學經典版APDL,還是Workbench?別再猶豫,看完就決定吧
遙想當年網上仍在激烈爭論"到底是學習經典版還是workbench?",而隨著act插件的出現,經典版APDL的絕大部分高級功能已經移植到workbench中,基於workbench平臺的多物理場耦合分析將是未來CAE的發展趨勢,接下來用幾個案例介紹Mechanical的強大。
案例一、外伸梁受力分析
1、問題描述
一根外伸梁受力如下,包括集中力、均布力、彎矩。對其進行靜力學分析,求其支反力、撓度、剪力圖、彎矩圖。(詳見《材料力學》王世斌主編,P102例3-4)
2、分析過程
採用梁單元Beam188模擬,在DM草圖創建四條直線生成一個線體並賦予截面。給梁施加簡支約束,按照圖1載入集中力、均布力和彎矩,如圖2所示。
3、 求解結果
由於施加的集中力為負值,所以剪力圖與理論結果反向。
案例二、細長壓桿失穩分析
1、問題描述
一細長桿件承受壓力載荷,已知桿的橫截面形狀為矩形,截面的高度h和寬度b均為30mm,桿的長度l=2000mm,材料為Q235鋼,彈性模量取2e5MPa,試計算不同約束條件的臨界壓力。
表1 壓桿長度係數
桿橫截面的面積為:
桿的柔度為:
當一端鉸支,一端固支時,Fcr=67979.42N;當兩端固支時,Fcr=133239.65N。
2、分析過程
採用梁單元Beam188模擬,在DM草圖創建直線生成一個線體並賦予截面。
當一端自由,一端固支時,得到模擬值為8326.3N。
圖1 屈曲結果(一端自由一端固支)
當兩端鉸支時,得到模擬值為33291N。
當一端鉸支,一端固支時,得到模擬值為68056N。
當兩端固支時,得到模擬值為132936.04N。
3、結果對比
表2 結果對比
1、問題描述
有一不鏽鋼管子,長20m,內徑0.5m,管厚0.025m,兩端固定支撐,求其不同環境下的固有頻率及振型:
① 在空氣中;
② 管內管外充滿水;
③ 僅管內充滿水;
④ 僅管外充滿水。
對於管子在空氣中的固有頻率,根據材料力學知識,容易得到其固有頻率為
為
表1 固支梁的特徵根值
表2 管子固有頻率
為了對比不同環境下管子的固有頻率結果,管子統一採用實體模型並劃分相同的尺寸,具體模型網格如圖1所示。整體流體域及固體域模型總共42661個節點,21038單元,網格平均偏度為0.423。
圖1 模型網格
在act插件出現以前,在workbench中做濕模態分析需要插入命令流把流體域的實體186單元修改成流體220單元、實體187單元修改成流體221單元,同時通過設置keyopt打開流固耦合面上流體單元的流固耦合功能,定義流體的密度以及聲音在流體的速度,設置流體域外表面的壓力邊界為0,採用非對稱求解器來求解。
act插件出現後,直接把命令流集成在菜單欄中,操作更方便。
3、結果討論
在空氣中的模擬結果如下:
圖4 各階振型(在空氣中)
不同環境下模擬得到管子振型均相同,前三階固有頻率如表3所示。
同理,可以模擬多根不同佈置方式的管子在不同約束條件、不同流體環境下的固有頻率及振型。
案例四、厚壁圓筒應力分析
平面問題,實際結構都是空間結構,所承受的載荷也是空間的。但如果結構具有某種特殊形狀,所承受載荷具有特殊性質,就可以講空間問題簡化為桿繫結構問題、平面問題。
所謂平面問題,是指彈性力學的平面應力問題和平面應變問題。
當結構為均勻薄板,作用在板上的所有面力和體力的方向均平行於板面,而且不沿厚度方向變化,可以近似認為只有平行於板面的三個應力分量
不為零,所以這種問題就稱為平面應力問題。
設有無限長的柱狀體,在柱狀體上作用的面力和體力的方向與橫截面平行,而且不沿長度發生變化。此時,可以近似認為只有平行於橫截面的三個應變分量
不為零,所以這種問題就稱為平面應變問題。
1、問題描述
有一超高壓管道,內徑Ri=17mm,外徑Ro=39mm,承受內壓力pi=300MPa,無軸向壓力,軸向長度視為無窮大。求超高壓管道的徑嚮應力 和周嚮應力 沿半徑r方向的分佈。(詳見《過程設備設計》2.3節厚壁圓筒應力分析,例子源於習題2-8)
根據拉美(Lam )公式,有:
表1 厚壁圓筒的筒壁應力值
2、分析過程
