ANSYS 12.0软件培训

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1 ANSYS 12.0 软 件 培 训 热 分 析 编 制 : 许 京 荆 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 华 东 地 区 技 术 支 持 中 心 ANSYS 软 件 华 东 地 区 培 训 中 心

2 第 1 章 绪 论 内 容 目 录 1.1 ANSYS 软 件 概 述 1.2 ANSYS 12.0 新 功 能 介 绍 第 2 章 ANSYS12.0 Workbench 平 台 的 使 用 2.1 有 限 元 分 析 与 ANSYS12.0 Workbench 2.2 ANSYS12.0 Workbench 工 程 仿 真 分 析 一 般 过 程 ANSYS12.0 Workbench 界 面 分 析 系 统 加 入 工 程 图 解 使 用 分 析 系 统 使 用 Workbench 功 能 添 加 关 联 分 析 系 统 参 数 化 设 计 及 工 程 仿 真 优 化 自 定 义 工 程 仿 真 分 析 流 程 2.3 ANSYS12.0 Workbench 窗 口 管 理 Workbench 窗 口 管 理 功 能 Workbench 窗 口 相 互 切 换 Workbench 窗 口 紧 凑 模 式 第 3 章 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 3.1 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 DesignModeler 用 户 界 面 选 择 过 滤 器 及 案 例 长 度 单 位 草 图 模 式 平 面 和 草 图 及 案 例 绘 制 草 图 及 案 例 草 图 标 注 及 案 例 草 图 约 束 及 案 例 编 辑 草 图 及 案 例 草 图 援 引 及 案 例 草 图 技 巧 D 实 体 模 型 体 和 零 件 D 特 征 布 尔 操 作 及 案 例 特 征 方 向 特 征 类 型 特 征 创 建 及 案 例 D 实 体 建 模 案 例 - 排 气 装 置 概 念 建 模 及 案 例 创 建 线 体 及 案 例 D 曲 线 特 征 及 案 例 创 建 面 体 及 案 例 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

3 第 4 章 高 级 工 具 及 案 例 冰 冻 Freeze 及 案 例 解 冻 Unfreeze 命 名 选 择 Named Selection 接 合 Joint 包 围 Enclosure 及 案 例 填 充 Fill 及 案 例 抽 取 中 面 Mid-Surface 与 表 面 延 伸 Face Extend 及 案 例 切 片 Slice ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 4.1 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 概 述 4.2 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 方 法 4.3 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 控 制 网 格 划 分 用 户 界 面 网 格 划 分 方 法 网 格 局 部 尺 寸 控 制 Sizing 接 触 区 域 网 格 控 制 Contact Sizing 网 格 局 部 单 元 细 化 Refinement 映 射 面 网 格 划 分 Mapped Face meshing 面 匹 配 网 格 划 分 Match Control 虚 拟 拓 扑 工 具 Virtual Topology 4.4 网 格 划 分 控 制 案 例 转 动 曲 柄 装 配 体 4.5 多 体 零 件 共 享 拓 扑 印 记 面 及 匹 配 网 格 划 分 案 例 4.6 装 配 体 薄 层 扫 略 网 格 划 分 及 案 例 第 5 章 ANSYS12.0 热 分 析 5.1 ANSYS12.0 热 分 析 概 述 传 热 基 本 方 式 传 热 过 程 稳 态 传 热 和 瞬 态 传 热 线 性 与 非 线 性 符 号 与 单 位 材 料 属 性 几 何 模 型 接 触 分 析 设 置 载 荷 和 边 界 条 件 结 果 与 后 处 理 5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal 稳 态 热 分 析 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 概 述 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 方 法 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 短 圆 柱 体 的 热 传 导 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

4 5.2.4 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 保 温 桶 的 对 流 传 热 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal 瞬 态 热 分 析 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 概 述 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 方 法 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 钢 球 淬 火 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 电 路 板 瞬 态 传 热 问 题 问 题 描 述 数 值 模 拟 过 程 第 6 章 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 6.1 多 物 理 场 耦 合 分 析 概 述 6.2 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 方 法 6.3 ANSYS12.0 结 构 - 热 耦 合 分 析 案 例 辐 射 杆 件 热 应 力 问 题 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 6.4 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 概 述 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 方 法 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 导 线 传 热 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 热 电 制 冷 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 热 电 发 生 器 问 题 描 述 问 题 分 析 数 值 模 拟 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

5 第 1 章 绪 论 1.1 ANSYS 软 件 概 述 计 算 机 辅 助 工 程 技 术 CAE, 即 Computer Aided Engineering, 已 经 得 到 越 来 越 广 泛 的 使 用,CAE 的 技 术 种 类 有 很 多, 其 中 包 括 有 限 元 法 FEM, 即 Finite Element Method, 边 界 元 法 BEM, 即 Boundary Element Method, 有 限 差 分 法 FDM, 即 Finite Difference Element Method 等 每 一 种 方 法 各 有 其 应 用 的 领 域, 而 其 中 有 限 元 法 应 用 的 领 域 越 来 越 广, 现 已 应 用 于 结 构 静 力 学 结 构 动 力 学 热 力 学 流 体 力 学 电 路 学 电 磁 学 等 ANSYS 软 件 是 融 结 构 流 体 电 场 磁 场 声 场 分 析 于 一 体 的 大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS 软 件 由 美 国 ANSYS 开 发, 提 供 CATIA,UG,PRO/E 等 主 流 CAD 软 件 的 数 据 接 口 作 为 现 代 产 品 设 计 中 的 高 级 CAE 工 具,ANSYS 软 件 是 第 一 个 通 过 ISO9001 质 量 认 证 的 大 型 分 析 设 计 类 软 件, 是 美 国 机 械 工 程 师 协 会 (ASME) 美 国 核 安 全 局 (NQA) 及 近 二 十 种 专 业 技 术 协 会 认 证 的 标 准 分 析 软 件 在 国 内 第 一 个 通 过 了 中 国 压 力 容 器 标 准 化 技 术 委 员 会 认 证 并 在 国 务 院 十 七 个 部 委 推 广 使 用 ANSYS 有 限 元 软 件 包 是 一 个 多 用 途 的 有 限 元 法 计 算 机 设 计 程 序, 可 以 用 来 求 解 结 构 流 体 电 力 电 磁 场 及 碰 撞 等 问 题 因 此 它 可 应 用 于 以 下 工 业 领 域 : 航 空 航 天 汽 车 工 业 生 物 医 学 桥 梁 建 筑 电 子 产 品 重 型 机 械 微 机 电 系 统 运 动 器 械 等 ANSYS 软 件 是 开 放 灵 活 的 数 值 模 拟 软 件, 其 为 产 品 设 计 的 每 一 阶 段 提 供 解 决 方 案, 包 括 通 用 多 物 理 场 数 值 模 拟, 行 业 分 析, 模 型 建 造, 设 计 分 析, 多 目 标 优 化, 客 户 化 结 构 分 析 解 决 方 案,ANSYS 软 件 成 为 从 事 工 程 研 究 与 分 析 的 广 大 企 事 业 单 位, 研 究 院 所 广 泛 使 用 的 计 算 分 析 工 具 1.2 ANSYS12.0 新 功 能 介 绍 2009 年 6 月,ANSYS12.0 在 中 国 正 式 推 出, 作 为 一 个 大 型 的 CAE 分 析 软 件,ANSYS 自 上 个 世 纪 七 十 年 代 诞 生 以 来, 随 着 计 算 机 和 有 限 元 理 论 的 发 展, 在 各 个 领 域 得 到 了 高 度 的 评 价 和 广 泛 的 应 用 伴 随 着 版 本 的 更 新, 分 析 能 力 和 各 项 操 作 功 能 都 得 到 了 更 好 的 完 善 和 发 展 ANSYS12.0 不 仅 在 计 算 速 度 上 进 行 了 改 进, 同 时 增 强 了 软 件 的 几 何 处 理 网 格 划 分 和 后 处 理 等 能 力 另 外, 它 还 将 创 新 的 耳 目 一 新 的 数 值 模 拟 技 术 引 入 各 主 要 物 理 学 科 这 些 改 进 代 表 了 数 值 模 拟 驱 动 产 品 的 发 展 道 路 又 向 前 迈 出 了 一 步 ( 注 : 本 章 节 的 内 容 源 自 ANSYS 官 网 ) ANSYS12.0 Workbench ANSYS12.0 Workbench 作 为 一 个 框 架, 整 合 现 有 的 应 用, 将 数 值 模 拟 过 程 结 合 在 一 起, 在 工 程 页 引 入 了 工 程 流 程 图 的 概 念, 见 图 1-1 通 过 该 项 功 能, 一 个 复 杂 的 包 含 多 场 分 析 的 物 理 问 题, 通 过 系 统 间 的 连 接 实 现 相 关 性 图 表 元 素 右 边 的 状 态 符 号 显 示 了 该 项 设 置 是 否 需 要 更 新 输 入 等, 方 便 使 用 者 查 看 设 置 状 态 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

6 图 1-1 ANSYS12.0 Workbench 工 程 页 图 1-2 ANSYS12.0 Workbench 核 心 应 用 程 序 界 面 此 外,ANSYS12.0 Workbench 平 台 还 可 以 作 为 一 个 应 用 开 发 框 架, 提 供 项 目 全 脚 本 报 告 用 户 界 面 (UI) 工 具 包 和 标 准 的 数 据 接 口, 该 功 能 将 随 后 发 布 在 ANSYS12.0 版 本 中, 工 程 数 据 和 DesignExploration 将 不 再 是 独 立 的 应 用 程 序, 通 过 工 具 箱 它 们 被 重 新 设 计 整 合 在 ANSYS12.0 Workbench 工 程 页 下 尽 管 工 程 页 做 了 较 大 调 整, 但 Workbench 的 核 心 应 用 程 序 及 操 作 界 面 并 无 大 的 改 变, 见 图 1-2 在 这 个 创 新 的 框 架 下, 工 程 师 可 以 完 成 一 个 完 整 的 数 值 模 拟, 包 括 CAD 集 成 几 何 修 改 和 网 格 划 分 工 程 页 的 概 念 流 程 图 帮 助 指 导 使 用 者 完 成 复 杂 的 分 析, 说 明 和 明 确 数 据 关 系, 捕 捉 自 动 化 的 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

7 几 何 & 网 格 划 分 ANSYS12.0 在 其 深 厚 的 知 识 和 经 验 的 基 础 上, 融 合 了 丰 富 的 几 何 和 网 格 划 分 技 术, 整 合 后 的 几 何 和 网 格 划 分 解 决 方 案, 在 不 同 的 分 析 应 用 中 可 以 共 享 几 何 和 网 格 信 息, 对 几 何 接 口 进 行 了 增 强, 通 过 几 何 接 口 使 用 者 可 以 从 CAD 系 统 中 输 入 更 多 的 信 息, 包 括 新 的 数 据 类 型 如 : 用 于 模 拟 梁 的 线 体 ; 附 加 属 性 如 颜 色 坐 标 系 及 在 CAD 系 统 中 改 进 的 命 名 选 择 等 前 处 理 大 模 型 时, 支 持 64 位 操 作 系 统, 可 以 对 几 何 进 行 智 能 有 选 择 更 新 另 外,ANSYS12.0 Workbench 增 强 了 创 建 几 何 的 功 能, 提 供 了 更 多 的 自 动 化 功 能 和 更 强 的 适 应 性, 增 加 了 合 并 连 接 和 映 射 等 功 能 用 于 曲 面 建 模 新 增 工 具 可 以 自 动 探 测 处 理 常 见 问 题, 如 小 边 碎 面 孔 洞 裂 痕 以 及 尖 角 面 新 版 本 对 几 何 模 型 的 修 改 和 处 理 速 度 更 快 图 1-3 显 示 了 清 除 前 后 的 飞 机 模 型 图 1-3 采 用 几 何 清 除 工 具 前 后 的 飞 机 模 型 自 动 网 格 划 分 解 决 方 案 在 流 体 动 力 学 中 取 得 了 很 好 的 结 果 应 用 GAMBIT 和 TGrid 的 网 格 附 加 功 能, 可 以 在 最 少 输 入 情 况 下, 自 动 生 成 合 适 的 进 行 计 算 流 体 动 力 学 分 析 的 四 面 体 网 格 另 外, 它 融 合 了 高 级 尺 寸 函 数 ( 与 GAMBIT 相 似 ) 棱 柱 及 四 面 体 网 格 ( 来 自 TGRID) 及 其 他 网 格 划 分 技 术, 改 进 了 网 格 平 滑 度 网 格 质 量 划 分 速 度 曲 率 近 似 功 能 捕 捉 边 界 分 层 捕 捉 等 功 能 尽 管 许 多 功 能 是 出 于 流 体 动 力 学 的 应 用 而 改 进 的, 但 是 它 们 仍 然 可 以 用 于 其 他 数 值 模 拟 分 析 应 用 如 结 构 分 析 的 用 户 可 以 应 用 这 些 功 能, 得 到 自 动 化 和 高 质 量 的 网 格 新 增 多 区 域 网 格 划 分 方 法 使 用 户 在 不 进 行 几 何 分 割 的 情 况 下, 可 以 对 复 杂 的 几 何 模 型 划 分 纯 六 面 体 网 格, 图 1-4 为 对 制 动 器 转 子 执 行 一 次 操 作 所 得 到 的 六 面 体 网 格 多 物 理 场 图 1-4 制 动 器 转 子 六 面 体 网 格 新 版 本 扩 展 了 多 场 求 解 功 能 新 增 功 能 及 增 强 功 能 可 以 处 理 直 接 耦 合 和 顺 序 耦 合 的 多 物 理 场 问 题,ANSYS12.0 Workbench 下 的 多 场 数 值 模 拟 速 度 比 以 前 更 快 ANSYS12.0 将 求 解 器 技 术 整 合 在 一 个 统 一 的 数 值 模 拟 环 境 中, 为 多 场 求 解 提 供 了 更 有 效 的 工 作 流 程 扩 展 分 布 式 稀 疏 求 解 器 功 能, 支 持 共 享 和 分 布 式 计 算 环 境 下 的 非 对 称 和 复 杂 矩 阵 这 种 新 的 求 解 技 术 极 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

8 大 的 缩 短 了 某 些 直 接 耦 合 解 决 方 案 的 执 行 时 间, 如 : 包 含 Peltier 和 Seebeck 效 应 的 耦 合 场 分 析, 及 热 电 耦 合 分 析 等 此 外, 可 以 应 用 直 接 耦 合 单 元 模 拟 多 孔 介 质 的 渗 流 ANSYS12.0 Workbench 框 架 支 持 直 接 耦 合 场 分 析, 相 关 的 直 接 耦 合 场 单 元 (SOLID226 和 SOLID227) 支 持 热 电 耦 合 此 外, 还 有 一 个 热 电 耦 合 分 析 系 统 支 持 温 度 相 关 材 料 的 焦 耳 传 热 分 析 和 高 级 热 电 效 应, 如 Peltier 和 Seebeck 效 应 该 新 技 术 的 应 用 领 域 包 括 集 成 电 路 电 子 轨 道 排 线 和 热 电 制 冷 装 置 的 焦 耳 热 分 析 图 1-5 Workbench 热 电 分 析 (WEG 电 子 装 备 授 权 ) 流 固 耦 合 功 能 中 提 出 了 一 种 新 的 Immersed Solid FSI 算 法 这 是 一 种 基 于 网 格 重 叠 的 技 术, 流 体 和 固 体 区 域 各 自 拥 有 一 套 网 格, 该 算 法 可 以 帮 助 工 程 师 模 拟 流 场 中 运 动 刚 体 与 流 体 之 间 的 相 互 作 用 ANSYS12.0 流 固 耦 合 的 另 外 一 个 新 功 能 就 是 可 以 通 过 求 解 非 线 性 雷 诺 压 膜 方 程 来 解 决 FSI 涉 及 到 薄 液 膜 的 非 线 性 瞬 态 应 用 12.0 版 本 提 供 了 另 外 一 个 FSI 功 能 : 该 功 能 采 用 ANSYS12.0 FLUENT 软 件 作 为 CFD 求 解 器 来 进 行 单 向 流 固 耦 合 计 算, 基 于 ANSYS12.0 CFX-Post, 可 以 使 表 面 温 度 和 表 面 力 在 ANSYS12.0 FLUENT 和 ANSYS12.0 Mechanical 产 品 之 间 进 行 单 向 载 荷 传 递 结 构 力 学 12.0 版 本 在 结 构 应 用 中 的 驱 动 工 程 设 计 过 程 功 能 得 到 了 很 大 的 改 进 许 多 新 增 功 能 及 工 具 整 合 到 ANSYS12.0 Workbench 平 台 中, 以 缩 短 整 体 求 解 时 间 另 外, 在 单 元 材 料 接 触 求 解 性 能 线 性 动 力 学 刚 体 动 力 学 及 柔 体 动 力 学 上 也 集 中 进 行 了 改 进 图 1-6 涡 轮 机 叶 片 裂 纹 分 析 ( 经 PADT 许 可 ) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

9 ANSYS12.0 中 最 引 人 注 目 的 新 单 元 是 用 于 超 弹 性 或 成 型 应 用 中 模 拟 复 杂 几 何 的 4 节 点 四 面 体 单 元 它 缩 短 了 从 几 何 到 求 解 的 分 析 时 间, 同 时 保 证 了 求 解 的 精 确 度 材 料 方 面, 在 原 有 众 多 选 择 的 基 础 上 引 入 了 几 个 新 材 料, 如 Gurson 材 料, 可 用 于 模 拟 聚 合 体 及 聚 合 体 复 合 材 料 等 装 配 体 分 析 在 数 值 模 拟 中 越 来 越 重 要,ANSYS12.0 增 强 了 高 级 接 触 属 性, 开 发 了 包 含 许 多 附 加 接 触 模 拟 特 征, 包 括 新 增 接 触 算 法 自 动 去 除 过 约 束 接 触 对 修 整 等 功 能, 在 求 解 接 触 问 题 时 得 到 了 极 大 的 改 进, 缩 短 了 求 解 时 间, 加 快 了 求 解 速 度 ANSYS12.0 改 善 了 求 解 器 性 能, 新 增 一 个 新 的 模 态 求 解 器, 称 为 SNODE, 用 于 求 解 大 模 型 ( 超 过 100 万 自 由 度 ) 的 大 数 量 振 型 ( 几 百 阶 振 型 ) 并 行 求 解 器 DANSYS 的 功 能 也 进 行 了 改 进, 支 持 低 频 电 磁 分 析 高 频 电 磁 分 析 PSTRESS PSOLVE 及 循 环 对 称 分 析, 可 以 有 效 的 解 决 电 磁 问 题 转 子 动 力 学 问 题 及 循 环 对 称 和 应 力 强 化 问 题, 节 约 求 解 时 间, 图 7 为 所 用 并 行 数 目 对 求 解 时 间 的 影 响 图 1-7 DANSYS12.0 求 解 效 率 对 此 ANSYS12.0 Structural Mechanical 及 Multiphysics 在 刚 体 动 力 学 及 柔 体 动 力 学 功 能 上 做 了 改 进, 可 以 快 速 处 理 机 构 问 题 另 外, 对 数 据 及 过 程 的 众 多 改 进 增 加 了 ANSYS 刚 体 动 力 学 数 值 模 拟 的 易 用 性 流 体 动 力 学 ANSYS12.0 将 流 体 产 品 完 全 整 合 进 入 ANSYS12.0 Workbench 环 境, 以 在 该 环 境 下 进 行 数 值 模 拟 工 作 流 程 的 管 理 用 户 可 以 采 用 ANSYS12.0 CFX 或 ANSYS12.0 Fluent 软 件 来 创 建 连 接 重 复 使 用 系 统 来 完 成 自 动 参 数 化 分 析, 然 后 进 行 多 物 理 场 无 缝 管 理 数 值 模 拟 图 1-8 内 燃 机 腔 内 流 体 数 值 模 拟 结 果 ANSYS 一 直 坚 持 不 懈 的 致 力 于 改 进 求 解 器 速 度, 以 使 所 有 用 户 从 中 受 益 囊 括 工 业 应 用 的 一 系 列 案 例 显 示,ANSYS12.0 CFX 和 ANSYS12.0 Fluent 求 解 器 速 度 已 经 提 高 了 百 分 之 十 到 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

10 百 分 之 二 十, 甚 至 更 多 ANSYS12.0 Fluent 通 过 显 式 松 弛 增 加 了 密 度 基 隐 式 求 解 器 的 稳 健 性, 采 用 递 推 映 射 方 法 选 项 来 提 高 稳 定 性 ( 耦 合 压 力 基 求 解 器 ), 极 大 的 增 强 了 求 解 器 性 能 另 外, 程 序 的 易 用 性 在 很 多 方 面 得 到 了 提 高 ANSYS12.0 Fluent 采 用 单 视 框 用 户 图 形 界 面, 以 便 和 Workbench 中 的 其 他 分 析 应 用 保 持 一 致, 同 时 改 进 了 TUI 日 志 的 鲁 棒 性, 扩 展 了 Case Check 的 推 荐 功 能, 在 用 户 界 面 发 展 史 上 又 前 进 了 一 步 ANSYS12.0 CFX 软 件 界 面 风 格 上 的 主 要 改 进 在 于 增 加 了 图 形 用 户 界 面 (GUI) ANSYS12.0 的 一 个 新 功 能 允 许 用 户 定 制 界 面 外 观, 包 括 创 建 附 加 输 入 面 板 定 制 面 板 通 过 GUI 布 局 和 必 要 的 输 入 进 行 控 制, 将 常 用 操 作 及 基 本 过 程 封 装 一 起 数 值 模 拟 过 程 及 数 据 管 理 在 今 天 全 球 化 环 境 中, 数 值 模 拟 和 设 计 不 断 整 合, 使 有 效 的 合 作 和 交 流 成 为 产 品 开 发 必 不 可 少 的 一 部 分 ANSYS12.0 工 程 知 识 管 理 (EKM) 解 决 方 案 旨 在 解 决 数 值 模 拟 和 CAE 界 的 数 值 模 拟 过 程 和 数 据 管 理 (SPDM) 难 题 ANSYS12.0 EKM 内 容 包 括 如 何 更 好 的 管 理 共 享 重 复 使 用 数 值 模 拟 数 据 以 及 如 何 更 好 的 捕 捉 和 重 复 使 用 数 值 模 拟 结 果 等 工 程 专 业 技 术 ANSYS12.0 EKM 共 有 三 个 版 本 :ANSYS12.0 EKM Desktop ANSYS12.0 EKM Workgroup 和 ANSYS12.0 EKM Enterprise 这 三 个 版 本 分 别 面 向 个 人 用 户 工 作 组 及 企 业 级 用 户 ANSYS12.0 EKM Desktop 是 ANSYS12.0 EKM 产 品 中 单 用 户 局 部 环 境 版 本, 作 为 ANSYS12.0 的 一 部 分, 已 经 集 成 于 ANSYS12.0 Workbench 环 境, 通 过 提 供 数 据 搜 索 修 补 和 报 告 特 性, 解 决 已 有 数 值 模 拟 任 务 的 重 复 使 用, 满 足 单 个 用 户 的 数 据 管 理 需 求, 提 高 生 产 力 和 效 率 应 用 ANSYS12.0 Emag 由 于 Ansoft 和 ANSYS 开 发 团 队 的 组 合,ANSYS12.0 将 Ansoft 电 子 设 计 分 析 产 品 融 入 ANSYS12.0 框 架,ANSYS12.0 使 用 者 将 很 快 在 ANSYS12.0 中 从 改 进 和 扩 展 的 Electromagnetic 功 能 中 获 益 ANSYS12.0 中 的 Emag 软 件 包 含 了 一 个 新 的 用 于 低 频 电 磁 数 值 模 拟 3D 实 体 单 元 家 族 (SOLID236 和 SOLID237), 可 用 于 模 拟 静 磁 时 谐 分 析 和 瞬 态 电 磁 场 分 析 用 户 可 以 在 大 多 数 的 低 频 电 磁 应 用 中 采 用 这 些 新 单 元, 如 电 机 螺 线 管 等 电 磁 设 备 图 1-9 SOLID236 和 SOLID237 和 新 的 绞 线 选 项 求 解 的 非 线 性 瞬 态 分 析 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

11 显 式 动 力 学 ANSYS12.0 在 显 式 动 力 学 领 域 倾 注 了 大 量 的 精 力, 包 括 附 加 新 产 品, 使 该 技 术 对 于 无 使 用 经 验 者 也 易 于 使 用 另 外, 增 强 ANSYS12.0 LS-DYNA 和 ANSYS12.0 AUTODYN 产 品 功 能, 为 用 户 提 供 更 大 的 便 利 新 增 ANSYS12.0 Explicit STR 软 件, 它 基 于 ANSYS12.0 AUTODYN 产 品 的 拉 氏 算 子 部 分, 是 ANSYS12.0 Workbench 界 面 第 一 个 本 地 显 式 软 件 该 技 术 可 用 于 满 足 固 体 流 体 气 体 及 它 们 之 间 相 互 作 用 的 非 线 性 动 力 学 数 值 模 拟, 对 已 有 Workbench 环 境 使 用 经 验 的 使 用 者, 该 软 件 有 更 好 的 适 用 性 图 1-10 ANSYS12.0Explicit STR 应 用 实 例 ANSYS 的 新 增 功 能 和 增 强 功 能 还 有 很 多, 本 文 未 作 一 一 阐 述 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

12 第 2 章 ANSYS12.0 Workbench 平 台 的 使 用 2.1 有 限 元 分 析 与 ANSYS12.0 Workbench 由 于 计 算 规 模 和 计 算 方 法 的 限 制, 早 期 的 FEA 工 具 只 能 用 来 求 解 一 些 简 化 的 2D 稳 态 线 性 工 程 问 题 随 着 数 字 技 术 的 发 展 及 计 算 能 力 的 提 高, 越 来 越 多 的 复 杂 问 题 可 由 数 值 模 拟 分 析 工 具 解 决 事 实 上, 实 际 的 工 程 问 题 往 往 涉 及 结 构 流 体 流 动 热 传 导 电 磁 学 等 各 种 不 同 的 物 理 环 境, 而 解 决 这 些 领 域 中 的 工 程 问 题, 有 限 元 方 法 已 经 得 到 成 功 且 广 泛 的 应 用 多 数 情 况 下, 使 用 对 称 反 对 称 平 面 应 力 平 面 应 变 等 简 化 假 定 能 更 有 效 的 完 成 3D 模 型 的 数 值 模 拟 分 析 也 就 是 说, 如 果 工 程 问 题 满 足 简 化 条 件, 我 们 就 应 该 使 用 这 些 简 化 假 设, 而 不 必 进 行 3D 整 体 模 型 的 数 值 模 拟 分 析 ANSYS12.0 Workbench 有 限 元 数 值 模 拟 分 析 软 件 用 来 模 拟 复 杂 的 多 物 理 场 环 境 的 实 际 工 程 问 题, 它 在 工 程 页 面 引 入 了 工 程 流 程 图 的 概 念, 通 过 各 个 分 析 系 统 间 的 连 接, 将 数 值 模 拟 过 程 结 合 在 一 起, 每 个 分 析 系 统 的 数 值 模 拟 过 程 一 般 是 采 用 简 化 假 定 或 者 真 实 的 物 理 模 型, 将 CAD 模 型 构 造 成 有 限 元 网 格 模 型, 再 通 过 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 后 运 行 求 解 得 到 分 析 结 果, 分 析 系 统 之 间 通 过 共 同 变 量 建 立 关 联 ANSYS12.0 Workbench 提 供 的 分 析 类 型 如 下 : 结 构 静 力 分 析 用 来 求 解 外 载 荷 引 起 的 位 移 应 力 和 约 束 反 力 静 力 分 析 很 适 合 求 解 惯 性 和 阻 尼 对 结 构 的 影 响 并 不 显 著 的 问 题 静 力 分 析 不 仅 可 以 进 行 线 性 分 析, 而 且 也 可 以 进 行 非 线 性 分 析, 结 构 非 线 性 导 致 结 构 或 部 件 的 响 应 随 外 载 荷 不 成 比 例 变 化 可 求 解 的 静 态 非 线 性 问 题, 包 括 材 料 非 线 性 : 如 塑 性 大 应 变 ; 几 何 非 线 性 : 如 膨 胀 大 变 形 ; 单 元 非 线 性 如 接 触 分 析 等 结 构 动 力 学 分 析 结 构 动 力 学 分 析 用 来 求 解 随 时 间 变 化 的 载 荷 对 结 构 或 部 件 的 影 响 与 静 力 分 析 不 同, 动 力 分 析 要 考 虑 随 时 间 变 化 的 力 载 荷 以 及 它 对 阻 尼 和 惯 性 的 影 响 动 力 学 分 析 可 以 分 析 大 型 三 维 柔 体 和 刚 体 运 动 当 运 动 的 积 累 影 响 起 主 要 作 用 时, 可 使 用 这 些 功 能 分 析 复 杂 结 构 在 空 间 中 的 运 动 特 性, 并 确 定 结 构 中 由 此 产 生 的 应 力 应 变 和 变 形 结 构 动 力 学 分 析 类 型 包 括 : 模 态 分 析 谐 波 响 应 分 析 响 应 谱 分 析 随 机 振 动 响 应 分 析 瞬 态 动 力 学 分 析 显 式 动 力 分 析 等 热 分 析 热 分 析 可 处 理 热 传 递 的 三 种 基 本 类 型 : 传 导 对 流 和 辐 射 热 传 递 的 三 种 类 型 均 可 进 行 稳 态 和 瞬 态 线 性 和 非 线 性 分 析 热 分 析 应 用 于 热 处 理 问 题 电 子 封 装 发 动 机 组 压 力 容 器 流 固 耦 合 问 题 热 结 构 耦 合 的 热 应 力 问 题 等 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

13 流 体 动 力 学 分 析 ANSYS12.0 流 体 动 力 学 分 析 包 含 CFX 和 Fluent, 分 析 类 型 可 以 为 瞬 态 或 稳 态 分 析 结 果 可 以 是 每 个 节 点 的 压 力 和 通 过 每 个 单 元 的 流 速 并 且 可 以 利 用 后 处 理 功 能 产 生 压 力 流 速 和 温 度 分 布 的 图 形 显 示 电 磁 场 分 析 主 要 用 于 电 磁 场 问 题 的 分 析, 如 电 感 电 容 磁 通 量 密 度 涡 流 电 场 分 布 磁 力 线 分 布 力 运 动 效 应 电 路 和 能 量 损 失 等 还 可 用 于 螺 线 管 变 压 器 发 电 机 电 解 槽 及 无 损 检 测 装 置 等 设 计 和 分 析 领 域 耦 合 场 分 析 通 过 直 接 耦 合 或 载 荷 传 递 顺 序 耦 合 求 解 不 同 场 的 交 互 作 用, 用 于 分 析 诸 如 流 体 - 结 构 耦 合 结 构 - 热 耦 合 热 电 耦 合 等 问 题 2.2 ANSYS12.0 WORKBENCH 工 程 数 值 模 拟 分 析 一 般 过 程 通 常 下 面 的 过 程 可 以 完 成 一 般 的 有 限 元 数 值 模 拟, 然 而, 值 得 提 示 的 是, 利 用 Workbench 平 台 模 拟 不 同 分 析 类 型 的 工 程 问 题 时, 比 如 静 力 分 析 动 力 分 析 自 由 振 动 等, 这 些 分 析 类 型 中 可 能 包 含 不 同 的 材 料 非 线 性 瞬 态 载 荷 刚 体 运 动 等 特 征, 这 就 需 要 增 加 相 应 的 属 性 定 义 以 帮 助 完 成 分 析 ANSYS12.0 Workbench 工 程 数 值 模 拟 一 般 过 程 如 下 : 1 选 择 工 程 问 题 的 分 析 类 型, 将 分 析 系 统 加 入 工 程 流 程 图 2 使 用 分 析 系 统 3 DesignModeler 建 立 几 何 模 型 或 CAD 接 口 关 联 几 何 模 型 4 利 用 提 供 的 工 程 材 料 或 自 定 义 来 分 配 材 料 属 性 5 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 6 设 置 需 要 求 解 得 到 的 结 果 7 计 算 求 解 8 查 看 评 估 结 果 9 添 加 关 联 系 统 10 查 看 参 数 和 设 计 点 11 生 成 有 限 元 数 值 模 拟 分 析 报 告 ANSYS12.0 Workbench 界 面 ANSYS12.0 Workbench 中 采 用 Workbench 2.0 的 框 架 体 系,Workbench 2.0 整 合 所 有 的 功 能, 将 不 同 分 析 类 型 的 数 值 模 拟 过 程 结 合 在 一 起, 和 以 往 的 版 本 不 同,Workbench 2.0 中 引 入 工 程 流 程 图 的 方 式 管 理 工 程 项 目, 通 过 该 功 能, 一 个 复 杂 的 多 物 理 场 分 析 问 题, 通 过 系 统 间 的 相 互 关 联 来 实 现 图 2-1 是 Workbench 界 面, 该 界 面 由 以 下 区 域 构 成 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

14 图 2-1 ANSYS12.0 Workbench 界 面 1 主 菜 单 ( 图 2-2) 主 菜 单 包 括 基 本 的 菜 单 系 统, 如 文 件 操 作 File, 窗 口 显 示 View, 提 供 工 具 Tools, 单 位 制 Units, 帮 助 信 息 Help 2 基 本 工 具 条 ( 图 2-3) 图 2-2 主 菜 单 基 本 工 具 条 包 括 常 用 命 令 按 钮, 如 新 建 文 件 New, 打 开 文 件 Open, 保 存 文 件 Save, 另 存 为 文 件 Save As, 导 入 模 型 Import, 紧 凑 视 图 模 式 Compact Mode 图 2-3 基 本 工 具 条 3 工 具 箱 ( 图 2-4) Workbench 界 面 左 侧 是 工 具 箱, 工 具 箱 窗 口 中 包 含 了 工 程 数 值 模 拟 所 需 的 各 类 模 块 工 具 箱 包 括 分 析 系 统 Analysis Systems, 如 图 2-4, 分 析 系 统 显 示 不 同 的 分 析 类 型 见 表 2-1 组 件 系 统 Component Systems, 如 图 2-5, 组 件 系 统 显 示 不 同 的 组 件 类 型 见 表 2-2 自 定 义 系 统 CustomSystems, 设 计 优 化 Design Exploration 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

15 表 2-1 分 析 系 统 说 明 分 析 类 型 Electric (ANSYS) Explicit Dynamics (ANSYS) Fluid Flow (CFX) Fluid Flow (Fluent) Hamonic Response (ANSYS) Linear Buckling (ANSYS) Magnetostatic (ANSYS) Modal (ANSYS) Random Vibration (ANSYS) Response Spectrum (ANSYS) Shape Optimization (ANSYS) Static Structural (ANSYS) Steady-State Thermal (ANSYS) Thermal-Electric (ANSYS) Transient Structural(ANSYS) Transient Structural(MBD) Transient Thermal(ANSYS) 说 明 ANSYS 电 场 分 析 ANSYS 显 式 动 力 学 分 析 CFX 流 体 分 析 FLUENT 流 体 分 析 ANSYS 谐 响 应 分 析 ANSYS 线 性 屈 曲 ANSYS 静 磁 场 分 析 ANSYS 模 态 分 析 ANSYS 随 机 振 动 分 析 ANSYS 响 应 谱 分 析 ANSYS 形 状 优 化 分 析 ANSYS 结 构 静 力 分 析 ANSYS 稳 态 热 分 析 ANSYS 热 电 耦 合 分 析 ANSYS 结 构 瞬 态 分 析 MBD 多 体 结 构 动 力 分 析 ANSYS 瞬 态 热 分 析 图 2-4 分 析 系 统 表 2-2 组 件 类 型 说 明 图 2-5 组 件 系 统 4 工 程 流 程 图 组 件 类 型 AUTODYN BladeGen CFX Engineering Data Explicit Dynamic (LS-DYNA) Finite Element Modeler FLUNET Geometry Mechanical APDL Mechanical Model Mesh Results TurboGrid Vista TF 说 明 AUTODYN 非 线 性 显 式 动 力 分 析 涡 轮 机 械 叶 片 设 计 工 具 CFX 高 端 流 体 分 析 工 具 工 程 数 据 工 具 LS-DYNA 显 式 动 力 分 析 FEM 有 限 元 模 型 工 具 FLUNET 流 体 分 析 几 何 建 模 工 具 机 械 APDL 命 令 机 械 分 析 模 型 网 格 划 分 工 具 结 果 后 处 理 工 具 涡 轮 叶 栅 通 道 网 格 生 成 工 具 叶 片 二 维 性 能 评 估 工 具 在 ANSYS12.0 Workbench 中 工 程 流 程 图 是 管 理 工 程 的 一 个 区 域, 如 图 2-1 右 侧 所 示, 分 析 系 统 和 各 个 组 件 都 可 以 加 入 工 程 流 程 图, 并 建 立 关 联 对 于 熟 悉 ANSYS11.0 Workbench 的 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

