ANSYS计算（精选11篇）
ANSYS计算 第1篇
关于各种情况的应力强度因子,国内外有很多学者进行了大量研究工作,我国航空研究院在广泛收集国内外最新研究成果的基础上编制了一本新的应力强度因子手册[1],然而对于许多不规则的结构形式,手册中并没有涉及。随着计算机技术和有限元理论的发展,使裂纹仿真成为可能,可以通过大型通用有限元软件计算裂纹尖端应力强度因子。该文以带三维表面裂纹平板为例,运用ANSYS有限元分析软件,创建了含三维表面裂纹的平板有限元实体模型,并计算了裂纹尖端的应力强度因子。
1 裂纹体结构
板宽W=100 mm,t=12 mm的板中有,a=1 mm,c=5 mm的半椭圆表面裂纹,受拉伸载荷σ=600 MPa作用。弹性模量E=207 GPa,泊松比=0.3[2]。
2 裂纹体建模
AYSYS有限元裂纹体建模方法的主要思路是:将含裂纹构件中包含裂纹部分的小块体积视为局部裂纹体,分别创建整体模型和局部裂纹体模型;对整体模型和局部裂纹体模型进行布尔运算,将含有裂纹部分的局部体积从整体结构中分离出来;再将含裂纹面以外的实体粘接在一起,完成带裂纹体模型的创建;对含裂纹部分进行特殊的单元网格划分,余下的非裂纹体采用常规网格划分,从而生成整个裂纹体有限元模型[4]。具体实现方法如下:
1) 建立不含裂纹的1/2平板实体模型(见图2)
2) 在裂纹尖端附近沿裂纹长度方向创建3块面积(见图3)
3) 3块面积组合在一起,同时沿Y轴正方向拉伸,生成含半边裂纹面的半裂纹体(见图4)
4) 同步骤2),创建与之前面积相重合的面积,组合在一起沿Y轴负方向拉伸,生成裂纹体的另半个裂纹面和裂纹体,整个裂纹体模型见图5。
5) 对不含裂纹的实体平板模型和裂纹体模型进行布尔运算,图6为扣除裂纹体模型的模型局部放大图。
6) 选取图5所示的裂纹体中包含裂尖点的4块小体积,见图7,采用对裂尖所在表面上的4块面积进行二维网格划分[3,4](裂纹尖端附近利用ANSYS前处理命令生成二维的奇异单元)如图8所示。
7)将所生成的面网格沿裂纹深度方向进行体扫掠网格划分生成三维单元,见图9。
8) 对裂纹体(图4)远离裂纹尖端的两块体积及图6所示扣除裂纹体部分的体积进行自由网格划分,生成带裂纹体有限元模型(见图10)
3 应力强度因子计算
对于表面裂纹模型,主要研究裂纹最深处和裂纹表面两点的应力强度因子。采用上节建立的有限元模型,最终计算所得两裂尖点的应力强度因子如表1所示。
由表1可知,ansys计算结果与应力强度因子手册公式计算结果相差均在5%以内,分析结果略大于公式结果,能满足精度及安全储备要求。
4 结 语
通过以上分析可以看出,应力强度因子在ANSYS中的计算是可行的。与传统的利用断裂力学中的公式直接求解相比,利用有限元软件ANSYS来求解应力强度因子是一种简单而准确的方法。
参考文献
[1]中国航空研究院.应力强度因子手册[M].北京:科学出版社,1993.
[2]陈传尧,疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.
[3]博弈工作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
ANSYS计算 第2篇
基于ANSYS的接触网承力索弛度计算
建立了电气化铁路接触网承力索的有限元模型,对不同工况条件下的承力索弛度进行了仿真分析,精确计算了弛度的大小,提出了一种新的弛度计算方法,对弓网系统的`安全运营有重要的指导意义.
作 者：彭道文 Peng Daowen 作者单位：广铁(集团)洛张电化改造工程建设指挥部,湖南,长沙,410007 刊 名：市政技术 英文刊名：MUNICIPAL ENGINEERING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 28(1) 分类号：U225.1 关键词：接触网 受电弓 有限元模型 弛度ANSYS计算 第3篇
现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其功用是支承连接汽车的各部件，并承受来自车内外的各种载荷。车架是整个汽车的基体，农用轻型载重汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架的性能在整车设计中就显得尤为重要。
1.利用ANSYS对整个车架结构进行计算和分析
1.1车架模型的网格划分
车架有限元接触分析的分析对象是车架在三维实体模型的基础上，通过单元属性定义、网格划分、摩擦接触单元、定义边界条件和施加载荷等前处理过程得到的三维模型。车架的有限元模型可以作如下简化：
（1）包括驾驶员在内的驾驶室重量平均分布在驾驶室与车架相接触的面积上；货箱质量及货箱载重量均布在货箱与车架相接触的面积上；发动机、离合器与变速器重量均匀分布在发动机、离合器与变速器与其支架相接触的平面上。
（2）不考虑钢板弹簧对车架的作用。
（3）忽略受载较小和对结构受力影响甚微的微小特征，如小孔、小半径的圆倒角。
根据以上假设，利用ProE软件与ANSYS软件的接口将建立好的三维模型导入到ANSYS软件中得到相对应的车架有限元模型，选用20节点实体单元划分的网格。划分网格时应注意先将车架结构进行网格划分，然后再将铆钉进行网格划分。以此得到比较满意的网格。
放大网格模型的一部分以看清楚单元。由于结构对称，载荷分布也基本上对称，故取纵向对称的二分之一模型来计算，梁选用的是20节点实体单元Solid186单元，铆钉选用的是20节点实体单元Solid95单元，采用智能网格划分后，车架包括铆钉在内总的节点数为115871，单元数为56189。将整个车架视为一个整体零件时，采用20节点实体单元Solid186单元且同样采用智能网格划分，总的节点数为104777，单元数为53047。
1.2加摩擦接触单元
网格划分后，下一步工作就是加摩擦接触元，在板与板之间加摩擦接触元的同时，在铆钉孔的圆柱面与铆钉的圆柱面之间以及铆钉帽与板接触的圆环面与圆环面之间也加上摩擦接触元。由于摩擦接触单元的节点就是原实体单元的节点，所以加上摩擦接触元后整体结构的总节点数目不会增加，总体自由度数目也没有增加，但是单元的总数目增加了许多。增加的摩擦接触单元数为30319，总的单元数增加到86508。车架中梁材料的弹性模量E=204GPa，泊松比μ=0.3；铆钉材料的弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28。将整个车架视为一个整体零件时，车架材料的弹性模量全部取为E=204GPa，泊松比μ=0.3。
1.3车架模型的加载与边界条件的处理
加上摩擦接触元后，再进行加载与边界条件处理。从车架实际结构来看，车架的约束来自于前后钢板弹簧和与钢板弹簧相连的车轴、轮胎及地面。因此，车架可以在不同的约束条件下建立计算模型。如，以地面作为约束，以轮胎与地面之间接触点作为约束点，或以车轴、轮胎作为约束，以钢板弹簧与车轴、轮胎的连接点作为约束点等。由于在工程实际中，主要考虑的是铅垂位移，所以主要讨论铅垂方向的位移约束。
1.4车架的两种算法求解及结果分析
求解过程是计算机自动执行的，对二分之一车架模型的接触法求解计算机需近2小时，才能算出结果。而将整个车架视为一个整体零件时，计算机只需20分钟左右，即可算出结果。
图1和图2分别为接触法求解的车架总合应力和最大变形;图3和图4分别为将整个车架视为一个整体零件时，车架的总合应力和最大变形。
从这些图中可以看到，总合应力的最大值和挠度的最大值都发生在弯横梁a与第3横梁之间的纵梁上A处，因为该处的弯矩最大。
从图中可以看到，、两种算法的总合应力和变形的趋势大体相同，不同的是，接触算法的总合应力和变形相对来说都要大些。另外参照图3，第4横梁与纵梁连接的B点处总合应力也比较大，由于该处弯矩较大且铆接处存在一定程度的应力集中。所以，铆钉的铆接质量对车架结构来说也是非常重要的。
图1 车架的总合应力 图2 车架的变形
图3 车架的总合应力 图4 车架的变形
在弯横梁a与第3横梁之间的纵梁段处应力比较集中，变形也比较大，说明这里是车架的薄弱环节。如果在纵梁的这个地方用另一加强板来加强，车架会有更高的强度。
从节省材料和减轻重量的角度来说，应当进一步优化车架结构。可在前后轴跨距基本确定的情况下，合理地安排载荷的分布，如将载荷尽量靠近前后轴;经济地确定各梁截面形状和截面尺寸，改变梁截面的惯性矩，尽可能满足各处等强度和等扭转刚度的要求，以达到充分利用材料、降低重量的目的。
2.车架的模态分析
2.1车架的模态分析
模态分析技术是动力学分析的现代方法和手段。随着人们对工程产品的设计提出了越来越高的要求，在许多工程领域都引入了模态分析技术，如车辆的乘坐舒适性、噪声控制、产品轻量化设计的疲劳问题等，因此，模态分析技术的应用领域日益扩大，并成为动力学分析中不可缺少的手段。
车架是承受来自车内外的各种载荷的主要结构，是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置的。因此，车架除了必须具有足够的强度与适合的刚度以及质量尽可能小以外，同时还要求其在振动等方面具有良好的性能。因此，对车架进行模态分析是非常有必要的，模态分析不但是动力学分析的手段和基础，同时又可据此直接对车架结构的设计进行评价。
由于自由度过高，用接触法对车架进行模态分析存在一定的困难，所以可以先利用接触法的应力和变形计算结果设计好车架，然后，再将车架结构作为一个整体来进行模态分析，或者采用子结构的方法，分析各子结构而后进行模态综合。
对车架结构的动态特性影响大的是较低的前几阶振形，高阶振形对结构的动态特性影响很小。图中车架振形应尽量光滑，避免有突变。从以上的前四阶振形可以看出，在弯横梁前后处的纵梁变形较大，而且弯横梁在前后方向发生了一定角度的转动。因此，弯横梁前后处纵梁段的强度和刚度需加强，并且弯横梁与纵梁的连接刚度需加强。
