為評(píng)價(jià)對(duì)象。

但是在扭轉(zhuǎn)桿梁中，主要應(yīng)力是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，便無法通過Beam Tool添加，處理方法將在1.4.3中詳解。

如果在DM中創(chuàng)建的截面不是軟件預(yù)定義的，而是通過用戶自定義的(DM中Concept——Cross Section——User Defined)，結(jié)果后處理中便沒有Beam Tool選項(xiàng)，此時(shí)需要通過Mechanical的工具欄中的Worksheet工具添加，梁的各應(yīng)力結(jié)果在表中如下。右擊需要添加的選項(xiàng)——Create User Defined Result便創(chuàng)建了相應(yīng)結(jié)果。

1.4.2 Beam Results

在Beam Results工具中，可添加軸向力、彎矩、扭矩、剪力、剪力與彎矩圖等。其中剪力與彎矩圖是建立在路徑上的。相關(guān)功能將在實(shí)例中詳解。

1.4.3 Stress

默認(rèn)情況下，梁的應(yīng)力結(jié)果不能通過Stress工具添加。若要通過Stress工具添加等效應(yīng)力、切應(yīng)力等結(jié)果，用戶只需要設(shè)置截面結(jié)果選項(xiàng)，設(shè)置方法如下：

選中特征樹中的Solution，在屬性窗口找到Pose Processiong項(xiàng)目下的Beam Section Results，參數(shù)修改為Yes即可。Stress各項(xiàng)含義請(qǐng)參考《Ansys Workbench之Mechanical——結(jié)果后處理》一文。

1.5 用梁?jiǎn)卧M螺栓連接

螺栓連接不用建模，而使用梁連接代替，梁?jiǎn)卧孛姘霃郊礊槁輻U的半徑。在Mechanical的邊界條件中可以對(duì)梁連接添加螺栓預(yù)緊力Bolt Pretension。具體操作將在下文實(shí)例5中詳解。

添加預(yù)緊力如下圖。

在Ansys18之前的版本，不能對(duì)梁連接施加螺栓預(yù)緊力。用戶可在DM中建立線體，截面選擇圓形，半徑為螺栓半徑。然后在Mechanical中通過joint建立梁線上下端點(diǎn)與連接面或邊的Fixed剛性連接。邊界條件中對(duì)梁線添加螺栓預(yù)緊力Bolt Pretension。本文不做詳解，讀者若感興趣可自行操作。

2 實(shí)例詳解

未完待續(xù)