16 使 用 者 来 说, 使 用 工 程 页 面 管 理 数 值 模 拟 文 件 并 不 是 件 困 难 的 事 在 ANSYS12.0 版 本 里, 工 程 页 面 的 文 件 管 理 被 分 析 流 程 所 取 代 Project Schematic 工 程 流 程 图 窗 口 引 入 图 表 显 示 方 式 管 理 整 个 工 程, 依 靠 引 入 分 析 系 统, 描 述 工 作 流 程 及 使 用 ANSYS12.0 Workbench 中 的 各 项 功 能 分 析 系 统 加 入 工 程 流 程 图 下 面 使 用 ANSYS12.0 Workbench 开 始 一 个 工 程 数 值 模 拟 过 程, 先 关 闭 Getting Started 欢 迎 界 面, 按 住 鼠 标 左 键, 将 需 要 的 流 体 分 析 类 型 Fluid Flow(CFX) 从 工 具 箱 窗 口 拖 入 工 程 流 程 图 窗 口, 如 图 2-6, 在 此 我 们 可 以 看 到, 由 于 选 择 了 CFX 流 体 分 析 系 统, 工 程 流 程 图 中 就 会 生 成 CFX 流 体 分 析 图 表,CFX 流 体 分 析 图 表 显 示 了 执 行 CFX 流 体 分 析 的 工 作 流 程, 其 中 每 一 个 单 元 格 命 令 分 别 代 表 CFX 流 体 分 析 过 程 中 所 需 的 每 个 步 骤 根 据 CFX 流 体 分 析 图 表 所 示, 从 上 往 下 执 行 每 个 单 元 格 命 令, 我 们 就 可 以 从 头 到 尾 进 行 流 体 数 值 模 拟, 也 就 是 先 得 到 几 何 模 型, 然 后 利 用 几 何 模 型 生 成 有 限 元 网 格 模 型, 然 后 设 置 数 值 模 拟 的 物 理 条 件, 然 后 计 算 并 求 解 得 到 结 果, 最 后 在 后 处 理 中 显 示 得 到 的 结 果 单 元 格 右 边 的 图 标 实 时 提 示 每 个 步 骤 的 当 前 状 态 图 2-6 工 程 流 程 图 窗 口 继 续 下 面 的 分 析, 如 果 需 要 释 放 一 些 屏 幕 空 间, 可 以 关 闭 工 具 箱 窗 口, 点 击 Save 保 存 按 钮, 可 以 随 时 保 存 此 工 程 分 析 图 2-7 保 存 工 程 分 析 文 件 使 用 分 析 系 统 图 2-7 保 存 工 程 分 析 文 件 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 Geomety 几 何 模 型 单 元 格, 选 择 Geomety New Geomety Import Geomety Wing.agdb 文 件, 建 立 几 何 模 型 如 图 2-8, 此 案 例 中 加 载 现 有 的 几 何 模 型 Wing.agdb, 鼠 标 右 键 选 择 Geomety Edit 可 以 进 入 DesignModeler 编 辑 几 何 模 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

17 型 见 图 2-9. 几 何 模 型 修 改 后 可 以 最 小 化 或 关 闭 DesignModeler 窗 口 提 示, 我 们 并 没 有 保 存 DesignModeler 中 的 几 何 模 型,ANSYS12.0 Workbench 会 在 后 台 自 动 运 行 文 件 管 理 功 能, 保 存 文 件 Geomety 后 面 的 打 勾 标 记 表 明 可 以 进 行 下 一 个 网 格 划 分 的 步 骤 图 2-8 建 立 几 何 模 型 图 2-9 编 辑 几 何 模 型 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Mesh Edit,Workbench 将 调 入 相 应 的 分 析 系 统 窗 口, 改 变 网 格 尺 寸, 单 元 网 格 会 自 动 更 新, 当 修 改 网 格 划 分 后, 可 以 关 闭 或 最 小 化 该 窗 口, 得 到 有 限 元 网 格 模 型 见 图 2-10 图 2-10 有 限 元 网 格 模 型 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Setup Edit,Workbench 将 加 载 CFX-Pre 功 能 窗 口 见 图 2-11, 这 里 设 置 所 需 的 流 场 物 理 环 境, 设 置 完 成 后, 可 以 关 闭 或 最 小 化 该 窗 口, Setup 单 元 格 自 动 更 新 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

18 图 2-11 CFX-Pre 窗 口 设 置 流 场 物 理 环 境 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Solution Edit,Workbench 将 加 载 CFX-Solver Manager 功 能 窗 口, 在 这 里 进 行 计 算 得 到 收 敛 解 见 图 2-12 求 解 完 成 后, Solution 单 元 格 自 动 更 新 图 2-12 计 算 求 解 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Results Edit,Workbench 将 加 载 CFX-Post 功 能 窗 口, 在 这 里 进 行 结 果 后 处 理 得 到 所 需 的 结 果 见 图 使 用 Workbench 功 能 图 2-13 结 果 后 处 理 点 击 鼠 标 左 键, 选 择 Workbench 功 能 菜 单 中 View Files, 分 析 过 程 中 涉 及 到 的 文 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

19 件 列 表 显 出 出 来, 见 图 图 2-14 文 件 列 表 现 在, 选 择 单 元 格 命 令 Geometry Edit, 在 DesignModeler 窗 口 改 变 模 型 位 置 后, 会 看 到 CFX 图 表 中, 下 游 单 元 格 命 令 随 着 上 游 单 元 格 命 令 的 变 化 立 即 产 生 相 应 的 改 变 我 们 也 可 以 鼠 标 右 击 每 个 单 元 格 Update 得 到 更 新, 或 者 选 择 工 具 按 钮 Update Project 以 批 处 理 方 式 进 行 更 新, 见 图 2-15 图 2-15 工 程 更 新 添 加 关 联 分 析 系 统 下 面 将 CFX 求 解 结 果 作 为 结 构 加 载 的 边 界 条 件 完 成 结 构 静 力 分 析 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 Solution Transfer Data to New Static structural (ANSYS) 见 图 2-16 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

20 图 2-16 载 入 静 力 分 析 类 型 新 的 静 力 分 析 系 统 加 入 工 程 流 程 图, 静 力 分 析 系 统 中, 同 样, 每 个 单 元 格 依 次 排 序 来 表 示 分 析 过 程 的 每 个 步 骤, 两 个 分 析 系 统 中 的 方 点 连 线 表 示 共 享 内 容, 也 就 是 几 何 模 型 是 一 致 的, 圆 点 连 线 表 示 求 解 结 果 将 从 前 一 个 分 析 系 统 传 递 到 后 一 个 分 析 系 统, 见 图 2-17 图 2-17 关 联 分 析 系 统 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 Model Edit, 图 2-18, 进 入 Static Structual (ANSYS) 界 面, 可 以 看 到, 流 体 模 型 部 分 被 抑 制, 仅 显 示 出 结 构 的 实 体 模 型, 对 结 构 实 体 模 型 网 格 划 分 如 图 图 2-18 编 辑 模 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

21 图 2-19 结 构 有 限 元 网 格 选 择 结 构 表 面, 流 场 计 算 的 压 力 载 荷 自 动 传 递 到 改 表 面, 计 算 求 解, 结 构 静 力 分 析 结 果 如 图 2-20 提 示 : 所 有 静 力 分 析 系 统 中 单 元 内 容 自 动 更 新 如 果 再 次 改 变 几 何 模 型, 点 击 Update Project 按 钮, 工 程 所 有 单 元 会 全 部 更 新, 参 见 图 2-21 图 2-20 静 力 分 析 结 果 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

22 图 2-21 工 程 更 新 结 果 示 意 参 数 化 设 计 及 工 程 数 值 模 拟 优 化 参 数 化 设 计 可 以 更 好 的 比 较 设 计 方 案 优 劣, 我 们 可 以 在 分 析 系 统 中 定 义 可 变 参 数, 可 变 参 数 加 入 分 析 系 统 图 表, 工 程 图 表 显 示 出 Parameter Set 参 数 设 置 栏, 如 图 2-22 图 2-22 参 数 化 设 计 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

23 点 击 Parameter Set 参 数 设 置 栏, 载 入 设 计 点 表 格, 表 格 中 每 一 行 代 表 一 个 参 数 设 计 方 案, 增 加 行, 可 以 生 成 新 的 设 计 方 案, 选 择 工 具 栏 按 钮 Update All Design Points 可 以 更 新 所 有 的 设 计 方 案, 如 图 2-23 关 闭 设 计 方 案 窗 口, 回 到 工 程 流 程 图 窗 口 图 2-23 设 计 方 案 图 表 下 面 使 用 CFX 网 格 设 置 FLUENT 流 体 分 析, 在 Toolbox 工 具 箱 内 选 择 Componet Systems 组 件 系 统 来 组 建 工 程, 把 Componet Systems 中 FLUENT 流 体 拖 入 工 程 流 程 图 的 空 白 区 将 生 成 一 个 独 立 系 统, 如 果 拖 入 到 已 有 的 分 析 系 统 单 元 将 和 已 有 的 系 统 共 享 单 元 数 据 或 者 从 已 有 系 统 中 导 入 单 元 数 据, 该 工 程 也 可 以 得 到 FLUENT 求 解 器 计 算 的 流 体 分 析 结 果 见 图 2-24 图 2-24 加 入 FLUENT 流 体 分 析 组 件 自 定 义 工 程 数 值 模 拟 分 析 流 程 如 果 想 把 工 程 流 程 图 用 于 其 它 的 工 程 项 目, 可 以 将 该 示 意 图 保 存 为 自 定 义 工 程 模 板, 以 供 以 后 调 用, 鼠 标 右 击 工 程 流 程 图 Project Schematic, 选 择 Add to Custom, 在 Add Project Template 添 加 工 程 模 板 窗 口 输 入 名 称 即 可, 见 图 2-25, 点 击 View All/Customize 可 以 简 化 或 定 制 工 具 箱 内 的 显 示 内 容, 见 图 2-26 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

24 图 2-25 自 定 义 工 程 模 板 图 2-26 定 制 工 具 箱 内 的 显 示 内 容 2.3 ANSYS12.0 Workbench 窗 口 管 理 Workbench 窗 口 管 理 功 能 ANSYS12.0 Workbench 使 用 多 窗 口 管 理, 以 静 力 分 析 为 例, 调 入 几 何 模 型 时, DesignModeler 窗 口 打 开, 编 辑 模 型 单 元 时,Mechanical 程 序 窗 口 打 开,Windows 任 务 栏 显 示 DM 和 M 标 签 按 钮, 通 过 这 些 按 钮 的 切 换, 可 以 改 变 几 何 模 型 和 更 新 分 析 过 程, 见 图 2-27 图 2-27 Workbench 多 窗 口 管 理 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

25 2.3.2 Workbench 窗 口 相 互 切 换 单 击 DM 按 钮, 进 入 DesignModeler, 改 变 几 何 模 型 孔 的 定 位, 在 任 务 栏 单 击 Workbench 按 钮, 进 入 Workbench 界 面, 提 示, Gemetry 状 态 图 标 发 生 了 更 新 变 化, 图 2-28, 从 Workbench 界 面 单 击 工 具 栏 Update Project 按 钮, 以 批 处 理 方 式 更 新 全 部 单 元, 在 任 务 栏 单 击 Mechanical 按 钮, 可 以 查 看 更 新 后 的 分 析 结 果 见 图 2-29 图 2-28 Workbench 窗 口 相 互 切 换 Workbench 窗 口 紧 凑 模 式 图 2-29 查 看 更 新 后 的 分 析 结 果 Workbench 窗 口 在 Compact Mode 紧 凑 模 式 下 工 作 是 很 方 便 的, 从 工 具 栏 选 择 Compact Mode 按 钮,Workbench 窗 口 仅 显 示 工 程 流 程 图 界 面 图 2-30, 右 上 方 工 具 按 钮 提 供 不 同 的 窗 口 显 示 方 式 及 显 示 内 容, 选 择 Applications Arrange Vertically 可 以 垂 直 排 列 分 析 系 统 窗 口 见 图 2-31 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

26 图 2-30 Compact Mode 紧 凑 模 式 图 2-31 垂 直 排 列 分 析 系 统 窗 口 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

27 第 3 章 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 3.1 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 创 建 设 计 模 型 是 产 品 研 发 处 理 的 第 一 步, 也 是 核 心 内 容 CAD 模 型 通 常 不 会 考 虑 CAE 分 析 的 需 要,DesignModeler 是 它 们 之 间 的 桥 梁 DesignModeler 全 参 数 化 实 体 建 模, 基 于 ANSYS12.0 Workbench, 提 供 适 用 于 有 限 元 计 算 的 建 模 功 能, 包 含 具 体 模 型 创 建,CAD 模 型 修 复,CAD 模 型 简 化 以 及 概 念 化 模 型 创 建 功 能 工 程 流 程 图 中 建 立 几 何 模 型 是 通 过 DesignModeler( 以 下 简 称 DM) 程 序 实 现 的 DM 的 功 能 主 要 用 于 建 立 和 编 辑 几 何 模 型, 由 于 它 采 用 特 征 描 述, 参 数 化 的 实 体 设 计 方 法, 因 此 可 以 很 方 便 的 构 造 2D 草 图 和 3D 实 体 模 型, 以 及 载 入 3D CAD 模 型 用 于 后 续 的 工 程 分 析 对 于 没 有 使 用 过 参 数 化 实 体 建 模 的 初 学 者 来 说,DM 是 极 为 易 学 易 用 的, 而 对 于 有 经 验 的 使 用 者 而 言,DM 也 提 供 将 各 种 2D 草 图 转 换 为 3D 实 体 模 型 的 功 能 DM 几 何 模 型 主 要 关 注 以 下 四 个 基 本 方 面 : 1. 草 图 模 式 : 包 括 创 建 二 维 几 何 体 工 具, 这 些 二 维 草 图 为 3D 几 何 体 创 建 和 概 念 建 模 作 准 备 2. 3D 几 何 体 : 将 草 图 进 行 拉 伸 旋 转 表 面 建 模 等 操 作 得 到 的 几 何 体 3. 几 何 体 输 入 : 直 接 导 入 CAD 模 型 进 入 DM 并 对 其 进 行 修 补, 使 之 适 应 有 限 元 网 格 划 分 4. 概 念 建 模 : 用 于 创 建 和 修 补 直 线 和 表 面 实 体 使 之 能 应 用 于 创 建 梁 和 壳 体 DesignModeler 用 户 界 面 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口, 如 图 3-1 图 3-1 调 入 几 何 模 型 组 件 DesignModeler 用 户 界 面 类 似 于 大 多 数 特 征 建 模 软 件, 见 图 3-2 菜 单 和 工 具 条 可 以 接 受 使 用 者 输 入 的 命 令, 主 菜 单 文 件 操 作 File,3D 建 模 Creat, 线 体 及 面 体 的 概 念 建 模 Concept, 建 模 工 具 Tools, 窗 口 视 图 管 理 View, 帮 助 信 息 Help 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

28 图 3-2 DesignModeler 用 户 界 面 工 具 条 可 以 根 据 用 户 要 求 放 置 在 任 何 地 方 也 可 以 自 行 改 变 其 尺 寸, 基 本 工 具 条 包 括 常 用 命 令 按 钮, 如 新 建 保 存 模 型 导 出 抓 图 等, 以 及 目 标 选 择 方 式 按 钮 如 点 选 线 选 面 选 体 选 等 视 图 工 具 条 上 的 命 令 按 钮 可 以 激 活 鼠 标 操 作 目 标 对 象, 如 旋 转 平 移 缩 放 聚 焦 等 见 图 3-3 工 作 平 面 工 具 条 可 以 用 来 设 置 工 作 平 面 和 定 义 草 图 3D 建 模 工 具 条 提 供 三 维 建 模 的 各 种 命 令 按 钮, 如 拉 伸 Extrude 旋 转 Revolve 扫 掠 Sweep 蒙 皮 Skin/Loft 等 图 3-3 视 图 工 具 条 命 令 导 航 树 Tree Outline 区 域 显 示 整 个 建 模 流 程 中 的 所 有 特 征 操 作, 模 型 的 变 化 跟 随 特 征 操 作 的 改 变 导 航 树 下 每 个 分 支 命 令 的 详 细 描 述 及 设 置 都 显 示 在 详 细 信 息 窗 口 Details View 图 形 窗 口 Graphics 显 示 当 前 模 型 状 态, 状 态 栏 区 域 显 示 当 前 模 型 的 状 态 提 示 选 择 过 滤 器 及 案 例 选 择 命 令 选 择 工 具 条 命 令 见 图 3-4 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

29 图 3-4 选 择 工 具 条 命 令 功 能 介 绍 激 活 选 择 过 滤 器 Select 可 以 进 行 特 征 选 取, 完 成 最 初 的 选 择 后, 图 形 窗 口 左 下 角 的 选 择 窗 格 用 来 选 择 被 遮 盖 的 线 面 等 几 何 元 素, 其 中 每 个 待 选 方 块 代 表 一 个 几 何 元 素, 方 块 的 颜 色 和 装 配 体 零 件 颜 色 相 配, 见 图 3-5 用 户 可 以 通 过 工 具 条 的 选 择 方 式 按 钮 选 择 对 象, 单 选 Single Select 或 框 选 Box Select, 相 邻 选 择 则 用 于 选 取 相 邻 的 面 或 边 图 3-5 特 征 选 取 案 例 演 示 下 面 用 实 例 演 示 选 择 过 滤 器 中 各 个 命 令 用 法 : 1. Componet Systems Geomety 拖 入 Project Schematic 中 2. Project Schematic 中, 鼠 标 右 键 选 择 Geomety Import Geometry Browse 输 入 文 件 resistance.x_t, 见 图 3-6 图 3-6 导 入 几 何 文 件 3. Project Schematic 中, 鼠 标 右 键 选 择 Geomety Edit 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口 4. DM 中 关 闭 单 位 选 择 窗 口, 鼠 标 点 击 Generate 按 钮, 点 击 视 图 工 具 条 的 各 个 视 图 按 钮 显 示 模 型, 参 见 图 3-7 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

30 图 3-7 显 示 模 型 5. 点 取 选 面 按 钮, BoxSelect 框 选 面 如 图 3-8 左 到 右 右 到 左 右 提 示 : 图 3-8 框 选 面 框 选 时, 拖 动 鼠 标 从 左 到 右 将 选 择 完 全 在 选 择 框 中 的 对 象, 从 右 到 左 将 选 择 包 含 或 经 过 选 择 框 的 对 象, 选 择 框 边 框 的 识 别 符 号 有 助 于 用 户 确 定 正 在 使 用 的 是 那 种 拾 取 模 式 6. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Extend to Adjacent, 选 择 相 邻 面 结 果 如 图 图 3-9 选 择 相 邻 面 7. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Extend to Limits, 选 择 相 邻 扩 展 面 结 果 如 图 3-10 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

31 图 3-10 选 择 相 邻 扩 展 面 8. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Flood Blends, 选 择 相 邻 倒 圆 面 结 果 如 图 3-11 图 3-11 选 择 相 邻 倒 圆 面 9. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Flood Area, 选 择 所 有 相 邻 面 结 果 如 图 3-12 图 3-12 选 择 所 有 相 邻 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

32 3.1.3 长 度 单 位 开 始 一 个 新 的 设 计 模 型 之 前 会 出 现 一 个 长 度 单 位 对 话 框, 以 选 择 需 要 的 长 度 单 位, 默 认 单 位 为 米 Meter, 也 可 以 选 择 厘 米 Centimeter 毫 米 Millimeter 微 米 Micrometer 英 寸 Inch 或 英 尺 Foot 如 图 3-13 图 3-13 长 度 单 位 草 图 模 式 DesignModeler 主 要 包 含 2 个 基 本 操 作 模 式,2D 草 图 Sketching 和 3D 建 模 Modeling, 在 2D 草 图 模 式 中, 提 供 画 图 Draw 修 改 Modify 尺 寸 定 义 Dimensions 约 束 Constraints 设 置 Settings 5 个 工 具 用 于 创 建 2D 草 图 3D 建 模 中, 利 用 草 图 轮 廓 创 建 特 征 模 型, DesignModeler 中, 使 用 特 征 可 以 分 割 实 体 以 提 高 网 格 质 量, 或 者 加 入 印 记 面 以 施 加 局 部 载 荷 建 立 新 模 型 一 般 是 从 草 图 开 始 下 文 中 将 以 案 例 演 示 方 式 创 建 草 图, 对 其 中 涉 及 的 概 念 及 命 令 在 案 例 中 加 以 解 释 平 面 和 草 图 及 案 例 平 面 和 草 图 工 具 条 说 明 见 图 3-14,DM 草 图 首 先 定 义 绘 制 草 图 的 平 面, 然 后 在 所 希 望 的 平 面 上 绘 制 或 识 别 草 图 一 个 新 的 DM 交 互 对 话 中 在 全 局 直 角 坐 标 系 原 点 有 三 个 默 认 的 正 交 平 面 (XY, ZX, YZ), 可 以 根 据 需 要 定 义 原 点 和 方 位 创 建 平 面, 也 可 以 通 过 使 用 现 有 几 何 体 作 参 考 平 面 创 建 和 放 置 新 的 工 作 平 面, 一 个 平 面 可 以 和 多 个 草 图 关 联, 构 建 平 面 的 六 种 类 型 见 表 3-1. 图 3-14 平 面 和 草 图 工 具 条 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

33 表 3-1 构 建 平 面 的 六 种 类 型 构 建 平 面 命 令 From Plane From Face From Point and Edge From Point and Normal From Three Point From Coordinates 说 明 基 于 另 一 个 已 有 面 创 建 平 面 利 用 已 有 几 何 体 表 面 创 建 平 面 用 一 点 和 一 条 直 线 的 边 界 定 义 平 面 用 一 点 和 一 条 边 界 方 向 的 法 线 定 义 平 面 用 三 点 定 义 平 面 通 过 键 入 距 离 原 点 的 坐 标 和 法 线 定 义 平 面 案 例 演 示 : 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 保 存 文 件 DM1-Sketch.wbpj, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口, 开 始 草 图 过 程 如 下 ( 见 图 3-15): 1. 选 择 XYPlane 2. 创 建 新 平 面 New Plane 3. 导 航 树 显 示 新 平 面 对 象 Plane4 4. 构 建 平 面 的 六 种 类 型 ( 见 表 3-1), Plane4 属 性 设 置 : Type From Plane, 平 面 变 换 Transform 1 Offset Z ; 偏 移 距 离 FD1 =10m 5. Generate 生 成 平 面 提 示 : 这 并 非 创 建 草 图 的 必 要 步 骤 6. 将 草 图 放 到 平 面 中, 草 图 用 来 创 建 3D 几 何 体 选 择 新 建 草 图 按 钮, 在 激 活 平 面 上 新 建 草 图 Sketh1, 新 草 图 放 在 树 形 目 录 中 与 其 相 关 平 面 的 下 方 可 以 通 过 导 航 树 或 下 拉 列 表 激 活 草 图, 保 存 文 件 图 3-15 生 成 草 图 提 示 : 下 拉 列 表 仅 显 示 以 当 前 激 活 平 面 为 参 照 的 草 图 平 面 和 草 图 的 详 细 视 图 Details View 控 制 着 基 本 操 作, 用 鼠 标 右 键 点 击 Transform 可 以 迅 速 完 成 选 定 平 面 的 变 换, 一 旦 选 择 了 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

34 变 换, 将 出 现 附 加 属 性 选 项, 允 许 键 入 偏 移 距 离, 旋 转 角 度, 旋 转 轴 等 更 多 的 控 制 参 数, 多 种 平 面 变 换 方 式 见 图 3-16 无 变 换 轴 变 换 Z,X 轴 反 向 X,Y 轴 反 向 X 轴 与 基 点 对 齐 X 轴 与 全 局 坐 标 X 轴 对 齐 X 轴 与 边 对 齐 偏 移 变 换 旋 转 变 换 上 一 变 换 下 一 变 换 删 除 变 换 生 成 变 换 X 轴 方 向 水 平 偏 移 Y 轴 方 向 水 平 偏 移 Z 轴 方 向 水 平 偏 移 全 局 坐 标 X 轴 水 平 偏 移 全 局 坐 标 Y 轴 水 平 偏 移 全 局 坐 标 Z 轴 水 平 偏 移 绕 X 轴 旋 转 绕 Y 轴 旋 转 绕 Z 轴 旋 转 绕 边 旋 转 绕 全 局 坐 标 X 轴 旋 转 绕 全 局 坐 标 Y 轴 旋 转 绕 全 局 坐 标 Z 轴 旋 转 图 3-16 平 面 变 换 选 择 方 式 绘 制 草 图 及 案 例 绘 图 命 令 说 明 见 图 接 上 例, 选 中 草 图 Sketh1, 切 换 到 草 图 标 签 Skething 开 始 绘 制 草 图 2. 选 择 矩 形 命 令 Rectangle 3. 按 照 状 态 条 的 提 示 操 作 :: 将 光 标 定 位, 单 击 鼠 标 按 住 并 拖 动, 在 图 形 区 域 绘 制 矩 形, 松 开 鼠 标 创 建 一 个 矩 形 4. 选 择 画 圆 命 令 Circle 5. 按 照 状 态 条 的 提 示 操 作, 选 择 圆 心 位 置, 坐 标 原 点 出 现 P ( 点 约 束 ) 标 志, 拖 放 鼠 标 以 获 得 圆 见 图 3-18, 保 存 文 件 图 3-17 草 图 画 图 命 令 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

35 图 3-18 绘 制 草 图 草 图 标 注 及 案 例 DM 包 括 一 个 完 整 的 标 注 工 具 箱, 见 图 3-19, 除 了 可 以 逐 个 标 注 尺 寸 之 外, 还 可 以 进 行 半 自 动 标 注, 半 自 动 标 注 循 环 链 给 出 待 标 注 的 尺 寸 的 选 项, 直 到 模 型 完 全 约 束 或 用 户 选 择 退 出 自 动 模 式, 单 击 鼠 标 右 键 按 钮 跳 出 或 结 束 此 项 功 能 用 鼠 标 右 键 单 击 General 标 注 工 具 可 以 迅 速 标 注 所 有 主 要 的 标 注 工 具 Move 功 能 可 以 修 改 尺 寸 放 置 的 位 置 Animate 用 来 浏 览 对 所 选 定 尺 寸 的 动 态 变 化 Display 可 以 显 示 尺 寸 的 具 体 数 值 或 尺 寸 名 称 编 辑 尺 寸 功 能, 选 择 待 修 改 的 尺 寸, 然 后 在 详 细 列 表 窗 口 键 入 新 值 即 可 完 成 修 改, 或 用 鼠 标 右 键 菜 单 弹 出 选 项 也 可 以 快 速 进 行 尺 寸 编 辑 图 3-19 草 图 尺 寸 标 注 命 令 案 例 演 示 ( 见 图 图 3-21) 1. 接 上 例, 选 择 Dimensions 标 签 选 项 2. 选 择 命 令 Dimensions General 3. 分 别 点 击 图 形 区 的 矩 形 外 边 框, 拖 放 鼠 标, 得 到 矩 形 边 长 的 尺 寸 标 注 4. 选 择 命 令 Dimensions Horizontal 5. 点 击 图 形 区 的 矩 形 短 边 和 Y 轴 中 心 线, 拖 放 鼠 标, 得 到 矩 形 短 边 到 中 心 线 的 水 平 尺 寸 标 注 6. 选 择 命 令 Dimensions Vertical 7. 点 击 图 形 区 的 矩 形 长 边 和 X 轴 中 心 线, 拖 放 鼠 标, 得 到 矩 形 长 边 到 中 心 线 的 垂 直 尺 寸 标 注 8. 选 择 命 令 Dimensions Radius 9. 点 击 图 形 区 的 圆, 拖 放 鼠 标, 得 到 圆 半 径 尺 寸 标 注 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

36 10. Details View Dimensions: 5 显 示 当 前 尺 寸 名 称 及 数 值 11. 编 辑 Details View Dimensions: 5 各 个 尺 寸 数 值 12. 选 择 Dimensions Display Value 中 打 勾 13. 显 示 修 改 尺 寸 及 数 值 14. 选 择 Dimensions Edit 15. 点 击 水 平 尺 寸 H 编 辑 Details View Details of H12 名 称 和 数 值 :Horizontal=hor1, Value=10m 17. 同 样 修 改 别 的 尺 寸 见 图 3-22, 保 存 文 件 图 3-20 草 图 尺 寸 标 注 A 图 3-21 草 图 尺 寸 标 注 B 图 3-22 草 图 尺 寸 标 注 C 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

37 草 图 约 束 及 案 例 草 图 约 束 命 令 如 图 3-23, 详 细 信 息 窗 口 可 以 显 示 草 图 约 束 的 详 细 情 况, 约 束 可 以 通 过 自 动 约 束 产 生 也 可 以 由 用 户 定 义, 选 中 定 义 的 约 束 后 用 Delete 键 即 可 删 除 约 束, 草 图 实 体 还 用 颜 色 显 示 当 前 的 约 束 状 态 : 凫 蓝 色 : 未 约 束, 欠 约 束 蓝 色 : 完 整 定 义 的 黑 色 : 固 定 红 色 : 过 约 束 灰 色 : 矛 盾 或 未 知 图 3-23 草 图 约 束 命 令 提 示 : 如 果 一 个 草 图 没 有 在 空 间 内 固 定, 则 开 始 草 图 中 的 线 是 凫 蓝 色 的, 表 明 没 有 约 束, 即 使 在 标 注 后 这 些 线 也 是 欠 约 束, 此 时 加 入 尺 寸 约 束 固 定 该 草 图, 则 草 图 定 义 完 整, 所 有 的 线 为 蓝 色 如 果 加 入 过 多 的 尺 寸 或 约 束 使 草 图 成 为 过 约 束, 则 草 图 模 式 下 过 约 束 线 为 红 色 如 图 3-24 图 3-24 颜 色 显 示 约 束 状 态 一 个 矛 盾 约 束 的 示 例 为 灰 色 线 如 图 3-25 是 一 个 矛 盾 约 束, 这 里 定 义 圆 弧 的 半 径 为 5, 然 而 已 给 出 的 竖 直 尺 寸 为 15, 显 然 无 法 在 维 持 现 有 尺 寸 的 情 况 下 将 2 条 水 平 线 和 圆 弧 连 接 起 来 图 3-25 矛 盾 约 束 示 例 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

38 编 辑 草 图 及 案 例 Modify 工 具 箱 有 许 多 编 辑 草 图 的 工 具, 见 图 3-26, 一 些 功 能 如 倒 圆 角 倒 角 等 是 显 而 易 见 的,GUI 底 端 的 状 态 条 可 以 实 时 显 示 每 一 个 功 能 的 提 示 下 文 将 主 要 阐 述 一 些 无 法 从 名 称 上 直 接 看 出 功 能 的 命 令 1 分 割 Split 命 令 Split 命 令 用 于 分 割 边 线, 案 例 操 作 如 图 3-27, 其 相 关 命 令 解 释 如 下 : 图 3-26 编 辑 草 图 命 令 Split Edge at Selection : 缺 省 选 项, 表 示 在 选 定 位 置 将 一 条 边 线 分 割 成 两 段, 但 指 定 边 线 不 能 是 整 个 圆 或 椭 圆, 要 对 整 个 圆 或 椭 圆 做 分 割 操 作, 必 须 指 定 起 点 和 终 点 的 位 置 Split Edges at Point : 用 点 分 割 边 线 : 选 定 一 个 点 后, 所 有 过 此 点 的 边 线 都 将 被 分 割 成 两 段 Split Edge at all Points : 用 边 上 的 所 有 点 分 割 : 选 择 一 条 边 线, 它 被 所 有 通 过 的 点 分 割 Split Edge into n Equal Segments : 将 线 n 等 分 : 先 在 编 辑 框 中 设 定 n 值, 然 后 选 择 待 分 割 的 线,n 最 大 为 100 案 例 演 示 1) 接 上 例, 选 择 Modify Split 2) 选 择 边 线 之 前, 在 图 形 区 选 择 鼠 标 右 键 选 项, 选 择 边 等 分 n 段 命 令 Split Edge into n Equal Segments 3) 在 Modify Split Equal Segments 中 设 置 n=8 4) 在 图 形 区 选 择 圆, 圆 被 分 割 成 8 段, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

39 图 3-27 分 割 操 作 提 示 Split 命 令 对 草 图 蒙 皮 Skin/Loft 是 非 常 有 用 的, Split 线 操 作 对 将 要 进 行 的 划 分 网 格 和 或 加 入 边 界 条 件 操 作 也 很 有 用 2 拖 曳 Drag 用 光 标 可 以 拖 曳 一 个 点 或 一 条 边 可 以 在 使 用 拖 曳 Drag 功 能 前 预 先 选 择 多 个 实 体, 模 型 如 何 变 化 取 决 于 所 选 定 的 内 容 所 加 的 约 束 和 尺 寸 3 剪 切 Cut 拷 贝 Copy 和 粘 帖 Paste 命 令 : Cut + Paste 或 Copy + Paste 用 于 移 动 或 复 制 对 象, 案 例 操 作 如 图 3-28, 鼠 标 右 键 粘 贴 操 作 点 选 项 命 令 解 释 如 下 : End / Set Paste Handle : 指 定 粘 贴 点 位 置 End / Use Plane Origin as Handle : 指 定 粘 贴 点 在 平 面 原 点 End / Use Default Paste Handle : 将 第 一 条 线 的 起 始 点 作 为 粘 贴 点 Rotate by +/- r Degrees : 正 向 旋 转 + 或 反 向 旋 转 - r 度 Flip Horizontally / Vertically : 水 平 或 垂 直 翻 转 Scale by Factor f or 1/f : 放 大 f 倍 或 缩 小 1/f Paste at Plane Origin : 在 平 面 原 点 粘 贴 Change Paste Handl : 修 改 粘 贴 点 End : 结 束 案 例 演 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

