Ansys Workbench之Mechanical应用(上)——分析前设置

Mechanical应用是Ansys Workbench的重要组成部分，可进行力学分析、热分析、电磁分析等。Mechanical支持的有限元分析如下：

?结构：静态和瞬态，线性和非线性。

?动态特性：模态、谐波、随机振动、柔性和刚性动力学。

?热分析：稳态和瞬态，温度场和热流等。

?磁场：静磁场分析。

我们对Mechanical的学习主要分为三部分：分析前设置、分析求解设置、结果后处理。本文将对分析前设置进行详细的讲解。

1 Mechanical用户界面

1.1 进入Mechanical

在Workbench的项目管理区，双击Model等栏目进入Mechanical环境。

1.2 Mechanical界面简介

Mechanical界面主要包括菜单栏、分析树、详细设置窗、图形操作窗、信息窗、状态栏等。

Mechanical界面

鼠标选择方式可实现点选与框选，选择过滤器包括标签、点、线、面等。

1.3 刷新与删除数据

模型导入Mechanical后，程序会自动刷新，但是我们有时候需要手动刷新，只需要点击标题栏File——Refresh All Data。

刷新数据

有时候修改了参数需要删除计算结果数据、网格数据等，只需要在分析树对应的项目上右击——Clear Generated Data。在Static Structural或Solution上操作只会清除计算结果，在Mesh上操作会清除网格数据和计算结果。

清除数据

2 定义零件属性

在分析树中点击Model下的零件，在详细窗口中可以设置零件属性。一般情况下，赋予材料选项可能需要修改，其他选项使用默认设置即可。

零件属性

2.1 刚度行为

?柔体Flexible：默认选项，零件可变形。

?刚体Rigid：零件不能变形，可以采用集中质量来减少求解时间。对于刚体需要注意3个问题：

1 连接：刚体支持接触、节点连接、弹簧等类型的连接，刚体只能作为目标体，不能作为接触体；

2 网格划分：刚体不划分网格，但会在接触面上划分网格以便计算接触；

3 边界条件：刚体只支持远程位移、远程力和力矩。

?垫片Gasket：仅用于静力学分析。垫片密封是工程中非常重要和常见的密封手段，垫片材料具有高度的非线性与复杂的卸载性能，相关内容将在以后的垫片分析相关文章中详解

实例1，如下图，将左侧连杆设置为刚体，其余为柔体，3个销钉分别与两根连杆铰接。固定下方两个销钉的两端面，对左侧连杆施加100Nm力矩，求右侧连杆的变形和应力。

连杆模型

Step1 设置零件行为，在Mechanical中，选择左侧连杆，将零件行为改为刚体Rigid，其余零件为默认，所有零件材料为默认的结构钢。

Step2 建立接触，刚体支持接触、节点连接、弹簧等类型的连接。导入到Mechanical的零件会自动生成绑定接触，但是当左连杆修改为刚体后，与之相关的接触可能会报错，这是因为在接触对中，刚体只能作为目标体，不能作为接触体。删除两连杆之间的接触，其余的接触修改为0.1系数的摩擦。

接触设置

Step3 网格划分，网格划分后会发现，刚体只有在接触面上划分了网格，几何体并没有划分网格，这是因为在Mechanical中将刚体简化为了集中质量，只需要关注它的重量与接触关系、边界条件等，不需要划分网格计算它结构内部的应力应变。

网格设置

我们还可以进入Finite Element Modeler详细查看集中质量的信息：回到Workbench中，在项目的Model栏右击，新建Finite Element Modeler，然后双击打开。

新建finite element modeler

在Finite Element Modeler窗口中，点击分析树中的Body下的左连杆。可以看到左侧零件被简化为了两个接触面和一个集中质量点。

刚体简化

Step4 施加边界条件，对于刚体，只可以施加远程位移、远程力和力矩。而其它的条件不能施加。在Mechanical中，本例我们给下方两个销钉端面施加固定约束，给左侧连杆下方的内孔面施加顺时针100Nm的力矩。

边界条件

Step5 计算，结果如下，可见刚体被简化为质量点，未产生任何变形，也无应力（刚体的接触面上也无应力，但是与刚体接触的柔体表面应力能正常计算）。

位移与应力结果

2.2 行为

行为默认为None，修改为构造体Construction Body后，此零件将不参与任何计算，也不能进行操作，相当于此零件被抑制，但是与抑制不同的是构造体可以显示。