2.2车架的动态性能分析
动态的设计与分析方法是现代的设计方法之一，它强调从结构的整体考虑问题，在性能校核中考虑了振动的因素。通过模态试验和有限元动态分析提供的信息，可以研究汽车零部件或整车的振动情况，从而改进和提高汽车产品的质量。汽车车架受到来自路面的激励而产生振动，如果某些结构设计得不合理，由于振动产生的弯曲、扭转等变形，将会造成某些部件疲劳破坏，甚至断裂。所以振动不仅影响汽车的平顺性，还将影响汽车的使用寿命。
所以，设计中除了要有足够的强度和适合的刚度外，合理的振动特性也是十分重要的。设计车架时，应尽量使其模态频率错开载荷的激振频率，以避免引起共振。车架弹性模态频率也应尽量避开发动机经常工作的频率范围。对车架进行合理的动态特性分析可以达到控制振动与噪声的目的。
ANSYS计算扶壁式桥台方法研究 第4篇
ANSYS程序是美国ANSYS公司研制的大型有限元分析（FTEA）软件，自1970年John Swanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化以来，ANSYS程序已发展成为全球范围一个多用途的有限元结构分析软件。本文主要以市政工程常见的扶壁桥台为例，对ANSYS的计算方法进行研究。
2 工程简介
市政工程常见的桥台有：U型桥台、肋板台、柱式台、薄壁台、扶壁台等。
其中，扶壁桥台构成从下往上分别为桩基、承台、前墙、前墙扶壁、台帽、背墙、侧墙、侧墙扶壁、台后填土及台后搭板构成（见图1），为与路线平面交叉相协调，扶壁桥台的侧墙及承台侧边呈圆弧形。针对此类结构，采用杆系结构程序计算显然不合适，然而采用板单元模拟虽较为合理，且计算量也较小，但进行板的位置、尺寸的准确模拟简化较为困难，且计算精度有待提高。因此，本文采用实体模型进行分析，并结合AUTOCAD及EXCEL得出结构内力。
3 模型的建立
本文采用SOLID92单元建立计算模型（见图2，尺寸详见图1），桩底最大弯矩处固结，本例假设桩底以下2m为最大弯矩位置。建模时注意一个实体构成一个构件，以便于后面的内力提取，同时采用自由网格划分。材料参数：弹性模量3×104N/mm2；泊松比0.2；密度25kN/m3。
4 内力计算
配筋设计须对板梁(柱)分别进行。在计算各个部分的配筋情况之前，首先应计算出各个部分的内力分布。板的内力按每延米计，梁(柱)的内力按截面总和计。根据板梁概念，当两个方向的尺寸远远大于一个方向的尺寸时称之为板，当一个方向的尺寸远远大于两个方向的尺寸时称之为梁(柱)，对扶壁式桥台的侧墙、前墙内力可归结为板，扶壁内力归结为梁。设计中对于构件连接部分或尺寸突变部分进行局部加强。
为计算内力情况，需首先考查作用情况，由于本例涉及诸多作用分类、代表值和作用效应组合，限于编幅，本文仅对部分作用进行分析介绍。
4.1 内力计算
根据弹性力学斜截面应力公式，如图3所示的微四面体由通过弹性体内某点P的三个负面和一个斜面组成，△ABC就是P点的任一斜面，斜面的外法线单位矢量为：
设斜截面上的全应力为矢量S，它沿斜面的法线和切向分解为该面的正应力σN和剪应力τN；沿坐标轴方向分解成三个分量XN、YN、ZN。则有
按以上公式进行路径积分和面积分便可以得到内力值，其中弯矩为对积分路径长度中点(适用于板)和截面形心(适用于梁柱)位置取矩的结果。过程涉及到ANSYS的路径操作和面技术操作，本文基于这两种操作技术进行阐述。
由于在ANSYS操作界面下，手动点取计算位置虽然针对性较强，但进行大量计算时操作工作量大。这时可借助AUTOCAD强大的编辑功能，直接在对应的AUTOCAD模型中得到位置坐标点，通过将所有计算点集作成的一个表格导入ANSYS进行调用，其计算精度取决于所取坐标点的密度。
为了进行较为精确且较智能的计算，可以采用节点法向向量的方法。具体操作过程如下：首先选择计算曲面，选择曲面上的节点，根据计算曲面的任一节点Node，搜索最近的两个点。一般来说，这三个点不共线，可确定一个面，同时可近似认为这个面的法向向量便是厚度方向。这时这个法向向量有可能指向厚度方向，也有可能背离厚度方向，所以应增加坐标象限的约束。如在第一象限的x、y均为正值，当出现向量的x、y为负值时，应加以修正。经过处理便可以得到曲面上所有节点及对应的厚度坐标点。设节点坐标为pt1，法向向量为n，厚度为d，则沿厚度方向坐标点为pt2=pt1+nd。全部写入表格以备调用。
进行线积分计算时，计算坐标系问题尤为重要。程序可给出沿路径方向与Z轴建成平面的法向向量和切向向量。由于法向向量与Z轴重合得不到这两个向量，可以偏移一个微量来构造平面进行计算。当然也可以通过编写公式做成命令流自行计算这三个向量。偏移方向应注意根据计算方向确定，比如承台，底面坐标与顶面坐标在XOY上是重合的，如果不偏移，按系统默认的切向与法向，则得不到这两个向量。当计算沿X轴方向受力时，底面坐标为(x1,y1,z1)，顶面坐标为(x1,y1+dy,z2)，这样偏移出的法向向量与X轴平行，一个切向总是与路径方向平行，另一个切向由以上两个方向按右手定则共同确定。当然侧墙无须偏移。根据斜截面应力公式，微元斜面的法向向量作为微元面积的换算，并不控制计算的内力分量方向。也就是说，沿路径积分出来的内力值Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz均与输出坐标系一致。
为了便于配筋计算，须将计算得到的内力值转换到内力局部坐标系。因为程序计算出来的内力均为输出坐标系的内力，其方向并不一定与内力局部坐标系一致，有必要进行转换。如侧墙，设沿厚度方向的向量为nt，与Z轴形成的面的法向向量为np,nt与np确定的法向向量为另一切向(这里便是沿Z轴方向)。那么F(M)与n点积，便可以得到所须内力。
通过以上步骤可得到的板的内力，同理可以得到桥台扶壁截面的积分结果，对截面进行面积分得到内力。
对于计算中出现的局部应力集中问题，比如承台与桩基的连接部位，配筋时应注意加强。因为此时承台沿厚度方向应力分布突变较大，不能直接按承台全截面弯矩、轴力计算配筋，应局部进行加强，所以首先应提取这部分内力值，采用路径积分的办法，观察内力沿路径明显突变的位置，分段积分，分段计算配筋。如，从承台底面往顶面0.3m积分一次，0.3m～1.5m积分一次，两次计算的内力分别配筋。
4.2 荷载的施加
对于实体加载，经常须对实体的面进行加载，而对于节点加载会引起应力集中的问题。故将集中荷载转化为面荷载。设荷载为F、M，施加在面ω上，面ω的面积为A，抗弯截面系数为W，则等效应力σ=F/A+M/W，制作一个表格，将等效应力值填入，或构造函数，作为压力荷载施加到作用面上，便可实现集中荷载等效施加。这种办法可实现单向偏心、或双向偏心受力的等效。
由于土压力为从上往下逐渐增加的线性荷载，所以也可以采用表格或构造函数的办法加载，其中表格加载较为方便。移动荷载须按最不利位置加载。为了使桥台受力最不利，将移动集中载加在板端、台后，台中三个工况分别计算。
应特别指出的是，由于应力施加总是垂直于作用面，所以对于斜面的施加应加以注意。如果想在斜面上施加水平荷载，可以将节点面积提取出来，乘上应力值，作为集中载施加到节点上。
4.3 内力计算结果
自重作用下计算结果第1主应力云线图如图4所示；计算部分结果如表1，表中内力方向见示意图5沿积分方向建立的内力局部坐标系。同理，可以得到其它作用对应的内力，按规范进行组合，便可得到设计内力值。
F与M为沿积分方向建立的内力局部坐标系的内力。
5 配筋计算
计算所得的各荷载效应按规范进行工况组合后，便可得到计算内力值。由于配筋计算数据量很大，本文采用EXCEL表格编写公式实现。当然还可以采用其它程序进行，如果采用自编程序则效果更佳、应用更加灵活。
接着将计算的配筋结果展到AUTOCAD中(见图6)。为了与实体模型对应，分别投影到XOY、YOZ、ZOX上进行处理，比如承台应投影到XOY平面上，那么Z值便是配筋量。可以借助数模绘制等高线实现，一根钢筋对应一条等高线，然后分块进行配筋处理。比如最大要配20根/m，那么可以分成5个档，每个挡间隔4根，分别找出对应区域，计算钢筋间距，按规范要求进行配筋。到此完成桥台的计算和配筋。
6 结语
ANSYS计算分析直观、准确，可结合CAD、EXCEL或其它程序实现实体模型的内力计算，对于复杂结构更显独特优势。与常用的桥梁博士、Midas等程序相比，当采用命令流并制作相应的宏命令调用，其优势尤为明显，操作更加方便。
摘要：通过一种扶壁桥台设计计算实例介绍了对于复杂小型结构的一种通用计算方法。该法基于ANSYS路径积分技术和面积分技术,并根据弹性力学斜截面应力公式,对结构进行内力分析,同时借助其它程序对内力计算结果进行配筋处理,从而得到工程设计参数。特别是其它杆系程序无法实现的情形,该方法更显得有优势。对于有一定力学基础同时熟悉ANSYS程序、AUTOCAD二次开发及EXCEL的VBA编程读者来说,更显得是一种好办法,其使用价值十分明显。
关键词：桥台,扶壁,设计,实体结构,路径积分,面积分
参考文献
[1]薛强.弹性力学[M].北京:北京大学出版社,2006.
[2]JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范[S].
[3]叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1996.
ansys错误提示汇总 第5篇
Boolean operation failed.try adjusting the tolerance value on the BTOL commmand to some fraction of the