40 1) 接 上 例, 选 择 Modify Copy 2) 选 择 框 选 Box Select 3) 图 形 区 选 择 对 象 : 圆 4) 图 形 区 点 击 鼠 标 右 键, 设 置 粘 帖 点 为 圆 中 心 End / Use Plane Origin as Handle 5) 选 择 Modify Paste, 设 置 缩 放 比 例 f=0.5 6) 图 形 区 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 比 例 缩 放 Scale by Factor f 7) 移 动 鼠 标 到 矩 形 左 端, 点 击 鼠 标 8) 图 形 区 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 结 束 End, 保 存 文 件 图 3-28 草 图 复 制 提 示 : 完 成 Copy 后, 可 以 进 行 多 次 粘 帖 操 作, 可 以 从 一 个 草 图 复 制 后 粘 帖 到 另 一 个 草 图, 在 进 行 粘 帖 操 作 时 可 以 改 变 粘 帖 操 作 点. 4 复 制 Replicate 命 令 : Replicate 命 令 和 Copy + Paste 命 令 等 效, 选 取 其 中 一 个 End 选 项 后, 再 次 单 击 Replicate 鼠 标 右 键 就 变 成 了 粘 贴 功 能 右 键 5 移 动 Move 命 令 Move 命 令 和 Replicate 命 令 相 似, 但 操 作 后 选 取 的 对 象 移 动 到 一 个 新 的 位 置 而 不 是 被 复 制 6 偏 移 Offset 命 令 可 以 从 一 组 已 有 的 线 和 圆 弧 偏 移 相 等 的 距 离 来 创 建 一 组 线 和 圆 弧, 原 始 的 一 组 线 和 圆 弧 必 须 相 互 连 接 构 成 一 个 开 放 或 封 闭 的 轮 廓 选 择 边, 然 后 在 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 中 选 择 结 束 选 择 / 设 定 偏 移 用 光 标 位 置 设 定 一 下 三 个 值 : 偏 移 距 离 偏 移 侧 方 向 偏 移 区 域 如 果 按 照 指 定 的 偏 移 方 向 和 偏 移 距 离 操 作, 选 定 的 曲 线 的 一 部 分 将 被 破 坏 或 相 互 交 叉, 那 么 光 标 的 所 在 位 置 将 决 定 偏 移 曲 线 的 哪 一 个 区 域 将 被 保 存 下 来, 示 例 如 图 3-29 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

41 图 3-29 草 图 偏 移 命 令 草 图 援 引 及 案 例 演 示 草 图 援 引 Instance 命 令 草 图 援 引 用 来 复 制 源 草 图 并 将 其 加 入 到 目 标 面 中, 复 制 的 草 图 和 源 草 图 始 终 保 持 一 致, 也 就 是 说 复 制 对 象 随 着 源 对 象 的 更 新 而 更 新 提 示 草 图 援 引 中 的 边 界 是 固 定 的, 不 能 通 过 草 图 操 作 进 行 移 动 编 辑 或 删 除 基 准 草 图 中 改 变 时, 援 引 草 图 将 被 更 新 源 草 图 所 在 的 面 必 须 在 目 标 面 之 前 创 建, 援 引 的 草 图 不 能 放 在 XY 平 面 前 草 图 援 引 可 以 像 正 常 草 图 一 样 用 于 生 成 其 他 特 征, 但 不 能 作 为 基 准 草 图 被 其 他 草 图 援 引 案 例 演 示 : 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 保 存 文 件 DM2-Instance.wbpj, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口 : 1) XYPlane 工 作 平 面 上 创 建 草 图 Sketch1 2) 草 图 1 为 带 中 心 圆 孔 的 矩 形, 尺 寸 任 意 3) 选 择 ZXPlane 工 作 平 面 4) 鼠 标 右 键 选 择 Insert Skectch Instance 5) 选 取 所 要 援 引 的 目 标 面 Details View Details of Sketch2 Base Sketch =Sketch1, 用 Apply/Cancel 按 钮 选 择 源 对 象 6) 修 改 放 置 位 置 选 项, 草 图 援 引 可 以 偏 移, 旋 转 或 按 比 例 缩 放, 这 里 缩 小 一 半 : Details View Details of Sketch2 FD6,Scale =0.5 7) 点 击 Generate 按 钮 完 成 草 图 援 引 8) 生 成 缩 小 一 半 的 草 图 Sketch2 如 图 3-30 显 示. 9) Extrude 特 征 拉 伸 草 图 成 实 体, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

42 草 图 技 巧 图 3-30 草 图 援 引 提 示 与 技 巧 1) Ruler 工 具 可 以 快 捷 的 看 到 图 形 的 比 例 范 围 2) 默 认 的 设 计 模 型 是 自 动 约 束 模 式, 自 动 约 束 可 以 在 新 的 草 图 实 体 中 自 动 捕 捉 位 置 和 方 向, 光 标 表 示 所 施 加 的 约 束 类 型 3) 当 创 建 或 改 变 平 面 和 草 图 时, 运 用 Look At 工 具 可 以 立 即 改 变 视 图 方 向, 使 该 平 面 草 图 或 选 定 的 实 体 与 你 的 视 线 垂 直 4) 用 鼠 标 右 键 从 图 形 屏 幕 上 点 击 上 下 文 菜 单 有 时 是 必 须 的 或 者 是 更 有 效 的 5) 只 有 在 草 图 模 式 下 才 可 以 使 用 Undo/Redo 按 钮 进 行 撤 销 / 恢 复 操 作 任 何 时 候 只 能 激 活 一 个 草 图 6) GUI 状 态 条 包 括 进 行 每 一 步 操 作 的 提 示 7) 一 些 操 作 要 求 用 鼠 标 右 键 点 击 完 成! D 实 体 模 型 体 和 零 件 DM 中 为 便 于 建 立 有 限 元 模 型, 将 几 何 模 型 分 为 三 种 不 同 体 类 型 如 图 3-31: 实 体 : 由 表 面 和 体 组 成 面 体 : 由 表 面 但 没 有 体 组 成 线 体 : 完 全 由 边 线 组 成, 没 有 面 和 体 体 在 DM 中 呈 现 激 活 和 冻 结 两 种 状 态 : 激 活 状 态 : 体 可 以 进 行 常 规 的 建 模 操 作 图 3-31 三 种 体 类 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

43 修 改 ( 不 能 被 切 片 ), 激 活 体 在 导 航 树 中 显 示 为 蓝 色, 体 在 导 航 树 中 的 图 标 取 决 于 它 是 实 体 表 面 还 是 线 体 类 型 冻 结 状 态 : 体 冻 结 可 以 将 零 件 切 片 Slice 分 割 成 不 同 部 分, 为 数 值 模 拟 分 析 中 装 配 建 模 提 供 不 同 选 择 的 方 式, 冻 结 体 中 只 能 使 用 切 片 操 作, 用 冻 结 特 征 Freeze 可 以 将 所 有 的 激 活 体 转 到 冻 结 状 态, 选 取 体 对 象 后 用 解 冻 特 征 Unfreeze 可 以 激 活 单 个 体, 冻 结 体 在 导 航 树 中 呈 现 较 淡 的 颜 色 1 体 抑 制 Suppress Body 抑 制 体 不 显 示 在 窗 口 中, 抑 制 体 既 不 能 用 于 数 值 模 拟 也 不 能 导 出, 如 Parasolid (.x_t) 文 件, 抑 制 体 在 导 航 树 前 面 有 一 个 X, 如 图 ) 接 上 例, 选 择 第 2 个 实 体 2) 体 抑 制 : 鼠 标 右 键 选 择 Suppress Body 3) 图 形 区 体 不 再 显 示 该 实 体, 保 存 文 件 2 多 体 零 件 图 3-32 体 抑 制 缺 省 时,DM 将 每 一 个 体 自 动 放 入 一 个 零 件 中, 可 以 将 多 个 体 置 于 同 一 零 件 中, 这 些 零 件 将 作 为 含 有 多 个 体 素 的 零 件 传 递 到 数 值 模 拟 分 析 中, 该 命 令 可 以 描 述 为 : 选 择 多 个 体, 选 命 令 Tools Form New Part 提 示 只 有 在 选 择 体 之 后 才 可 以 创 建 新 零 件 选 项, 同 时 不 能 处 在 特 征 创 建 或 特 征 编 辑 状 态 默 认 时, 单 体 零 件 的 装 配 模 型 中, 零 件 实 体 间 接 触 连 接, 每 一 个 实 体 都 独 立 地 划 分 网 格, 节 点 不 共 享 多 体 零 件 的 装 配 模 型 中, 零 件 实 体 间 无 接 触,1 个 零 件 可 以 有 多 种 材 料 实 体, 每 个 实 体 独 立 划 分 网 格 但 实 体 间 的 关 联 被 保 留 多 体 零 件 网 格 划 分 案 例 演 示 1) 接 上 例, 生 成 的 实 体 中 选 择 面 体 Surface Body 和 线 体 Line Body 2) 鼠 标 右 键 选 择 生 成 新 零 件 Form New Part 图 3-33A 生 成 多 体 零 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

44 3) 工 程 流 程 图 中 选 择 Geometry Properties 4) 设 置 线 体 输 入 选 项 : Properties of Schematic A2: Geometry Basic Geometry Options Line Bodies 勾 选 图 3-33B 设 置 输 出 线 体 5) 机 械 分 析 模 型 组 件 Mechanical Model 拖 入 工 程 流 程 图 6) 几 何 模 型 设 置 共 享 : 几 何 组 件 中 Geometry 拖 到 机 械 模 型 中 的 Geometry 7) 编 辑 分 析 模 型 : 选 择 Mechanical Model Model Edit 图 3-33C 进 入 网 格 划 分 环 境 8) 机 械 分 析 模 型 中 生 成 网 格 : 选 择 Model Mesh, 鼠 标 右 键 选 Generate Mesh 9) 视 图 显 示 设 置 : View Thick Shells and Beams 取 消 勾 选 10) 导 航 树 中 零 件 Part4 由 面 体 和 线 体 组 成 11) 图 形 区 显 示 网 格 模 型, 面 体 网 格 和 线 体 网 格 共 享 连 接 节 点 12) 导 航 树 中 两 个 实 体 为 各 自 独 立 13) 图 形 区 显 示 两 个 实 体 网 格 模 型 各 自 独 立, 实 体 交 接 处 节 点 不 共 享, 保 存 文 件 图 3-33D 多 体 零 件 网 格 划 分 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

45 D 特 征 3D 几 何 特 征 命 令 可 以 从 Creat 下 拉 菜 单 获 得, 命 令 及 相 关 说 明 见 表 3-2, 其 生 成 包 括 两 个 步 骤 : 1. 选 择 特 征 并 在 详 细 信 息 窗 口 指 定 细 节 2. 生 成 Generate 特 征 体 表 3-2 3D 特 征 操 作 命 令 及 说 明 3D 特 征 操 作 命 令 及 说 明 拉 伸 旋 转 扫 掠 蒙 皮 抽 壳 固 定 半 径 导 圆 角 变 半 径 导 圆 角 点 导 圆 角 倒 角 阵 列 体 操 作 布 尔 操 作 切 片 面 删 除 边 删 除 生 成 点 简 单 几 何 体 - 球 体 简 单 几 何 体 - 块 体 简 单 几 何 体 - 平 行 六 面 体 简 单 几 何 体 - 圆 柱 体 简 单 几 何 体 - 圆 锥 体 简 单 几 何 体 - 棱 柱 体 简 单 几 何 体 - 棱 锥 体 简 单 几 何 体 - 圆 环 体 简 单 几 何 体 - 弯 曲 体 布 尔 操 作 及 案 例 对 3D 特 征 可 以 运 用 以 下 5 种 不 同 的 布 尔 操 作 : 1. 添 加 材 料 Add Material : 创 建 材 料 并 合 并 到 激 活 体 中 2. 切 除 材 料 Cut Material : 从 激 活 体 上 切 除 材 料 3. 切 片 材 料 Slice Material : 将 冻 结 体 切 片, 仅 当 体 全 部 被 冻 结 时 才 可 用 4. 给 表 面 添 加 印 记 Imprint Faces : 和 切 片 相 似, 但 仅 仅 分 割 体 上 的 面, 如 果 需 要 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

46 也 可 以 在 边 线 上 增 加 印 记 ( 不 创 建 新 体 ) 5. 加 入 冻 结 Add Frozen : 和 加 入 材 料 相 似, 但 新 增 特 征 体 不 被 合 并 到 已 有 的 模 型 中, 而 是 作 为 冻 结 体 加 入, 线 体 不 能 进 行 切 除, 印 记 和 切 片 操 作 案 例 演 示 : 1. 草 图 拉 伸 : 打 开 文 件 DM1sketch.wbpj, 另 存 为 文 件 DM3-Solid.wbpj, 双 击 Geometry, 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口, 1) 选 择 Modeling 标 签 选 项 2) 选 择 要 拉 伸 的 草 图 Plane4 Sketch1 3) 在 激 活 的 草 图 中 选 择 拉 伸 特 征 Extrude 4) 默 认 布 尔 操 作 为 添 加 材 料 Details View Operation Add Material, 设 置 拉 伸 长 度 FD1=40m 5) 点 击 生 成 按 钮 Generate 6) 获 得 拉 伸 3D 模 型, 见 图 3-34 图 3-34 草 图 拉 伸 2. 添 加 材 料 : 7) 选 择 面 8) 图 形 区 选 择 上 表 面 9) 生 成 新 平 面 10) 导 航 树 选 择 Plane6 11) 生 成 新 草 图 Sketch3 12) 切 换 草 图 模 式 Sketching 13) 绘 制 草 图 如 图 3-35 所 示 平 面 中 14) 切 换 到 模 型 Modeling 15) 选 择 草 图 Sketch3 16) 拉 伸 草 图 Extrude 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

47 17) 拉 伸 属 性 设 置 添 加 材 料 Details View Operation Add Material 18) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型, 由 于 体 已 经 存 在, 添 加 材 料 生 成 的 对 象 会 自 动 合 并 到 几 何 体 中, 如 图 3-35 图 3-35 添 加 材 料 3. 加 入 冰 冻 体 : 19) 选 择 面 20) 图 形 区 选 择 侧 表 面 21) 生 成 新 平 面 22) 导 航 树 选 择 Plane7 23) 生 成 新 草 图 24) 选 择 草 图 Sketch4 25) 切 换 草 图 模 式 Sketching 26) 绘 制 草 图 如 图 3-27 所 示 六 边 形 27) 切 换 到 模 型 Modeling 28) 拉 伸 草 图 Extrude 29) 拉 伸 属 性 设 置 添 加 冰 冻 Details View Operation Add Frozen 30) 设 置 拉 伸 长 度 FD1=30m 31) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型 32) 生 成 新 的 冰 冻 实 体 33) 和 添 加 材 料 操 作 相 似, 但 产 生 的 是 各 个 独 立 的 体 ( 或 单 个 冻 结 体 ), 导 航 树 显 示 2 个 实 体, 如 图 3-36 图 3-36 加 入 冰 冻 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

48 4. 加 入 印 记 面 34) 选 择 面 35) 图 形 区 选 择 卵 形 体 侧 表 面 36) 生 成 新 平 面 37) 导 航 树 选 择 Plane8 38) 生 成 新 草 图 39) 选 择 草 图 Sketch5 40) 切 换 草 图 模 式 Sketching 41) 绘 制 草 图 如 图 3-37 所 示 圆 形 42) 切 换 到 模 型 Modeling 43) 拉 伸 草 图 Extrude 44) 拉 伸 属 性 设 置 加 入 印 记 面 Details View Operation 图 3-37 加 入 印 记 面 Imprint Faces 45) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型, 印 记 面 操 作 将 连 续 面 进 行 分 割, 这 使 得 在 任 意 位 置 加 入 有 限 元 边 界 条 件 变 得 非 常 方 便, 如 图 切 除 材 料 46) 导 航 树 选 择 Plane8 47) 生 成 新 草 图 48) 选 择 草 图 Sketch7 49) 切 换 草 图 模 式 Sketching 50) 绘 制 草 图 如 图 3-29 所 示 矩 形 51) 拉 伸 草 图 Extrude 52) 拉 伸 属 性 设 置 切 除 材 料 Details View Operation Cut Material 53) 设 置 去 除 材 料 长 度 FD1=10m 54) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型, 如 图 3-38 图 3-38 切 除 材 料 特 征 方 向 激 活 特 征, 则 特 征 属 性 中 方 向 和 草 图 平 面 有 关, 有 些 操 作 ( 如 切 除 ) 会 自 动 改 变, 见 图 3-39 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

49 图 3-39 特 征 方 向 特 征 类 型 特 征 延 伸 类 型 有 如 下 几 种, 见 图 3-40: 图 3-40 特 征 延 伸 类 型 1. 固 定 Fixed : 固 定 界 限 将 使 草 图 轮 廓 按 指 定 的 距 离 进 行 拉 伸, 特 征 预 览 精 确 地 显 示 出 创 建 特 征 后 的 情 形 2. 穿 过 所 有 Through All : 将 剖 面 延 伸 到 整 个 模 型, 在 添 加 材 料 操 作 中 延 伸 轮 廓 必 须 完 全 和 模 型 相 交 3. 到 下 一 个 To Next : 在 添 加 材 料 操 作 将 延 伸 轮 廓 到 所 遇 到 的 第 一 个 面, 在 剪 切 印 记 和 切 片 操 作 中, 将 轮 廓 延 伸 至 所 遇 到 的 第 一 个 面 或 体 4. 到 面 To Faces : 可 以 延 伸 拉 伸 特 征 到 有 一 个 或 多 个 面 形 成 的 边 界, 对 多 个 轮 廓 而 言 要 确 保 每 一 个 轮 廓 至 少 有 一 个 面 和 延 伸 线 相 交 否 则 导 致 延 伸 错 误, 到 面 选 项 不 同 于 到 下 一 个 选 项, 到 下 一 个 并 不 意 味 着 到 下 一 个 面, 而 是 到 下 一 个 块 的 体 ( 实 体 或 薄 片 ), 到 面 选 项 可 以 用 于 到 冻 结 体 的 面 5. 到 表 面 To Surface : 和 到 面 选 项 类 似, 但 只 能 选 择 一 个 面, 延 伸 长 度 可 以 由 到 所 选 表 面 的 下 一 个 并 且 有 可 能 是 无 约 束 的 面 所 定 义 特 征 创 建 及 案 例 1 拉 伸 Extrude 1) 拉 伸 包 括 实 体, 表 面 和 薄 壁 特 征 属 性 设 置 如 图 ) 创 建 表 面 要 先 选 择 As Thin/Surface, 然 后 内 外 厚 度 设 置 为 零 3) 激 活 的 草 图 作 为 默 认 输 入, 但 可 以 通 过 在 导 航 树 中 选 择 想 要 的 草 图 改 变 输 入 4) 详 细 列 表 菜 单 用 来 设 定 拉 伸 深 度, 方 向 和 布 尔 操 作 ( 添 加 切 除 切 片 印 记 或 加 入 冻 结 ) 5) 点 击 生 成 按 钮 完 成 特 征 创 建 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

50 图 3-41 拉 伸 特 征 详 细 信 息 设 置 2 旋 转 Revolve 1) 旋 转 激 活 草 图 创 建 3D 几 何 体, 如 图 3-42, 从 详 细 信 息 窗 口 菜 单 中 选 择 旋 转 轴, 如 果 在 草 图 中 有 一 条 孤 立 ( 自 由 ) 的 线, 它 将 被 作 为 缺 省 的 旋 转 轴 2) 旋 转 方 向 特 性 : a) 正 常 : 按 基 本 对 象 的 正 Z 方 向 旋 转 b) 反 向 : 按 基 本 对 象 的 负 Z 方 向 旋 转 c) 双 向 - 对 称 : 在 两 个 方 向 上 创 建 特 征, 两 个 方 向 角 度 相 同 d) 双 向 - 不 对 称 : 在 两 个 方 向 上 创 建 特 征, 每 一 个 方 向 角 度 不 同 3) 单 击 生 成 按 钮 完 成 特 征 创 建 案 例 演 示 : 图 3-42 旋 转 特 征 详 细 信 息 设 置 1) 接 上 例, 工 具 条 选 择 Revolve 旋 转 按 钮 2) 设 置 要 旋 转 的 草 图 : Details View Details of Revolve Base Object =Sketch5 3) 指 定 旋 转 轴 : 图 形 区 选 择 面 体 边 线 4) Details View Details of Revolve Axis 中 选 Apply 确 认 后 出 现 Selected 5) 设 置 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve FD1,Angle =90 6) 生 成 旋 转 体 : 工 具 条 中 选 择 Generate 7) 旋 转 体 生 成 如 图 3-43, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

51 图 3-43 旋 转 特 征 操 作 3 扫 掠 Sweep 1) 实 体 表 面 和 薄 壁 特 征 都 可 以 通 过 沿 一 条 路 径 扫 掠 一 个 剖 面 创 建 图 3-44 为 扫 掠 特 征 详 细 信 息 设 置 窗 口 2) 比 例 和 圈 数 特 征 可 用 来 创 建 螺 旋 扫 掠 a) 比 例 : 沿 扫 掠 路 径 逐 渐 扩 张 或 收 缩 b) 圈 数 : 沿 扫 掠 路 径 转 动 剖 面 负 圈 数 要 求 剖 面 沿 与 路 径 相 反 的 方 向 旋 转, 正 圈 数 为 逆 时 针 旋 转 3) 对 齐 : a) 路 径 相 切 : 沿 路 径 扫 掠 时 自 动 调 整 剖 面 以 保 证 沿 路 径 的 切 线 方 向 图 3-44 扫 掠 特 征 详 细 信 息 设 置 窗 口 b) 全 局 : 沿 路 径 扫 掠 时, 不 管 路 径 的 形 状 如 何 剖 面 的 方 向 保 持 不 变 螺 旋 扫 掠 案 例 演 示 : 1) 接 上 例, 图 形 区 选 择 轴 对 称 面 2) 创 建 工 作 平 面 Plane10 3) Plane10 中 创 建 草 图 Sketch11 4) 草 图 Sketch11 中 建 立 一 根 线 作 为 扫 掠 路 径 5) 同 样, 选 择 另 一 轴 对 称 面 创 建 工 作 平 面 Plane11 6) Plane11 创 建 草 图 Sketch12 7) 草 图 Sketch12 中 建 立 一 个 圆 作 为 扫 掠 轮 廓 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

52 8) 工 具 条 中 选 择 扫 掠 命 令 Sweep, 导 航 树 出 现 特 征 Sweep6 9) 扫 掠 属 性 设 置 : 选 择 扫 掠 轮 廓 Details View Details of Sweep6 Profile =Sketch12 10) 选 择 扫 掠 路 径 : Details View Details of Sweep6 Path =Sketch11 11) 选 择 切 除 材 料 操 作 : Details View Details of Sweep6 Operation =Cut Material 12) 定 义 圈 数 确 定 的 螺 旋 扫 掠 : Details View Details of Sweep6 Twist Specification =Turns 13) 定 义 螺 旋 圈 数 : Details View Details of Sweep6 FD5,Turns =4 14) 生 成 螺 旋 扫 掠 15) 图 形 区 显 示 螺 旋 扫 掠 特 征 操 作 结 果, 如 图 3-45 图 3-45 螺 旋 扫 掠 4 蒙 皮 / 放 样 Skin/Loft 1. 从 不 同 平 面 上 的 一 系 列 剖 面 轮 廓 产 生 一 个 样 条 面 拟 合 的 三 维 几 何 体 ( 必 须 选 两 个 或 更 多 的 剖 面 ) a) 剖 面 可 以 是 一 个 闭 合 或 开 放 的 环 路 草 图, 或 由 表 面 得 到 的 一 个 面 b) 所 有 的 剖 面 必 须 有 同 样 的 边 数 c) 不 能 混 杂 开 放 和 闭 合 的 剖 面 2. 草 图 和 面 可 以 通 过 在 图 形 区 域 内 点 击 它 们 的 边 或 点 3. 选 取 好 足 够 数 量 的 剖 面 轮 廓 后, 可 以 预 览 选 定 的 剖 面 和 导 引 多 边 形 4. 导 引 多 边 形 是 一 段 灰 色 的 多 义 线, 它 用 来 显 示 剖 面 轮 廓 的 顶 点 如 何 相 互 连 接 的 5. 蒙 皮 / 放 样 操 作 非 常 依 赖 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 的 选 项 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

53 蒙 皮 / 放 样 实 例 : 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 保 存 文 件 DM4-Skin.wbpj, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口 : 1) 选 择 工 作 平 面 XYPlane 2) 创 建 草 图 Sketch1 3) 绘 制 草 图 为 圆, 直 径 100mm 4) 创 建 偏 移 工 作 平 面 Plane4, 偏 移 XYPlane 距 离 50mm 5) 创 建 草 图 援 引 Sketch2, 其 援 引 草 图 Sketch1, 比 例 0.5 6) 如 图 形 区 显 示 中 截 面 7) 创 建 偏 移 工 作 平 面 Plane5, 偏 移 XYPlane 距 离 80mm 8) 创 建 草 图 援 引 Sketch3, 其 援 引 草 图 Sketch1, 比 例 0.8 9) 如 图 形 区 显 示 上 截 面 10) 工 具 条 选 择 蒙 皮 命 令 Skin/Loft 11) 选 择 要 蒙 皮 的 所 有 草 图 : 按 住 CTRL 键, 选 取 好 每 个 草 图 轮 廓 后, 显 示 灰 色 的 引 导 线, 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 用 于 引 导 线 的 修 改, 继 续 通 过 所 有 的 剖 面, Apply 确 认 后, Details View Details of Skin1 Profiles =3 Sketches 12) Generate 操 作 生 成 3D 实 体, 见 图 3-46, 保 存 文 件 图 3-46 蒙 皮 / 放 样 提 示 : 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 中 可 以 对 引 导 线 重 新 排 列, 排 列 方 向 出 现 差 错 可 能 导 致 出 现 不 可 预 知 的 形 状 5 抽 壳 Thin/Surface : 1. 抽 壳 特 征 有 两 个 明 显 的 用 处 : a) 创 建 薄 壁 实 体 Thin b) 创 建 简 化 壳 Surface 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

54 2. 详 细 菜 单 中 的 选 择 方 式 : a) 删 除 面 Face to Remove : 所 选 面 将 从 体 中 删 除 b) 保 留 面 Face to Keep : 保 留 所 选 面, 删 除 没 有 选 择 的 面 c) 仅 对 体 操 作 Boldies only : 只 对 所 选 体 上 操 作 不 删 除 任 何 面 3. 将 实 体 转 换 成 薄 壁 体 或 面 时, 可 以 采 用 以 下 三 种 方 向 中 的 一 种 偏 移 方 向 指 定 模 型 的 厚 度 : 向 内, 向 外, 中 面 提 示 1) 创 建 面 几 何 体 并 非 薄 壁 实 体 时, 必 须 将 厚 度 属 性 域 设 为 零 2) 如 果 所 选 面 是 表 面 体 的 一 部 分, 则 可 以 将 Thin/Surface 特 征 的 厚 度 设 为 > 0, 这 个 操 作 可 以 对 某 个 输 入 的 面 增 厚 3) 中 面 选 项 : 并 非 意 味 着 中 面 抽 取 体 是 中 空 的 案 例 演 示 : 1) 接 上 例, 工 具 条 中 选 择 抽 壳 命 令 Thin/Surface 2) 属 性 设 置 去 除 面 : Details View Details of Thin1 Selection Type =Face to Remove 3) 图 形 区 选 择 上 表 面 4) 确 认 要 去 除 的 面 : Details View Details of Thin1 Geometry =Apply 5) 抽 壳 成 面 体 : Details View Details of Thin1 FD1,Thickness =0 6) 选 择 Generate 生 成 抽 壳 特 征 7) 图 形 区 显 示 结 果 8) 导 航 树 零 件 下 由 原 来 的 实 体 Solid 变 成 面 体 Surface Body 见 图 3-47, 保 存 文 件 图 3-47 抽 壳 特 征 操 作 6 圆 角 Blend 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

55 1) 固 定 半 径 圆 角 Fixed Radius : 固 定 半 径 圆 角 可 以 在 模 型 边 界 上 创 建 圆 角 选 择 3D 边 或 面 用 于 圆 角, 如 果 面 选 将 圆 角 面 上 的 所 有 边, 在 详 细 列 表 菜 单 中 可 以 编 辑 圆 角 半 径, 点 击 Generate 完 成 特 征 案 例 操 作 见 图 3-48 图 3-48 固 定 半 径 导 圆 角 2) 可 变 半 径 圆 角 Variable Radius : 用 详 细 列 表 菜 单 可 以 改 变 每 边 的 起 始 和 结 尾 的 圆 角 半 径, 也 可 以 设 定 圆 角 间 的 过 渡 形 式 为 光 滑 还 是 线 性, 点 击 生 成 完 成 特 征, 创 建 更 新 模 型, 如 图 3-49 图 3-49 可 变 半 径 导 圆 角 3) 顶 点 倒 圆 (Vertex Radius) 允 许 在 面 体 和 线 体 上 的 顶 点 导 圆 角, 但 顶 点 必 须 和 两 条 边 相 连, 围 绕 顶 点 的 几 何 模 型 必 须 共 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

56 7 倒 角 : 倒 角 特 征 用 来 在 模 型 边 上 创 建 平 面 过 渡 1) 选 择 3D 边 或 面 来 倒 角, 如 果 选 择 的 是 面, 那 个 面 上 的 所 有 边 缘 将 被 倒 角 2) 面 上 的 每 条 边 都 有 方 向, 该 方 向 定 义 右 侧 和 左 侧 3) 可 以 用 平 面 ( 倒 角 面 ) 过 渡 的 两 条 边 的 距 离 或 距 离 ( 左 或 右 ) 和 角 度 来 定 义 斜 面 4) 在 详 细 列 表 菜 单 中 设 定 倒 角 类 型 包 括 设 定 距 离 和 角 度 图 3-50 倒 角 特 征 操 作 8 点 特 征 点 特 征 可 以 使 点 相 对 面 或 边 的 位 置 按 尺 寸 放 置 1) 选 取 一 组 基 准 面 和 引 导 边 2) 选 择 点 分 析 类 型 : (1) 焊 点 : 用 于 将 装 配 体 中 的 分 离 的 零 件 焊 接 在 一 起, 仅 那 些 成 功 匹 配 的 点 才 能 作 为 焊 点 传 到 数 值 模 拟 中 (2) 加 载 点 : 用 于 分 析 的 hard points 节 点, 所 有 成 功 生 成 的 点 都 可 以 传 到 数 值 模 拟 中 (3) 构 造 点 : 这 类 点 不 能 够 传 到 数 值 模 拟 中 3) 从 三 种 可 能 的 点 定 义 中 选 择, 每 一 种 明 确 地 定 义 了 位 置, 如 图 3-51: (1) 单 点 Single : Sigma and Offset (2) 根 据 间 隔 控 制 序 列 点 Sequence By Delta : Sigma, Offset, Delta (3) 根 据 数 量 控 制 序 列 点 Sequence By N : Sigma, Offset, N, Omega (4) 坐 标 点 From Coordinates File : 文 本 格 式 文 件, 类 似 于 3D 曲 线 参 数 Sigma : 导 引 边 起 始 端 和 起 始 点 之 间 的 距 离 边 偏 移 Edge Offset : 导 引 边 和 基 准 面 上 点 阵 放 置 处 之 间 的 距 离 参 数 Delta : 对 于 按 间 隔 控 制 序 列 点 Sequence By Delta 选 项, 这 项 指 的 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

57 是 引 导 上 测 得 的 两 个 连 续 点 之 间 的 距 离 N: 放 置 的 点 数, 与 导 引 边 相 关, 在 根 据 数 量 控 制 序 列 点 Sequence By N 选 项 情 况 下 使 用 参 数 Omega: 对 根 据 数 量 控 制 序 列 点 Sequence By N 选 项, 这 项 是 导 引 边 末 端 和 末 点 之 间 的 距 离 图 3-51 点 特 征 参 数 示 例 9 阵 列 特 征 Pattern 阵 列 特 征 可 以 以 下 列 形 式 复 制 面 或 体, 如 图 3-52: 1) 线 性 ( 方 向 + 偏 移 距 离 ) 2) 环 形 ( 旋 转 轴 + 角 度 ): 将 角 度 设 为 0, 系 统 会 自 动 计 算 均 布 放 置 3) 矩 形 ( 两 个 方 向 + 偏 移 ) 提 示 : 对 于 面 选 定, 每 个 复 制 的 对 象 实 例 必 须 和 原 始 体 保 持 一 致, 复 制 对 象 不 能 彼 此 接 触 或 相 交, 复 制 的 总 数 = Copies + 1 图 3-52 阵 列 特 征 D 实 体 建 模 案 例 排 气 装 置 创 建 一 个 排 气 装 置 如 图 3-53 主 要 操 作 : 建 立 草 图, 草 图 分 割, 工 作 面 偏 移, 草 图 援 引, 草 图 投 影, 蒙 皮 / 放 样, 旋 转, 抽 壳 及 面 体 生 成 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

58 图 3-53 排 气 装 置 模 型 操 作 过 程 : 1. 组 件 窗 口 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图, 保 存 工 程 文 件 为 DM5-exhaust.wbpj 2. 几 何 组 件 命 名 exhaust 3. 选 择 几 何 建 模 Geometry, 鼠 标 右 键 选 New Geometry 如 图 在 XY 面 上 创 建 草 图 sketch1 图 3-54 创 建 新 的 几 何 模 型 1) 在 导 航 树 点 击 XYPlane 2) 工 具 条 选 新 草 图 3) 切 换 到 Sketching 草 图 选 项, 将 在 XY 面 上 创 建 草 图 4) 创 建 图 示 圆, 并 将 圆 分 割 为 8 分, 旋 转 ) 设 置 圆 半 径 2.5cm, 如 图 生 成 草 图 Sketch2 图 3-55 创 建 草 图 1 1) XY 平 面 Z 轴 平 移 2cm 生 成 新 平 面 Plane4 2) 插 入 草 图 援 引 Insert > Skech Instance 3) 援 引 草 图 设 置 : Base Skeitch 4) 缩 放 比 例 1.2 倍 : Scale =1.2 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

59 5) 如 图 3-56 图 3-56 创 建 草 图 2 6. 生 成 草 图 Sketch3 1) XY 平 面 Z 轴 平 移 7cm 生 成 新 平 面 Plane5 2) 建 立 草 图 Skech 3 3) 绘 制 图 示 圆 角 四 边 形 4) 标 注 相 关 尺 寸, 如 图 3-57 图 3-57 创 建 草 图 3 7. 生 成 草 图 Sketch4 1) XY 平 面 Z 轴 平 移 9cm 生 成 新 平 面 Plane6 2) 插 入 草 图 援 引 Insert > Skech Instance 生 成 草 图 Sketch4 3) 援 引 草 图 设 置 : Base Sketch =Sketch3 4) 缩 放 比 例 1.2 倍 : Scale =1.2 5) 如 图 3-58 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

60 图 3-58 创 建 草 图 4 8. 生 成 蒙 皮 特 征 1) 工 具 条 选 择 蒙 皮 命 令 Skin/Loft 2) 显 示 4 个 草 图 轮 廓, 按 顺 序 同 时 选 中 图 中 草 图 黄 色 线 段, 提 示 引 导 线 的 方 向 3) 选 择 Generate 4) 生 成 蒙 皮 图 形 5) 导 航 树 显 示 生 成 的 蒙 皮 特 征 包 含 4 个 草 图 轮 廓, 如 图 生 成 旋 转 特 征 图 3-59 创 建 蒙 皮 特 征 1) 平 面 Plane6 生 成 草 图 Sketch5 2) Sketch5 上 画 旋 转 轴 线 3) 体 上 表 面 生 成 平 面 Plane7 > Insert > Sketch Projection 4) 选 择 体 上 表 面 确 认 Plane7 上 建 草 图 Sketch6 5) 选 择 旋 转 命 令 Revolve 6) 旋 转 面 为 Sketch6 7) 旋 转 轴 为 Sketch5 中 的 线 8) 旋 转 角 为 Angle =45 9) Generate 生 成 10) 导 航 树 显 示 生 成 旋 转 特 征, 如 图 3-60 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