2.3 赋予材料

在赋予材料中，可以给几何体指派材料，默认为合金钢，可以点击右侧下拉菜单进入材料库修改，或者选择收藏的材料，关于如何创建自己的材料库已经在以往的文章中详细介绍过了，此处不再赘述。

2.4 非线性材料效应与热应变效应

默认使用材料的非线性效应。如果修改为No，材料的非线性特性将被忽略。此处建议使用默认设置。

默认使用材料的热应变效应。如果修改为No，材料的热应变特性将被忽略。此处建议使用默认设置。

2.5 边界

边界显示了零件的最大尺寸轮廓值。

边界

2.6 属性

属性显示了零件的体积、重量、质心坐标、惯性矩等。

属性

2.7 统计数据

属性显示了零件的节点数量、单元数量等，如果还没有划分网格，节点与单元数显示为0。

统计数据

3 Model工具

点击分析树的Model后，工具栏会出现Model工具条，下图是其中部分工具：

以下主要介绍构造几何、远程点、集合，其余功能将在以后的实例中详解。

3.1 构造几何

构造几何包括路径、剖面、体区，可以在此路径或剖面上显示求解结果。点击Model工具栏的Construction Geometry，便创建了一个构造集合。在分析树中右击创建的Construction Geometry——Insert——Path/Surface/Solid（或在工具栏的Construction Geometry工具条中选取），便能创建路径/剖面/体区。

Construction Geometry工具条

3.1.1 定义路径

路径是由用户定义的空间曲线或直线，可以通过3种方法定义：

1，起点与终点：在Path Type中选择Two Point，根据选取的坐标不一样，得到的路径也不一样，在笛卡尔坐标下定义的为直线，在圆柱坐标下定义的为螺旋线。

2，通过模型边线定义：在Path Type中选择Edge。

3，通过模型与X轴相交定义：在Path Type中选择X Axis Intersection。

3.1.3 定义剖面

剖面只能通过坐标系定义，而且为坐标系的XY面。

3.1.4 定义体区

剖面只能通过坐标系定义，分别输入体区的两个角顶点的坐标x1、y1、z1和x2、y2、z2，便生成了一个方块区域。

实例2，求如图受扭矩的圆环在X轴、XY面的位移。

实例2

Step1 创建构造集合。点击分析树中的Model，在工具栏出现Model工具条，选择Construction Geometry，便在分析树中创建了构造集合。点击这个构造集合，在工具栏出现Construction Geometry工具条。

1，创建路径：点击 Construction Geometry工具条中的Path，在细节窗口设置Path Type为X Axis Intersection。

创建路径

2，创建剖面：点击 Construction Geometry工具条中的Surface，在细节窗口中设置坐标系（如果全局坐标的XY面不是我们想要的，可以事先建立局部坐标系）。

创建剖面

Step2 设置网格和边界条件。设置完成后点击Solve开始计算。

Step3 查看结果：在计算结果上不能直接添加构造集合的云图，需要通过Worksheet添加。

创建合位移结果：点击分析树的Soulution，在工具栏中找到工作表Worksheet并点击，跳出工作表。找到合位移USUM右击，选择Create User Defined Result(创建用户自定义结果)。

工作表

在Soulution边创建了USUM结果，点击进行细节设置，在Scoping Method中选择 Path，在Path中选择我们设置的路径。同理设置其他结果。

定义结果

右击分析树Solution——Evaluate All Results（评估所有结果），结果被刷新，显示如下

结果显示

3.2 远程点

Remote Point (远程点)是一个抽象点，是把相关联的模型几何特征集中到空间一·个点，可以用来定义不直接作用在模型上的多种边界条件。Remote Point主要体现在Remote Force (远程力) 、Remote Displacement (远程位移) 、Point Mass (质点)等边界条件和对应的后处理。

创建方法，点击Model工具条的Remote Point，在细节窗口中选择模型顶点/边线/表面(或者通过集合Named Selection选择)。程序便会在被选对象的形心创建一个远程点，可以通过修改细节窗口的坐标来修改其位置。在Behavior中修改其柔性/刚性属性。

创建远程点

显示远程点连线：点击分析树中远程点集合，细节窗口设置Show Connection Lines:Yes，便能显示出远程点连线。

显示远程点连线

3.3 集合

在Mechanical中经常会出现Named Selection（集合），集合是用户定义的若干几何元素（点、线、面、体、单元、节点）的合集。

集合的创建：选择Model工具条的Named Selection，在分析树中便出现了Named Selections和下属的Selection，在细节窗口中选择我们要添加的几何元素即可。注意，一个Selection里面只能有同一种几何元素，比如不能将线与面创建到同一个Selection中。

创建集合