minimum keypoint distance.Model Size(current problem)1.183933e+000,BTOL setting 1.00000e-005,minmum KPT distance 4.308365e-006
先在要分割的地方设置一个工作平面，用布尔运算“divided--volumeby working plane”进行分割的时候，出现上述错误，主要愿意可能是设置的公差太小，当时试了几次都么有成功，最后干脆把体重新建立了一个，又画了一个很大的面，终于成功了。
2.一个常见的代表性错误！
原来我的虚拟内存设置为“无分页文件”，现在改为“系统管理”，就不在出现计算内存不够的情况了。
Error!
Element type 1 is Solid95,whichcan not be used with the AMES command, meshing of area 2 aborted.刚开始学习的人经常出这种错误，这是因为不同单元类型对应不同的划分网格操作。
上面的错误是说单元类型为Solid95（实体类型），不能用AMES命令划分面网格。Meshing of volume 5 has been aborted because of a lack of memory.Closed down other processes and/or choose a larger element size, then try the VMESH command again.Minimum additional memory required=853MB（by kitty_zoe）
说你的内存空间不够，可能因为你的计算单元太多，增加mesh尺寸，减少数量或者增加最小内存设定（ansys10中在customization preferences菜单存储栏可以修改）
你划分的网格太细了，内存不足。建议将模型划分为几个部分，分部分进行划分，可以减少内存使用，试一下！
4.The input volumes do not meet the conditions required for the VGLU operation.No new entities were created.The VOVLAP operation is a possible alternative
VGLU是将两个或多个体粘到一块，体之间的交集应该是面，帮助里的说法，This operation is only valid if the intersections of the input volumes are areas along the boundaries of those volumes。你粘结glue的体可能有重叠，所以后面提示了一个VOVLAP命令，该命令是将两个或多个体的重叠部分拿出来作为结果
VMESH划分时，精度不同，单元数量差别太大了，如果是自由网格划分，那么尝试几个SMRT等级看看。还有就是单元形状不同，产生的网格质量也差别很大，我前几天才重新划了一次网格，印象很深。shape,0,3d和shape,1,3d就是划分体时控制单元形状的5.clear is not a recognized GEGIN command,abbreviation,or macro.this command will be ingored.那是因为打开了前处理，求解或者后处理，先用FINISH命令，再用CLEAR就可以了
6.约束不总，产生刚性漂移
我觉得这个不一定就是约束不足造成的刚性漂移。另外一个可能的原因是网格划分的不好。在曲线变化剧烈的区域，如果网格划的太疏，也可能产生这样的错误。
7.AN error occured during sweeping while meshing arer 39.change element sizing parameters(RSIZE,LESIZE,etc).or mesh this arer manually(AMESH or AMAP).then try the VSME command again.The VSWE command is ignored.在对一个规则的体进行扫略划分的时候，出现了这个命令，原因是边的尺寸，或者单元的个数设置不合理，对应不上，就行变数核对皆可解决问题！
8.Volume 1 cannot be meshed.208 location(s)found where non-adjacent
boundary triangles touch.Geometry configuration may not be valid or
smaller element size definition may be required.提示就是告诉你需要更小的单元
可能单元太大的时候出现的网格有有问题，比如狭长的网格，计算的时候集中应力太大
9.Shape testing revealed that 3 of the 13 new or modified elementsviolate shape warning limits.To review test results, please see the
output file or issue the CHECK command.ansys里面有自己带的网格检查，这说明你的网格尺寸有问题，重新划分
10.划分solid45单元的时候出现了 structural elements without mid nodes usually produce much more accurate results in quad or brick shape
提示你采用带中间节点的单元进行计算。但是solid45六面体网格精度一般够了，不需要理会。
11.：Volume11 could not be swept because a source and a target area could not be determined automatically。please try again...体不符合SWEEP的条件，把体修改成比较规则的形状，可以分割试试
12.*** WARNING ***SUPPRESSED MESSAGECP =1312.641TIME= 16:
51:48
An error has occurred writing to the file = 12 which may imply a fulldisk.The system I/O error = 28.Please refer to your system documentationon I/O errors.1.I/O设备口错误，I/O=26，错误，告诉你磁盘已满，让你清理磁盘。但是实际问题的解决不是这样，是你的磁盘格式不对，将你的磁盘格式从FAT26改称NTFS的就可以了。因为FAT26格式的要求你的单一文件不能大于4G。但是我们一旦做瞬态或者是谐相应的时候都很容易超过这个数，所以系统抱错。
2.I/O设备口错误，I/O=9,错误，和上一个一样告诉你磁盘已满，让你清理磁盘。但是实际问题是由于你的磁盘太碎了造成的，你只要进行磁盘碎片整理就可以了，这个问题就迎刃而解。
13.Topolgical degeneracy detected for ASBA command.Try modifying geometry slightly or loosening the tolerance(BTOL command).If BTOL is relaxed ,be sure to change the tolerance back to the default after operation
公差不能太大，默认公差值是1e-5,每次扩大10倍，即1e-4,1e-3,.....慢慢试试，如果不行，就得检查模型
14.计算时候出现：Input/output error on unit=9.Possible full disk，在一些论坛看到转换磁盘格式ntfs，转换后还是不行，我的ansys11.0安装在D盘，工作目录为E盘（30G大小），另外输出窗口提示for better cpuperformace increase memory by 296mb using-m option
一.转化格式（先确定你D盘为fat格式后）点“开始->运行”输入:covert D:/FS:NTFS 就可以将D盘转换成NTFS格式了,不过转换后不可以恢复成FAT32格式了.（本人没有试过！）
二.在开始——程序——ansys——ansys product launcher——customization，然后选择memory下面的方框里面打勾，然后调整work spcae和data base（具体的调整请参照http:///discuz/vi...&extra=page%3D1专题2）
15.Large negative pivot value(-8.419662714E-03)in Eqn.system.May bebecause of a badtemperature-dependent material property used in the model.这种错误经常出现的。一般与单元形状有关。
16.There are 21 small equation solver pivot terms.;
SOLID45 wedges are recommended only in regions of relatively low
stress gradients.第一个问题我自己觉得是在建立contact时出现的错误，但自己还没有改正过来；第二个也不知道是什么原因。
还有一个：initial penetration 4.44089×10E-6 was detacted between contact ele