61 图 3-60 创 建 旋 转 特 征 10. 生 成 抽 壳 特 征 1) 选 择 抽 壳 命 令 Thin/Surface 2) 设 置 面 去 除 Face to Remove 3) 选 择 图 形 中 上 下 两 个 表 面 4) 设 置 零 厚 度 Thickness =0 5) Generate 生 成, 如 图 3-61, 保 存 文 件 图 3-61 创 建 抽 壳 特 征 概 念 建 模 及 案 例 Concept 菜 单 中 的 特 征 用 于 创 建 和 修 改 线 体 或 表 面 体, 这 些 体 将 变 成 有 限 元 梁 和 板 壳 模 型, 可 以 用 绘 图 工 具 箱 中 的 特 征 创 建 线 或 表 面 体, 用 来 设 计 2D 草 图 或 生 成 3D 模 型 ; 也 可 以 导 入 外 部 几 何 体 文 件 特 征 概 念 建 模 工 具 命 令 如 下 表 3-3: 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

62 表 3-3: 概 念 建 模 命 令 Concept 概 念 建 模 命 令 说 明 Cross Section 横 截 面 用 点 生 成 线 体 用 草 图 生 成 线 体 用 边 生 成 线 体 3D 曲 线 分 割 线 体 用 边 生 成 面 体 用 草 图 生 成 面 体 线 体 横 截 面 创 建 线 体 及 案 例 1) 点 生 成 线 体 Line From Points 点 可 以 是 任 何 2D 草 图 点 3D 模 型 顶 点 或 点 特 征 点, 一 个 点 分 段 通 常 是 一 条 连 接 两 个 选 定 点 的 直 线, 该 特 征 可 以 产 生 多 个 线 体, 这 一 点 取 决 于 所 选 点 分 段 的 连 接 性 质 操 作 域 允 许 在 线 体 中 选 择 添 加 材 料 或 添 加 冻 结 选 择 2) 草 图 生 成 线 体 Line From Sketches : 基 于 草 图 创 建 线 体 3) 边 生 成 线 体 Line From Edges : 基 于 已 有 的 2D 和 3D 模 型 边 界 创 建 线 体 4) 分 割 线 体 Split Edges : 分 割 线 体 边 成 段, 用 比 例 特 性 控 制 分 割 位 置, 如 0.5 等 效 于 在 一 半 处 分 割 5) 横 截 面 Cross Section : 横 截 面 作 为 一 种 属 性 赋 给 线 体, 这 样 就 可 以 在 有 限 元 数 值 模 拟 中 定 义 梁 的 属 性 (1) DM 中 在 草 图 中 描 绘 横 截 面 并 通 过 一 组 尺 寸 控 制 横 截 面 的 形 状 (2) DM 中 可 以 自 定 义 横 截 面, 不 用 画 出 横 截 面, 而 只 需 在 详 细 列 表 窗 口 填 写 截 面 的 属 性 (3) DM 中 横 截 面 位 于 XY 平 面, 定 义 横 截 面 对 齐 采 用 局 部 坐 标 系 或 横 截 面 的 +Y 方 向, 默 认 的 对 齐 是 全 局 坐 标 系 的 +Y 方 向 (4) DM 中 用 有 色 编 码 显 示 线 体 横 截 面 的 状 态 : a) 紫 色 : 线 体 未 赋 值 截 面 属 性 b) 黑 色 : 线 体 赋 予 了 截 面 属 性 且 对 齐 合 法 c) 红 色 : 线 体 赋 予 了 截 面 属 性 但 对 齐 非 法 (5) 树 形 目 录 中 的 线 体 图 标 有 同 样 的 可 视 化 帮 助 : a) 绿 色 : 有 合 法 对 齐 的 赋 值 横 截 面 b) 黄 色 : 没 有 赋 值 横 截 面 或 使 用 默 认 对 齐 c) 红 色 : 非 法 的 横 截 面 对 齐 用 视 图 菜 单 进 行 图 形 化 的 截 面 对 齐 检 查 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

63 图 3-62 线 体 图 标 表 示 横 截 面 状 态 6) 选 择 默 认 的 对 齐 总 是 要 修 改 横 截 面 方 向, 有 2 种 方 式 可 以 进 行 横 截 面 对 齐, 选 择 法 或 矢 量 法 任 何 一 种 方 式 都 可 以 输 入 旋 转 角 度 或 是 否 反 向 如 图 3-63: a) 选 择 使 用 现 有 几 何 体 : 边 点 等 作 为 对 齐 参 照 方 式 b) 矢 量 方 式 法 输 入 相 应 的 X, Y, Z 坐 标 方 向 图 3-63 修 改 横 截 面 方 向 7) 横 截 面 偏 移 : 将 横 截 面 赋 给 一 个 线 体 后, 详 细 列 表 窗 口 中 允 许 用 户 对 横 截 面 进 行 偏 移 : a) 质 心 : 横 截 面 中 心 和 线 体 质 心 相 重 合 ( 默 认 ) b) 剪 力 中 心 : 横 截 面 剪 力 中 心 和 线 体 中 心 相 重 合, 提 示 质 心 和 剪 力 中 心 的 图 形 显 示 看 起 来 是 一 样 的, 但 分 析 时 使 用 的 是 剪 力 中 心 c) 原 点 : 横 截 面 不 偏 移 D 曲 线 特 征 及 案 例 3D 曲 线 可 用 于 : 为 概 念 建 模 定 制 曲 线, 建 立 特 征 时 的 基 本 对 象 1. 创 建 3D 曲 线 : 可 以 从 现 有 模 型 点 Point Select 或 者 坐 标 ( 文 本 ) 文 件 From Coordinates File 2. 曲 线 通 过 链 路 上 所 有 的 点 : 所 有 点 必 须 唯 一 的, 曲 线 可 能 是 开 放 的 也 可 能 是 闭 合 的 演 示 : 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

64 1. 接 上 例, 选 择 Concept 3D Curve 2. 选 择 Definition Point Select 3. 选 择 已 有 模 型 上 的 点 按 住 <CTRL> 键 选 择 多 个 点 4. Apply 确 认 选 择 的 4 个 点 5. 曲 线 可 以 是 开 放 的 也 可 以 是 闭 合 的, 产 生 的 曲 线 通 过 所 有 选 取 的 点, 如 图 3-64 图 3-64 创 建 3D 曲 线 提 示 : 通 过 XYZ 坐 标 的 文 本 文 件 创 建 3D 曲 线, 文 本 需 要 满 足 一 定 的 格 式 如 图, 格 式 化 文 本 文 件,# 表 示 此 行 是 注 解, 忽 略 空 行, 数 据 行 包 括 5 个 数 据 域, 被 空 格 或 TAB 键 隔 开, 依 次 为 组 号 ( 整 数 ), 点 号 ( 整 数 ),X 坐 标,Y 坐 标,Z 坐 标, 对 于 封 闭 曲 线, 最 后 一 行 的 点 号 应 该 是 0, 如 图 3-65 图 D 曲 线 文 本 文 件 格 式 创 建 面 体 及 案 例 平 面 体 是 在 XY 面 的 表 面 体, 在 DM 中 创 建 的 平 面 体 用 于 进 行 2D 数 值 模 拟, 应 用 于 平 面 应 变 平 面 应 力 轴 对 称, 在 数 值 运 算 上 比 3D 模 型 高 效 的 模 型 3D 曲 面 则 用 于 数 值 模 拟 壳 体 模 型 1. 用 边 生 成 表 面 体 Surface From Edges 用 线 体 边 作 为 边 界 创 建 表 面 体, 线 体 边 必 须 是 没 有 交 叉 的 闭 合 回 路, 每 个 闭 合 回 路 都 创 建 一 个 冻 结 表 面 体, 回 路 应 该 形 成 一 个 可 以 插 入 模 型 的 简 单 表 面 形 状, 如 平 面 圆 柱 面 圆 环 面 圆 锥 面 球 面 和 简 单 扭 曲 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

65 3-66 边 生 成 面 体 提 示 : 无 横 截 面 属 性 的 线 体 能 用 于 将 表 面 模 型 连 在 一 起, 在 这 种 情 况 下 线 体 仅 仅 起 到 确 保 表 面 边 界 有 连 续 网 格 的 作 用 2. 草 图 生 成 面 体 Surface From Sketches 由 草 图 作 为 边 界 创 建 面 体, 单 个 或 多 个 草 图 都 是 可 以 的, 但 基 本 草 图 必 须 是 不 自 相 交 叉 的 闭 合 剖 面, 可 以 选 择 添 加 或 加 入 冻 结 体 操 作 3. 边 接 合 显 示 Edge Joints 边 接 合 Joint 就 是 将 放 在 一 起 的 面 体 以 及 概 念 模 型 中 梁 和 表 面 相 粘 合, 每 当 生 成 一 个 接 合, 从 边 界 生 成 线 或 从 线 特 征 生 成 表 面 时,DM 就 隐 含 地 创 建 了 边 接 合, 在 视 图 菜 单 中 打 开 边 接 合 显 示 Edge Joints 选 项 就 可 以 浏 览 边 连 接 : 蓝 色 表 示 边 接 合 包 含 在 已 正 确 定 义 的 多 体 素 零 件 中, 红 色 表 示 边 接 合 没 有 分 组 进 同 一 个 零 件 中 图 3-67 边 接 合 显 示 高 级 工 具 及 案 例 如 下 : Tools 工 具 菜 单 给 出 用 于 数 值 模 拟 分 析 常 用 命 令, 见 表 3-4, 其 中 一 些 命 令 及 案 例 演 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

66 表 3-4: 高 级 工 具 菜 单 命 令 列 表 命 令 说 明 修 补 命 令 Repair 及 说 明 Freeze 冰 冻 Repair Edges 小 边 修 补 Unfreeze 解 冻 Repair Seams 缝 隙 修 补 Named Selection 命 名 选 择 Repair Holes 孔 洞 修 补 Attribute 属 性 Repair Sharp Angles 尖 角 修 补 Mid-Surface 抽 取 中 面 Repair Slivers 裂 痕 修 补 Joint 接 合 Repair Spikes 钉 修 补 Encolsure 包 围 Repair Face 碎 面 修 补 Symmetry 对 称 Fill 填 充 分 析 工 具 Analysis Tools 及 说 明 Surface Extension 表 面 延 伸 Distance Finder 检 测 距 离 Surface Patch 表 面 修 补 Entity Information 实 体 信 息 Surface Flip 表 面 翻 转 Bounding Box 边 界 框 Solid Extensior 实 体 扩 展 Mass Properties 质 量 属 性 Merge 合 并 Fault Detection 默 认 检 测 Connect 连 接 Small Entity Search 查 找 小 体 Projection 投 影 冰 冻 Freeze 及 案 例 通 常 3D 实 体 特 征 操 作 如 下 : 1. 创 建 3D 特 征 体 ( 例 如 拉 伸 特 征 ) 2. 通 过 布 尔 操 作 将 特 征 体 和 现 有 模 型 合 并 : 加 入 材 料, 切 除 材 料, 表 面 印 记 等 而 冰 冻 特 征 Freeze 的 作 用 是 构 造 模 型 历 程 的 隔 离 器, 也 就 是 在 冰 冻 前 创 建 的 特 征 将 变 成 冰 冻 体, 冰 冻 特 征 之 后, 对 任 何 特 征 所 做 的 添 加 去 除 印 记 面 材 料 操 作 都 将 忽 略 所 有 的 冰 冻 体 案 例 演 示 : 1) 打 开 文 件 DM5-exhaust.wbpj, 另 存 为 DM6-Frozent.wbpj, 双 击 Geometry, 进 入 DM 环 境, 加 入 冰 冻 命 令 Tools Freeze 2) 导 航 树 在 最 后 的 特 征 处 Thin1 出 现 冰 冻 特 征 Freeze1 3) 图 形 区 显 示 冰 冻 面 体 4) 选 择 工 作 面 Plane6 点 击 鼠 标 右 键 插 入 草 图 援 引 Insert Sketch Instance 建 立 新 草 图 Sketch9 5) 草 图 属 性 : 援 引 草 图 Details View Details of Sketch9 Base Sketch =Sketch3 6) 草 图 属 性 : 草 图 比 例 Details View Details of Sketch9 FD6,Scale =1.2 7) 生 成 草 图 Sketch9, 如 图 3-68 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

67 图 3-68 创 建 冰 冻 体 8) 创 建 拉 伸 特 征 Extrude2 9) 拉 伸 特 征 属 性 设 置 : Details of Extrude2 Base Object =Sketch9 10) 拉 伸 特 征 属 性 : 拉 伸 草 图 Details of Extrude2 Base Object =Sketch9 11) 拉 伸 特 征 属 性 : 拉 伸 长 度 Details of Extrude2 FD1,Depth =5cm 12) 拉 伸 特 征 属 性 : 拉 伸 为 面 体 Details of Extrude2 As Thin/Surface =Yes 13) 拉 伸 特 征 属 性 : 输 入 厚 度 Details of Extrude2 FD2,Inward Thickness =0cm 14) Generate 生 成 拉 伸 面 体 如 图 15) 导 航 树 显 示 两 个 面 体, 前 一 个 冰 冻, 后 一 个 激 活, 如 果 没 有 冰 冻 特 征, 则 两 个 面 体 将 合 并 为 一 个 面 体, 如 图 3-69, 保 存 文 件 图 3-69 创 建 薄 壁 拉 伸 解 冻 Unfreeze 冻 结 是 全 局 操 作, 解 冻 Unfreeze 可 以 有 选 择 地 移 除 对 单 个 或 多 个 体 的 冻 结 提 示 : 如 果 从 CAD 软 件 中 导 入 一 个 装 配 体,DM 将 默 认 为 装 配 体 是 没 有 冻 结 的 分 离 零 件, 然 而 接 下 来 的 任 何 3D 建 模 操 作 将 合 并 装 配 体 中 的 任 何 相 互 接 触 体, 这 些 合 并 可 以 用 冻 结 和 解 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

68 冻 工 具 避 免 命 名 选 择 Named Selection 命 名 选 择 Named Selection 将 一 组 实 体 组 织 在 一 个 名 字 下, 可 以 传 递 到 数 值 模 拟 分 析 模 块 中 接 合 Joint 接 合 Joint 将 表 面 体 接 合 在 一 起, 以 便 在 分 析 模 块 中 对 其 适 当 处 理, 可 用 于 激 活 体 或 冻 结 体, 拓 扑 结 构 可 以 共 享 网 格 或 不 共 享 成 接 触 区 域 将 共 享 拓 扑 设 为 Yes ( 缺 省 ), 分 析 模 型 沿 边 界 的 网 格 是 连 续 的 ; 将 共 享 拓 扑 设 为 No 则 用 接 触 单 元 对 边 / 面 的 边 界 进 行 建 模, 提 示 : 表 面 / 边 探 测 必 须 设 为 Yes 包 围 Enclosure 及 案 例 包 围 命 令 Enclosure 沿 体 创 建 一 个 环 绕 区 域 以 便 于 对 场 效 应 区 进 行 数 值 模 拟, 如 流 体 和 电 磁 场 等 可 以 使 用 块 体 球 体 柱 体 或 自 定 义 的 形 状 创 建 包 围 体, 夹 层 特 性 允 许 将 包 围 体 边 界 延 伸 至 指 定 值 但 须 > 0, 可 以 将 包 围 应 用 于 所 有 的 体 或 仅 对 选 定 目 标, 合 并 特 性 可 以 对 多 体 零 件 自 动 创 建 包 围 体, 确 保 划 分 网 格 时 原 始 零 件 和 包 围 体 有 公 共 节 点 1. 接 上 例, 加 入 包 围 特 征 Tools Enclosure 2. 导 航 树 显 示 包 围 特 征 Enclosure1 3. 设 置 包 围 体 为 球 体 : Details View Details of Enclosure1 Shape =Sphere 4. 设 置 球 体 半 径 : Details View Details of Enclosure1 FD1,Cushion =10cm 5. Generate 生 成 6. 图 形 区 显 示 球 体 包 围 7. 导 航 树 选 实 体 8. 图 形 区 显 示 包 围 的 球 体, 如 图 3-70, 保 存 文 件 图 3-70 创 建 包 围 区 域 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

69 填 充 Fill 及 案 例 填 充 命 令 Fill 用 于 创 建 充 满 内 部 空 腔 的 实 体, 可 在 激 活 或 冻 结 体 中 操 作, 但 只 能 在 实 体 中 操 作 该 操 作 对 大 量 的 CFD 应 用 软 件 非 常 有 用 填 充 可 以 通 过 指 定 空 腔 内 部 表 面 或 创 建 封 盖 面 完 成, 见 下 面 的 案 例 演 示 : 1. 拖 入 Geometry 到 Project Schematic 2. 调 入 填 充 模 型 文 件 : Geometry Import Geometry =fill model.agdb, 如 图 3-71 图 3-71 调 入 填 充 模 型 文 件 3. 创 建 空 腔 表 面 填 充 : 1) 选 择 填 充 命 令 : Tools Fill 2) 选 择 空 腔 内 表 面 3) 确 认 选 择 的 表 面 Details View Details of Fill1 Faces =Apply 4) Generate 生 成 特 征 5) 导 航 树 显 示 出 现 2 个 实 体, 选 择 空 腔 生 成 的 实 体 6) 图 形 区 显 示 内 部 实 体, 如 图 3-72 如 图 3-72 创 建 空 腔 表 面 填 充 4. 创 建 封 盖 面 填 充 : 1) 创 建 封 盖 面 : Concept Surface From Edges 2) 图 形 区 选 择 边 3) 确 认 选 择 的 表 面 Details View Details of Surf1 Edges =Apply 4) Generate 生 成 表 面 特 征 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

70 5) 导 航 树 显 示 出 现 2 个 面 体, 6) 生 成 填 充 特 征 Fill3 7) 设 置 封 盖 面 填 充 Details View Details of Fill3 Extraction Type =by Caps 8) 图 形 区 显 示 填 充 后 实 体, 如 图 3-73 图 3-73 创 建 封 盖 面 填 充 抽 取 中 面 Mid-Surface 与 表 面 延 伸 Face Extend 及 案 例 抽 取 中 面 Mid-Surface 将 实 体 模 型 转 化 为 面 体, 表 面 延 伸 Face Extend 则 在 所 选 边 上 创 建 表 面 延 伸, 延 伸 可 以 是 固 定 或 延 伸 到 选 定 表 面, 使 用 DM 表 面 模 型 工 具 实 例 演 示 如 下 : 1. 拖 入 几 何 建 模 系 统 Geometry 到 工 程 流 程 图 Project Schematic 2. 命 名 工 程 为 Surface 3. 选 择 Geometry - Import Geometry - Browse 加 入 文 件 MidSurfaceBracket.agdb 绿 勾 标 记 表 明 模 型 加 载 成 功 4. 保 存 工 程 文 件 5. 选 择 Geometry - Edit 如 图 3-74 图 3-74 调 入 几 何 模 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

71 6. DM 窗 口 中 出 现 支 座 模 型, 该 模 型 有 两 个 实 体, 前 支 架 为 一 单 独 实 体, 选 择 Generate 更 新 模 型 7. 使 用 抽 取 中 面 工 具 获 得 实 体 中 间 截 面 的 面 体, 如 图 3-75, 选 择 Tools - Mid-Surface 8. 点 击 面 选 过 滤 器 9. 图 形 区 选 择 面 10. 选 面 小 窗 口, 按 住 Ctrl 键, 也 选 择 被 遮 盖 的 面 11. 确 认, Details View - Face Pairs - Apply 图 3-75A 抽 取 中 面 12. 前 面 只 选 择 一 对 面, 需 要 增 加 其 它 的 面 对, 设 置 选 择 方 法 Selection Method =Automatic, 13. 实 体 面 对 之 间 的 控 制 距 离 为 Minimum Threshold =1mm 14. Maximum Threshold =2mm 15. 自 动 查 找 匹 配 的 面 对 追 加 到 前 面 的 面 对 Find Face Pairs Now =Yes,Add to Face Pairs 16. 现 在 生 成 11 个 面 对 Face Pairs =11 图 3-75B 抽 取 中 面 17. 选 择 Generate 更 新 模 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

72 18. 需 要 删 除 多 余 的 面 对, 右 击 鼠 标 Midsurf - Edit Selections 19. 图 形 区 选 择 多 的 面 20. 图 形 区 右 击 鼠 标 选 择 Remove Face Pairs 21. 选 择 Generate 更 新 模 型 22. 得 到 面 体 模 型 23. 前 支 架 和 支 座 需 要 用 表 面 延 伸 命 令 连 接 起 来, 因 此 使 用 延 伸 工 具 延 伸 面 体, 如 图 3-76, 选 择 Tools - Surface-Extension 24. 图 形 区 选 择 前 支 架 边 25. 确 认 选 择 边 : DetailsView - Surface Extension Group 1 - Edges =Apply 26. 所 选 边 延 伸 到 表 面 : Surface Extension Group 1 - Extend - To Surface 27. 图 形 区 选 择 要 延 伸 到 的 面 28. 确 认 目 标 面 : Surface Extension Group 1 - Target Face - Apply 图 3-76A 创 建 表 面 延 伸 29. 延 伸 前 支 架 另 一 边, 增 加 新 的 延 伸 组, 点 击 鼠 标 右 键 Surface Extension Group 1 - Add 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

73 New Extension Group 30. 图 形 区 选 择 前 支 架 另 一 边 31. 确 认 选 择 边 : DetailsView - Surface Extension Group 2 - Edges =Apply 32. 所 选 边 延 伸 到 表 面 : Surface Extension Group 2 - Extend - To Surface 33. 图 形 区 选 择 要 延 伸 到 的 面 34. 确 认 目 标 面 : Surface Extension Group 2 - Target Face - Apply 35. 选 择 Generate 更 新 模 型 36. 输 出 几 何 模 型, File - Export -Surface.agdb 图 3-76B 创 建 表 面 延 伸 切 片 Slice 当 模 型 完 全 由 冰 冻 体 组 成 时 才 可 以 使 用 切 片 Slice, 切 片 有 两 个 选 项 : 1. 用 平 面 切 片 : 选 定 一 个 面 并 用 此 面 对 模 型 进 行 切 片 操 作 2. 切 开 表 面 : 在 模 型 中 选 择 表 面,DM 将 这 些 表 面 切 开, 然 后 就 可 以 用 这 些 切 开 的 面 创 建 一 个 分 离 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

74 第 4 章 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 4.1 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 概 述 网 格 是 计 算 机 辅 助 工 程 ( CAE 技 术 ) 模 拟 过 程 中 不 可 分 割 的 一 部 分 网 格 直 接 影 响 到 精 度, 收 敛 性 和 解 决 方 案 的 速 度 此 外, 建 立 网 格 模 型 所 花 费 的 时 间 往 往 是 取 得 CAE 解 决 方 案 所 花 费 的 时 间 中 一 个 重 要 部 分 因 此, 一 个 越 好 的 自 动 化 的 网 格 工 具, 越 能 得 到 更 好 的 解 决 方 案 从 简 单, 自 动 化 网 格, 以 及 到 高 度 复 杂 的 流 体 网 格, ANSYS12.0 软 件 提 供 了 最 终 的 解 决 方 案 强 大 的 自 动 化 能 力 通 过 关 闭 物 理 参 数 和 实 用 智 能 缺 省 设 置 简 化 了 一 个 新 几 何 体 的 网 格 初 始 化, 从 而 使 得 网 格 在 第 一 次 使 用 时 就 能 生 成 此 外, 用 户 可 以 变 化 参 数 得 到 即 时 的 更 新, 在 前 期 设 计 中 从 CAD 到 CAE 能 自 由 切 换 一 旦 发 现 最 好 的 设 计, ANSYS12.0 的 网 格 技 术 提 供 了 生 成 网 格 的 灵 活 性, 可 以 把 正 确 的 网 格 用 于 正 确 的 地 方, 并 确 保 在 物 理 模 型 上 进 行 精 确 有 效 的 数 值 模 拟 网 格 的 节 点 和 单 元 参 与 有 限 元 求 解,ANSYS12.0 在 求 解 开 始 时 会 自 动 生 成 默 认 的 网 格 可 以 通 过 预 览 网 格, 检 查 有 限 元 模 型 是 否 满 足 要 求, 细 密 的 网 格 可 以 使 结 果 更 精 确, 但 是 会 增 加 CPU 计 算 时 间 和 需 要 更 大 的 存 储 空 间, 因 此 需 要 权 衡 计 算 成 本 和 网 格 划 分 份 数 之 间 的 矛 盾 在 理 想 情 况 下, 我 们 所 需 要 的 网 格 密 度 是 结 果 随 着 随 网 格 的 细 化 而 收 敛, 但 要 提 示 : 细 化 网 格 不 能 弥 补 不 准 确 的 假 设 和 错 误 的 输 入 条 件 4.2 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 方 法 不 同 的 物 理 场 对 网 格 的 要 求 不 一 样, 通 常 流 场 的 网 格 比 结 构 场 要 细 密 的 多, 因 此 选 择 不 同 的 物 理 场, 也 会 有 不 同 的 网 格 划 分 把 Meshing 组 件 调 入 工 程 流 程 图, 可 以 通 过 Tools Options Meshing 设 置 缺 省 的 物 理 环 境, 如 图 4-1 图 4-1 网 格 划 分 物 理 环 境 设 置 网 格 划 分 类 型 根 据 算 法 可 以 分 为 : 协 调 分 片 算 法 Patch Conforming 和 独 立 分 片 算 法 Patch Independent 协 调 分 片 算 法 的 分 片 面 及 边 界 考 虑 零 件 实 体 间 的 相 互 影 响 采 用 小 公 差 常 用 于 考 虑 几 何 体 的 小 特 征 可 以 用 虚 拟 拓 扑 工 具 把 一 些 面 或 边 组 成 组, 构 成 虚 拟 单 元, 从 而 减 少 单 元 数 目, 简 化 小 特 征, 简 化 载 荷 提 取, 因 此 如 果 采 用 虚 拟 拓 扑 工 具 可 以 放 宽 分 片 限 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

75 制 独 立 分 片 算 法 的 分 片 不 是 太 严 格, 通 常 用 于 统 一 尺 寸 的 网 格 机 械 分 析 适 用 于 协 调 分 片 算 法 划 分, 电 磁 分 析 和 流 体 分 析 适 合 协 调 分 片 算 法 划 分 或 独 立 分 片 算 法 划 分, 显 式 动 力 分 析 适 用 于 独 立 分 片 算 法 划 分 或 有 虚 拟 拓 扑 的 协 调 分 片 算 法 划 分 网 格 划 分 类 型 根 据 单 元 形 状 可 以 分 为 : 四 面 体 网 格 Tet Meshing, 六 面 体 网 格 Hex Meshing, 四 边 形 网 格 Quad Meshing, 三 角 形 网 格 Triangle Meshing 4.3 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 控 制 网 格 划 分 用 户 界 面 选 择 几 何 模 型 后, 进 入 网 格 划 分 Meshing 环 境 及 相 关 说 明 如 图 4-2 所 示, 网 格 选 项 显 示 默 认 的 物 理 场 及 网 格 划 分 方 法, 图 形 区 的 网 格 显 示 为 相 关 物 理 场 的 默 认 网 格 划 分 结 果, 网 格 划 分 整 体 控 制 属 性 如 表 4-1, 网 格 质 量 检 查 控 制 如 表 4-2, 网 格 划 分 工 具 条 用 于 网 格 控 制 及 生 成, 其 相 关 命 令 表 示 如 表 4-3. 图 4-2 网 格 划 分 用 户 界 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

76 表 4-1: 网 格 划 分 整 体 控 制 属 性 设 置 网 格 划 分 属 性 说 明 Defaults 默 认 设 置 选 择 物 理 场 网 格 相 关 度 ( 100 至 +100) 由 疏 到 密 Sizing 网 格 尺 寸 控 制 使 用 高 级 尺 寸 函 数 ( 关 闭 ) 相 关 度 中 心 ( 稀 疏 ) 定 义 平 均 的 单 元 边 长 控 制 网 格 基 准 ( 根 据 激 活 装 配 体 确 定 ) 平 滑 度 ( 中 等 ) 网 格 过 渡 ( 快 速 ) 跨 度 角 中 心 ( 稀 疏 ) 最 小 单 元 边 长 Inflation 网 格 膨 胀 控 制 使 用 自 动 四 面 体 膨 胀 ( 无 ) 膨 胀 选 项 过 渡 比 (0.272) 最 大 层 (5) 生 长 率 (1.2) 膨 胀 算 法 显 示 高 级 选 项 ( 无 ) Advanced 网 格 高 级 控 制 形 状 检 查 检 验 单 元 质 量 ( 标 准 结 构 ) 单 元 是 否 带 中 节 点 ( 程 序 控 制 ) 网 格 采 用 直 边 单 元 ( 无 ) 重 试 次 数 ( 默 认 为 4) 刚 体 行 为 是 否 允 许 网 格 变 形 ( 否 ) Pinch 网 格 收 缩 控 制 网 格 收 缩 公 差 ( 需 定 义 ) 网 格 刷 新 后 重 生 成 ( 否 ) Statistics 网 格 划 分 统 计 网 格 划 分 的 节 点 数 网 格 划 分 的 单 元 数 网 格 划 分 的 节 点 数 网 格 检 查 准 则 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

77 表 4-2: 网 格 检 查 准 则 设 置 网 格 检 查 准 则 网 格 检 查 准 则 说 明 无 ( 默 认 ) 单 元 质 量 检 验 纵 横 比 检 验 雅 可 比 率 检 验 翘 曲 因 子 检 验 平 行 偏 差 检 验 最 大 顶 角 检 验 偏 斜 检 验 表 4-3: 网 格 划 分 命 令 说 明 网 格 命 令 说 明 网 格 生 成 预 览 表 面 网 格 预 览 源 及 目 标 网 格 CFX 中 编 辑 网 格 网 格 控 制 说 明 网 格 划 分 方 法 尺 寸 控 制 接 触 尺 寸 控 制 网 格 细 化 映 射 面 网 格 划 分 面 匹 配 控 制 收 缩 控 制 膨 胀 控 制 网 格 划 分 方 法 选 择 命 令 Mesh Control Method, 提 供 如 下 六 种 方 法 : 图 4-3 网 格 划 分 方 法 1. Automatic : 程 序 自 动 划 分 网 格 2. Tetrahedrons : 采 用 四 面 体 单 元 划 分 3. Hex Dominant : 主 要 采 用 六 面 体 单 元 划 分, 但 是 包 含 少 量 金 字 塔 单 元 和 四 面 体 单 元 4. Sweep : 扫 掠 划 分, 可 以 扫 掠 的 实 体 划 分 后 具 有 的 是 六 面 体 单 元, 也 可 能 包 含 楔 形 单 元, 其 他 实 体 采 用 四 面 体 单 元 划 分, 扫 掠 划 分 要 求 实 体 在 某 一 方 向 上 具 有 相 同 的 拓 扑 结 构, 在 Mesh 分 支 上 点 击 右 键 选 择 Show Sweepable Bodies 可 以 看 到 能 够 采 用 扫 掠 划 分 的 体, 此 时 该 体 被 选 中, 如 图 Multizone : 多 重 区 域 网 格 划 分 自 动 对 几 何 体 进 行 分 解 成 映 射 区 域 和 自 由 区 域, 可 以 自 动 判 断 区 域 并 生 成 纯 六 面 体 网 格, 对 不 满 足 条 件 的 区 域 采 用 更 好 的 非 结 构 网 格 划 分, 多 重 区 域 网 格 划 分 和 扫 掠 网 格 划 分 相 似, 但 更 适 合 于 用 扫 掠 方 法 不 能 分 解 的 几 何 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

78 6. CFX-Mesh : 采 用 流 体 网 格 CFX 划 分 实 体 图 4-4 显 示 可 扫 掠 实 体 网 格 局 部 尺 寸 控 制 Sizing Sizing 尺 寸 控 制 允 许 设 置 局 部 单 元 大 小, 采 用 如 下 方 法 : 1. Element Size 设 置 单 元 平 均 边 长 2. Number of Divisions 设 定 边 上 的 单 元 数 目 3. Sphere of Influence 用 球 体 设 定 控 制 单 元 平 均 大 小 的 范 围, 球 体 的 中 心 坐 标 采 用 的 是 局 部 坐 标 系, 所 有 包 含 在 球 域 内 的 实 体 单 元 网 格 尺 寸 按 给 定 尺 寸 划 分, 如 图 4-5 图 4-5 球 体 区 域 控 制 局 部 网 格 接 触 区 域 网 格 控 制 Contact Sizing Contact Sizing 允 许 在 接 触 面 上 产 生 大 小 一 致 的 单 元 接 触 面 定 义 了 零 件 间 的 相 互 作 用, 在 接 触 面 上 采 用 相 同 的 网 格 密 度 对 分 析 有 利, 在 接 触 区 域 可 以 设 定 Element Size 或 Relevance 如 图 4-6 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

79 图 4-6 接 触 区 网 格 控 制 网 格 局 部 单 元 细 化 Refinement Refinement 可 以 对 已 经 划 分 的 网 格 进 行 单 元 细 化, 一 般 而 言, 网 格 划 分 先 进 行 整 体 和 局 部 网 格 控 制, 然 后 对 被 选 的 边 面 进 行 网 格 细 化 推 荐 使 用 1 级 别 细 化 这 使 单 元 边 界 划 分 为 初 始 单 元 边 界 的 一 半, 这 是 在 生 成 粗 网 格 后, 网 格 细 化 得 到 更 密 网 格 的 简 易 方 法 如 图 4-7. 图 4-7 网 格 局 部 单 元 细 化 提 示 : 尺 寸 控 制 和 细 化 控 制 的 区 别 : 1. 尺 寸 控 制 在 划 分 前 先 给 出 单 元 的 平 均 单 元 长 度 通 常 来 说, 在 定 义 的 几 何 体 上 可 以 产 生 一 致 的 网 格, 网 格 过 渡 平 滑 2. 细 化 是 打 破 原 来 的 网 格 划 分 如 果 原 来 的 网 格 不 一 致, 细 化 后 的 网 格 也 不 一 致 尽 管 对 单 元 的 过 渡 进 行 平 滑 处 理, 但 是 细 化 仍 导 致 不 平 滑 的 过 渡 3. 在 同 一 个 表 面 进 行 尺 寸 和 细 化 定 义 在 网 格 初 始 划 分 时, 首 先 应 有 尺 寸 控 制, 然 后 在 进 行 第 二 步 的 细 化 映 射 面 网 格 划 分 Mapped Face meshing 映 射 面 网 格 划 分 Mapped Face meshing 允 许 在 面 上 生 成 结 构 网 格, 如 图 4-8 对 内 圆 柱 面 进 行 映 射 网 格 划 分 可 以 得 到 很 一 致 的 网 格 这 样 对 计 算 求 解 有 益 如 果 因 为 某 些 原 因 不 能 进 行 映 射 面 网 格 划 分, 网 格 划 分 仍 将 继 续, 导 航 树 上 会 出 现 相 应 的 标 志 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