採用2D平面應變分析,根據對稱性取四分之一模型進行模擬。創建新的圓柱坐標系,施加對稱約束或者無摩擦約束,在內孔表面施加壓力載荷,選取半徑作為路徑方便結果後處理。
分析結果如下:
圖4 內外壁面處周嚮應力及徑嚮應力
圖5 應力隨壁厚變化關係
結果對比:
表3 結果對比
3、問題擴展
現假設內壁面溫度為200℃,外壁面溫度為25℃,不受壓力作用。求該高壓管道的徑嚮應力 和周嚮應力 沿半徑r方向的分佈。
表4 厚壁圓筒中的熱應力
圖6 厚壁圓筒中的熱應力分佈
模擬結果如下:
圖7 應力隨壁厚變化關係
表5 結果對比
1、材料彈塑性
大多數工程材料(如鋼材、鋼筋混凝土)在載入變形過程中都存在線彈性階段、屈服階段和強化階段(見下圖)。隨著載荷的增加,結構上應力大的點首先達到屈服強度,發生屈服而使結構進入彈塑性狀態。這時雖然部分材料已進入塑性狀態,但相當大部分仍處於彈性範圍,因而結構仍可繼續承載,直至塑性部分進一步擴展而發生崩塌。
如圖所示鋼製厚壁圓筒,其內徑r1=50mm,外徑r2=100mm,作用在內孔上的自增強壓力p=375MPa,工作壓力p1=250MPa。材料屈服極限????=500MPa。計算自增強處理後厚壁圓筒的承載能力。(參考文獻:徐一凡.考慮材料強化效應的自增強厚壁圓筒應力分析[J].化工設備設計.1991(4):8-12)
根據彈塑性力學理論,由von Mises屈服條件,彈塑性區分界面半徑rc可由下式計算得到:
載入時,厚壁圓筒應力分佈為:
定義材料彈塑性,採用雙線性隨動強化模型。例子簡化為平面應變問題,根據對稱性,取圓筒四分之一併施加垂直於對稱面的約束,指定載荷步數為3,分別模擬自增強、卸載和施加工作載荷三個過程。
定義材料彈塑性,採用雙線性隨動強化模型。例子簡化為平面應變問題,根據對稱性,取圓筒四分之一併施加垂直於對稱面的約束,指定載荷步數為3,分別模擬自增強、卸載和施加工作載荷三個過程。
6、結果對比
誤差範圍內,apdl和wb精度均滿足需求。
7、附錄(命令流)
/CLEAR
/PREP7
ET, 1, 183,,,2
MP, EX, 1, 2E11
MP, PRXY, 1,0 .3
TB, BKIN, 1, 1
TBTEMP, 0
TBDATA, 1, 500E6, 0
PCIRC, 0.1, 0.05, 0, 90
ESIZE, 0.003
MSHKEY, 1
MSHAPE, 0
AMESH, ALL
FINISH
/SOLU
DL, 4,,UY
DL, 2,,UX
AUTOTS, ON
DELTIM, 0.2, 0.1, 0.3
KBC, 0
TIME, 1
SFL, 3, PRES, 375E6
LSWRITE
TIME, 2
SFL, 3, PRES, 0
LSWRITE
TIME, 3
SFL, 3, PRES, 250E6
LSWRITE
LSSOLVE, 1, 3
FINISH
/POST1
RSYS, 1
SET, 1
PLNSOL, S, EQV
FINISH
案例六:Workbench中變截面殼體的實現
1、問題描述
以下圖簡單模型為例,介紹如何在Ansys Workbench中實現變截面殼體:
截面尺寸如圖1所示,梯形短邊長10mm,長邊長20mm,高50mm:
圖1-1 截面尺寸
將截面拉伸100mm,得到所需模型,如圖2所示。
對梯形長邊面施加固定約束,頂端矩形面施加向下壓力5Mpa,分別採用實體solid186單元,實體殼單元solsh190,殼體單元shell181進行模型。
2、實體單元(solid 186)
① 網格
圖2-1
圖2-2
② 結果
圖2-3
圖2-4
3、實體殼單元(solsh190)
① 網格
圖3-1
圖3-2
② 結果
圖3-4
4、殼體單元(shell181)
① 網格
圖4-1
圖4-2
圖4-3
圖4-4
② 結果
圖4-5
圖4-6
5、結果對比
表5-1 各單元結果對比
好了,六個案例講完了,大家自行判斷,"到底是學習經典版還是workbench?"歡迎留言告訴我!
作者:鍾偉良
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