ment 53928 and target element 53616;也是建立接触是出现的，也还没有接近。唉，郁闷中！
answer：
第一个问题：There are 21 small equation solver pivot terms.;
不是建立接触对的错误，一般是单元形状质量太差（例如有i接近零度的锐角或者接近180度的钝角）造成small equation solver pivot terms
第二个问题:SOLID45 wedges are recommended only in regions of relatively low
stress gradients.这只是一个警告，它告诉你：推荐SOLID45单元只用在应力梯度较低的区域。
它只是告诉你注意这个问题，如果应力梯度较高，则可能计算结果不可信。
17.There are 1 small equation solver pivot terms
ansys,刚度矩阵主元太小，可能是单元畸形，或者材料参数有问题，总之这个问题你就不断的换个方式建立模型，trial and error，往往就解决了这个问题
第一个问题：说明结构刚度矩阵出现小主元。如果矩阵D 的所有主元都是正的，这时结构的切线刚度矩阵正定，结构处于稳定状态；如果矩阵D 的 主元有小于0 的，则切线刚度矩阵非正定，结构处于不稳定状态。
如果出现的小主元不多，说明可能是达到某个临界点，以后还可以继续求下去；如果出现的小主元很多，而且越来越多，说明这个结构即将破坏，比如出现大面积的塑性区，形成多个塑性铰等。
当|D |=0时，矩阵D 为奇异矩阵，非线性方程会产生奇异解，奇异解出现于可能产生不定解或非唯一解的分析中，求解方程的主元为负或零会产生这样的奇异解。有些情况下，尽管遇到主元为负或零，仍需继续进行分析（特别是一些非线性分析中）。（since a negative or zero pivot value can occur for a valid analysis.）
下述条件会引起求解过程出现奇异性：（The following conditions may cause singularities in the solution process:）
·约束条件不足
·模型中有非线性单元：如间隙元、滑动元、铰链元、缆束员等。结构的一部分可能已经塌陷或分散了
·材料特性为负：如在瞬态热分析中规定的密度或温度
·连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性。例如：两个水平梁单元在连接点的垂直方向存在无约束自由度，在线性分析中，将会忽略加在该连接点的垂直载荷。另外，考虑一个与梁单元或管单元垂直相连的无板面内的旋转刚度的壳单元，在连接点处不存在板面内的旋转刚度。在线性分析中，将会忽略加在该点处的板面内力矩。
·屈曲。当应力刚化效果为负（压缩）时，结构受载后变弱。若结构变弱到刚度减小到零或为负值，就会出现奇异解，且结构已经屈曲。会打印出“主元值为负”的消息。
·零刚度矩阵（在行或列上）。如果刚度的确为零，线性或非线性分析都会忽略所加的载荷。18.This model requires more scratch space than available, currently
基于ANSYS的连杆结构对比分析 第6篇
[关键词] 有限元分析 强度 刚度 连杆
引言
连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要零件,工作中主要承受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。根据连杆的工作条件,连杆应具有足够的抗疲劳强度和结构刚度。若强度不足,连杆螺栓、连杆盖甚至连杆体都可能断裂。若刚度不够,则可能由于大头变形而使连杆螺栓弯曲等弊病[1]。
本文综合考虑连杆的结构强度与刚度,以某4缸高速汽油机为例,分别建立沿小头孔轴线杆身断面的传统连杆模型和垂直小头轴线杆身断面的新型连杆模型。运用商业有限元分析软件ANSYS 10.0进行有限元静强度分析,对比连杆在最大压缩和最大拉伸两种极限工况下的结构强度和刚度,为连杆的创新型设计提供参考。
1 连杆有限元静力分析
1.1 实体模型的建立
连杆组在整体结构上比较复杂,包括了连杆体、大头盖、连杆轴瓦、连杆小头衬套以及连杆螺栓等零件。由于本文主要考虑对象是连杆,故在建模时对连杆、大头盖建立详细实体模型,而对螺栓、曲柄销等则根据刚度等效原则进行适当简化,完成后保证两种结构的质量相当。图1、2分别为传统连杆体实体模型和新型连杆体实体模型。
Fig.1 Traditional connecting rodFig.2 New connecting rod
1.2有限元模型的建立
1.2.1 约束边界条件
边界约束的目的是为了消除整体模型的刚性位移。本文采用刚性约束,即曲柄销约束。连杆大头孔用曲柄销固定,曲柄销的一个端面全约束,另一个端面可以轴向移动,对连杆小头顶端在其一节点横向进行位移协调约束,应用ANSYS的接触向导在曲柄销和大头孔间建立接触单元。
1.2.2 载荷边界条件
由于连杆受力复杂,根据力的作用效果,考虑以下三种载荷的作用。
1.2.2.1 预紧载荷
连杆的预紧载荷包括螺栓预紧力、连杆小头和衬套间过盈装配预紧力、连杆大头和轴瓦间过盈装配预紧力。
(1) 螺栓连接预紧力
将实际连杆螺栓拧紧力矩转化为螺栓预紧力,在螺栓中间建立预紧单元,通过力加载的方式施加螺栓预紧力。
(2) 连杆过盈装配预紧力
连杆大头与轴瓦及连杆小头与衬套之间的过盈装配预紧力将以压强的形式作用在接触面上。配合面间的压强()与配合过盈量之间的关系为[2-3]:
式中:为配合面直径,;为衬套内径或轴瓦内径,;为小头外圆直径或大头外圆直径,;,为泊松比;为配合过盈量,;,为弹性模量,;
1.2.2.2 最大惯性力
连杆组件的最大惯性力出现在进气行程开始的上止点附近,此时连杆小头和活塞往复运动加速度最大,也即惯性力最大,最大惯性加速度的计算公式为[4]:
式中:为连杆比,为连杆长度,为曲柄半径,为曲轴角速度。
在连杆拉伸工况下,不但承受预紧工况时的载荷,还承受惯性载荷。惯性载荷作用在连杆小头孔上表面的圆周范围内。周向按余弦分布,轴向按二次抛物线分布。在ANSYS中考虑通过定义分段函数的方法施加惯性载荷。具体方法如下:
(1) 在连杆小头中心位置建立局部柱坐标系,使轴沿连杆中心线的方向,使轴垂直于中心线方向,使轴沿小头轴线方向。
(2) 以轴作为分段函数自变量,应用函数编辑器定义载荷分段函数,如式(3)所示:
式中:为连杆小头宽度的二分之一;为小头孔半径;为作用在小头上的总载荷;;。
(3) 应用函数加载器加载已定义的函数并定义表参数用于施加函数载荷,结果如图3所示:
Fig.3 Inertial load on the connecting rod
1.2.2.3 最大爆发压力
在做功行程时,连杆受到由活塞、活塞销传过来的最大爆发压力。在连杆压缩工况下,连杆不但承受预紧工况时的载荷,还承受做功行程时的最大爆发压力。该载荷作用在小头下半孔120°圆周范围内,具体施加方法参考惯性力的施加。
沿小头孔轴线开槽的连杆有限元模型如图4所示:
Fig.4Finite element model of the connecting rod
2 算例
某4缸高速汽油机,材料为45Mn,标定工况,转速为,文中考虑爆压为7.15,轴瓦过盈量为0.03,小头过盈量0.015,连杆螺栓预紧力为,最大惯性力5354.91。
2.1 应力结果分析
图5,6分别为传统连杆与新型连杆在压缩工况下的连杆等效应力云图。
Fig.5 Traditional connecting rod von miss stress on compression condition
Fig.6 New connecting rod von miss stress on compression condition
由于连杆在工作过程中承受交变载荷的作用,易发生疲劳破坏。所以,连杆应力水平的高低直接决定其疲劳强度是否满足要求。两种结构应力如表1所示:
从表中我们可以看出,两种结构形式的等效应力水平相当,连杆材料许用应力为790。两种结构均未超出许用应力且具有足够的静强度安全系数。
2.2 变形结果分析
连杆整体变形结果的大小直接决定连杆的结构刚度是否满足要求,由其是连杆大头孔的变形,它是判断连杆刚度是否满足要求的重要指标[5]。连杆变形结果如表2所示:
图7,8分别为两种结构在压缩和拉伸两种工况下,大头孔的径向位移。图中1,23两点连线对应连杆中心线。
Fig.7 Big end radial displacement on Largest compression condition
Fig.8 Big end radial displacement on Maximum tensile condition
综合表2和图7,8可以看出,在压缩工况下,新型连杆的总体位移变形及大头孔变形要小于传统连杆,新型连杆刚度要好于传统连杆。而在拉伸工况下,传统连杆的总体位移变形及大头孔变形要小于新型连杆,传统连杆表现出了更好的刚度水平。
3 结论
(1) 在相同质量的情况下,两种连杆的应力水平相当,且都具有足够的疲劳强度。
(2) 通过对两种结构的变形分析可知,在压缩工况下新型连杆具有更好的结构刚度,更适宜用做承受高爆压、低转速的发动机连杆。在拉伸工况下,传统连杆则具有更好的结构刚度,更适宜用做承受高转速、低爆压的发动机连杆。
参考文献:
[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2] 苏铁熊. 接触问题对连杆有限元分析的影响[J].内燃机学报,2002,(1):80～83.