80 图 4-8 映 射 面 网 格 划 分 面 匹 配 网 格 划 分 Match Control 面 匹 配 网 格 Match Control 用 于 在 对 称 面 上 划 分 一 致 的 网 格, 尤 其 适 用 于 旋 转 机 械 的 旋 转 对 称 分 析 因 为 旋 转 对 称 所 使 用 的 约 束 方 程 其 连 接 的 截 面 上 节 点 的 位 置 除 偏 移 外 必 须 一 致, 如 图 虚 拟 拓 扑 工 具 Virtual Topology 图 4-9 旋 转 对 称 模 型 虚 拟 拓 扑 Virtual Topology 允 许 为 了 更 好 的 进 行 网 格 划 分 而 合 并 面, Virtual Cell 虚 拟 单 元 就 是 把 多 个 相 邻 的 面 定 义 为 一 个 面 虚 拟 单 元 可 以 把 小 面 缝 合 到 一 个 大 的 面 中, 属 于 虚 拟 单 元 原 始 面 上 的 内 部 线, 不 再 影 响 网 格 划 分, 所 以 划 分 这 样 的 拓 扑 结 构 可 能 和 原 始 几 何 体 会 有 不 同, 对 于 其 他 操 作 如 加 载 面 就 不 被 承 认, 而 用 虚 拟 单 元 代 替, 如 图 4-10 虚 拟 单 元 通 常 用 于 删 除 小 特 征 从 而 在 特 定 的 面 上 减 小 单 元 密 度, 或 删 除 有 问 题 几 何 体, 如 长 缝 或 是 小 面, 从 而 避 免 网 格 划 分 失 败, 但 是, 要 提 示 虚 拟 单 元 改 变 了 原 有 的 拓 扑 模 型, 因 此 内 部 的 特 征 如 果 有 加 载 支 撑 求 解 等 将 不 再 被 考 虑 图 4-10 虚 拟 拓 扑 网 格 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

81 4.4 网 格 划 分 控 制 方 法 案 例 转 动 曲 柄 装 配 体 1. 导 入 CAD 几 何 模 型, 见 图 ) Mesh 拖 入 工 程 流 程 图 Project Schematic 2) 导 入 CAD 几 何 模 型 : Geometry Import Geometry =crank-assy.sat 3) 保 存 工 程 文 件 : Save 图 4-11 导 入 CAD 几 何 模 型 2. 设 置 手 柄 网 格 尺 寸, 见 图 ) 程 序 选 择 自 动 网 格 尺 寸 划 分, 显 示 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh 2) 图 示 为 默 认 网 格 3) 选 择 网 格 尺 寸 控 制 命 令 : Mesh Control Sizing 4) 图 形 窗 口 选 择 手 柄 实 体 5) 尺 寸 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Body Sizing - Sizing Scope Geometry =1 Body 6) 设 置 单 元 边 长 : Details of Body Sizing - Sizing Definition Element Size =0.1mm 图 4-12 设 置 手 柄 网 格 尺 寸 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

82 3. 对 手 柄 进 行 多 重 区 域 网 格 划 分, 见 图 ) 仅 显 示 手 柄 1 个 实 体 : 导 航 树 中 选 择 Model Geometry Part2 鼠 标 右 键 选 Hide All Other Bodies 2) 选 择 网 格 控 制 方 法 : Mesh Control Method 3) 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of MultiZone - Method Scope Geometry =1 Body 4) 设 置 多 重 区 域 网 格 划 分 方 法 : Details of MultiZone - Method Definition Method =Multizone 5) 手 动 选 择 源 / 目 标 面 : Details of MultiZone - Method Definition Src/Trg Selection =Manual Source 6) 按 住 Ctrl 键, 图 形 区 选 中 上 中 下 3 个 表 面 7) 确 认 所 选 择 的 面 : Details of MultiZone - Method Definition Source =Apply 8) 修 改 公 差 : Details of MultiZone - Method Adanced Defeaturing Tolerance =0.001mm 9) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 10) 手 柄 网 格 划 分 如 图 示 六 面 体 网 格 图 4-13 手 柄 多 重 区 域 网 格 划 分 4. 设 置 曲 柄 尺 寸, 见 图 ) 选 择 网 格 尺 寸 控 制 命 令 : Mesh Control Sizing 2) 图 形 窗 口 选 择 曲 柄 实 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

83 3) 尺 寸 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Body Sizing2 - Sizing Scope Geometry =1 Body 4) 设 置 单 元 边 长 : Details of Body Sizing2 - Sizing Definition Element Size =0.2mm 图 4-14 设 置 曲 柄 尺 寸 5. 对 曲 柄 进 行 扫 掠 网 格 划 分, 见 图 ) 选 择 网 格 控 制 方 法 : Mesh Control Method 2) 显 示 曲 柄, 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Sweep Method - Method Scope Geometry =1 Body 3) 设 置 扫 掠 网 格 划 分 方 法 : Details of Sweep Method - Method Definition Method = Sweep 4) 设 置 扫 掠 方 向 的 网 格 划 分 为 单 元 分 割 数 : Details of Sweep Method - Method Definition Type =Number of Divisions 5) 扫 掠 方 向 分 4 层 单 元 : Details of Sweep Method - Method Definition Sweep Num Divs =4 6) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 7) 曲 柄 网 格 划 分 如 图 示 扫 掠 六 面 体 网 格 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

84 图 4-15 曲 柄 扫 掠 网 格 划 分 6. 销 轴 顶 面 生 成 虚 拟 单 元, 见 图 ) 显 示 销 轴 : 导 航 树 中 选 择 Model Geometry Part3 鼠 标 右 键 选 Hide All Other Bodies 2) 导 航 树 选 Mesh, 工 具 条 中 选 择 虚 拟 拓 扑 工 具 Virtual Topology 3) 图 形 区 选 择 销 轴 顶 部 连 续 3 个 面 4) 选 择 的 面 生 成 虚 拟 单 元 : 导 航 树 选 择 Virtual Topology, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Virtual Cells 图 形 区 显 示 3 个 面 构 成 一 个 面 5) 生 成 网 格 : 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 6) 销 轴 网 格 划 分 如 图 示 四 面 体 网 格 图 4-16 销 轴 顶 面 生 成 虚 拟 单 元 7. 销 轴 顶 部 生 成 局 部 坐 标 系, 见 图 ) 导 航 树 中 选 择 坐 标 系 Coordinate Systems 2) 工 具 条 中 选 择 创 建 坐 标 系 Coordinate Systems 3) 图 形 区 选 择 圆 柱 面, 新 坐 标 系 原 点 将 定 位 到 选 择 面 中 心 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

85 4) 确 认 局 部 坐 标 系 原 点 : Details of Coordinate System Origin Geometry =Apply 5) 导 航 树 中 生 成 新 的 局 部 坐 标 系 统 Coordinate Systems Coordinate System 图 4-17 销 轴 顶 部 生 成 局 部 坐 标 系 8. 销 轴 局 部 球 形 区 域 网 格 划 分, 见 图 ) 选 择 网 格 尺 寸 控 制 命 令 : Mesh Control Sizing 导 航 树 出 现 Body Sizing3 2) 图 形 窗 口 选 择 销 轴 实 体, 尺 寸 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Body Sizing3 - Sizing Scope Geometry =1 Body 3) 设 置 网 格 划 分 为 球 形 区 域 Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Type =Sphere of Influence 4) 设 置 球 形 区 域 中 心 为 局 部 坐 标 : Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Sphere Center =Coordinate System 5) 设 置 球 形 区 域 半 径 : Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Sphere Radius =0.5mm 6) 设 置 球 形 区 域 内 网 格 划 分 的 单 元 边 长 : Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Element Size =0.1mm 7) 图 形 区 显 示 球 形 区 域 对 销 轴 的 影 响 范 围 图 4-18 销 轴 局 部 球 形 区 域 网 格 划 分 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

86 9. 生 成 映 射 面 网 格, 见 图 ) 选 择 网 格 划 分 方 法 : Mesh Control Mapped Face Meshing 2) 按 住 ctrl 键, 图 形 区 选 择 8 个 表 面 3) 确 认 8 个 面 选 中 : Details of Mapped Face Meshing Scope Geometry =8 Faces 4) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 5) 曲 柄 网 格 划 分 如 图 示, 外 表 面 为 映 射 面 网 格 图 4-19 生 成 映 射 面 网 格 10. 生 成 接 触 面 网 格, 见 图 ) 选 择 网 格 控 制 方 法 : Mesh Control Contact Sizing 2) 显 示 所 有 实 体 : 导 航 树 中 选 择 Model Geometry Part1 鼠 标 右 键 选 Show All Bodies 3) 选 择 接 触 区 : Details of Contact Sizing - Contact Sizing Scope Contact Region = Contact Region 4) 图 示 选 中 的 接 触 区 为 曲 柄 和 手 柄 接 触 处 5) 设 置 网 格 划 分 按 照 相 关 度 : Details of Contact Sizing - Contact Sizing Definition Type =Relevance 6) 设 置 相 关 度 值 Details of Contact Sizing - Contact Sizing Definition Relevance =20 7) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 8) 网 格 划 分 如 图 示, 接 触 区 网 格 加 密, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

87 图 4-20 生 成 接 触 面 网 格 4.5 多 体 零 件 共 享 拓 扑 印 记 面 及 匹 配 网 格 划 分 案 例 该 案 例 比 较 多 体 零 件 中 共 享 拓 扑 Shared Topology 的 三 种 方 法, Automatic 自 动 方 法 在 交 界 面 合 并 节 点, 即 节 点 匹 配 而 不 产 生 接 触, Imprints 印 记 面 方 法 限 定 交 界 面 的 接 触 区 域, 因 此 提 供 更 好 的 接 触 行 为 的 控 制, None 不 设 定 方 法 则 和 以 前 的 版 本 一 样 产 生 接 触 行 为 案 例 演 示 : 1. 调 入 Mesh 网 格 划 分 组 件 2. 如 图 4-21 创 建 多 体 零 件 Geometry - New Geometry 1) DM 中 XYPlane 创 建 草 图 1 Sketch1 2) 草 图 为 200*100mm 四 边 形 如 图 3) 从 草 图 1 创 建 拉 伸 特 征, 拉 伸 长 度 30mm 4) 长 方 体 表 面 创 建 工 作 面 Plane4 创 建 草 图 2 Sketch2 5) 草 图 为 六 边 形, 相 对 居 中 如 图 示 6) 从 草 图 2 创 建 拉 伸 特 征, 拉 伸 长 度 100mm 7) 拉 伸 特 征 设 置 为 冰 冻 体, 图 形 区 生 成 2 个 实 体 8) XYPlane 沿 Z 方 向 平 移 200mm, 创 建 新 平 面 Plane5 9) XYPlane 沿 Z 方 向 平 移 400mm, 创 建 新 平 面 Plane6 10) 创 建 体 操 作 特 征 BodyOp5, 将 原 来 2 个 实 体 从 平 面 XYPlane 移 动 到 新 平 面 Plane5, 并 保 留 原 实 体 11) 图 中 显 示 新 复 制 的 2 个 实 体, 图 形 区 共 有 4 个 实 体 12) 创 建 体 操 作 特 征 BodyOp6, 将 原 来 2 个 实 体 从 平 面 XYPlane 移 动 到 新 平 面 Plane6, 并 保 留 原 实 体 13) 图 中 显 示 新 复 制 的 2 个 实 体, 图 形 区 共 有 6 个 实 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

88 14) 用 生 成 多 体 零 件 命 令 Form New Parts 将 原 实 体 Solid1 和 Solid2 组 成 新 多 体 零 件, 采 用 自 动 方 法 并 改 名 为 Part-Automatic 15) 用 生 成 多 体 零 件 命 令 Form New Parts 将 实 体 Solid-a1 和 Solid-a2 组 成 新 多 体 零 件, 采 用 印 记 面 方 法 并 改 名 为 Part-Imprint 16) 用 生 成 多 体 零 件 命 令 Form New Parts 将 实 体 Solid-b1 和 Solid-b2 组 成 新 多 体 零 件, 采 用 不 设 置 方 法 并 改 名 为 Part-None 图 4-21 创 建 多 体 零 件 3. 工 程 流 程 图 中 选 择 Mesh - Edit 切 换 到 Meshing 网 格 划 分 环 境, 生 成 网 格 图 ) 导 航 树 Geometry 下 显 示 3 个 多 体 零 件 2) 查 看 接 触 关 系 并 改 名 接 触 对, 选 择 Connections - Contact Region imprint 3) 详 细 信 息 显 示 有 接 触 面 的 实 体 为 Solid-a1 和 Solid-a2 4) 图 形 区 显 示 印 记 面 的 多 体 零 件 接 触 区 域 是 完 全 匹 配 面 5) 查 看 接 触 关 系 并 改 名 接 触 对, 选 择 Connections - Contact Region none 6) 图 形 区 显 示 不 设 置 的 多 体 零 件 接 触 区 域 是 非 匹 配 面 7) 生 成 默 认 网 格 Mesh - Generate Mesh 8) 自 动 多 体 零 件 网 格 在 交 界 面 节 点 处 匹 配, 生 成 六 面 体 和 四 面 体 网 格 9) 印 记 面 多 体 零 件 网 格 在 交 界 面 节 点 处 不 匹 配, 生 成 六 面 体 和 四 面 体 网 格 10) 不 设 置 多 体 零 件 网 格 在 交 界 面 节 点 处 不 匹 配, 生 成 六 面 体 网 格 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

89 图 4-22 生 成 网 格 在 片 体 独 立 算 法 Patch Independent 中, 可 以 设 置 交 界 面 处 节 点 是 否 匹 配 选 项 Match Mesh Where Possible, 对 模 拟 接 触 行 为 而 言, 由 于 接 触 表 面 节 点 不 匹 配 时, 会 产 生 初 始 穿 透, 因 此 设 置 节 点 匹 配 选 项 可 以 防 止 不 必 要 的 初 始 接 触 行 为 选 择 交 界 面 处 节 点 匹 配 根 据 需 求, 如 果 是 较 大 的 模 型, 可 以 将 相 似 实 体 构 成 多 体 零 件, 采 用 印 记 面 或 接 触 行 为, 如 果 采 用 其 它 的 网 格 控 制 方 法 以 及 严 格 限 定 接 触 区 域 应 选 择 印 记 面 接 触, 这 样 在 接 触 面 上 允 许 精 细 网 格 而 其 他 区 域 为 粗 网 格 4. 显 式 动 力 分 析 环 境 节 点 匹 配 的 网 格 划 分, 如 图 4-23 图 4-23 显 式 动 力 环 境 节 点 匹 配 网 格 划 分 1) 接 上 例, 选 择 Mesh 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

90 2) 物 理 环 境 设 置 为 显 式 动 力 分 析 Details of Mesh Defaults Physics Preference =Explicit 3) 网 格 划 分 自 动 采 用 片 体 独 立 算 法 Patch Independent 4) 选 择 所 有 实 体 Details of Patch Independent Scope Geometry =6 bodies 5) 设 置 单 元 尺 寸 Details of Patch Independent Advanced Min Size Limit =10mm 6) 节 点 匹 配 网 格 Details of Patch Independent Advanced Match Mesh Where Possible =Yes 7) 图 形 区 中 3 个 多 体 零 件 的 实 体 交 界 面 处 节 点 匹 配, 且 均 为 四 面 体 网 格 注 意 : 由 于 显 示 动 力 分 析 中 多 数 为 接 触 问 题, 因 此 上 例 中 设 置 为 显 示 动 力 分 析 环 境, 对 结 构 分 析 中, 如 果 考 虑 接 触 问 题, 需 要 避 免 初 始 穿 透 时 也 可 以 采 用 网 格 匹 配 选 项, 读 者 可 自 行 验 证, 课 程 教 学 中 有 附 加 案 例 加 以 说 明 4.5 装 配 体 薄 层 扫 掠 网 格 划 分 及 案 例 薄 层 扫 掠 Thin Sweep 对 薄 层 实 体 允 许 沿 厚 度 方 向 分 层 进 行 扫 掠, 对 多 体 零 件, 沿 厚 度 方 向 仅 划 分 一 层 单 元, 对 装 配 体 沿 厚 度 方 向 则 可 以 划 分 多 层 单 元 选 择 扫 掠 网 格 化 分 方 法 Sweep 后, 可 以 设 置 自 动 薄 层 扫 掠 Automatic Thin 或 手 动 薄 层 扫 掠 Manual Thin, 设 置 沿 厚 度 方 向 的 分 割 数 图 4-24 为 对 几 何 模 型 MidSurfaceBracket.agdb 进 行 薄 层 扫 掠 的 结 果, 图 中 上 部 为 装 配 体 薄 层 扫 掠 网 格, 薄 层 厚 度 方 向 为 2 层 单 元, 图 中 下 部 为 多 体 零 件 薄 层 扫 掠 网 格, 薄 层 厚 度 方 向 为 1 层 单 元, 详 细 操 作 见 课 堂 讲 解 或 参 见 演 示 文 件 图 4-24 装 配 体 薄 层 扫 掠 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

91 第 5 章 ANSYS12.0 热 分 析 5.1 ANSYS12.0 热 分 析 概 述 传 热 即 热 量 传 递, 凡 是 有 温 度 差 存 在 的 地 方, 必 然 有 热 的 传 递, 传 热 是 极 为 普 遍 的 一 种 能 量 传 递 过 程 如 : 物 料 的 加 热 冷 却 或 者 冷 凝 蒸 发 过 程 ; 设 备 和 管 道 的 保 温, 以 减 少 热 损 失 ; 生 产 中 热 能 的 合 理 利 用, 废 热 回 收 传 热 基 本 方 式 热 的 传 递 是 由 于 物 体 内 部 或 物 体 之 间 的 温 度 不 同 而 引 起 的 当 无 外 功 输 入 时, 根 据 热 力 学 第 二 定 律, 热 总 是 自 动 地 从 温 度 较 高 的 部 分 传 给 温 度 较 低 的 部 分, 根 据 传 热 机 理 的 不 同, 传 热 的 基 本 方 式 有 热 传 导 对 流 和 辐 射 三 种 1. 热 传 导 1) 基 本 概 念 : 当 物 体 的 内 部 或 两 个 直 接 接 触 的 物 体 之 间 存 在 着 温 度 差 异 时, 物 体 各 部 分 之 间 不 发 生 相 对 位 移 时, 依 靠 分 子 原 子 及 自 由 电 子 等 微 观 粒 子 的 热 运 动 而 产 生 的 热 量 传 递 称 热 传 导 热 能 就 从 物 体 的 较 高 部 分 传 给 温 度 较 低 的 部 分 或 从 一 个 温 度 较 高 的 物 体 传 递 给 直 接 接 触 的 温 度 较 低 的 物 体 2) 特 点 : 物 体 各 个 部 分 不 发 生 宏 观 的 相 对 位 移 导 电 固 体 中, 导 热 起 主 要 作 用 的 是 自 由 电 子 的 扩 散 运 动 ; 非 导 电 固 体 和 大 部 分 的 液 体 中, 导 热 是 通 过 振 动 能 从 一 个 分 子 传 递 到 另 一 个 分 子 ; 在 气 体 中, 导 热 则 是 由 于 分 子 的 不 规 则 运 动 而 引 起 的 3) 热 传 导 基 本 规 律 ( 傅 立 叶 定 律 ) Q = λa dt dn (5-1) 式 中 :Q 为 热 流 量, 表 示 单 位 时 间 内 通 过 某 一 给 定 面 积 的 热 量, 单 位 w; dt/dn 为 温 度 梯 度, 单 位 /m;a 为 导 热 面 积, 单 位 m 2 ;λ 为 材 料 的 导 热 系 数, 单 位 w/(m ) 导 热 系 数 是 物 质 的 一 种 物 理 性 质, 表 示 物 质 的 导 热 能 力 的 大 小, 导 热 系 数 值 越 大, 物 质 的 导 热 性 能 越 好 导 热 系 数 只 能 实 际 测 定 一 般, 金 属 的 导 热 系 数 最 大, 非 金 属 的 固 体 次 之, 液 体 的 较 小, 而 气 体 的 最 小 傅 立 叶 定 律 表 示 : 在 单 位 时 间 热 传 导 的 方 式 传 递 的 热 量 与 垂 直 于 热 流 的 截 面 积 成 正 比, 与 温 度 梯 度 成 正 比 负 号 表 示 导 热 方 向 与 温 度 梯 度 方 向 相 反 2. 对 流 1) 基 本 概 念 : 是 指 由 于 流 体 的 宏 观 运 动, 从 而 使 流 体 各 部 分 之 间 发 生 相 对 位 移, 冷 热 流 体 相 互 掺 混 所 引 起 的 热 量 传 递 过 程 对 流 仅 发 生 在 流 体 中, 对 流 的 同 时 必 伴 随 有 导 热 现 象 2) 对 流 换 热 : 流 体 流 过 一 个 物 体 表 面 时 的 热 量 传 递 过 程, 称 为 对 流 换 3) 对 流 换 热 的 分 类 : 根 据 对 流 换 热 时 是 否 发 生 相 变 分 : 有 相 变 的 对 流 换 热 和 无 相 变 的 对 流 换 热 根 据 引 起 流 动 的 原 因 分 : 自 然 对 流 和 强 制 对 流 自 然 对 流 : 由 于 流 体 冷 热 各 部 分 的 密 度 不 同 而 引 起 流 体 的 流 动 如 : 暖 气 片 表 面 附 近 受 热 空 气 的 向 上 流 动 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

92 强 制 对 流 : 流 体 的 流 动 是 由 于 水 泵 风 机 或 其 他 压 差 作 用 所 造 成 的 沸 腾 换 热 及 凝 结 换 热 : 液 体 在 热 表 面 上 沸 腾 及 蒸 汽 在 冷 表 面 上 凝 结 的 对 流 换 热, 称 为 沸 腾 换 热 及 凝 结 换 热 ( 相 变 对 流 换 热 ) 4) 对 流 传 热 的 分 析 滞 流 内 层 : 流 体 呈 滞 流 流 动, 沿 壁 面 法 向 没 有 质 点 的 移 动 和 混 合, 即 无 对 流 传 热, 传 热 方 式 仅 是 热 传 导 因 为 液 体 导 热 系 数 小, 因 此 热 阻 较 大, 温 度 梯 度 大 缓 冲 层 : 流 动 介 于 滞 流 和 湍 流 之 间, 热 传 导 和 对 流 传 热 同 时 起 作 用, 热 阻 较 小 湍 流 主 体 : 质 点 剧 烈 运 动, 完 全 混 合, 温 度 基 本 均 匀, 无 温 度 梯 度 因 此, 对 流 传 热 的 热 阻 主 要 集 中 在 滞 流 内 层, 减 薄 其 厚 度 是 强 化 传 热 过 程 的 关 键 4) 对 流 换 热 的 基 本 规 律 ( 牛 顿 冷 却 公 式 ) Q = Ah(t s t f ) (5-2) 其 中 t s 及 t f 分 别 为 表 面 温 度 和 流 体 温 度 ;h 为 对 流 换 热 系 数, 表 示 单 位 温 差 作 用 下 通 过 单 位 面 积 的 热 流 量, 对 流 换 热 系 数 越 大, 传 热 越 剧 烈, 单 位 w/m 2 C 对 流 换 热 系 数 的 大 小 与 传 热 过 程 中 的 许 多 因 素 有 关 它 不 仅 取 决 于 物 体 的 物 性 换 热 表 面 的 形 状 大 小 相 对 位 置, 而 且 与 流 体 的 流 速 有 关 一 般 地, 就 介 质 而 言 : 水 的 对 流 换 热 比 空 气 强 烈 ; 就 换 热 方 式 而 言 : 有 相 变 的 强 于 无 相 变 的 ; 强 制 对 流 强 于 自 然 对 流 对 流 换 热 研 究 的 基 本 任 务 是 用 理 论 分 析 或 实 验 的 方 法 推 出 各 种 场 合 下 表 面 对 流 换 热 系 数 的 关 系 式 3. 辐 射 1) 辐 射 和 热 辐 射 : 物 体 通 过 电 磁 波 来 传 递 能 量 的 方 式 称 为 辐 射 因 热 的 原 因 而 发 出 辐 射 能 的 现 象 称 为 热 辐 射 2) 辐 射 换 热 : 辐 射 与 吸 收 过 程 的 综 合 作 用 造 成 了 以 辐 射 方 式 进 行 的 物 体 间 的 热 量 传 递 称 辐 射 换 热 自 然 界 中 的 物 体 都 在 不 停 的 向 空 间 发 出 热 辐 射, 同 时 又 不 断 的 吸 收 其 它 物 体 发 出 的 辐 射 热 辐 射 换 热 是 一 个 动 态 过 程, 当 物 体 与 周 围 环 境 温 度 处 于 热 平 衡 时, 辐 射 换 热 量 为 零, 但 辐 射 与 吸 收 过 程 仍 在 不 停 的 进 行, 只 是 辐 射 热 与 吸 收 热 相 等 3) 热 辐 射 的 基 本 规 律 : 所 谓 绝 对 黑 体 : 把 吸 收 率 等 于 1 的 物 体 称 黑 体, 是 一 种 假 想 的 理 想 物 体 黑 体 的 吸 收 和 辐 射 能 力 在 同 温 度 的 物 体 中 是 最 大 的, 而 且 辐 射 热 量 服 从 于 斯 忒 藩 玻 耳 兹 曼 定 律 实 际 物 体 辐 射 热 流 量 根 据 斯 忒 潘 玻 耳 兹 曼 定 律 求 得 :Q = εaσt 4 (5-3) 其 中 T 为 黑 体 的 热 力 学 温 度 K( 开 尔 文 Kelvin,0 C= 绝 对 温 度 K); 为 斯 忒 潘 玻 耳 兹 曼 常 数 ( 黑 体 辐 射 常 数 ),5.67*10-8 w/m 2 *k 4 ;A 为 辐 射 表 面 积 m 2 其 中 Q 为 物 体 自 身 向 外 辐 射 的 热 流 量, 而 不 是 辐 射 换 热 量 ; 为 物 体 的 发 射 率 ( 黑 度 ), 其 大 小 与 物 体 的 种 类 及 表 面 状 态 有 关 1 物 体 温 度 越 高, 单 位 时 间 辐 射 的 热 量 越 多 热 传 导 和 热 对 流 都 需 要 有 传 热 介 质, 而 热 辐 射 无 须 任 何 介 质 实 质 上, 在 真 空 中 的 热 辐 射 效 率 最 高 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

93 在 工 程 中 通 常 考 虑 两 个 或 两 个 以 上 物 体 之 间 的 辐 射, 系 统 中 每 个 物 体 同 时 辐 射 并 吸 收 热 量 它 们 之 间 的 净 热 量 传 递 可 以 用 斯 蒂 芬 波 尔 兹 曼 方 程 来 计 算 : Q = ε 1 A 1 σf 12 (T 1 4 T 2 4 ) (5-4) 式 中 Q 为 热 流 率, 1 为 该 物 体 辐 射 率 ( 黑 度 ), 为 斯 蒂 芬 - 波 尔 兹 曼 常 数,A1 为 辐 射 面 1 的 面 积,F12 为 由 辐 射 面 1 到 辐 射 面 2 的 形 状 系 数,T1 为 辐 射 面 1 的 绝 对 温 度,T2 为 辐 射 面 2 的 绝 对 温 度 由 上 式 可 以 看 出, 包 含 热 辐 射 的 热 分 析 是 高 度 非 线 性 的 4. 导 热 对 流 辐 射 的 评 述 1 导 热 对 流 两 种 热 量 传 递 方 式, 只 在 有 物 质 存 在 的 条 件 下, 才 能 实 现, 而 热 辐 射 不 需 中 间 介 质, 可 以 在 真 空 中 传 递, 而 且 在 真 空 中 辐 射 能 的 传 递 最 有 效 2 在 辐 射 换 热 过 程 中, 不 仅 有 能 量 的 转 换, 而 且 伴 随 有 能 量 形 式 的 转 化 在 辐 射 时, 辐 射 体 内 热 能 辐 射 能 ; 在 吸 收 时, 辐 射 能 受 射 体 内 热 能, 因 此, 辐 射 换 热 过 程 是 一 种 能 量 互 变 过 程 3 辐 射 换 热 是 一 种 双 向 热 流 同 时 存 在 的 换 热 过 程, 即 不 仅 高 温 物 体 向 低 温 物 体 辐 射 热 能, 而 且 低 温 物 体 向 高 温 物 体 辐 射 热 能, 4 辐 射 换 热 不 需 要 中 间 介 质, 在 真 空 中 即 可 进 行, 而 且 在 真 空 中 辐 射 能 的 传 递 最 有 效 因 此, 又 称 其 为 非 接 触 性 传 热 5 热 辐 射 现 象 仍 是 微 观 粒 子 性 态 的 一 种 宏 观 表 象 6 物 体 的 辐 射 能 力 与 其 温 度 性 质 有 关 这 是 热 辐 射 区 别 于 导 热, 对 流 的 基 本 特 点 传 热 过 程 传 递 热 量 的 基 本 方 式 : 导 热 对 流 热 辐 射, 由 这 三 个 基 本 方 式 组 成 不 同 的 传 热 过 程 如 : 对 流 换 热 暖 气 : 热 水 管 子 内 壁 管 子 外 壁 室 内 环 境 凝 结 换 热 冷 凝 器 : 蒸 汽 管 子 外 壁 管 子 内 壁 水 分 析 一 个 实 际 传 热 过 程 的 目 的, 就 是 分 析 该 过 程 由 哪 些 串 联 环 节 组 成 以 及 每 一 环 节 中 有 哪 些 传 热 方 式 起 主 要 作 用, 它 是 解 决 实 际 传 热 的 核 心 基 础 上 述 分 析 导 热 对 流 热 辐 射 的 基 本 定 律, 即 傅 里 叶 定 律 牛 顿 冷 却 公 式 斯 忒 藩 玻 耳 兹 曼 定 律, 适 用 于 稳 态 和 瞬 态 传 热 过 程, 若 是 瞬 态 时 公 式 中 的 温 度 是 瞬 时 温 度, 温 度 T 不 仅 仅 是 坐 标 的 函 数, 而 且 与 时 间 有 关 稳 态 传 热 和 瞬 态 传 热 导 热 导 热 对 流 换 热 辐 射 换 热 对 流 换 热 1. 稳 态 传 热 : 传 热 系 统 中 各 点 的 温 度 仅 随 位 置 的 变 化 而 变 化, 不 随 时 间 变 化 而 变 化 特 点 : 单 位 时 间 通 过 传 热 面 额 定 热 量 是 一 个 常 量 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

94 如 果 系 统 的 净 流 为 零, 即 流 入 体 统 的 热 量 加 上 系 统 自 身 产 生 的 热 量 等 于 流 出 系 统 的 热 量 : Q 流 入 + Q 生 成 - Q 流 出 =0 (5-5) 则 系 统 热 稳 态 稳 态 热 分 析 的 能 量 平 衡 方 程 以 矩 阵 形 式 表 示 为 : [K]{T}={Q} (5-6) [K] 为 热 传 导 矩 阵, 包 含 热 系 数 对 流 系 数 及 辐 射 和 形 状 系 数 ;{T} 为 节 点 温 度 向 量 ;{Q} 为 节 点 热 流 率 向 量, 包 括 热 生 成 ;ANSYS 利 用 模 型 几 何 参 数 材 料 热 性 能 参 数 以 及 所 施 加 的 边 界 条 件, 生 成 [K]{T} 及 {Q} 2. 瞬 态 传 热 : 瞬 态 传 热 过 程 是 指 一 个 系 统 的 加 热 或 冷 却 过 程 在 这 个 过 程 中 系 统 的 温 度 热 流 率 热 边 界 条 件 以 及 系 统 内 能 不 仅 随 位 置 不 同 而 不 同, 而 且 随 时 间 发 生 变 化 根 据 能 量 守 恒 原 理, 瞬 态 热 平 衡 可 以 表 达 为 ( 以 矩 阵 形 式 表 示 ): 式 中 :[K] 为 热 传 导 矩 阵, 包 含 热 系 数 对 流 系 数 及 辐 射 和 形 状 系 数 ;[C] 为 比 热 矩 阵, 考 虑 系 统 内 能 的 增 加 ;{T}] 为 节 点 温 度 向 量 ;*T+ 为 温 度 对 时 间 的 导 数 ;{Q} 为 节 点 热 流 率 向 量, 包 括 热 生 成 (5-7) 连 续 生 产 过 程 中 所 进 行 的 传 热 多 为 稳 态 传 热 在 间 歇 操 作 中 的 换 热 设 备 中 或 连 续 操 作 的 换 热 设 备 处 于 开 停 车 阶 段 所 进 行 的 传 热, 都 属 于 瞬 态 传 热 线 性 与 非 线 性 如 果 满 足 下 列 条 件, 则 为 非 线 性 热 分 析 : 1. 材 料 热 性 能 随 温 度 变 化, 如 K(T),C(T) 等 ; 2. 边 界 条 件 随 温 度 变 化, 如 h(t) 等 ; 3. 含 有 非 线 性 单 元 ; 4. 考 虑 辐 射 传 热 ; 非 线 性 热 分 析 的 热 平 衡 方 程 为 : (5-8) 符 号 与 单 位 ANSYS 热 分 析 中 常 用 的 符 号 及 单 位 表 达 见 表 5-1 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

95 表 5-1 热 分 析 符 号 及 单 位 名 称 国 际 单 位 英 制 单 位 ANSYS 长 度 L m ft Length 时 间 t s s Time 质 量 m Kg lbm Mass 温 度 T o F Temperature 力 F N lbf Force 能 量 ( 热 量 )J J BTU Joule 功 率 ( 热 流 率 )Q W BTU/sec Heat Flow 热 流 密 度 q W/m 2 BTU/sec-ft 2 Heat Flux 生 热 速 率 q W/m 3 BTU/sec-ft 3 Internal Heat Generation 导 热 系 数 W/m- BTU/sec-ft- o F Thermal Conductivity 对 流 系 数 h W/m 2 - BTU/sec-ft 2 - o F Film Coefficient 密 度 Kg/m 3 lbm/ft 3 Density 比 热 c J/Kg- BTU/lbm- o F Specific Heat 焓 H J/m 3 BTU/ft 3 Enthalpy 材 料 属 性 稳 态 热 分 析 中, 必 须 定 义 热 传 导 系 数 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 是 常 量 或 与 温 度 相 关 瞬 态 热 分 析 中, 必 须 定 义 热 传 导 系 数 密 度 和 比 热 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 所 有 属 性 可 以 是 常 量 或 与 温 度 相 关 几 何 模 型 在 热 分 析 中, 可 以 支 持 大 多 数 体 类 型 对 于 线 体, 仅 能 得 到 温 度 结 果, 热 分 析 不 支 持 点 质 量, 对 于 线 体, 不 考 虑 截 面 厚 度 上 的 温 度 变 化 线 用 于 类 似 梁 或 桁 架 的 结 构, 此 时 可 认 为 其 截 面 上 的 温 度 是 常 量 沿 着 线 方 向 的 温 度 变 化 仍 然 要 考 虑, 但 不 是 沿 着 截 面 的 对 于 壳, 不 考 虑 沿 壳 厚 度 方 向 的 温 度 梯 度 壳 体 应 用 于 较 薄 的 结 构, 假 设 壳 的 上 下 表 面 温 度 相 等 表 面 的 温 度 变 化 仍 然 要 考 虑, 但 不 是 厚 度 方 向 的 接 触 当 导 入 实 体 零 件 组 成 的 装 配 体 时, 实 体 间 的 接 触 区 将 会 被 自 动 创 建 面 与 面 或 面 与 边 接 触 允 许 实 体 零 件 间 的 边 界 上 不 匹 配 的 网 格 每 个 接 触 区 都 用 到 接 触 面 和 目 标 面 的 概 念 接 触 区 的 一 侧 由 接 触 面 组 成, 另 一 侧 由 目 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