[3] C. Yi, W. Mingwu, T. Ling Fatigue Strength Reliability Analysis of Diesel Connecting Rod Based on Stochastic Finite Element Method,ASME,1999
[4] 潘琼瑶,陈凯.车用发动机连杆强度分析与结构改进[J].车用发动机,2008,(176):141～142.
ANSYS计算 第7篇
随着我国经济建设的飞速发展, 能源消耗严重与道路交通运输能力不足是当前社会主义建设面临的两大难题, 其中, 水电站开发和高速公路的修建是这两大难题中的重要组成部分。在这两大建设工程领域都会遇到大量的边坡工程, 而边坡工程最重要的就是稳定性与安全性, 因为一旦边坡失稳就会产生严重后果, 给工程带来巨大损失, 由此可见对边坡的稳定性与安全性进行综合分析是多么重要。本文针对边坡开挖施工进行模拟分析, 计算两种开挖坡率、三种不同工况下对应的边坡安全系数, 希望对工程实践有一定的参考意义。
2 分析方法
经典极限分析法适用于工程设计, 它利用静力学理论对边坡进行稳定性分析, 不考虑边坡的变形, 在大量假设的基础上, 依据力或力矩的平衡求解边坡的安全系数[1]。但是也正因为有太多的假设, 计算出的精准度不高, 导致适应性差。而有限元法适应性广, 但是无法计算出安全系数。在现今的工程中, 有限元极限分析法运用的越来越广泛, 它既适用于工业设计, 且适应性广, 对于岩土工程 (如边坡、地基、隧道) 的设计, 运用也特别广泛。有限元极限分析法包括:1) 有限元强度折减法;2) 有限元增量加载法。本次分析采用ANSYS有限元强度折减法。
2.1 边坡失稳的判据
1) 以有限元数值迭代不收敛作为边坡失稳的标志;2) 以特征点的位移突变作为边坡失稳标志;3) 以广义塑性应变或等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡失稳的标志[2]。本次分析设定计算模型最终计算数值迭代不收敛为边坡失稳依据。
2.2 材料模型的设定
ANSYS中能用于岩土材料的只有D-P模型, D-P模型是理想弹塑性模型。理想弹塑性即材料应力达到屈服极限以后, 应力不再增大, 应变会一直增加。ANSYS中设置D-P模型需要输入3个参数, 分别为粘聚力c, 内摩擦角φ, 膨胀角φf。其中膨胀角φf是用来控制体积膨胀大小的。在岩土工程中, 一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀, 因为颗粒重新排列了;而一般的砂土或正常固结的土体, 只会发生减缩。故本模型将膨胀角φf设置为0是合理的。
2.3 有限元强度折减理论
强度折减法是有限元分析中最常用的方法之一, 对于本材料模型中的粘聚力c, 内摩擦角φ, 则是需要折减的参数。强度折减法即是将c和φ同除以一个折减系数, 得到新的c和φ, 记为c'和φ'[3]。然后作为新的土体强度参数输入模型, 进行试算, 以此类推。相应折减公式如下:
当最终计算数值迭代不收敛时, 此时对应的折减系数F即是该边坡的安全系数。
3 工程实例
某水电站进场公路旁有一边坡, 其组成岩性比较单一, 岩体裂隙发育程度较弱, 地下水水位较低。因此, 对该边坡的工程地质情况做出两点假设:1) 边坡为均质边坡;2) 忽略地下水的影响, 以便简化计算模型。坡高125 m, 纵向长2 000 m。对于这种纵向很长的实体, 计算模型可以简化为平面应变问题。对于边坡的稳定性分析, 实践表明这种假设是合理的。该边坡围岩岩石力学参数见表1。
本次分析主要内容是在两种计算模型下的三种工况下模拟开挖上述边坡, 分析在不同工况下边坡的安全系数。工况类型如表2所示。
4 计算过程
1) 在ANSYS中选取所需单元, 围岩体选用Plane82单元, 工况二中用到的支护混凝土选用Beam3单元, 定义单元实常数以及赋予单元相关参数。
2) 在ANSYS环境中以m为单元创建分析模型, 并注意将计算过程中会被开挖的土体单独生成面, 以便于后面进行的“杀死面”操作。所有面 (或线) 赋予单元和材料属性;合理分配模型各线段划分比例, 划分网格, 如图1所示。
3) 根据边界条件在断面两侧施加UX方向约束, 底面施加UX, UY约束, 并施加重力加速度。
4) 设置求解选项, 求解。因为分析过程每一次都是从计算初始应力开始, 故不需要写初应力文件。完成初始应力求解后保存数据, 然后进行土体开挖和喷射混凝土支护模拟。两种计算模型开挖级数都是五级, 工况一和工况三类似, 工况二会进行支护模拟, 下面分别介绍:对工况一和工况三, 利用ANSYS程序的EKILL命令一级一级“杀死”开挖土体单元, 模拟土体开挖卸载施工, 求解, 保存求解数据。对工况二, 利用ANSYS程序的EKILL命令“杀死”开挖土体单元, “杀死”一级结束后就利用ANSYS程序中的EALIVE命令激活喷射混凝土, 然后开挖下一级, 如此反复。求解, 保存求解数据。
5 计算结果分析
1) 对工况一:计算强度未折减的天然土体状态下开挖的数据, 然后分别计算折减系数F=1.2, 1.4…对应土体强度下开挖的数据。在ANSYS的后处理器中可以看出随着折减系数的变化, 模型节点的最大位移, XY方向剪应力, 塑性变形也在变化。当工况一的折减系数F=3.5, 数值计算收敛;折减系数F=3.6, 数值计算不收敛 (见图2) , 此时边坡失稳。
故工况一的安全系数为3.5。
2) 同理, 对工况二:由于喷射混凝土支护结构的存在, 边坡岩土体的稳定性得到改善。对土体强度进行折减, 当折减系数F=3.9时数值计算收敛, 当F=4.0时数值计算不收敛, 此时边坡失稳。对工况三:当折减系数F=4.0时数值计算收敛, 当F=4.1时数值计算不收敛, 此时边坡失稳。工况二、三的数值计算结果图类似于工况一, 此处不再赘述。
故工况二的安全系数为3.9, 工况三的安全系数为4.0。
6 结语
1) 利用ANSYS软件对边坡进行有限元分析, 其结果与工程实际相差不大, 证明这种分析方法是可行的。本文利用ANSYS软件的初应力输入和单元生死功能, 模拟了在天然状态下、开挖过程中以及开挖并支护状态下边坡的应力场, 取得了比较好的效果。
2) 改变开挖坡率, 边坡的安全系数产生变化。坡率大 (工况三) 的安全系数较坡率小 (工况一) 的安全系数大。当采取一定措施对以较小坡率开挖的边坡进行支护, 如喷射混凝土, 可以加大安全系数。此种开挖并支护的方式可以推广, 对工程具有参考意义。若在实际工程中, 工况二的开挖成本低于工况三, 而且安全系数也不低于工况三, 那么优先采用工况二进行开挖。
3) 在模拟开挖时, 作了以下两点假设:a.边坡为均质边坡;b.忽略地下水的影响。但是毕竟围岩体内存在软弱结构面, 发育程度较弱的裂隙, 地下水, 如果要考虑这些因素对边坡稳定性的影响, 那么如何定量地对围岩模型施加这些因素, 则是应当继续研究的问题。
摘要：利用ANSYS有限元强度折减法, 对某边坡开挖施工进行了模拟分析, 通过计算两种开挖坡率、三种不同工况下对应的边坡安全系数, 综合分析了各种工况下边坡的稳定性与安全性, 得出了一些有应用价值的结论。
关键词：ANSYS软件,边坡开挖,支护,安全系数
参考文献
[1]陈华, 房锐, 赵有明, 等.基于有限元强度折减法的岩石高边坡稳定性分析[J].公路, 2009 (10) :31-32.