96 标 面 组 成 当 一 侧 为 接 触 面 而 另 一 侧 为 目 标 面 时, 称 为 反 对 称 接 触 另 一 方 面, 如 果 两 侧 都 被 指 定 成 接 触 面 或 目 标 面, 则 称 为 对 称 接 触 在 热 分 析 中, 指 定 哪 一 侧 是 接 触 面, 哪 一 侧 是 目 标 面 并 不 重 要 在 接 触 的 法 向 上 允 许 有 接 触 面 和 目 标 面 间 的 热 流 接 触 实 现 了 装 配 体 中 零 件 间 的 传 热 热 量 在 接 触 区 内 沿 着 接 触 法 向 流 动, 不 管 接 触 区 定 义 如 何, 只 要 接 触 法 向 上 有 接 触 单 元, 热 量 就 会 流 动 在 接 触 面 与 目 标 界 面 中, 不 考 虑 热 量 的 扩 散 在 壳 或 实 体 单 元 内 的 接 触 面 或 目 标 面 上, 由 于 傅 立 叶 定 律, 需 考 虑 热 量 扩 散 如 果 零 件 初 始 有 接 触, 零 件 间 就 会 发 生 传 热, 如 果 零 件 初 始 不 接 触, 零 件 间 将 不 会 互 相 传 热 不 同 的 接 触 类 型, 热 量 是 否 会 在 接 触 面 和 目 标 面 间 传 递 可 以 参 见 表 5-2 表 5-2 接 触 区 传 热 接 触 类 型 接 触 区 传 热 否 初 始 接 触 弹 球 区 内 弹 球 区 外 绑 定 不 分 离 是 是 否 粗 糙 无 摩 擦 摩 擦 是 否 否 接 触 的 弹 球 Pinball 区 域 自 动 设 置 为 一 个 相 对 较 小 的 值, 以 调 和 模 型 中 可 能 出 现 的 小 间 隙 对 基 于 MPC 的 绑 定 接 触, 如 果 存 在 间 隙, 在 搜 索 方 向 可 使 用 弹 球 区 以 检 测 间 隙 外 的 接 触, 见 图 5-1 MPC 算 法 产 生 完 全 传 热 对 包 含 壳 面 或 实 体 边 的 接 触, 只 能 设 置 为 绑 定 或 不 分 离 类 型 包 含 壳 面 接 触, 只 允 许 使 用 MPC 算 法 的 绑 定 接 触 行 为 点 焊 为 连 接 的 壳 装 配 体 在 离 散 点 处 传 热 提 供 了 一 种 方 法, 见 图 5-2 图 5-1 接 触 弹 球 区 域 图 5-2 点 焊 接 触 接 触 温 差 缺 省 时, 在 装 配 体 的 零 件 间 会 定 义 一 个 高 的 接 触 导 热 系 数 T CC, 两 个 零 件 间 的 热 流 量 由 接 触 热 通 量 q 定 义 : q=tcc(t t -T c ) (5-9) 这 里,T c 是 位 于 接 触 法 向 上 某 接 触 节 点 的 温 度,T t 是 相 应 的 目 标 节 点 的 温 度 缺 省 时,T CC 根 据 设 定 的 接 触 模 型 中 的 最 大 热 传 导 系 数 max 值 和 装 配 体 总 体 外 边 界 的 对 角 线 Diag, 被 设 为 一 个 相 对 较 高 的 值, 即 T CC = max*10000/diag, 这 最 终 提 供 了 零 件 间 完 全 的 传 热 图 5-3 接 触 温 差 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

97 理 想 的 零 件 间 的 接 触 传 热 系 数 假 定 在 接 触 界 面 上 没 有 温 度 降 接 触 热 阻 使 接 触 的 两 个 表 面 在 穿 过 界 面 上 有 温 度 降, 见 图 5-3, 这 种 温 差 是 由 两 表 面 间 的 不 良 接 触 产 生, 由 此 产 生 有 限 热 传 导, 受 到 影 响 因 素 包 括 : 表 面 的 平 面 度 表 面 磨 光 氧 化 物 残 存 流 体 接 触 压 力 表 面 温 度 导 热 脂 的 使 用 等 可 以 定 义 接 触 传 热 系 数 T CC 考 虑 接 触 热 阻 的 影 响, 每 个 接 触 区 在 详 细 信 息 窗 口 中 输 入 单 位 面 积 的 接 触 传 热 系 数, 用 接 触 面 积 除 以 接 触 热 阻, 可 得 到 T CC 值, 这 样, 接 触 区 域 的 接 触 面 和 目 标 面 间 就 会 产 生 温 度 降 分 析 设 置 对 简 单 线 性 行 为 无 需 设 置, 对 复 杂 分 析 则 需 要 设 置 一 些 控 制 选 项, 设 置 命 令 见 表 5-3 表 5-3: 分 析 设 置 命 令 说 明 分 析 设 置 命 令 说 明 步 长 控 制 时 步 数 ;1( 默 认 ) 当 前 时 步 :1( 默 认 ) 时 步 结 束 时 间 :1s( 默 认 ) 自 动 时 间 步 设 置 : 程 序 控 制 ( 默 认 ) 求 解 控 制 求 解 类 型 : 程 序 控 制 ( 默 认 ) 非 线 性 控 制 热 收 敛 准 则 ; 程 序 控 制 ( 默 认 ) 温 度 收 敛 准 则 ; 程 序 控 制 ( 默 认 ) 线 性 搜 索 : 程 序 控 制 ( 默 认 ) 输 出 控 制 : 是 否 计 算 热 通 量 : 是 ( 默 认 ) 计 算 结 果 输 出 : 在 所 有 时 间 点 ( 默 认 ) 分 析 数 据 管 理 求 解 器 工 作 路 径 ; 后 续 分 析 类 型 : 无 ( 默 认 ) 获 取 求 解 文 件 : 是 否 保 存 ANSYS DB 文 件 : 否 ( 默 认 ) 是 否 删 除 不 需 要 的 文 件 : 是 ( 默 认 ) 是 否 非 线 性 求 解 : 否 ( 默 认 ) 求 解 器 单 位 : 当 前 活 动 系 统 ( 默 认 ) 求 解 器 单 位 系 统 :nks( 默 认 ) 可 视 化 对 流 ( 对 流 换 热 系 数 ): 显 示 温 度 : 显 示 1. 步 长 控 制 Step Controls 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

98 非 线 性 热 分 析 时, 步 长 控 制 用 于 控 制 时 间 步 长, 步 长 控 制 也 用 于 创 建 多 载 荷 步 2. 求 解 器 控 制 Solver Controls 求 解 器 控 制 中 直 接 法 Direct 和 迭 代 法 Iterative 两 种 求 解 器 可 以 使 用, 求 解 器 是 自 动 选 取 的 Solver Type 下 设 置 默 认 选 项, 直 接 求 解 器 Direct 在 包 含 薄 面 和 细 长 体 的 模 型 中 是 有 用 的 它 是 个 很 有 力 的 求 解 器 并 且 可 以 处 理 任 何 情 况 迭 代 求 解 器 Iteritive 在 处 理 体 积 大 的 模 型 是 十 分 有 效 的 尽 管 它 对 梁 和 壳 来 说 不 是 很 有 效, 但 是 可 以 很 好 的 处 理 大 的 模 型 3. 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls 非 线 性 控 制 可 以 修 改 收 敛 准 则 和 其 他 的 一 些 求 解 控 制 选 项 只 要 运 算 满 足 收 敛 判 据, 程 序 就 认 为 收 敛, 收 敛 判 据 可 以 基 于 温 度 也 可 以 是 热 流 率, 或 二 者 都 有 在 实 际 定 义 时, 需 要 说 明 一 个 典 型 值 Value 和 收 敛 容 差 Tolerance, 程 序 将 二 者 的 乘 积 值 视 为 收 敛 判 据 例 如, 如 说 明 温 度 的 典 型 值 为 500, 容 差 为 0.001, 那 么 收 敛 判 据 则 为 0.5 度 对 于 温 度,ANSYS 将 连 续 两 次 平 衡 迭 代 之 间 节 点 上 温 度 的 变 化 量 与 收 敛 准 则 进 行 比 较 来 判 断 是 否 收 敛 如 果 在 某 两 次 平 衡 迭 代 间, 每 个 节 点 的 温 度 变 化 都 小 于 0.5 度, 则 收 敛 对 于 热 流 率,ANSYS 比 较 不 平 衡 载 荷 矢 量 与 收 敛 标 准 不 平 衡 载 荷 矢 量 表 示 所 施 加 的 热 流 与 内 部 计 算 热 流 率 之 间 的 差 值 ANSYS Value 值 由 缺 省 确 定, 收 敛 容 差 为 0.5% 线 性 搜 索 Line Search 选 项 可 使 ANSYS 用 Newton-Raphson 方 法 进 行 线 性 搜 索 4. 输 出 控 制 Output Controls 输 出 控 制 允 许 在 结 果 后 处 理 中 得 到 需 要 的 时 间 点 结 果, 尤 其 在 非 线 性 分 析 中, 中 间 载 荷 的 结 果 是 很 重 要 的 5. 分 析 数 据 管 理 Analysis Data Management 分 析 数 据 管 理 保 存 稳 态 热 分 析 结 果 文 件 用 于 其 他 的 分 析 系 统 如 稳 态 热 分 析 的 结 果 作 为 瞬 态 分 析 的 初 始 条 件, 因 此 可 以 将 稳 态 热 分 析 结 果 随 后 的 分 析 Future Analysis 设 置 为 瞬 态 热 分 析 Transient Thermal 用 于 后 面 的 瞬 态 热 分 析 载 荷 与 边 界 条 件 Workbench 热 分 析 的 载 荷 与 边 界 条 件 如 下 : 1) 温 度 Temperature 2) 对 流 Convection 3) 辐 射 Radiation 4) 热 流 率 Heat Flow 5) 完 全 绝 热 Perfectly Insulated 6) 热 流 密 度 Heat Flux 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

99 7) 内 部 热 生 成 Internal Heat Generation 8) CFD 导 入 温 度 CFD Imported Temperature 9) CFD 导 入 对 流 CFD Imported Convection 载 荷 与 边 界 条 件 可 以 直 接 在 实 体 模 型 ( 点 线 面 体 ) 施 加, 可 以 是 单 值 的, 也 可 以 是 用 表 格 或 函 数 的 方 式 来 定 义 复 杂 的 热 载 荷 1. 恒 定 温 度 Temperature 通 常 作 为 自 由 度 约 束 施 加 于 温 度 已 知 的 边 界 上 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 如 图 5-4 图 5-4 恒 定 温 度 2. 对 流 Convection 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 对 流 通 过 与 流 体 接 触 面 发 生 对 流 换 热, 只 能 施 加 到 表 面 上, 对 流 使 环 境 温 度 与 表 面 温 度 相 关 图 5-5 对 流 q = Q A = h(t s T f ) (5-10) 对 流 热 通 量 q 与 对 流 换 热 系 数 h 表 面 积 A 表 面 温 度 T s 及 环 境 温 度 T f 有 关, 如 图 5-5 对 流 换 热 系 数 h 可 以 是 常 量 或 温 度 的 变 量, 与 温 度 相 关 的 对 流 条 件 1) 首 先 确 定 h(t) 使 用 什 么 样 的 温 度, 温 度 可 以 是 : (1) 平 均 膜 温 度 Average Film Temperature : T=(T s +T f )/2 (2) 表 面 温 度 Surface Temperature : T= T s (3) 环 境 温 度 Bulk Temperature : T= T f (4) 表 面 与 环 境 温 度 差 Difference of Surface and Bulk Temperature : T=T s -T f 2) 对 流 详 细 信 息 窗 口 中 选 择 Film Coefficient - Tabular(Temperature) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

100 3) 在 出 现 的 表 数 据 Tabular Data 中 输 入 温 度 和 对 于 的 对 流 换 热 系 数, 见 图 5-6 图 5-6 输 入 变 量 对 流 换 热 系 数 3. 辐 射 Radiation 施 加 到 3D 表 面 或 2D 模 型 的 边, 仅 提 供 向 周 围 环 境 的 辐 射 ( 不 包 括 两 个 面 之 间 的 相 互 辐 射 ) 即 形 状 系 数 假 定 为 F12=1; Q = ε 1 A 1 σf 12 (T 1 4 T 2 4 ) (5-11) 其 中 斯 蒂 芬 - 波 尔 兹 曼 常 数 为 定 值, 并 且 自 动 由 采 用 的 单 位 制 决 定 ; 辐 射 属 性 中 设 置 热 辐 射 率 ( 黑 度 ) 1, 环 境 温 度 T 2 4. 热 流 率 Q Heat Flow 指 单 位 时 间 内 通 过 传 热 面 的 热 量 整 个 换 热 器 的 传 热 速 率 表 征 换 热 器 的 生 产 能 力, 单 位 为 w 热 流 率 作 为 节 点 集 中 载 荷, 可 以 施 加 点 边 面 上, 这 对 线 体 模 型 通 常 不 能 直 接 施 加 对 流 和 热 流 密 度 载 荷, 则 很 方 便 如 果 输 入 的 值 为 正, 表 示 热 流 流 入 节 点, 即 获 取 热 量 图 5-7 热 流 率 提 示 : 如 果 在 实 体 单 元 的 某 一 节 点 上 施 加 热 流 率, 则 此 节 点 周 围 的 单 元 应 该 密 一 些 ; 特 别 是 与 该 节 点 相 连 的 单 元 的 导 热 系 数 差 别 很 大 时, 尤 其 要 注 意, 不 然 可 能 会 得 到 异 常 的 温 度 值 因 此, 只 要 有 可 能, 都 应 该 使 用 热 生 成 或 热 流 密 度 边 界 条 件, 这 些 热 荷 载 即 使 是 在 网 格 较 为 粗 糙 的 时 候 都 能 得 到 较 好 的 结 果 5. 完 全 绝 热 Perfectly Insulated 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 完 全 绝 热 条 件 施 加 到 表 面 上, 可 认 为 是 零 热 流 率 加 载, 在 热 分 析 中, 当 不 施 加 任 何 载 荷 时, 它 实 际 上 是 自 然 产 生 的 边 界 条 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

101 通 常, 不 需 要 给 面 上 施 加 完 全 绝 热 条 件, 因 为 这 是 一 个 规 则 表 面 的 默 认 状 态 因 此, 这 种 加 载 通 常 用 于 删 除 某 个 特 定 面 上 的 载 荷 例 如, 可 以 先 在 所 有 面 上 施 加 热 通 量 或 对 流, 然 后 用 完 全 绝 热 条 件 选 择 性 地 删 除 某 些 面 上 的 载 荷 ( 比 如 与 其 它 零 件 相 接 触 的 面 等 ), 此 时 要 方 便 简 单 得 多 6. 热 通 量 q( 热 流 密 度 Heat Flux ) 指 单 位 时 间 内 通 过 单 位 传 热 面 积 所 传 递 的 热 量,q=Q/A 在 一 定 的 热 流 量 下,q 越 大, 所 需 的 传 热 面 积 越 小 因 此, 热 通 量 是 反 映 传 热 强 度 的 指 标, 又 称 为 热 流 密 度, 单 位 为 w/m 2, 见 图 5-8 图 5-8 热 通 量 热 流 密 度 也 是 一 种 面 载 荷 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 当 通 过 单 位 面 积 的 热 流 率 已 知, 可 以 在 模 型 相 应 的 外 表 面 施 加 一 致 热 流 密 度 如 果 输 入 的 值 为 正, 表 示 热 流 流 入 单 元 热 流 密 度 也 仅 适 用 于 实 体 和 壳 单 元 7. 内 部 热 生 成 Internal Heat Generation 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 内 部 热 生 成 作 为 体 载 只 能 施 加 到 体 上, 可 以 模 拟 单 元 内 的 热 生 成, 比 如 化 学 反 应 生 热 或 电 流 生 热 它 的 单 位 是 单 位 体 积 的 热 流 率 (w/m 3 ) 正 的 热 负 荷 值 将 会 向 系 统 中 添 加 能 量 而 且, 如 果 有 多 个 载 荷 存 在, 其 效 果 是 累 加 的 8. 小 结 1) 热 载 荷 : 一 般 往 系 统 中 输 入 能 量, 热 负 荷 可 以 用 已 知 的 热 流 率 或 单 位 面 积 / 体 积 上 的 热 流 率 输 入 2) 热 边 界 条 件 : 热 边 界 条 件 呈 现 为 一 个 已 知 的 局 部 或 偏 远 的 温 度 条 件 作 用 如 同 已 知 温 度 条 件 下 的 热 源 或 汇, 可 以 是 确 定 的 温 度 或 已 知 环 境 温 度 下 的 对 流 辐 射, 完 全 绝 热 为 自 然 边 界 条 件 3) 至 少 应 存 在 一 种 热 边 界 条 件 如 温 度 对 流 或 辐 射, 否 则, 如 果 热 量 源 源 不 断 地 输 入 到 系 统 中, 稳 态 时 的 温 度 将 会 达 到 无 穷 大 4) 给 定 的 温 度 或 对 流 不 能 施 加 到 已 经 施 加 了 某 种 热 载 荷 或 热 边 界 条 件 的 表 面 上 如 果 施 加 到 已 经 承 受 热 载 荷 的 实 体 上, 温 度 边 界 条 件 将 忽 略, 完 全 绝 热 条 件 将 忽 略 其 它 的 热 边 界 条 件 5) 提 供 一 些 结 构 分 析 与 热 分 析 的 类 比 见 表 5-4 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

102 表 5-4 结 构 与 热 分 析 载 荷 和 约 束 类 比 名 称 作 用 方 式 结 构 热 自 然 条 件 无 外 力 完 全 绝 热 边 界 条 件 直 接 给 定 位 移 给 定 温 度 间 接 弹 性 支 撑 对 流 / 辐 射 直 接 力 热 流 率 载 荷 单 位 面 积 压 力 热 通 量 单 位 体 积 温 度 内 部 热 生 成 惯 性 载 荷 整 体 加 速 度, 旋 转 速 度 旋 转 速 度 加 速 度 之 类 的 惯 性 载 荷, 没 有 类 比, 对 流 边 界 条 件 的 类 比 是 一 个 结 构 分 析 中 的 基 础 刚 度 支 撑, 类 似 于 接 地 弹 簧 结 果 与 后 处 理 热 分 析 中 可 得 到 各 种 结 果 用 于 后 处 理, 如 温 度 热 通 量 反 作 用 热 流 率 等 一 般 在 求 解 之 前 定 义 需 要 的 结 果, 也 可 以 在 求 解 之 后 增 加 需 要 结 果, 此 时 不 需 要 进 行 新 的 求 解 1. 温 度 场 的 云 图 显 示 : 温 度 是 求 解 的 自 由 度, 且 是 最 基 本 的 输 出, 温 度 是 标 量, 因 此 没 有 与 之 相 关 的 方 向 如 图 5-9 图 5-9 温 度 的 云 图 显 示 2. 热 通 量 云 图 或 矢 量 显 示 : 热 通 量 q 定 义 为 :q = λ dt dn, 热 通 量 与 温 度 梯 度 有 关, Total Heat Flux 热 通 量 云 图 显 示 大 小, 热 通 量 矢 量 显 示 大 小 和 方 向, 可 以 看 到 热 量 是 如 何 流 动 的, 见 图 5-10 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

103 图 5-10 热 通 量 云 图 和 矢 量 显 示 热 通 量 输 出 有 三 个 分 量, 热 通 量 的 分 量 可 以 用 Directional Heat Flux, 并 可 映 射 到 任 意 坐 标 系 下 3. 反 作 用 的 热 流 率 给 定 的 温 度 和 对 流 都 能 直 接 或 非 直 接 地 补 充 一 个 已 知 的 温 度, 它 就 相 当 于 一 个 热 源 / 汇, 流 入 ( 正 ) 或 流 出 ( 负 ) 量 就 可 以 输 出 对 每 个 单 独 的 给 定 温 度 或 对 流 载 荷, 反 作 用 热 流 率 Reaction Probe 会 在 求 解 之 后 在 Details 明 细 窗 口 中 输 出 见 图 5-11 图 5-11 反 作 用 的 热 流 率 5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal 稳 态 热 分 析 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 概 述 对 于 一 个 稳 态 热 分 析, 温 度 {T} 是 由 如 下 的 矩 阵 求 解 :[K]{T}={Q} [K] 为 热 传 导 矩 阵,{Q} 为 热 流 量 矩 阵, 包 括 如 下 假 设 : 1. 稳 态 热 分 析 基 于 热 传 导 方 程, 不 考 虑 任 何 时 间 相 关 的 瞬 态 效 应 2. 可 以 分 析 线 性 行 为 ( 材 料 属 性 为 常 量 ) 或 非 线 性 行 为 ( 材 料 属 性 与 温 度 相 关 ), 也 就 是 说,[K] 可 以 是 常 量 或 是 温 度 的 函 数 ; 每 种 材 料 属 性 中 都 可 输 入 温 度 相 关 的 热 传 导 率 ;{Q} 也 可 是 常 量 或 是 温 度 的 函 数 ; 在 对 流 边 界 条 件 中 可 以 输 入 温 度 相 关 的 对 流 传 热 系 数 3. 固 体 内 部 的 热 传 导 ( 傅 立 叶 定 律 ) 是 [K] 的 基 础 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

104 4. 载 荷 和 约 束 包 括 热 生 成 热 通 量 热 流 率 对 流 及 辐 射 ; 虽 然 对 流 换 热 系 数 有 可 能 与 温 度 相 关, 但 对 流 被 处 理 成 简 单 的 边 界 条 件, 如 果 需 要 分 析 共 轭 传 热 / 流 动 问 题, 则 需 要 用 流 体 分 析 ANSYS CFX 或 ANSYS FLUENT 5. 稳 态 热 分 析 通 常 用 于 建 立 瞬 态 热 分 析 的 初 始 条 件, 也 可 以 作 为 瞬 态 热 分 析 的 最 后 一 步, 即 模 拟 瞬 态 传 热 效 应 完 全 消 失 后 的 状 态 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 方 法 1. 工 具 箱 中 将 稳 态 热 分 析 系 统 Steady-State Thermal 拖 入 工 程 图 解 2. 定 义 工 程 数 据 Engineering Data : 必 须 定 义 热 传 导 系 数, 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 是 常 量 或 与 温 度 相 关 3. 导 入 几 何 模 型 4. 定 义 零 件 行 为 5. 定 义 联 接 关 系 热 分 析 中 仅 考 虑 接 触, 任 何 关 节 和 弹 簧 将 被 忽 略 热 分 析 中 初 始 接 触 条 件 始 终 保 持 不 变, 默 认 条 件 下, 热 传 导 完 全 通 过 无 间 隙 接 触 面, 如 果 考 虑 接 触 热 阻, 可 以 手 工 输 入 热 传 导 值 6. 应 用 网 格 控 制 划 分 网 格 : 如 果 热 分 析 用 于 随 后 的 结 构 分 析, 则 需 要 足 够 精 细 的 网 格 密 度 7. 建 立 分 析 设 置 : 1) 步 长 控 制 Step Controls 用 于 非 线 性 分 析 设 置 小 的 增 量 步, 或 用 于 多 载 荷 步 的 分 析 设 置 时 间 选 项 Step End Time 定 义 载 荷 步 的 结 束 时 间, 虽 然 对 于 稳 态 热 分 析 来 说, 时 间 选 项 并 没 有 实 际 的 物 理 意 义, 但 它 提 供 了 一 个 方 便 的 设 置 载 荷 步 和 载 荷 子 步 的 方 法 缺 省 情 况 下, 第 一 个 荷 载 步 结 束 的 时 间 是 1.0, 此 后 的 荷 载 步 对 应 的 时 间 强 逐 次 加 1.0 Define by 可 以 按 照 步 数 或 按 照 时 间 定 义 载 荷 子 步, 对 于 非 线 性 分 析, 每 一 载 荷 步 需 要 多 个 子 步 缺 省 情 况 下 每 个 荷 载 步 有 一 个 子 步 2) 输 出 控 制 Output Controls 定 义 后 处 理 所 需 要 的 输 出 值, 非 线 性 分 析 中 往 往 需 要 获 得 中 间 结 果 3) 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls 可 以 修 改 收 敛 准 则 和 求 解 控 制 4) 分 析 数 据 管 理 Analysis Data Management 保 存 结 果 文 件 用 于 其 它 分 析 类 型 8. 定 义 初 始 条 件 : 可 以 定 义 各 个 节 点 相 同 的 初 始 温 度, 用 于 非 线 性 求 解 中 的 第 一 次 迭 代, 或 作 为 常 温 载 荷 的 起 始 温 度 9. 应 用 热 载 荷 及 边 界 条 件 : 包 括 温 度 对 流 辐 射 热 流 率 完 全 绝 热 热 通 量 内 部 热 生 成 CFD 导 入 的 温 度 及 对 流 载 荷 及 边 界 可 以 表 示 为 常 量 或 输 入 表 格 形 式 的 变 量 或 函 数 表 达 式 10. 求 解 : 求 解 信 息 Solution Information 监 测 求 解 过 程, 可 以 插 入 结 果 跟 踪 工 具 Result Tracker 监 测 设 定 位 置 的 温 度 变 化 11. 显 示 结 果 : 包 括 云 图 显 示 动 画 显 示 探 测 点 显 示 及 图 表 显 示 所 有 的 热 结 果 类 型 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 短 圆 柱 体 的 热 传 导 问 题 描 述 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

105 短 圆 柱 体, 直 径 和 长 度 均 为 1m, 上 方 施 加 100 的 温 度 载 荷, 下 端 面 和 侧 面 温 度 为 0, 求 圆 柱 体 内 部 温 度 场 的 分 布 ( 假 设 圆 柱 体 和 外 界 无 热 交 换 ) 材 料 的 热 传 导 系 数 为 30w/m. 见 图 问 题 分 析 图 5-12 短 圆 柱 体 属 于 稳 态 热 传 导 问 题, 由 于 几 何 结 构, 载 荷 及 边 界 条 件 对 称, 取 圆 柱 体 1/4 分 析 分 析 方 法 如 下 : 1) 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 2) 确 定 材 料 参 数 : 稳 态 热 传 导 问 题, 仅 输 入 热 传 导 系 数 3) DesignMdoler 建 立 几 何 模 型 : 考 虑 对 称 性, 建 立 1/4 圆 柱 体 4) 进 入 Mechanical 分 析 程 序 5) 网 格 划 分 : 采 用 系 统 默 认 网 格 6) 施 加 边 界 条 件 : 圆 柱 体 对 称 面 无 热 量 交 换, 为 绝 热 边 界, 系 统 默 认 无 需 输 入 圆 柱 体 其 它 外 表 面 输 入 温 度 7) 设 置 需 要 的 结 果 : 温 度 分 布 8) 求 解 及 结 果 显 示 数 值 模 拟 过 程 1 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 ( 图 5-13) 1) 工 程 图 解 中 调 入 稳 态 热 分 析 系 统 Steady-State Thermal(ANSYS) 2) 工 程 命 名 Cylinder Thermal conduction 3) 保 存 工 程 名 为 Steady-State Thermal(cylinder) 见 图 5-13 图 5-13 调 入 稳 态 热 分 析 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

106 2 确 定 材 料 参 数 ( 图 图 5-15) 1) 编 辑 工 程 数 据 模 型, 添 加 材 料 的 热 传 导 率, 右 击 鼠 标 选 择 Engineering Data Edit 见 图 5-14 图 5-14 编 辑 工 程 数 据 模 型 2) 工 程 数 据 属 性 中 增 加 新 材 料 : Outline of Schematic A2:Engineering Data Click here to add new material 输 入 材 料 名 称 steel. 3) 选 择 Thermal Isotropic Thermal Conductivity 4) 选 择 钢 材 料 属 性 Properties of Outline Row 3: steel Isotropic Thermal Conductivity 5) 出 现 Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity 材 料 属 性 表, 双 击 鼠 标, 点 击 每 个 区 域 输 入 材 料 属 性 参 数 : 温 度 22 C, 热 传 导 率 30w/m. 6) 参 数 输 完 后, 工 程 数 据 表 显 示 热 传 导 率 - 温 度 图 表 见 图 DM 建 立 几 何 模 型 ( 图 5-16) 图 5-15 输 入 材 料 参 数 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

107 1) 选 择 Geometry - New Geometry, 出 现 esignmodeler 程 序 窗 口, 选 择 尺 寸 单 位 Meter 2) DesignModeler 中 在 工 作 平 面 XYPlane 创 建 圆 柱 体 截 面 草 图 (1) 选 择 Sketching (2) 选 择 Draw Rectangle (3) 在 图 形 区 坐 标 原 点 处 点 击 鼠 标 左 键, 拖 放 鼠 标 画 矩 形 (4) 选 择 尺 寸 标 注 Dimensions (5) 图 形 区 中 选 择 矩 形 边 线, 拖 放 鼠 标 显 示 水 平 尺 寸 H1, 垂 直 尺 寸 V2. (6) 设 置 尺 寸 Details View Dimensions H1 =120mm,V2=50mm 图 5-16 创 建 草 图 3) 草 图 选 择 生 成 1/4 圆 柱 体 ( 图 5-17) 1) 选 择 Modeling 模 式 2) 选 择 矩 形 草 图 XYPlane Sketch1 3) 工 具 栏 中 选 择 旋 转 命 令 Revolve 4) 选 择 旋 转 轴 : 图 形 区 点 击 Y 轴 5) 确 认 旋 转 轴 : Details View Details of Revolve1 Axis =Apply 6) 设 置 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve1 FD1,Angle =90 7) 生 成 实 体 : 选 择 Generate 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

108 图 5-17 生 成 实 体 4 进 入 Mechanical 分 析 程 序 切 换 回 Workbench 窗 口, 选 择 Setup Edit, 进 入 Mechanical 分 析 环 境 5 网 格 划 分 ( 图 5-18) 1) 选 择 Mesh Generate Mesh 2) 图 形 区 显 示 程 序 自 动 生 成 的 网 格 模 型 6 施 加 边 界 条 件 施 加 上 表 面 温 度 100 C:( 图 5-19) 1) 选 择 Steady-State Thermal(A5) 2) 工 具 栏 中 选 择 Temperature 3) 图 形 区 选 取 上 表 面 图 5-18 网 格 划 分 4) 确 认 选 择 : Details of Temperature Scope Geometry =Apply 5) 设 置 温 度 : Details of Temperature Definiton Magnitude =100 C 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

109 图 5-19 上 表 面 施 加 温 度 施 加 外 表 面 及 底 部 温 度 0 C:( 图 5-20) 6) 选 择 Steady-State Thermal(A5) 7) 工 具 栏 中 选 择 Temperature 8) 工 具 栏 选 取 面 选 择 按 钮 9) 按 住 Ctrl 键, 图 形 区 选 取 外 表 面 及 底 部 面 10) 确 认 选 择 : Details of Temperature Scope Geometry =Apply 11) 设 置 温 度 : Details of Temperature Definiton Magnitude =0 C 7 设 置 需 要 的 结 果 ( 图 5-21) 图 5-20 施 加 底 部 及 边 表 面 温 度 1) 选 择 Solution(A6) 2) 工 具 栏 中 选 择 Thermal Temperature 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

110 图 5-21 设 置 温 度 结 果 8 求 解 及 结 果 显 示 ( 图 5-22) 运 行 Solve 求 解, 选 Solution Information 时, 可 以 从 输 出 工 作 表 看 求 解 状 态, 求 解 结 束 后 可 以 显 示 结 果 : 1) 设 置 显 示 窗 口 为 4 个 视 窗 2) 选 择 左 上 窗 口 3) 导 航 树 选 择 Model Mesh, 左 上 窗 口 显 示 网 格 4) 选 择 右 上 窗 口 5) 导 航 树 选 择 Steady-State Thermal(A5) Temperature, 右 上 窗 口 显 示 加 载 温 度 100 C 6) 选 择 左 下 窗 口 7) 导 航 树 选 择 Steady-State Thermal(A5) Temperature2, 左 下 窗 口 显 示 加 载 温 度 0 C 8) 选 择 右 下 窗 口 9) 导 航 树 选 择 Solutionl Temperature, 右 下 窗 口 显 示 稳 态 热 传 导 计 算 得 到 的 温 度 变 化 图 5-22 结 果 显 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

111 5.2.4 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 保 温 桶 的 对 流 传 热 问 题 描 述 4 层 保 温 桶, 最 外 层 为 钢, 次 外 层 为 铝, 中 间 为 隔 热 的 树 脂 基 复 合 材 料, 里 层 为 铝, 筒 内 为 热 水, 筒 外 为 空 气, 需 确 定 筒 壁 的 温 度 场 分 布 图 5-23 保 温 桶 模 型 已 知 : 筒 内 半 径 0.1m 筒 长 度 0.2m 4 层 厚 度 为 0.01m 0.02m 0.01m 0.005m, 钢 复 合 材 料 及 铝 导 热 系 数 w/m., 水 温 度 80, 空 气 温 度 为 20, 空 气 对 流 系 数 12.5 w/m 问 题 分 析 属 于 稳 态 传 热 问 题, 由 于 几 何 结 构, 载 荷 及 边 界 条 件 的 轴 对 称, 可 取 圆 柱 体 任 意 圆 周 角 的 一 部 分, 这 里 取 45 度 1. 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 2. 确 定 材 料 参 数 : 稳 态 传 热 问 题, 仅 输 入 热 传 导 系 数 3. DesignMdoler 建 立 几 何 模 型 : 考 虑 对 称 性, 建 立 1/8 圆 柱 体 4. 进 入 Mechanical 分 析 程 序 5. 网 格 划 分 : 采 用 系 统 默 认 网 格 6. 施 加 边 界 条 件 : 圆 柱 体 对 称 面 无 热 量 交 换, 为 绝 热 边 界, 系 统 默 认 无 需 输 入, 圆 柱 体 其 它 外 表 面 输 入 温 度 7. 设 置 需 要 的 结 果 : 温 度 分 布 8. 求 解 及 结 果 显 示 数 值 模 拟 过 程 1 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 ( 图 5-24) 1) 工 程 图 解 中 调 入 稳 态 热 分 析 系 统 Steady-State Thermal(ANSYS) 2) 工 程 命 名 Attemperator Thermal analysis 3) 保 存 工 程 名 为 Steady-State Thermal(attemperator) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

112 图 5-24 建 立 保 温 桶 分 析 文 件 2 确 定 材 料 参 数 ( 图 图 5-26) 1) 编 辑 工 程 数 据 模 型, 添 加 材 料 的 热 传 导 率, 右 击 鼠 标 选 择 Engineering Data Edit 见 图 5-25 图 5-25 编 辑 工 程 数 据 图 5-26 设 置 材 料 属 性 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

113 2) 工 程 数 据 属 性 中 增 加 新 材 料 : Outline of Schematic A2:Engineering Data Click here to add new material 输 入 材 料 名 称 Aluminium. 3) 选 择 Thermal Isotropic Thermal Conductivity 4) 选 择 钢 材 料 属 性 Properties of Outline Row 3: Aluminium. Isotropic Thermal Conductivity 5) 出 现 Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity 材 料 属 性 表, 双 击 鼠 标, 点 击 每 个 区 域 输 入 材 料 属 性 参 数 : 温 度 20 C, 热 传 导 率 236w/m. 6) 参 数 输 完 后, 工 程 数 据 表 显 示 热 传 导 率 - 温 度 图 表 7) 同 样 输 入 树 脂 基 复 合 材 料 热 传 导 率 0.055w/m. 8) 同 样 输 入 钢 材 料 热 传 导 率 70w/m. 3 DM 建 立 几 何 模 型 1) 选 择 Geometry - New Geometry, 出 现 DesignModeler 程 序 窗 口, 选 择 尺 寸 单 位 Meter 2) DesignModeler 中 在 工 作 平 面 XYPlane 创 建 圆 柱 体 截 面 草 图 (1) 选 择 Sketching (2) 选 择 Draw Rectangle (3) 在 图 形 区 坐 标 原 点 处 点 击 鼠 标 左 键, 拖 放 鼠 标 画 矩 形 (4) 选 择 尺 寸 标 注 Dimensions (5) 图 形 区 中 选 择 矩 形 边 线, 拖 放 鼠 标 显 示 铝 层 厚 度 尺 寸 H1, 高 度 尺 寸 V2, 内 半 径 尺 寸 L3 (6) 设 置 尺 寸 Details View Dimensions H1 =0.01m, V2 =0.2m, L3 =0.1m 见 图 5-27 图 5-27 创 建 内 层 草 图 (7) 选 择 标 签 Modeling (8) 选 择 工 作 平 面 XYPlane (9) 工 作 平 面 内 创 建 第 2 个 草 图 : 选 择 新 草 图 按 钮 (10) 选 择 新 草 图 Sketch2 (11) 新 草 图 中 绘 制 第 2 个 矩 形 : 选 择 标 签 Sketching, 选 择 Draw Rectangle, 点 击 图 形 区 第 1 个 矩 形 外 边 线 的 一 点, 拖 放 鼠 标 画 第 2 个 矩 形, 选 择 尺 寸 标 注 Dimensions, 图 形 区 中 选 择 第 2 个 矩 形 边 线, 拖 放 鼠 标 显 示 复 合 材 料 层 厚 度 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