[2]谢荣昌, 齐伟, 李彬.基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析[J].边坡工程, 2008, 12 (2) :69-70.
ANSYS计算 第8篇
关键词：沥青路面结构,ANSYS,变异性,敏感性,相关性
1 概述
目前针对沥青路面可靠度的计算方法, 国内外主要有蒙特卡罗法、响应面法、一次二阶矩法和直接积分法等。几种方法各有其优缺点。ANSYS作为一个非常有效的大型有限元分析软件, 目前在结构力学分析上的应用越来越广泛, 其自带的基于数值模拟技术 (蒙特卡罗法、响应面法) 的可靠度分析模块有着非常强大的功能性和通用性, 目前在隧道可靠度、桥梁可靠度的计算中都有应用, 而它在路面结构可靠度分析上还应用较少, 有着很大的发展空间。笔者现采用ANSYS来计算分析沥青路面的可靠度, 通过与Matlab编制的程序相比较, 该方法有着较强的实用价值和精确性。
2 路面结构的可靠度理论
路面设计的可靠度可以定义为:路面在设计期内, 其使用性能在环境和交通作用下符合预定要求的概率。按照我国交通部主编的《公路工程结构可靠度设计统一标准》 (GS/T50283-1999) , 并结合沥青路面的特点和使用要求, 沥青路面的可靠度可以定义为:对于正常设计、正常施工和正常使用的路面结构, 在路面达到规定的设计累计标准轴载作用次数的时间内, 表面最大弯沉ls不超过其容许值lR的概率。现行规范实测弯沉计算公式非常复杂, 并包含修正系数。对此采用数值模拟的方法来获取路面弯沉。
2.1 蒙特卡罗法
蒙特卡罗法是最直接的一种方法, 该法通过对随机变量的大量抽样, 对抽样结果进行统计后获得结构的失效概率。蒙特卡罗法也因此被公认为相对精确法。
工程结构的破坏概率可以表示为:
用蒙特卡罗发表示的 (2.3) 可写为
式中, N为抽样模拟总数;当 时, 反之 ;冠标“^”表示抽样值。所以, (2.13) 的抽样方差为
当选取95%的置信度来保证蒙特卡罗法的抽样误差时, 有
或者以相对误差ε来表示, 有
考虑到pXÁ通常是一个小量, 则上式可以近似地表示为:
当给定ε=0.2时, 抽样数目N就必须满足
这就意味着抽样数目N是与pXÁ成反比;当pXÁ=10-3时, N=105才能获得对Pf的足够可靠的估计;而工程结构的破坏概率通常是较小的, 这说明N必须要有足够大的数目才能给出正确的估计。所以, 直接的蒙特卡罗法难以应用于实际工程结构分析中, 需要利用方差缩减技术, 降低抽样模拟数目N, 才能使蒙特卡罗法得以应用。ANSYS自带的蒙特卡罗法计算程序, 其抽样方法有3种, 本文采用拉丁超立方法, 此法避免了重复抽样, 效率最高。
2.2 沥青路面结构的蒙特卡罗有限元模拟
2.2.1 确定性有限元模型的建立
某一级公路, 路面宽15m, 中间设分隔带, 两侧各设2个车道, 单向行驶 (η=0.4) , 标准轴载为BZZ-100, 交通量平均增长率γ=4.5%, 路面设计使用年限t=15。累计当量轴次Ne=3125312次, 设计弯沉35 (0.01mm) 。路面结构如图1所示。
假设材料组成具有各向同性的线弹性特性, 路面模型的尺寸 (X×Y×Z) 为2.5m×2.5m×2.5m。标准轴载为BZZ-100, 轮胎接地压强为0.7MPa, 当量圆半径为10.65cm, 两轮中心距为1.5d, 为了计算方便, 车轮荷载简化为18.9cm×18.9cm的正方形均布荷载, 接触面积为357.21cm2, 双轮中心距32cm。
单元划分采用SOLID45, 在轮隙中心处生成节点, 观测Z向位移即路表弯沉。在轮载作用范围内细分网格。模型见图2。
边界条件:右侧UX=0, 上侧UY=0, 底面全部约束, 左侧和下侧分别施加SYMMETRY B.C对称约束。轮载尺寸内施加均布荷载0.7MPa, 运行求解。
提取路表节点的Z向位移如图3, 可以看出路面弯沉盆状凹陷, 影响半径较小, 符合路面结构的力学特性。
2.2.2 随机输入变量和输出变量的确定, 具体见表1
定义原点处的Z向位移为输出变量
2.2.3 蒙特卡罗模拟
采用拉丁超立方法进行抽样, 蒙特卡罗有限元模拟500次, 采用置信水平95%。
2.2.4 模拟结果分析
2.2.4. 1 可靠度计算
首先对模拟次数是否足够进行验证, 如图4, 图5。
可以看出, 弯沉均值和标准差关于采样次数的曲线都已收敛, 说明模拟次数已经足够。
2.2.4.2 敏感性分析, 如图6:
2.2.4.3 输入变量相关性分析, 如图7显示E1与H1的相关性散点图。
从图7可以看出, 两者相关程度比较低, 利用ANSYS计算其他变量间的相关程度, 发现都比较低, 说明本文把输入变量作为统计独立处理是可行的。
以上ANSYS的分析结果, 通过与利用Matlab自编的程序计算结果 (并以此为精确解) 相对比, 发现可靠度计算结果符合工程精度的要求, 敏感性分析结果相近, 说明利用ANSYS计算沥青路面结构可靠度是可行的, 并能得到满意的结果。
3 结论
3.1利用ANSYS数值模拟取得了路表弯沉的确定值, 利用蒙特卡罗模拟, 并与自编程序对比, 验算了随机输出变量即路表弯沉可靠度符合工程精度的要求。
3.2给出了设计参数对于沥青路面结构可靠度影响的大小, 为路面施工提出一定的指导意见。
3.3利用散点图发现输入变量的相关程度都比较低, 说明将他们作为统计独立变量是可取的。
参考文献
[1]陈佩林, 梁锡山.用蒙特卡罗法分析沥青路面结构的可靠度[J].广东公路交通, 1998 (1) :24-27.
[2]邓学钧, 黄晓明.路面设计原理与方法[M].北京:人民交通出版社, 2001, 5.
[3]张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M].北京:清华大学出版社, 2003.
[4]秦权, 林道锦, 梅刚.结构可靠度随机有限元-理论及工程应用[M].北京:清华大学出版社, 2006.
[5]桂劲松, 康海贵.结构可靠度分析的响应面法及其Matlab实现[J].计算力学学报, 2004, 21 (6) :683-687.
ANSYS计算 第9篇
1 应力强度因子的求解结果
不同荷载下, ANSYS对裂纹尖端应力强度因子的求解结果如表2 所示。与解析解进行对比, 并计算出其相对误差。
将求解结果绘制成图1。
从图1 中可以看出, 应力强度因子的数值解与理论解接近, 且均与张拉应力呈正比关系。随着应力值的增加, 相对误差并没有出现大的变化, 证明用ANSYS求解应力强度因子是可行的, 并且随着应力的增加, 其结果呈线性增长, 增长函数与直线y =0. 850 0x-0. 218 0 较为接近。
2 最大应力强度和等效应力的求解结果
不同荷载下, ANSYS对模型最大应力强度和等效应力的求解结果如表3 所示。
将求解结果绘制成图2。
最大应力强度 ( SINT) 和等效应力 ( SEQV) 均在裂尖处, 并与拉应力荷载呈正比关系, 其结果呈线性增长, 增长函数分别为直线y = 4. 061 4x-0. 001 3和直线y = 4. 035 0x+0. 004 0 较为接近。
将50 MPa, 200 MPa, 350 MPa, 500 MPa拉应力条件下模型的应力强度 ( SINT) 和等效应力 ( SEQV) 分布云图进行对比, 见图3。
从图3 中可以看出, 应力的分布比例大致相同, 通过查看应力云图可以清楚地了解模型的危险区域以及模型的变形情况。
3 结语
1) ANSYS中应力强度因子是随着均布荷载的增加呈线性增长, 这与理论公式是相符的[5]。2) 模型的应力最大值均出现在裂尖处, 裂尖周围应力分布相对集中, 是模型的危险区域。
参考文献
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[2]陈炜, 庄顺胥, 王飞飞.工程结构多裂纹应力强度因子分析[J].科技与创新, 2014 (19) :24.
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[4]张朝晖.ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社, 2010.
ANSYS计算 第10篇
关键词：有限元,ANSYS软件,磁保持继电器,力矩特性曲线
0 引言
磁保持继电器又称磁闭锁电器或脉冲继电器,具有低功耗、耐冲击、高灵敏度、较快的动作速度以及良好的抗震动性等优点,最初被主要应用于军工、航天飞行器和卫星等重要行业,后来随着经济的发展,磁保持继电器开始广泛应用于电力行业。电磁机构作为磁保持继电器的重要组成部分,为整个继电器提供力矩和磁链,它的参数是否合理直接决定了继电器能否正常工作,因此对电磁系统的计算是十分必要的。
分析电磁系统传统的方法是磁路计算,以前已经有很多学者利用磁路计算分析电磁系统[1],这种传统的计算方法过程复杂,要利用网络阻抗的方法进行磁路的计算,首先得出气息磁导,不仅计算方法十分复杂,计算十分困难,而且误差很大,这种方法适合理论分析,不适合实际的计算,在大型计算软件出现之前一直使用此方法,效率很低,结果精确度也很差。后来一些学者虽然用到ANSYS有限元分析软件计算磁保持继电器的电磁系统,但是计算的是电磁吸力[2],旋转式的磁保持继电器用吸力进行分析会有一定的误差,应该计算其力矩要更为精确些。当今时代,ANSYS有限元分析计算在电磁系统应用越来越广泛[3,4,5],越来越受到人们的重视。
文中利用ANSYS有限元分析软件对某型号的旋转式磁保持继电器进行了电磁系统的计算,得出了在不加电流时的力矩特性曲线和施加电流时的合力矩的特性曲线,可以验证磁保持继电器的电磁系统设计是否合理。
1 有限元仿真的分析
1.1 建立电磁系统的模型
图1是该磁保持继电器的电磁机构简图,其结构包括衔铁组件(包括永久磁铁和磁极片)、轭铁、铁芯和线圈。它通过轭铁与磁极片之间的工作气隙和衔铁组件,可以将电磁能转换为机械能,从而带动整个接触机构工作。磁保持继电器的铁芯与轭铁牢固结合,均采用高导磁的磁材料。磁保持继电器的工作原理很简单,当线圈中通以一定方向的电流脉冲时,在电磁机构衔铁组件的两个磁极间的磁场与永久磁铁的磁场方向相同,二者相互叠加产生的作用力使衔铁组件发生旋转。当电流消失时,由于永久磁铁的作用依然存在,使得衔铁组件仍旧保持在这个位置,此时称为磁保持继电器的闭合状态[6]。同理,当线圈中通以反向电流脉冲时,两个磁极间会有与永久磁铁方向相反的磁场,并克服永久磁场的作用使得衔铁组件反向旋转。电流消失时,在永久磁铁作用下,衔铁组件继续保持在该位置,此时称为磁保持继电器的断开状态,这就是磁保持继电器的双稳态[7]。
在ANSYS软件中建立的电磁机构模型里面包含了永久磁铁和磁极片、轭铁、铁芯,因为此旋转式磁保持继电器具有对称性,因此可以建一半模型,然后计算的时候数据乘以2即可,这样可以在划分网格的时候节约时间,缩短总的计算时间,提高效率。
线圈以外的模型建完后,就要施加线圈来给电磁系统励磁,对于该单相旋转式磁保持继电器,只需对它加载电流激励即可,而电流要施加在线圈上,可以用SOURC36单元通过宏RACE建立电流型的“跑道”线圈。虽然模型建立了一半,但建立的线圈仍然是以一个完整的整体,不是以二分之一。跑道型线圈的外形及各参数的含义如图2所示。其中YC和XC是用来定位的,是从中心位置到线圈上面轴线和侧面轴线的距离,确定了线圈的位置,RAD表示拐角处拐角圆的半径,是从圆心到小圆弧和大圆弧中间圆弧的距离,DY表示线圈的厚度,DZ表示线圈的长度,也就是外部铁芯的长度,TCUR表示磁动势,也就是线圈匝数N与线圈中所通电流I的乘积。
1.2 建立空气场并赋予材料属性
考虑到模型周围会有一定的漏磁现象,所以在划分网格前需要在模型外面建立空气层,空气的相对磁导率为1.0。磁钢是永久磁铁,为锶铁氧体,牌号是Y30BH,相对磁导率1.426 5。金属材料为电工纯铁(DT4E),由于DT4E是非线性的铁磁材料,在定义B-H曲线时应该在拐点的地方多选取一些点,否则会增大误差,绘制的B-H曲线如图3所示。由图像可以看出,电工纯铁在1.8 T时基本趋于饱和。
1.3 网络划分
给模型赋予材料属性后,下一步就是网络划分,将每个模块划分为小单元,这一步是很重要的,网络划分的越细致,结果就越来越接近实际值,精确度越高,不过划分的越细,时间越长,效率会降低,因此划分的时候要注意,选择合适的精度即可,对于关键的部分网络划分要细一些,对于其他部分划分的大一些或者自由划分即可,对于某些规则的单元进行规则划分。跑道线圈是建立的虚拟电流源,因此不需要对其进行网络划分。文中划分单元类型选择四面体(3D),对轭铁上圆孔与铁芯之间的气隙、轭铁片与铁芯之间的气隙、磁钢、磁极以及部分轭铁进行规则划分,其余空气层、铁芯、轭铁剩余部分进行自由划分,同时也要适当控制其尺寸,保证划分结果中既不会有畸形单元也不会浪费计算资源或消耗过长的时间。图4是网格划分后的整体模型。
1.4 施加边界条件
网络划分完成之后,就该添加边界条件。在电磁系统的求解问题中有很多的边界条件,通常给定的边值条件有三种类型,因此分别对应了三种边值问题。
1)第一类边界条件:给定边界上的电位值,也称为狄利克雷边界条件。一般与场源相连的导体其电位为常数且等于外加电源的电压,这就属于第一类边界条件。该边界条件与泛定方程一起构成第一类边值问题。
2)第二类边界条件:给定边界上电位函数的法向导数值,也称为诺依曼边界条件。该边界条件与泛定方程一起构成第二类边值问题。
3)第三类边值问题:部分边界上给定电位函数值,部分边界给定其法向导数,即前面两种边界条件的线性组合,也称为柯西边界条件。该边界条件与泛定方程一起构成第三类边值问题,或者称为混合边值问题。
文中用到的边界条件是系统默认的边界条件,也就是磁力线平行的条件。要计算电磁力矩,需要施加力标志,这就需要用到ANSYS中的宏FMAGSUM,它以表格的形式对作用在物体上的Maxwell和虚功力求和,前提是该物体必须被定义为一个单元组件。可以用CM命令将衔铁组件定义成一个组件,对其重新命名,然后用宏FMAGBC施加上力标志。
施加力标志后的模型如图5所示,深色部分表示施加力标志的衔铁组件的部分,突出的圆柱部分是建立的跑道线圈,外围的长方体是建立的空气场。
2 磁保持继电器的反力特性
因为该旋转式的磁保持继电器的电磁系统没有弹簧,其反力矩是由永久磁铁所提供的。也就是在电流为0的情况下,不同的角度对应的电磁力矩做成的曲线就是该旋转式磁保持继电器的反力特性曲线。曲线如图6所示,横坐标是旋转角度,单位是(°),该旋转式磁保持继电器的旋转角度的范围为[-7,7],纵坐标是衔铁组件的力矩,单位为N·m。不过在通过0°之后的力矩是负值,它有助于衔铁的运动,并不是阻碍的,因此再求解电磁转矩的时候直接求解合力矩,这样得到的结果更加精确。
3 静态仿真以及力矩的计算
旋转式磁保持继电器的静态磁仿真就是计算在给定电流和旋转角度下的电磁力矩以及磁感应强度的适量分布情况。文中计算的旋转式磁保持继电器额定电压是6 V,线圈是单线圈,线圈电阻是36Ω,还有10%的误差,所以电阻范围为[32.4Ω,38.6Ω],额定功率是1 W,因此电流的峰值范围是[0.155 A,0.185 A]。该磁保持继电器给线圈施加的电压是脉冲电压,额定电压是6 V,脉冲宽度要大于或等于60 ms,而该旋转式磁保持继电器的吸合时间和分断时间是20 ms,远小于施加的脉冲电压,因此可以计算电流在峰值情况下的电磁转矩和磁感应强度,图7为不同角度、不同电流下的磁链曲线。利用求解力矩的命令流求解力矩,在ANSYS中设定显示结果的文件中查看force文件,里面可以显示求解合力矩的结果。施加电流为0.167 A、旋转角度为7°时,求得合力矩为0.913×10-3N·m。施加电流为0.167 A,角度为3°时的合力矩为3.771×10-3N·m。