114 尺 寸 H4, 设 置 尺 寸 Details View Dimensions H4 =0.02m, 见 图 5-28 (12) 和 创 建 第 2 个 草 图 一 样, 创 建 草 图 Sketch3 和 Sketch4 (13) 分 别 在 草 图 Sketch3 上 绘 制 次 外 层 矩 形, 厚 度 为 0.01m, 在 草 图 Sketch4 上 绘 制 外 层 矩 形, 厚 度 为 0.005m, 如 图 5-29 图 5-28 创 建 中 层 草 图 图 5-29 创 建 外 层 草 图 3) 草 图 旋 转 生 成 1/8 圆 柱 体 (1) 选 择 Modeling 模 式, 选 择 矩 形 草 图 XYPlane Sketch1 (2) 工 具 栏 中 选 择 旋 转 命 令 Revolve (3) 选 择 旋 转 轴 : 图 形 区 点 击 Y 轴 (4) 确 认 旋 转 轴 : Details View Details of Revolve1 Axis =Apply (5) 设 置 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve1 FD1,Angle =45 (6) 生 成 实 体 : 选 择 Generate (7) 得 到 旋 转 体, 见 图 5-30 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

115 图 5-30 创 建 内 层 实 体 (8) 选 择 矩 形 草 图 XYPlane Sketch1 (9) 工 具 栏 中 选 择 旋 转 命 令 Revolve (10) 选 择 旋 转 轴 : 图 形 区 点 击 Y 轴 (11) 确 认 旋 转 轴 : Details View Details of Revolve2 Axis =Apply (12) 设 置 冰 冻 体 : Details View Details of Revolve2 Operation =Add Frozen (13) 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve2 FD1,Angle =45 (14) 生 成 实 体 : 选 择 Generate, 得 到 旋 转 体, 见 图 5-31 图 5-31 创 建 中 层 实 体 (15) 同 样 创 建 冰 冻 体 Revolve3 Revolve4 (16) 为 方 便, 对 创 建 的 4 个 体 按 材 料 重 新 命 名, 内 层 aluminium1, 中 间 层 resin, 次 外 层 aluminium1, 最 外 层 steel (17) 点 击 体 选 择 按 钮 (18) 图 形 区, 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 所 有 实 体 Select All (19) 4 个 体 合 成 一 个 零 件 : Tools Form New Part, 见 图 5-32 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

116 图 5-32 创 建 外 层 实 体 4 进 入 Mechanical 分 析 程 序 切 换 回 Workbench 窗 口, 选 择 Setup Edit, 进 入 Mechanical 分 析 环 境 5 给 几 何 体 分 配 材 料 属 性 ( 图 5-33) 1) 选 择 体 Model Geometry Part Resin 2) 分 配 树 脂 复 合 材 料 : Details of resin Material Assignment =resin composite 3) 同 样, 选 择 体 Model Geometry Part aluminium2 4) 分 配 铝 材 料 : Details of aluminium2 Material Assignment = aluminium 5) 同 样, 选 择 体 Model Geometry Part steel 6) 分 配 铝 材 料 : Details of steel Material Assignment = steel 7) 同 样, 选 择 体 Model Geometry Part aluminium1 分 配 铝 材 料 : Details of aluminium1 Material Assignment = aluminium 图 5-33 分 配 材 料 属 性 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

117 6 网 格 划 分 ( 图 5-34) 1) 选 择 Mesh Generate Mesh 2) 图 形 区 显 示 程 序 自 动 生 成 的 六 面 体 网 格 模 型 7 施 加 边 界 条 件 施 加 内 层 表 面 温 度 80 C:( 图 5-35) 1) 选 择 Steady-State Thermal(A5) 2) 工 具 栏 中 选 择 Temperature 图 5-34 网 格 划 分 3) 图 形 区 选 取 内 层 表 面 4) 确 认 选 择 : Details of Temperature Scope Geometry =Apply 选 中 1 Face 5) 设 置 温 度 : Details of Temperature Definiton Magnitude =80 C 图 5-35 施 加 内 层 表 面 温 度 施 加 外 表 面 对 流 换 热 系 数 及 环 境 温 度 20 C:( 图 5-36) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

118 6) 工 具 栏 中 选 择 Convection 7) 图 形 区 选 取 外 表 面 8) 确 认 选 择 : Details of Convection Scope Geometry =Apply 选 中 1 Face 9) 设 置 对 流 换 热 系 数 : Details of Convection Definiton Film Coefficient =12.5W/m 2. C 10) 设 置 环 境 温 度 : Details of Temperature Definiton Ambient Temperature =0 C 8 设 置 需 要 的 结 果 ( 图 5-37) 图 5-36 施 加 对 流 载 荷 1) 选 择 Solution(A6) 2) 工 具 栏 中 选 择 Thermal Temperature 图 5-37 设 置 温 度 结 果 9 求 解 及 结 果 显 示 ( 图 5-38) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

119 运 行 Solve 求 解, 选 Solution Information 时, 可 以 从 输 出 工 作 表 看 求 解 状 态, 求 解 结 束 后 可 以 显 示 结 果 : 1) 导 航 树 选 择 Solutionl Temperature, 2) 图 形 区 显 示 稳 态 热 传 导 计 算 得 到 的 温 度 变 化, 温 度 从 内 向 外 逐 步 减 少 3) 动 画 演 示 : 图 形 区 下 方 选 择 play 播 放 按 钮, 可 以 动 画 演 示 温 度 的 变 化 4) 温 度 详 细 信 息 窗 口 显 示 最 小 温 度 值 C 和 最 大 温 度 值 80 C 图 5-38 温 度 结 果 5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal 瞬 态 热 分 析 瞬 态 热 分 析 概 述 瞬 态 热 分 析 用 于 计 算 一 个 系 统 的 随 时 间 变 化 的 温 度 场 及 其 它 热 参 数 在 工 程 上 一 般 用 瞬 态 热 分 析 计 算 温 度 场, 并 将 之 作 为 热 载 荷 进 行 应 力 分 析 工 程 传 热 应 用 中, 如 热 处 理 问 题 电 子 封 装 管 口 或 喷 嘴 发 动 机 组 压 力 容 器 流 固 耦 合 等, 都 包 含 瞬 态 热 分 析 瞬 态 热 分 析 可 以 是 线 性 或 非 线 性 与 温 度 相 关 的 材 料 属 性 如 热 传 导 系 数 比 热 及 密 度, 或 者 与 温 度 相 关 的 对 流 系 数 辐 射 系 数 都 需 要 进 行 迭 代 求 解 的 非 线 性 分 析 多 数 材 料 的 热 属 性 和 温 度 相 关, 因 此 该 分 析 通 常 是 非 线 性 的 瞬 态 热 分 析 的 基 本 步 骤 与 稳 态 热 分 析 类 似 主 要 的 区 别 是 瞬 态 热 分 析 中 的 载 荷 是 随 时 间 变 化 的 为 了 表 达 随 时 间 变 化 的 载 荷, 可 使 用 函 数 工 具 或 描 述 载 荷 ~ 时 间 曲 线 作 为 载 荷 施 加 或 将 载 荷 ~ 时 间 曲 线 分 为 载 荷 步 载 荷 ~ 时 间 曲 线 中 的 每 一 个 拐 点 为 一 个 载 荷 步, 如 图 5-39 所 示, 对 于 每 一 个 载 荷 步, 必 须 定 义 载 荷 值 及 时 间 值, 同 时 还 需 定 义 其 它 载 荷 步 选 项, 如 : 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

120 载 荷 步 为 渐 变 或 阶 跃 自 动 时 间 步 长 等 如 果 定 义 阶 跃 载 荷, 则 载 荷 值 在 这 个 载 荷 步 内 保 持 不 变 ; 如 果 为 渐 变 加 载, 则 载 荷 值 在 当 前 载 荷 步 的 每 一 子 步 内 线 性 变 化 图 5-39 时 变 热 载 荷 瞬 态 热 分 析 方 法 1. 工 具 箱 中 将 瞬 态 热 分 析 系 统 Transient Thermal 拖 入 工 程 图 解 Project Schematic 2. 定 义 工 程 数 据 Engineering Data : (1) 必 须 定 义 热 传 导 系 数 比 热 和 密 度 (2) 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 所 有 材 料 参 数 可 以 是 常 量 或 温 度 相 关 3. 导 入 几 何 模 型 4. 定 义 零 件 行 为 5. 定 义 联 接 关 系 (1) 瞬 态 热 分 析 中 仅 考 虑 接 触, 任 何 关 节 和 弹 簧 将 被 忽 略 (2) 热 分 析 中 初 始 接 触 条 件 始 终 保 持 不 变, 默 认 条 件 下, 热 传 导 完 全 通 过 无 间 隙 接 触 面, 如 果 考 虑 接 触 热 阻, 可 以 手 工 输 入 热 传 导 值 6. 应 用 网 格 控 制 划 分 网 格 : 如 果 瞬 态 热 分 析 用 于 随 后 的 结 构 分 析, 则 需 要 足 够 精 细 的 网 格 密 度 7. 建 立 分 析 设 置 : (1) 步 长 控 制 Step Controls : 定 义 瞬 态 分 析 的 结 束 时 间 Step End Time, 控 制 时 间 步 长 Time Step, 或 生 成 多 载 荷 步 Number of Steps 对 非 线 性 分 析 必 须 定 义 小 的 载 荷 步 以 获 得 收 敛 解 (2) 时 间 步 长 Time Step : 对 于 瞬 态 分 析, 在 热 梯 度 大 的 区 域 ( 如 淬 火 体 的 表 面 ), 热 流 方 向 的 最 大 单 元 尺 寸 和 能 够 得 到 好 结 果 的 最 小 时 间 步 长 有 一 个 关 系 在 时 间 步 保 持 不 变 的 时 候, 更 多 的 单 元 通 常 会 得 到 更 好 的 结 果 ; 但 是, 在 网 格 尺 寸 不 变 的 时 候, 子 步 越 多, 结 果 反 而 会 变 得 更 差 当 采 用 自 动 时 间 步 和 中 间 节 点 的 二 次 单 元 时, 可 以 根 据 输 入 的 荷 载 来 控 制 最 大 的 时 间 步 长, 定 义 最 小 的 时 间 步 长 : t=l 2 c/4 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

121 其 中 :l 为 在 热 梯 度 最 大 处 沿 热 流 方 向 的 单 元 长 度, 为 密 度,c 为 比 热, 为 热 传 导 系 数 当 采 用 有 中 间 节 点 的 单 元 时, 如 果 违 反 上 述 关 系 式, 计 算 会 出 现 不 希 望 的 振 荡, 计 算 出 的 温 度 会 在 物 理 上 超 出 可 能 的 范 围 如 果 不 采 用 带 中 间 节 点 的 单 元, 则 一 般 不 会 计 算 出 振 荡 的 温 度 分 布, 那 么 上 述 建 议 的 最 小 时 间 步 长 就 有 些 保 守 (3) 注 意 : 不 要 采 用 特 别 小 的 时 间 步 长, 特 别 是 当 建 立 初 始 条 件 时 很 小 的 数 可 能 导 致 计 算 错 误, 比 如 : 当 一 个 问 题 的 时 间 量 级 很 小 的 时 候, 时 间 步 长 为 时 就 可 能 产 生 数 值 错 误. (4) 自 动 时 间 步 Auto Time Stepping 在 瞬 态 分 析 中 也 称 为 时 间 步 优 化, 它 使 程 序 自 动 确 定 子 步 间 的 载 荷 增 量 同 时, 它 根 据 分 析 模 型 的 响 应 情 况, 自 动 增 减 时 间 步 大 小 在 瞬 态 分 析 中, 响 应 检 测 基 于 热 特 征 值 对 于 大 多 数 问 题, 都 应 该 打 开 自 动 时 间 步 长 功 能 并 设 置 积 分 时 间 步 长 的 上 下 限 这 种 设 置 有 助 于 控 制 时 间 步 长 的 变 化 量 (5) 时 间 积 分 Time Integration : 该 选 项 决 定 了 是 否 包 括 结 构 惯 性 力, 热 容 之 类 的 瞬 态 效 应, 在 瞬 态 分 析 时, 时 间 积 分 效 应 缺 省 是 打 开 的, 如 果 将 其 设 为 OFF, ANSYS 将 进 行 一 个 稳 态 分 析 (6) 输 出 控 制 Output Controls : 定 义 后 处 理 所 需 要 时 间 点 的 输 出 值, 因 为 瞬 态 分 析 涉 及 到 载 荷 历 程 中 不 同 的 时 间 点 的 计 算 结 果, 而 并 非 所 有 结 果 都 是 我 们 感 兴 趣 的, 或 者 结 果 数 据 非 常 大, 因 此 利 用 该 选 项 可 以 严 格 控 制 得 到 在 确 定 点 的 输 出 结 果 (7) 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls : 可 以 修 改 收 敛 准 则 和 求 解 控 制, 通 常 不 需 要 改 变 默 认 设 置 (8) 分 析 数 据 管 理 Analysis Data Management : 从 瞬 态 热 分 析 中 保 存 特 定 的 结 果 文 件 用 于 其 它 的 分 析 类 型 8. 定 义 初 始 条 件 : (1) 瞬 态 热 分 析 中 载 荷 是 时 间 的 函 数, 应 用 瞬 态 热 载 荷 的 第 一 步 是 建 立 零 时 刻 的 初 始 温 度 (2) 瞬 态 分 析 默 认 的 初 始 条 件 是 统 一 温 度 为 22 C 或 71.6 F, 该 温 度 可 以 根 据 实 际 的 分 析 情 况 改 变 到 适 当 的 值 比 如 热 处 理 中, 把 金 属 工 件 加 热 到 一 定 温 度, 然 后 突 然 浸 在 水 或 油 中 使 其 冷 却, 以 增 加 硬 度 的 淬 火 分 析 (3) 可 以 使 用 同 样 模 型 稳 态 热 分 析 的 温 度 结 果 作 为 瞬 态 分 析 的 初 始 温 度 分 布, 如 铸 造 零 件 的 固 化 分 析 中 模 具 和 金 属 具 有 不 同 的 初 始 温 度, 模 具 内 融 化 金 属 的 稳 态 热 分 析 将 作 为 固 化 分 析 的 起 点 (4) 瞬 态 分 析 的 第 一 次 迭 代 中, 除 了 定 义 的 温 度 自 由 度 外, 开 始 计 算 的 温 度 值 就 是 初 始 温 度, 此 外, 温 度 也 用 于 评 估 温 度 相 关 的 材 料 属 性 值 (5) 如 果 初 始 温 度 不 一 致, 则 可 以 定 义 温 度 来 自 于 稳 态 热 分 析 中 不 同 时 间 点 的 温 度 值, 设 置 的 时 间 点 不 能 超 出 稳 态 分 析 的 结 束 时 间 零 值 默 认 瞬 态 分 析 的 初 始 条 件 来 自 于 稳 态 分 析 的 结 束 时 间 点 的 温 度 结 果 9. 应 用 热 载 荷 及 边 界 条 件 : (1) 包 括 温 度 对 流 辐 射 热 流 率 完 全 绝 热 热 通 量 内 部 热 生 成 CFD 导 入 的 温 度 及 对 流 (2) 载 荷 值 可 以 表 示 为 常 量 或 和 时 间 相 关 的 变 量, 载 荷 变 量 可 以 输 入 表 格 形 式 或 函 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

122 数 表 达 式 10. 求 解 : (1) 求 解 信 息 Solution Information 提 供 一 些 用 于 监 测 求 解 过 程 的 工 具 求 解 输 出 Solution Output 根 据 求 解 器 的 计 算 不 断 以 列 表 形 式 更 新 输 出 求 解 信 息, 收 敛 数 据 的 输 出 是 以 图 形 方 式 表 示 的 (2) 可 以 插 入 结 果 跟 踪 工 具 Result Tracker, 显 示 关 心 点 的 温 度 随 时 间 变 化 图, 以 监 测 求 解 过 程 中 关 心 点 的 温 度 11. 显 示 结 果 : (1) 包 括 所 有 热 分 析 类 型 结 果 的 云 图 显 示 动 画 显 示 (2) 探 测 点 Probes 可 以 显 示 结 果 随 载 荷 历 程 的 变 化 (3) 图 表 Chart 可 以 表 示 一 个 结 果 对 另 一 个 结 果 的 变 化, 如 表 面 温 度 随 热 生 成 率 的 变 化, 图 表 也 用 于 同 模 型 不 同 分 析 直 接 的 结 果 比 较 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 钢 球 淬 火 问 题 描 述 直 径 0.12m, 温 度 900 C 的 钢 球 突 然 放 入 水 箱, 水 箱 完 全 绝 热, 直 径 及 高 度 为 0.6m 的 圆 柱 体, 水 温 20 C, 计 算 1 分 钟 后 钢 球 与 水 的 温 度 场 分 布 材 料 属 性 见 表 5-5. 表 5-5: 材 料 属 性 水 钢 单 位 密 度 Kg/m3 导 热 系 数 w/m. 比 热 J/kg 问 题 分 析 图 5-40 钢 球 模 型 1. 忽 略 水 的 流 动, 钢 球 置 于 水 箱 中 央 2. 属 于 瞬 态 热 传 导 问 题, 几 何 模 型 轴 对 称, 取 对 称 截 面 模 型 的 一 半 进 行 轴 对 称 分 析 3. 分 析 过 程, 先 做 稳 态 热 分 析 (1 个 时 间 步 ), 以 获 得 瞬 态 分 析 的 初 始 条 件 再 分 析 瞬 态 过 程, 瞬 态 分 析 设 置 多 个 子 载 荷 步, 采 用 自 动 时 间 步 长 功 能 求 解 完 毕 后, 温 度 云 图 和 热 流 密 度 向 量 图 详 细 显 示 了 计 算 结 果 数 值 模 拟 过 程 1. 调 入 工 程 数 据 Engineering Data 2. 添 加 材 料 3. 调 入 稳 态 热 分 析 4. 材 料 数 据 传 入 稳 态 分 析 环 境 5. 导 入 几 何 模 型 ThermalBall.agdb 6. 进 行 稳 态 热 分 析 7. 稳 态 热 分 析 结 果 传 入 瞬 态 热 分 析 8. 进 行 瞬 态 热 分 析, 整 个 分 析 流 程 如 图 5-41 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

123 图 5-41 钢 球 冷 却 分 析 流 程 其 中 稳 态 热 分 析 及 结 果 见 图 5-42, 施 加 球 体 温 度 900 C, 施 加 水 20 C, 网 格 密 度 1mm, 计 算 结 果 作 为 瞬 态 分 析 初 值 图 5-42 稳 态 热 分 析 及 结 果 瞬 态 分 析 中, 初 始 条 件 来 自 于 稳 态 热 分 析 : 1) 选 择 分 析 设 置 2) 设 置 属 性 为 Step End Time =60s, Auto Time Stepping =on, Define By =Time, Initial Time Step =0.01s, Minimum Time Step =0.001s, Maximum Time Step =0.1s, Time Integration =on, 3) 加 入 温 度 在 圆 柱 体 外 边 为 20 C 4) 如 图 5-43 中 的 外 边 5) 瞬 态 热 分 析 结 果 显 示 如 图 5-44, 图 中 左 侧 为 1 分 钟 后 温 度 分 布 结 果, 显 示 此 时 钢 球 降 温 为 262 C, 下 方 曲 线 显 示 温 度 随 时 间 的 变 化 图 中 右 侧 为 热 通 量 结 果, 中 间 交 界 面 处 最 大 注 意 : 时 间 步 长 及 网 格 划 分 对 结 果 的 影 响, 建 模 中, 交 界 面 处 公 共 边 应 重 合, 否 则 会 导 致 热 量 无 法 从 钢 球 传 导 到 水 中, 此 外 最 好 建 模 单 位 为 mm 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

124 图 5-43 瞬 态 热 分 析 过 程 图 5-44 瞬 态 热 分 析 结 果 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 电 路 板 热 分 析 问 题 描 述 分 析 电 路 板 中 芯 片 在 不 同 时 间 段 发 热 的 电 路 板 的 传 热 问 题, 先 进 行 稳 态 热 分 析, 得 到 初 始 电 路 板 中 一 个 芯 片 发 热 的 温 度 分 布, 然 后 计 算 随 后 不 同 芯 片 发 热 的 瞬 态 传 热 过 程, 电 路 板 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

125 为 3D 模 型, 几 何 模 型 为 文 件 BoardWithChips.x_t 或 chipset.x_t 瞬 态 传 热 的 载 荷 为 热 生 成 率 随 时 间 变 化 以 表 格 形 式 输 入 数 值 模 拟 过 程 图 5-45 电 路 板 模 型 1. 调 入 稳 态 热 分 析 2. 材 料 数 据 为 默 认 3. 导 入 几 何 模 型 BoardWithChips. x_t 4. 进 行 稳 态 热 分 析 5. 稳 态 热 分 析 结 果 传 入 瞬 态 热 分 析 6. 进 行 瞬 态 热 分 析, 整 个 分 析 流 程 如 图 5-46 图 5-46 电 路 板 瞬 态 热 分 析 流 程 其 中, 稳 态 热 分 析 及 结 果 见 图 5-49, 应 用 热 生 成 载 荷 5e7 W/m 3, 应 用 简 单 对 流 边 界 条 件, 计 算 结 果 作 为 瞬 态 分 析 初 值 1) 选 择 单 位 : Units Metric (m, kg, N, s, V, A). 2) 应 用 热 生 成 载 荷 5e7 W/m 3, 见 图 5-47 (1) 选 择 应 用 芯 片, 插 入 载 荷 (2) Insert Internal Heat Generation (3) 输 入 载 荷 值 : Definition Magnitude =5e7 W/m 3 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

126 图 5-47 应 用 热 生 成 载 荷 3) 应 用 简 单 对 流 边 界 条 件 ( 图 5-48) (1) 选 择 所 有 外 表 面 : 面 选 择, 图 形 区 鼠 标 右 键 选 择 Select All (2) 加 入 对 流 边 界 : Insert Convection (3) 详 细 信 息 窗 口 设 置 : 对 流 换 热 系 数 Film Coefficient =Stagnant Air - Simplified Case 图 5-48 施 加 简 单 对 流 边 界 4) 加 入 温 度 结 果 : (1) Solution (2) Insert Thermal Temperature 5) 求 解 : Solve 6) 显 示 结 果 : Temperature 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

127 图 5-49 稳 态 热 分 析 结 果 稳 态 热 分 析 的 结 果 传 入 瞬 态 热 分 析 : 工 程 图 解 中 选 择 Solution Transfer Data To New Transient Thermal, 如 图 5-50 图 5-50 稳 态 热 分 析 结 果 做 瞬 态 热 分 析 初 始 条 件 进 入 瞬 态 热 分 析 中, 初 始 条 件 自 动 为 稳 态 热 分 析 的 结 果 其 它 设 置 如 下 : 1) 分 析 设 置 如 图 5-51 (1) 选 择 Analysis Settings (2) 详 细 信 息 窗 口 定 义 结 束 时 间 : Step End Time =200s (3) 时 间 子 步 为 程 序 默 认 图 5-51 时 间 步 设 置 2) 定 义 内 部 热 生 成 5e7 W/m 3 在 另 一 芯 片 上, 作 用 时 间 20s-40s, 模 拟 开 关 状 态 ( 图 5-52) (1) 图 中 选 芯 片 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

128 (2) 加 入 热 生 成 率 : Insert Internal Heat Generation (3) 编 辑 数 据 表 Tabular Data, 设 置 Time = 0,20,20.1,40,40.1,200, Internal Heat Generation = 0,0,5e7,5e7,0,0 (4) 载 荷 历 程 图 表 图 5-52 应 用 热 生 成 历 程 3) 同 样 应 用 热 生 成 1e8 W/m 3 在 另 一 芯 片, 模 拟 开 关 时 间 s, 见 图 ) 加 入 简 单 对 流 边 界 图 5-53 应 用 热 生 成 1e8 W/m 3 5) 定 义 温 度 : Insert Thermal Temperature 6) 求 解 结 果 Solve 在 另 一 芯 片 7) 看 温 度 历 程 结 果 图 5-54, 图 形 区 显 示 最 后 时 间 200s 时, 最 大 温 度 144 度, 而 温 度 - 时 间 历 程 曲 线 及 数 据 列 表 显 示 75s 时, 最 大 温 度 近 260 度 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

129 图 5-54 瞬 态 分 析 温 度 结 果 8) 查 看 关 心 时 间 点 对 应 的 温 度 : 选 择 温 度 曲 线 的 最 大 值 点, 鼠 标 右 键 选 Retrieve This Result, 图 中 显 示 当 前 时 间 点 的 温 度 分 布 图 5-55 图 5-55 查 看 某 一 时 间 点 温 度 分 布 9) 查 看 关 心 处 的 温 度 数 据 曲 线. (1) 选 择 芯 片 (2) 选 Solution, 鼠 标 右 键 Insert Probe Temperature (3) 选 Temperature Probe Evaluate All Results 得 到 该 芯 片 的 温 度 随 时 间 变 化 结 果 图 5-56 查 看 关 心 处 的 温 度 变 化 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

130 10) 画 关 心 芯 片 的 温 度 曲 线 表, 图 5-57 (1) 选 择 温 度 Temperature Probe (2) 选 择 图 表 按 钮 加 入 Chart (3) 选 图 表, 显 示 芯 片 的 温 度 随 时 间 变 化 曲 线 图 5-57 芯 片 温 度 变 化 曲 线 第 6 章 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 6.1 多 物 理 场 耦 合 分 析 概 述 自 然 界 存 在 四 种 场 : 位 移 ( 应 力 应 变 ) 场 电 磁 场 温 度 场 流 场 工 程 中 使 用 的 分 析 软 件 通 常 仅 可 进 行 这 些 场 的 单 场 分 析 但 是, 自 然 界 中 这 四 个 场 之 间 是 相 互 联 系 的, 现 实 世 界 不 存 在 纯 粹 的 单 场 问 题, 所 遇 到 的 所 有 物 理 问 题 都 是 多 场 耦 合 的 只 是 受 到 硬 件 或 软 件 的 限 制, 人 为 将 它 们 分 成 单 场 现 象, 各 自 进 行 分 析 有 时 这 种 分 离 是 可 以 接 受 的, 但 许 多 问 题 这 样 计 算 将 得 到 错 误 结 果 因 此, 在 条 件 允 许 时, 应 该 尽 量 进 行 多 场 耦 合 分 析 现 在 硬 件 的 发 展 已 使 多 场 耦 合 分 析 成 为 可 能, 主 要 的 瓶 颈 在 于 软 件 ANSYS 作 为 世 界 顶 尖 的 CAE 技 术 公 司, 不 仅 提 供 结 构 流 体 热 电 磁 单 场 分 析 功 能, 而 且 这 些 分 析 在 统 一 模 拟 环 境, 同 一 数 据 库 中 进 行 通 过 多 场 耦 合 处 理 工 具, 可 以 进 行 复 杂 的 多 物 理 耦 合 分 析 经 过 多 年 的 不 断 发 展 和 完 善, 现 已 成 为 世 界 领 先 的 多 物 理 场 模 拟 工 具, 以 先 进 的 分 析 技 术 和 理 念 引 领 着 多 物 理 场 及 耦 合 仿 真 的 发 展 方 向 耦 合 场 分 析 是 结 合 不 同 的 工 程 学 科 解 决 一 个 完 整 的 工 程 问 题, 因 此, 通 常 耦 合 场 分 析 也 称 为 多 物 理 场 分 析, 耦 合 分 析 中 一 个 场 的 输 入 源 自 于 另 一 个 场 的 分 析 结 果 一 些 分 析 可 以 进 行 单 向 耦 合, 如 热 应 力 问 题, 温 度 场 在 结 构 场 里 产 生 热 应 变, 但 结 构 应 变 一 般 并 不 影 响 温 度 分 布, 因 此 这 两 个 场 之 间 的 求 解 不 用 迭 代 复 杂 的 分 析 涉 及 到 双 向 耦 合, 如 压 电 分 析 中 处 理 结 构 和 电 场 之 间 的 交 互 影 响, 根 据 施 加 的 位 移 求 解 电 压 分 布, 反 之 亦 然 流 固 耦 合 分 析 中, 流 体 压 力 产 生 结 构 变 形, 结 构 变 形 反 过 来 影 响 流 场 变 化, 这 些 问 题 需 要 两 个 物 理 场 之 间 的 迭 代 求 解 应 用 于 压 力 容 器 中 热 应 力 分 析, 流 体 流 动 压 缩 中 的 流 - 固 分 析, 感 应 加 热 中 磁 热 分 析, 超 声 换 能 器 中 压 电 分 析, 电 磁 成 形 中 的 磁 - 结 构 分 析, 以 及 微 机 电 系 统 (MEMS) 等 6.2 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 方 法 物 理 场 耦 合 分 析 可 以 采 用 直 接 法 和 载 荷 传 递 耦 合 法, 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

131 1 直 接 法 直 接 耦 合 方 法 所 有 物 理 场 采 用 单 一 代 码 求 解, 耦 合 场 单 元 包 括 所 有 必 要 自 由 度, 通 过 计 算 所 需 物 理 量 的 单 元 矩 阵 或 载 荷 向 量 的 方 式 进 行 耦 合 如 采 用 SOLID226 PLANE223 或 SOLID227 单 元 进 行 压 电 分 析 2 载 荷 传 递 法 载 荷 传 递 法 涉 及 到 多 场 分 析, 不 同 场 之 间 的 耦 合 通 过 将 一 个 场 的 分 析 结 果 作 为 另 一 个 场 的 载 荷 施 加 载 荷 传 递 分 析 法 有 不 同 的 类 型, 解 释 如 下 : a) 载 荷 传 递 耦 合 分 析 -ANSYS 多 场 求 解 器 ANSYS 多 场 求 解 器 用 于 多 数 耦 合 分 析, 是 一 个 自 动 化 的 工 具, 每 个 物 理 场 具 有 独 立 的 实 体 模 型 和 网 格, 载 荷 传 递 通 过 表 面 或 体, 多 场 求 解 器 定 义 求 解 顺 序, 耦 合 载 荷 在 不 同 的 网 格 间 自 动 传 递, 该 求 解 用 于 静 态 谐 响 应 和 瞬 态 分 析 对 于 不 同 的 应 用,ANSYS 多 场 求 解 器 提 供 2 个 版 本,MFS-Single Code 及 MFX-Multiple code,mfs-single Code 是 基 本 的 多 场 求 解 器, 用 于 包 含 所 有 场 的 ANSYS 单 个 产 品 ( 如 ansys 多 物 理 场 产 品 ) 处 理 小 的 模 型 该 方 法 采 用 迭 代 耦 合 顺 序 求 解 物 理 场, 每 个 矩 阵 方 程 单 独 求 解, 物 理 场 间 的 求 解 迭 代 仅 在 载 荷 传 递 的 交 界 面 处 发 生 MFX-Multiple code 是 增 强 的 ANSYS 多 场 求 解 器, 用 于 模 拟 不 同 产 品 之 间 的 多 物 理 场 耦 合 分 析,( 如 ANSYS Multiphysics 和 ANSYS CFX 进 行 双 向 流 固 耦 合 分 析, 分 析 类 型 不 受 任 何 限 制, 可 充 分 发 挥 Multiphysics 与 CFX 各 自 的 独 特 优 势 ), 可 以 处 理 大 模 型, 可 以 同 步 或 顺 序 使 用 迭 代 耦 合, 求 解 迭 代 仅 在 载 荷 传 递 的 多 场 交 界 面 处 b) 载 荷 传 递 耦 合 分 析 - 物 理 场 文 件 该 方 法 必 须 使 用 多 物 理 场 环 境 传 递 载 荷, 如 顺 序 热 应 力 分 析, 热 分 析 的 节 点 温 度 作 为 随 后 的 结 构 应 力 分 析 中 的 体 载 荷 施 加, 该 分 析 基 于 单 一 的 有 限 元 网 格, 通 过 定 义 物 理 场 环 境 生 成 物 理 场 文 件, 这 些 文 件 设 置 数 据 库 和 准 备 单 一 网 格, 常 用 方 法 是 读 入 第 一 个 物 理 场 文 件 并 求 解 然 后 读 入 到 第 二 个 物 理 场, 定 义 要 传 递 的 载 荷, 并 求 解 第 二 个 物 理 场 c) 载 荷 传 递 耦 合 分 析 - 单 向 载 荷 传 递 流 固 耦 合 分 析 可 以 使 用 该 方 法, 需 要 知 道 流 体 分 析 结 果 对 结 构 载 荷 影 响 不 大, 反 之 亦 然, ANSYS Multiphysics 载 荷 可 以 单 向 传 递 到 CFX 流 体 分 析, 或 反 之 3 何 时 运 用 直 接 法 或 载 荷 传 递 法 直 接 耦 合 法 不 同 场 的 求 解 同 步 进 行, 在 解 决 强 耦 合 场 相 互 作 用 或 具 有 高 度 非 线 性 时 更 具 优 势, 并 且 可 利 用 耦 合 公 式 一 次 性 得 到 最 好 的 计 算 结 果 直 接 耦 合 法 的 例 子 包 括 压 电 分 析, 伴 随 流 体 流 动 的 共 轭 传 热 问 题, 以 及 电 路 - 电 磁 场 耦 合 分 析 求 解 这 类 耦 合 场 相 互 作 用 问 题 都 有 专 门 的 单 元 供 直 接 选 用 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

132 对 于 不 存 在 高 度 非 线 性 相 互 作 用 的 情 形, 载 荷 传 递 法 更 为 有 效 和 方 便, 因 为 可 以 独 立 的 进 行 两 种 场 的 分 析 例 如, 对 于 热 - 应 力 耦 合 分 析, 可 以 先 进 行 非 线 性 瞬 态 热 分 析, 再 进 行 线 性 静 态 应 力 分 析 而 后 可 以 用 热 分 析 中 任 意 载 荷 步 或 时 间 点 的 节 点 温 度 作 为 载 荷 进 行 应 力 分 析 这 里 耦 合 是 一 个 循 环 过 程, 其 中 迭 代 在 两 个 物 理 场 之 间 进 行 直 到 结 果 收 敛 到 所 需 要 的 精 度 总 之, 直 接 耦 合 由 于 使 用 耦 合 场 单 元 处 理 载 荷 传 递, 因 此 不 用 过 多 的 人 工 干 涉, 载 荷 传 递 法 需 要 定 义 更 多 的 细 节 及 指 定 要 传 递 的 载 荷, 但 在 不 同 网 格 及 不 同 分 析 之 间 传 递 载 荷 更 具 灵 活 性, 两 者 对 比 见 表 6-1 表 6-2 给 出 多 物 理 场 分 析 的 选 择 方 法 表 6-1 耦 合 方 法 对 比 耦 合 方 法 单 向 双 向 直 接 法 ( 强 耦 合 ) 有 载 荷 传 递 法 ( 弱 耦 合 ) 有 有 表 6-2 选 择 多 物 理 场 分 析 方 法 选 择 方 法 应 用 载 荷 传 递 法 热 - 结 构 分 析 电 磁 - 热, 电 磁 - 热 - 结 构 各 种 场 合 感 应 加 热,RF 射 频 加 热,Peltier 冷 却 器 静 电 - 结 构, 静 电 - 结 构 - 流 体 微 机 电 系 统 (MEMS) 磁 - 结 构 FSI,CFX- 及 基 于 FLOTRAN 电 磁 - 固 体 - 流 体 热 -CFD 螺 线 管 电 磁 机 械 航 空 液 压 系 统 MEMS 流 体 阻 尼, 输 液 泵, 心 脏 瓣 膜 流 体 处 理 系 统,EFI, 液 压 系 统 电 子 冷 却 直 接 法 热 - 结 构 声 - 结 构 压 电 电 弹 压 阻 热 电 静 电 - 结 构 电 路 耦 合 电 磁 电 子 - 热 - 结 构 - 磁 流 体 - 热 多 孔 流 体 扩 散 - 结 构 各 种 场 合, 如 燃 气 涡 轮,MEMS 谐 振 器 声 学, 声 纳 ( 声 波 导 航 和 测 距 装 置 ),SAW 麦 克 风 传 感 器 致 动 器 换 能 器 谐 振 器 MEMS 压 力 传 感 器 应 变 仪 ( 变 形 测 量 器 ) 加 速 度 计 温 度 传 感 器, 热 处 理,Peltiere 冷 却 器, 热 电 发 电 机 MEMS MEMS, 马 达 集 成 电 路 IC PCB 印 刷 电 路 板 电 子 热 应 力,MEMS 激 励 器 管 道 网 络, 歧 管 隧 道 开 挖 核 废 料 处 理, 滴 油 器, 骨 骼 变 形 及 康 复 6.3 ANSYS12.0 结 构 - 热 耦 合 分 析 案 例 辐 射 杆 件 热 应 力 问 题 问 题 描 述 两 端 夹 紧, 杆 件 (2 x 2 x 20) m 轴 端 流 入 热 流 2500 W 及 热 通 量 625 W/m 2, 在 另 一 段 通 过 辐 射 散 热, 辐 射 系 数 0.3, 环 境 温 度 T 2 = 20 C 确 定 端 面 温 度, 轴 向 应 力 及 变 形 沿 Z 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

133 方 向 几 何 体 尺 寸 依 次 为 :2 m x 2 m x 2 m, 2 m x 2 m x 5 m;2 m x 2 m x 10 m;2 m x 2 m x 3 m, 材 料 属 性 : 弹 性 模 型 E = 2.0e11 Pa, 泊 松 比 v = 0, 热 膨 胀 系 数 α = 1.2 x / C, 导 入 系 数 = 60.5 W/m C, 杆 件 初 始 温 度 T u = 22 C 图 6-1 辐 射 杆 件 模 型 问 题 分 析 热 分 析 结 果 应 满 足 : 流 入 热 量 Q = 辐 射 热 Q r = 传 导 热 Q C 流 入 热 量 Q = *2*2=5000 W 根 据 辐 射 公 式 :Q r = ε 1 A 1 σ(t 1 4 T 2 4 ), 代 入 1 =0.3,A 1 =2*2=4 m 2,T 2 = = K, =5.67*10-8 w/m 2 *k 4,Q r =5000 W, 得 到 T 1 =260 C 根 据 热 传 导 公 式 :Q c = λa 1 (T 0 T 1 )/l, 代 入 热 辐 射 端 温 度 T 1 = C, = 60.5 W/m C,A 1 =4 m 2,l=20 m, 得 到 热 传 导 温 度 T 0 = C 平 均 应 力 计 算 如 下 : z =-E [(T 0 +T 1 )/2-T u ]=-2x10 11 x1.2x10-5 x[( )/2-22]= e9pa 轴 向 温 度 T z = ( )z/20, 总 变 形 为 热 膨 胀 变 形 与 热 应 力 变 形 之 和 l/2 l/2 δ = α(t z 22) dz + σ z dz = m 0 0 仿 真 分 析 中, 先 进 行 稳 态 热 分 析, 然 后 将 温 度 结 果 导 入 结 构 分 析, 端 部 加 无 摩 擦 约 束, 求 解 应 力 及 位 移 流 程 图 如 下 : E 图 6-2 热 应 力 分 析 流 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

134 6.3.3 数 值 模 拟 过 程 1. 稳 态 热 分 析 1) 选 择 端 面 2) 加 入 热 流 量 载 荷 Insert Heat Flow 3) 明 细 窗 口 设 置 热 流 量 大 小 Magnitude =2500 W 4) 选 择 同 样 端 面, 加 入 热 流 密 度 载 荷 Insert Heat Flux 5) 明 细 窗 口 设 置 热 流 密 度 大 小 Magnitude =625 W/m 2, 见 图 6-3 6) 选 择 另 一 端 面 7) 加 入 辐 射 载 荷 Insert Radiation 8) 明 细 窗 口 设 置 辐 射 系 数 Emissivity =0.3 9) 明 细 窗 口 设 置 环 境 温 度 Ambient Temperature =20 C 10) 求 解 结 果 加 入 温 度 Insert Thermal Temperature 11) 求 解 结 果 加 入 热 通 量 Insert Thermal Total Heat Flux, 见 图 6-4 图 6-3 施 加 热 流 率 及 热 流 密 度 载 荷 图 6-4 施 加 辐 射 边 界 及 求 解 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

135 12) 选 择 温 度 Temperature 图 形 区 显 示 头 端 最 大 温 度 C, 尾 部 最 小 温 度 C 13) 选 择 热 通 量 Total Heat Flux, 图 形 区 显 示 一 致 热 通 量 为 1250 W/m 2, 如 图 6-5 图 6-5 稳 态 热 分 析 结 果 2 工 程 图 解 中 将 稳 态 热 分 析 结 果 导 入 结 构 静 力 分 析, 选 择 Solution Transfer Data To New Static Structural, 见 图 6-6 图 6-6 稳 态 热 分 析 导 入 结 构 静 力 分 析 3 结 构 静 力 分 析 见 图 6-7 1) 杆 件 两 端 加 入 无 摩 擦 约 束 Frictionless Support 2) 参 见 图 形 区 左 上 窗 口 3) 导 航 树 中 加 入 总 变 形 Z 轴 正 应 力 及 Z 轴 向 变 形 并 求 解, 选 择 轴 向 变 形 Directional Deformation 4) 图 形 区 右 上 窗 口, 显 示 杆 件 中 部 最 大 轴 向 变 形 5) 选 择 Z 轴 向 应 力 Normal Stress 6) 图 形 区 左 下 窗 口 显 示 平 均 轴 向 应 力 为 e9Pa 7) 选 择 总 变 形 Total Deformation 8) 图 形 区 右 下 窗 口 显 示 总 变 形, 中 部 红 色 区 域 显 示 最 大 值 为 m 对 比 数 值 模 拟 的 结 果 和 理 论 计 算 的 结 果, 表 明 两 者 是 一 致 的 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

136 6.4 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 6-7 结 构 静 力 分 析 及 热 应 力 结 果 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 概 述 热 电 效 应, 是 当 受 热 物 体 中 的 电 子, 因 随 着 温 度 梯 度 由 高 温 区 往 低 温 区 移 动 时, 所 产 生 电 流 或 电 荷 堆 积 的 一 种 现 象 而 这 个 效 应 的 大 小, 则 是 用 称 为 Thermopower(Q) 的 参 数 来 测 量, 其 定 义 为 Q=E/-dT(E 为 因 电 荷 堆 积 产 生 的 电 场,dT 则 是 温 度 梯 度 ) 热 电 制 冷 的 理 论 基 础 是 固 体 的 热 电 效 应, 在 无 外 磁 场 存 在 时, 它 包 括 五 个 效 应, 导 热 焦 耳 热 损 失 西 伯 克 (Seebeck) 效 应 帕 尔 帖 (Peltire) 效 应 和 汤 姆 逊 (Thomson) 效 应 1821 年, 德 国 物 理 学 家 塞 贝 克 发 现, 在 两 种 不 同 的 金 属 所 组 成 的 闭 合 回 路 中, 当 两 接 触 处 的 温 度 不 同 时, 回 路 中 会 产 生 一 个 电 势, 这 就 是 热 电 效 应, 也 称 作 塞 贝 克 效 应 (Seebeckeffect) 图 6-8 热 电 效 应 1. 焦 耳 热 : 由 电 流 通 过 导 体 产 生, 正 比 于 电 阻 与 电 流 的 平 方 积, 与 电 流 方 向 无 关 Q J =I 2 R 2 西 伯 克 (seebeck) 效 应 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

137 有 两 种 不 同 导 体 组 成 的 开 路 中, 如 果 导 体 的 两 个 结 点 存 在 温 度 差, 这 开 路 中 将 产 生 电 动 势 V, 这 就 是 西 伯 克 效 应 由 于 西 伯 克 效 应 而 产 生 的 电 动 势 称 作 温 差 电 动 势 材 料 的 西 伯 克 效 应 的 大 小, 用 温 差 电 动 势 率 表 示 材 料 相 对 于 某 参 考 材 料 的 温 差 电 动 势 率 为 :α = d dt, 单 位 为 伏 特 / 开 尔 文 (v /K), 即 V= T 由 两 种 不 同 材 料 P N 所 组 成 的 电 偶, 它 们 的 温 差 电 动 势 率 PN 等 于 P 与 N 之 差, 即 : α = d dt = α α 热 电 制 冷 中 用 P 型 半 导 体 和 N 型 半 导 体 组 成 电 偶 两 材 料 对 应 的 P 和 N, 一 个 为 负, 一 个 为 正 取 其 绝 对 值 相 加, 并 将 PN 直 接 简 化 记 作, α = α + α 3 帕 尔 帖 (peltire) 效 应 电 流 流 过 两 种 不 同 导 体 的 界 面 时, 将 从 外 界 吸 收 热 量, 或 向 外 界 放 出 热 量 这 就 是 帕 尔 帖 效 应 由 帕 尔 帖 效 应 产 生 的 热 流 量 称 作 帕 尔 帖 热, 用 符 号 Q p 表 示 对 帕 尔 帖 效 应 的 物 理 解 释 是 : 电 荷 载 体 在 导 体 中 运 动 形 成 电 流 由 于 电 荷 载 体 在 不 同 的 材 料 中 处 于 不 同 的 能 级, 当 它 从 高 能 级 向 低 能 级 运 动 时, 便 释 放 出 多 余 的 能 量 ; 相 反, 从 低 能 级 向 高 能 级 运 动 时, 从 外 界 吸 收 能 量 能 量 在 两 材 料 的 交 界 面 处 以 热 的 形 式 吸 收 或 放 出 材 料 的 帕 尔 贴 效 应 强 弱 用 它 相 对 于 某 参 考 材 料 的 帕 尔 贴 系 数 表 示 : = dq d, 单 位 W/A 式 中 I 为 流 经 导 体 的 电 流, 单 位 安 培 (A) 帕 耳 帖 系 数 的 物 理 意 义 是 单 位 电 流 在 某 种 材 料 中 携 带 的 热 流 数 量 由 于 两 种 材 料 连 接 处 电 流 连 续 而 帕 耳 帖 系 数 不 连 续, 此 处 就 会 有 热 量 的 积 累 或 是 损 失 通 过 改 变 电 流 的 方 向, 就 可 以 决 定 让 设 备 产 热 或 是 制 冷. 类 似 的, 对 于 P 型 半 导 体 和 N 型 半 导 体 组 成 的 电 偶, 其 帕 尔 贴 系 数 PN 有 : PN = P - N 帕 耳 帖 热 为 Q p =( P - N )I 帕 尔 贴 效 应 与 西 伯 克 效 应 都 是 温 差 电 效 应, 二 者 有 密 切 联 系 事 实 上, 它 们 互 为 反 效 应, 一 个 是 说 电 偶 中 有 温 差 存 在 时 会 产 生 电 动 势 ; 一 个 是 说 电 偶 中 有 电 流 通 过 时 会 产 生 温 差 温 差 电 动 势 率 a 与 帕 尔 贴 系 数 之 间 存 在 下 述 关 系 : = T, 式 中 T 为 结 点 处 的 绝 对 温 度, 单 位 4. 汤 姆 逊 效 应 电 流 通 过 具 有 温 度 梯 度 的 均 匀 导 体 时, 导 体 将 吸 收 或 放 出 热 量 这 就 是 汤 姆 逊 效 应 由 汤 姆 逊 效 应 产 生 的 热 流 量, 称 汤 姆 逊 热, 用 符 号 Q T 表 示, 单 位 W,: Q T =- T 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

138 式 中 为 汤 姆 逊 系 数, 单 位 W/(A.K) ; T 为 温 度 差, 单 位 K; 为 电 流, 单 位 A 在 热 电 制 冷 分 析 中, 通 常 忽 略 汤 姆 逊 效 应 的 影 响 另 外, 需 指 出 : 以 上 热 电 效 应 在 电 流 反 向 时 是 可 逆 的 由 于 固 体 系 统 存 在 有 限 温 差 和 热 流, 所 以 热 电 制 冷 是 不 可 逆 热 力 学 过 程 ANSYS12.0 中 热 电 耦 合 分 析 可 以 耦 合 热 场 和 电 场, 其 分 析 内 容 包 括 焦 耳 热 Seebeck 塞 贝 克 效 应 Peltier 珀 耳 帖 效 应 及 Thomson 效 应, 热 电 耦 合 分 析 有 多 种 应 用 如 电 子 元 件 焦 耳 热, 熔 断 器, 热 电 偶 ( 热 电 偶 : 用 于 准 确 测 量 温 度 的 热 电 子 元 件, 尤 指 一 个 热 电 子 元 件, 由 两 种 连 在 一 起 的 不 同 金 属 组 成, 这 样 连 结 点 间 产 生 的 电 压 变 化 就 是 两 点 间 温 度 差 异 的 量 度 ) 及 热 电 冷 却 器 等 热 电 分 析 类 型 : 稳 态 和 瞬 态, 其 中, 瞬 态 热 电 分 析 包 括 瞬 态 电 效 应 ( 电 容 性 阻 尼 ) 热 电 方 程 : 热 电 耦 合 考 虑 焦 耳 热 Q J 和 Seebeck 系 数 ( ) *q+ = T,α-*J+,K-* T+ *J+ =,σ-*e+,α-* T+ Q J = *J+ *E+d {q} 热 通 量 ;T 绝 对 温 度 ;[K] 热 传 导 率 ;[ ]Seebeck 系 数 ;{ T} 温 度 梯 度,{J} 电 流 密 度 ; {E} 电 场 强 度 ;[ ] 电 导 率 有 限 元 方 程 : 矩 阵 和 载 荷 矢 量 耦 合 [ C TT 0 0 C ] { T } + [ KTT 0 K T K ]{ T } = { Q + Q + Q J } I [K VT ]: Seebeck 矩 阵 ;[K TT ]: 热 传 导 矩 阵 ; [K VV ]: 电 传 导 矩 阵 ;[K VT ]: Seebeck 耦 合 矩 阵 ; [C TT ]: 比 热 阻 尼 矩 阵 ;[C VV ]: 电 介 质 ( 绝 缘 体 ) 的 介 电 系 数 矩 阵 ; {Q J } 焦 耳 热 ;{Q P }:Peltier 热,{Q} 为 包 含 热 生 成 载 荷 对 流 等 其 它 热 源 的 总 和 Tomson 效 应 考 虑 在 随 温 度 变 化 的 Seebeck 系 数 中 ANSYS12.0 热 电 耦 合 分 析 方 法 如 下 : 热 电 分 析 中, 热 及 电 载 荷 同 时 施 加 在 零 件 上, 稳 态 热 电 分 析 支 持 多 步 求 解 其 分 析 过 程 1 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2 定 义 工 程 数 据 : 需 定 义 热 电 材 料 属 性, 如 电 阻 率 和 热 传 导 率,Seebeck 系 数 等 3 导 入 几 何 模 型 4 定 义 零 件 行 为 5 定 义 联 接 关 系 : 接 触 关 系 考 虑 热 电 效 应, 也 就 是 零 件 如 果 具 有 热 属 性, 则 产 生 热 接 触 关 系, 零 件 如 果 具 有 电 属 性, 则 产 生 电 接 触 关 系, 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

139 6 应 用 网 格 控 制 及 预 览 网 格 7 建 立 分 析 设 置 1) 步 长 控 制 Step controls : 用 于 定 义 单 步 或 多 步 载 荷 的 终 止 时 间, 如 果 需 要 改 变 载 荷 值, 改 变 求 解 设 置, 或 者 改 变 特 殊 时 步 的 求 解 输 出 频 率 则 需 要 多 步 载 荷 2) 典 型 的 热 电 问 题 包 括 温 度 相 关 的 材 料, 需 要 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls, 可 以 控 制 热 和 温 度 收 敛, 电 压 和 电 流 收 敛, 非 线 性 算 法 采 用 默 认 Quasi 选 项, 如 果 考 虑 辐 射 或 使 用 分 布 求 解 器, 可 用 使 用 Full 选 项 3) 输 出 控 制 Output Controls 可 以 定 义 需 要 输 出 时 间 点 4) Solver Controls 求 解 器 默 认 是 直 接 法 ( 稀 疏 求 解 器 ), 也 可 以 选 择 迭 代 求 解 (PCG 求 解 器 ), 如 果 包 含 Seebeck 效 应, 程 序 自 动 设 置 为 直 接 法 8 施 加 载 荷 和 支 撑 : 包 括 电 压 电 流 耦 合 条 件 温 度 对 流 辐 射 热 流 率 完 全 绝 热 边 界 热 通 量 内 部 热 生 成 率 9 求 解 : Solution Information 提 供 监 测 求 解 过 程 的 工 具 ; Solution Output 动 态 显 示 分 析 求 解 过 程 信 息, 如 果 设 置 收 敛 工 具, 也 以 图 表 形 式 显 示 出 来 10 查 看 结 果 : 以 云 图 或 动 画 显 示 热 场 及 电 场 结 果 使 用 探 测 工 具 显 示 不 同 时 间 步 的 结 果, 使 用 图 表 显 示 结 果 随 时 间 的 变 化 及 比 较 结 果 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 导 线 传 热 问 题 描 述 : 一 根 裸 露 钢 线, 电 阻 为 R, 通 过 电 流 I, 需 要 确 定 电 线 中 心 温 度 和 表 面 温 度, 表 面 与 空 气 对 流 系 数 为 h, 空 气 温 度 为 Ta 相 关 参 数 见 表 6-3 表 6-3 导 线 参 数 模 型 材 料 参 数 几 何 参 数 载 荷 热 传 导 率 截 面 半 径 对 流 换 热 系 数 k=60.5 w/m C r 0 =0.005 m h=5 w/m 2 C 电 阻 率 导 线 长 度 环 境 温 度 =1.7e-7 m L=0.1 m Ta=20 C 电 流 I=20 A 问 题 分 析 : 为 方 便 起 见, 选 择 导 线 自 由 长 度 0.1m, 电 阻 可 以 计 算 得 到 2 R= L/( r0 )=1.7e-7*0.1/( * )=2.1645x10-4 电 压 :U=IR=20*2.1645e-4=4.329 x10-3 v 单 位 体 积 的 焦 耳 热 q J =I 2 2 R/(L r0 )=20*20*2.1645e-4/(0.1* * )=11024 w/m 3 温 度 T= I 2 R /(2h L r0)+ Ta=20*20*2.1645e-4/(2*5*0.1* *0.005)+20= C 分 析 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

140 1. 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2. 定 义 工 程 名 称 wire 3. 定 义 工 程 数 据 : 选 择 Engineering Data Edit 取 默 认 值, 该 步 可 省 略, 4. 图 显 示 出 电 阻 率 和 热 传 导 率 的 材 料 参 数 5. 导 入 几 何 模 型 : 选 择 Geometry Import Geometry =wire.agdb; 或 者 创 建 模 型 Geometry New Geometry, 草 图 画 圆 直 径 为 0.01m, 拉 伸 长 度 为 0.1m 6. 得 到 几 何 模 型 如 图 进 入 分 析 模 型, 选 择 Model Edit 图 6-9 材 料 属 性 8. 网 格 划 分 1) 加 入 尺 寸 划 分 Mesh Control Sizing 2) 图 形 区 选 择 导 线 一 端 的 圆 边 3) 详 细 信 息 窗 口 确 定 选 择 的 边 Scope Geometry =1 Edge 4) 尺 寸 按 数 量 分 割 : Definition Type =Number of Divisions 5) 定 义 分 割 数 量 : Definition Number of Divisions =20 6) 划 分 网 格 : 选 择 Mesh Generate Mesh 7) 生 成 网 格 如 图 6-10 图 6-10 网 格 划 分 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

141 9. 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 : 1) 图 形 区 选 择 导 线 端 面 2) 施 加 0 电 压 Voltage 3) 图 形 区 选 择 导 线 另 一 端 面 4) 施 加 20A 电 流 Current 5) 图 形 区 选 择 导 线 圆 柱 面 6) 施 加 对 流 边 界 Convection 7) 对 流 边 界 条 件 设 置 为 Definition Film Coefficient =5 W/ m 2 C; Ambient Temperature =20 C, 见 图 6-11 图 6-11 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 10. 求 解 并 显 示 结 果 1) 求 解 选 项 加 入 温 度 Temperature, 电 压 Electric Voltage, 焦 耳 热 Joule Heat, 热 通 量 Total Heat Flux, 运 行 Solve 求 解 后, 选 择 4 窗 口 显 示 结 果 2) 图 形 区 选 择 左 上 窗 口 3) 导 航 树 选 择 温 度 Temperature, 图 形 区 显 示 温 度 分 布 中 心 为 C, 表 面 为 C 4) 图 形 区 选 择 右 上 窗 口 5) 导 航 树 选 择 电 压 Electric Voltage, 图 形 区 显 示 电 压 最 大 为 v 6) 图 形 区 选 择 左 下 窗 口 7) 导 航 树 选 择 焦 耳 热 Joule Heat, 图 形 区 显 示 焦 耳 热 为 W/m 3 8) 图 形 区 选 择 右 下 窗 口 9) 导 航 树 选 择 热 通 量 Total Heat Flux, 图 形 区 剖 面 分 割 显 示 一 半 导 线, 从 内 向 外 沿 径 向 增 加, 外 表 面 热 通 量 最 大 见 图 6-12 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

142 图 6-12 求 解 并 显 示 结 果 ANSYS12.0 热 电 耦 合 分 析 实 例 热 电 制 冷 问 题 描 述 : 半 导 体 热 电 偶 制 冷 元 件 由 N 型 和 P 型 半 导 体 材 料 通 过 厚 度 为 t 的 铜 带 连 接,N 型 和 P 型 半 导 体 长 度 L, 截 面 积 为 A=W 2,W 为 宽 度, 热 端 温 度 为 T h, 通 过 电 流 I 时 散 热, 保 持 冷 端 温 度 为 T c, 电 流 正 方 向 从 N 型 半 导 体 到 P 型 半 导 体 如 表 6-4 所 示 相 关 材 料 参 数 见 表 6-5 表 6-4 热 电 偶 制 冷 元 件 模 型 模 型 参 数 半 导 体 长 度 L=1 cm 半 导 体 宽 度 及 厚 度 W=1 cm 冷 端 温 度 T c =0 C 热 端 温 度 T h =54 C 输 入 电 流 I=28.7 A 铜 带 厚 度 t 1 =0.1 cm 铜 带 边 缘 宽 度 t 2 =0.2 cm 半 导 体 间 距 W 1 =1 cm 表 6-5 热 电 偶 制 冷 元 件 模 型 材 料 参 数 名 称 模 型 电 阻 率 ohm*m 热 传 导 率 w/(m*k) Seebeck 热 电 系 数 (v/k) N 型 半 导 体 N =1.05x 10-5 N =1.3 N =-165 x 10-6 P 型 半 导 体 P =0.98 x 10-5 P =1.2 P =-210 x 10-6 铜 带 1.7 x 问 题 分 析 : 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

143 采 用 3D 稳 态 热 电 耦 合 分 析 评 估 热 电 偶 制 冷 元 件 效 率 为 保 持 冷 端 温 度, 需 要 带 走 的 热 流 率 为 :QC= TCI-0.5I 2 R-K T 其 中 Seebeck 热 电 系 数 α = α + α, 忽 略 铜, 则 内 电 阻 R=( N + P )L/A, 内 部 热 传 导 系 数 K=( N + P )A/L, 温 差 T=T h -T c 输 入 功 率 : P=VI= I T +I 2 R 效 率 : = QC/P 数 值 模 拟 过 程 1. 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2. 定 义 分 析 项 目 名 称 cooler 3. 定 义 工 程 数 据 : 选 择 Engineering Data Edit 取 表 6-5 中 材 料 参 数 4. 加 入 N 型 半 导 体 材 料 参 数 5. 加 入 P 型 半 导 体 材 料 参 数 6. 加 入 铜 带 材 料 参 数 7. 导 入 几 何 模 型 : 选 择 Geometry Import Geometry =cooler.agdb, 注 意 几 何 模 型 中 5 个 实 体 构 成 1 个 零 件 8. 进 入 分 析 模 型, 选 择 Model Edit 图 6-13 材 料 属 性 9. 分 配 材 料 见 图 ) 导 航 树 中 选 择 第 一 个 实 体 Geometry Part Solid 2) 如 图 右 侧 实 体 3) 分 配 材 料 为 P 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =P 4) 导 航 树 中 选 择 第 2,4,5 个 实 体 Geometry Part Solid 5) 如 图 上 下 3 个 实 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

144 6) 分 配 材 料 为 铜 带, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =Cu 7) 导 航 树 中 选 择 第 3 个 实 体 Geometry Part Solid 8) 如 图 左 侧 实 体 9) 分 配 材 料 为 N 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =N 图 6-14 材 料 分 配 10. 网 格 划 分 为 默 认 尺 寸, 见 图 6-15 图 6-15 网 格 划 分 11. 施 加 载 荷 和 边 界 条 件, 见 图 6-16: 1) 图 形 区 选 择 铜 带 上 表 面, 设 置 冷 端 温 度 为 0 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 A 所 示 2) 图 形 区 选 择 P 型 半 导 体 端 铜 带 端 面, 设 置 电 压 为 0 V, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Voltage, 电 压 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 B 所 示 3) 图 形 区 选 择 N 型 半 导 体 端 铜 带 端 面, 设 置 电 流 为 28.7 A, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Current, 电 流 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =28.7 A, 如 图 中 C 所 示 4) 图 形 区 选 择 铜 带 底 面, 设 置 热 端 温 度 为 54 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =54 C, 如 图 中 D 所 示 5) 求 解 环 境 Solution 中 添 加 温 度 和 电 势 结 果, 选 择 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

145 6) 鼠 标 右 键 选 择 Insert Electric Voltage 图 6-16 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 12. 求 解 并 显 示 结 果 见 图 ) 运 行 Solve 求 解 后, 选 择 2 窗 口 显 示 结 果, 图 形 区 选 择 左 窗 口, 导 航 树 选 择 温 度 Temperature 2) 左 图 形 区 显 示 温 度 分 布, 底 面 热 端 为 54 C, 上 表 面 冷 端 接 近 为 0 C 3) 图 形 区 选 择 右 上 窗 口, 导 航 树 选 择 电 压 Electric Voltage 4) 右 图 形 区 显 示 N 型 半 导 体 底 面 电 压 最 大 为 V 图 6-17 求 解 显 示 温 度 分 布 和 电 势 5) 取 冷 端 热 流 率 结 果, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Probe Heat Reaction 6) 反 热 流 率 明 细 窗 口 选 择 冷 边 边 界 Boundary Condition =Temperature2 7) 导 航 树 显 示 Reaction Probe, 重 新 求 解 8) 选 择 Reaction Probe, 图 形 区 显 示 反 热 流 率 的 位 置, 9) 明 细 窗 口 显 示 值 为 0.663W, 见 图 6-18 因 此 根 据 数 值 模 拟 结 果, 可 以 得 到 冷 却 效 率 = QC/P=0.663/( *28.7)=31.2%,P 也 可 以 根 据 输 入 热 端 温 度 的 反 热 流 率 数 据 得 出 P= = W 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

146 图 6-18 冷 边 热 流 率 ANSYS12.0 热 电 耦 合 分 析 实 例 热 电 发 生 器 问 题 描 述 : 热 电 发 生 器 由 N 型 和 P 型 半 导 体 材 料 通 过 厚 度 为 t 的 铜 带 连 接,N 型 和 P 型 半 导 体 材 长 度 L N, L p, 截 面 积 为 A N =W N t 和 A P =W P t,w N,W P 为 宽 度,t 为 厚 度, 发 生 器 热 端 温 度 为 T h, 冷 端 温 度 为 T c,, 冷 端 连 接 外 部 电 阻 R O, 由 于 冷 热 端 温 度 不 同 将 产 生 电 流 以 及 在 负 载 电 阻 上 输 出 功 率 P O, 模 型 参 数 如 表 6-6 所 示, 相 关 材 料 参 数 见 表 6-7 表 6-6 热 电 发 生 器 模 型 热 电 发 生 器 模 型 参 数 半 导 体 长 度 L P =L N =1 cm, 厚 度 t=1cm 半 导 体 宽 度 W P =1.5cm W N =1 cm 半 导 体 间 距 W 1 =0.5 cm 铜 带 厚 度 t 1 =0.1 cm, 铜 带 边 缘 宽 度 t 2 =0.2 cm 负 载 电 阻 尺 寸 3cm x 1cm x 0.1cm 热 端 温 度 T h =327 C 冷 端 温 度 T c =27 C 表 67 热 电 发 生 器 模 型 材 料 参 数 名 称 模 型 电 阻 率 ohm*m 热 传 导 率 w/(m*k) Seebeck 热 电 系 数 (v/k) N 型 半 导 体 N =1.35x 10-5 N =1.4 N =-195 x 10-6 P 型 半 导 体 P =1.75 x 10-5 P =1.2 P =-230 x 10-6 铜 带 1.7 x 负 载 电 阻 1 x 问 题 分 析 : 采 用 3D 稳 态 热 电 耦 合 分 析 评 估 热 电 发 生 器 的 热 效 率 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

147 热 端 输 入 热 量 为 :Q h = T h I-0.5I 2 R+K T 其 中 Seebeck 热 电 系 数 α = α + α, 忽 略 铜, 则 内 电 阻 R= N (L N /A N )+ P (L P /A P ), 内 部 热 传 导 系 数 K= N (A N /L N )+ P (A N /L N ), 温 差 T=T h -T c 电 流 I= T/(R+R O ), 输 出 功 率 : P O =I 2 R O, 效 率 : = P O /Q h 数 值 模 拟 过 程 1. 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2. 定 义 分 析 项 目 名 称 generator 3. 定 义 工 程 数 据 : 选 择 Engineering Data Edit 取 表 6-7 中 材 料 参 数, 如 图 ) 加 入 N 型 半 导 体 材 料 参 数 2) 加 入 P 型 半 导 体 材 料 参 数 3) 加 入 铜 材 料 参 数 4) 加 入 负 载 电 阻 材 料 参 数 图 6-19 材 料 参 数 4. 导 入 几 何 模 型 : 选 择 Geometry Import Geometry =generator.agdb, 注 意 几 何 模 型 中 5 个 实 体 构 成 1 个 热 电 生 成 器, 另 外 一 个 长 方 体 为 负 载 电 阻 5. 进 入 分 析 模 型, 选 择 Model Edit 6. 分 配 材 料 见 图 ) 导 航 树 中 选 择 第 一 个 实 体 Geometry Part Solid 如 图 左 侧 实 体, 分 配 材 料 为 P 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =P 2) 导 航 树 中 选 择 第 3 个 实 体 Geometry Part Solid, 如 图 右 侧 实 体, 分 配 材 料 为 N 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =N 3) 导 航 树 中 选 择 第 2,4,5 个 实 体 Geometry Part Solid, 如 图 上 下 3 个 实 体, 分 配 材 料 为 铜 带, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =Cu 4) 导 航 树 中 选 择 第 6 个 实 体 Geometry Solid, 如 图 R O, 分 配 材 料 为 负 载 电 阻 5) 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =r 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

148 图 6-20 材 料 分 配 7. 网 格 划 分 为 默 认 尺 寸, 见 图 6-21 图 6-21 网 格 划 分 8. 施 加 载 荷 和 边 界 条 件, 见 图 6-22: 1) 图 形 区 选 择 铜 带 下 表 面, 设 置 冷 边 温 度 为 27 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =27 C, 如 图 中 A 所 示 2) 图 形 区 选 择 铜 带 顶 面, 设 置 热 边 温 度 为 327 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =327 C, 如 图 中 B 所 示 3) 图 形 区 选 择 P 型 半 导 体 端 铜 带 端 面, 设 置 电 压 为 0 V, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Voltage, 电 压 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 C 所 示 4) 图 形 区 选 择 负 载 电 阻 靠 P 型 半 导 体 端 面, 设 置 电 压 为 0 V, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Voltage, 电 压 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 E 所 示 5) 图 形 区 选 择 N 型 半 导 体 端 铜 带 端 面 及 负 载 电 阻 靠 N 型 半 导 体 端 面, 设 置 电 势 耦 合 边 界, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Coupling, 明 细 窗 口 设 置 DOF Selection =Voltage (VOLT), 如 图 中 D 所 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

149 图 6-22 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 9. 求 解 并 显 示 温 度 及 电 压 结 果 见 图 6-23 求 解 环 境 Solution 中 添 加 温 度 和 电 势 结 果, 选 择 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 选 择 Insert Electric Voltage, 运 行 Solve 求 解 后, 选 择 2 窗 口 显 示 结 果, 1) 图 形 区 选 择 左 窗 口, 导 航 树 选 择 温 度 Temperature 2) 左 图 形 区 显 示 温 度 分 布, 顶 面 热 端 为 327 C, 底 面 冷 端 为 27 C, 负 载 电 阻 为 0 C 3) 图 形 区 选 择 右 窗 口, 导 航 树 选 择 电 压 Electric Voltage 4) 右 图 形 区 显 示 N 型 半 导 体 底 面 电 压 降 最 大 为 V 图 6-23 求 解 显 示 温 度 分 布 和 电 势 10. 获 得 输 入 热 量 及 输 出 热 功, 见 图 ) 查 看 输 入 流 率, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Probe Heat Reaction 2) 反 热 流 率 明 细 窗 口 选 择 热 端 边 界 Boundary Condition =Temperature2, 导 航 树 显 示 Reaction Probe 3) 鼠 标 右 键 选 择 Insert Probe Heat Reaction 4) 反 热 流 率 明 细 窗 口 选 择 冷 端 边 界 Boundary Condition =Temperature, 导 航 树 显 示 Reaction Probe2, 重 新 求 解 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号

150 5) 选 择 Reaction Probe, 图 形 区 上 部 显 示 输 入 热 流 的 位 置, 明 细 窗 口 输 入 热 量 为 W 6) 选 择 Reaction Probe2, 图 形 区 下 部 显 示 输 出 热 流 的 位 置, 明 细 窗 口 输 入 热 量 为 W 因 此 根 据 数 值 模 拟 结 果, 可 以 得 到 热 功 P O = =1.73W, 则 热 效 率 = P O /Q h =1.73/15.779=11%,P O 也 可 以 根 据 VI 得 出 PO= *23.993=1.734 W, 电 流 取 零 电 势 处 的 反 电 流 图 6-24 输 入 热 量 及 输 出 热 量 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号