通过衔铁组件、轭铁、铁芯和气隙的磁通是主磁通,其他位置的是漏磁通,由仿真结果可以得出铁芯和轭铁连接处的漏磁通最大,随着角度的减小漏磁通也逐渐增大,衔铁与轭铁连接处也有一定的漏磁通。随着衔铁组件的运动,永磁体提供的反力矩在逐渐减小,合力矩在逐渐增大,最终改变吸合状态,然后电压脉冲消失,永磁体使其保持现状不变,如果想改变吸合状态,就给线圈通入反向的电流脉冲,这样动作力矩和反力矩的方向都改变,运动过程就和吸合的过程相反。在求解完成后,为了方便数据的读取,需要通过以下命令流对求解出的电磁力矩和磁链值以文本文档的形式进行数据保存:
这样运行完成后就可以在ANSYS自己指定的文件夹下的force文件中查看所求得的结果,方便记录保存。显示磁感应强度的矢量图,可以用GUI输出,从主菜单中选择Main-General-Plot ResultVector Plot-Predefined,然后选择Mag flux dens B确定后显示图像,可以添加以下命令流,用来显示磁感应强度图像:PLNSOL,B,Y/ui,copy,save,bmp.graph,color,reverse,portrait,yes。
4 绘制力矩的特性曲线
为了得到衔铁处于不同角度位置的电磁力矩,就要在施加电流峰值的情况下改变旋转角度,通过电磁力矩的命令流来计算不同角度的合力矩,并将其绘制成合力矩曲线,图8是不同电流时的各个角度的合力矩特性曲线,横坐标是衔铁组件转过的角度,纵坐标是不同角度下的合力矩。电流增大到0.167 A时,电流增大,磁链随之增大,力矩也随之增大,当电流增大到0.18 A时,力矩也随之增大,不过增大的幅度并不大,因为该磁保持继电器的额定电流是0.167 A,当电流为额定电流时,电工纯铁基本趋于磁饱和,电流增加相同的幅度,磁链的变化幅度会很小,力矩变化也很小,所以在图中两条曲线基本是重合的。合力矩只要大于0就是合理的,就能够正常地工作,越是趋近于0,消耗的电能就越少,越是节约能源。该磁保持继电器电流波动范围内的的合力矩曲线都是大于0的,说明其电磁系统是合理的,是可以正常工作的。
5 结语
文中基于ANSYS有限元分析的方法对单相旋转式磁保持继电器进行了静态电磁系统的计算,计算出了不同电流和不同旋转角度下的合力矩,绘制出了合力矩的曲线图,并通过这些曲线图验证了其静态电磁系统参数的合理性,输出了在不同角度下的磁感应强度矢量图,通过对仿真结果的分析得出了各个部分的磁感应强度大小及漏磁通的分布,为继电器的优化设计提供了有效手段。这种方法能够快速准确的验证继电器的电磁系统是否合理,降低了计算成本,提高了经济效率。
参考文献
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[6]徐名中.磁保持继电器的原理及试验方法[J].广西质量监督导报,2011(11):50-51.
ANSYS计算 第11篇
关键词：大体积混凝土,徐变应力,ANSYS,仿真分析
大型通用有限元软件ANSYS具有强大的前后处理、求解内核以及二次开发等功能, 在土木工程CAE仿真分析中得到越来越广泛的应用。在利用ANSYS进行大体积混凝土施工养护期中的温度徐变应力的仿真分析时, 如果按ANSYS关于瞬态与静态分析的有关理论, 大体积混凝土在施工期的温度应力场分析实际上是一个与速率相关 (徐变率) 的非线性瞬态分析问题, 但由于ANSYS缺少专门用于分析施工期混凝土徐变应力的功能模块, 这造成应用ANSYS软件按瞬态问题来分析大体积混凝土施工期温度徐变应力场的困难, 本论文要解决的正是该关键问题。
1 温度徐变应力程序设计思路
ANSYS提供了大量的徐应变率方程, 在方程库中分为隐式方程与显式方程两类, 但对于处于施工养护期中弹性模量及徐变度都随龄期不断变化的混凝土这一特殊材料, ANSYS并没有提供合适的徐变方程, 并且对于混凝土由于徐变而产生的应力松弛也没有专门的模拟模块。这就需要充分利用ANSYS良好的二次开发功能, 开发出本专业适用的新模块。下面阐述本论文基于ANSYS平台计算温度徐变应力的理论依据与思路。
1.1 混凝土的应力松弛
徐变对结构的影响有两类:一类是结构边界无位移约束, 只受到已知外力的作用, 结构内部无温度变化, 只受到已知体积力的作用 (边界力和体积力保持平衡) , 在徐变泊松比为常数并等于瞬时弹性变形泊松比的条件下[1], 徐变不影响结构的应力, 只影响结构的应变和位移。另一类是结构边界上给定已知位移, 结构内部有温度T, 无体积力, 并且徐变泊松比为常数并等于瞬时弹性变形泊松比, 徐变不影响结构应变和位移, 但影响应力, 即这种由温度、收缩、支承的不均匀沉陷所引起的结构应力状态, 徐变会导致应力的较大缩减, 这种应变不变, 应力随时间减少的现象称为应力松弛[3]。大体积混凝土在早龄期的温度应力会产生相当大的应力松弛, 对防止混凝土开裂有益, 因此在计算混凝土温度应力时应考虑应力松弛的影响。
由于混凝土的应力松弛, 在常量应变ε (τ) 的作用下, 到任意时间t时的应力为:
σ (t) =R (t, τ) ε (τ) (1)
其中, R (t, τ) 为混凝土的松弛模量。松弛模量R (t, τ) 与弹性模量E (τ) 的比值称为松弛系数, 记为K (t, τ) , 计算如下:
混凝土松弛系数的表达式有多种, 本论文取朱伯芳院士在1985年提出的指数函数式[1]:
1.2 增量法计算温度徐变应力场
由于大体积混凝土在浇筑后混凝土的弹性模量和松弛系数都随时间而变化, 不能采用常规的方法, 可采用增量法计算。如图1所示, 把时间划分为一系列时段:Δτ1, Δτ2, …, Δτi, …, Δτn。
在初始瞬时的应变为ε0=ε (τ0) , 当t>τ0, 应力增量为:Δε1, Δε2, …, Δεi, …, Δεn。应变ε (t) 本是连续变化的, 为简化计算, 假定这些应变增量是在相应时段Δτi=τi-τi-1的中点突然发生的, 即假定Δεi是在第i时段Δτi的中点龄期突然发生的。
这样, 原来光滑的应变曲线ε (t) 就被一条阶梯形变化的应变曲线所代替, 如图1a) 中虚线所示。应变ε (t) 为应变增量Δεi的累积和:
ε (t) =∑Δεi (5)
式 (5) 可以这样理解:在中点龄期
初始应变ε0引起的瞬时弹性应力为E (τ0) ε (τ0) , 由于徐变的影响, 到时间t的应力为:
σ (t) =R (t, τ0) ε (τ0) (6)
应变增量Δεi引起的瞬时弹性应力增量为E (
这些应力增量在图1b) 中用阴影表示, 把这些应力增量累加起来, 即得到时间t的应力σ (t) :
根据式 (2) , 式 (8) 也可写成:
即:
假设大体积混凝土在施工养护期中, 结构不承受外力, 只在内部有温度变化, 则式 (10) 中的Δσ*i为在时段Δτi=τi-τi-1 的中点
2 ANSYS程序模块设计
根据以上的理论思路, 把大体积混凝土施工养护期按天数划分时间段, 每一时间段假定弹性模量为一常值, 每天所产生的弹性温度应力增量假定在该天的中间发生, 这样, 考虑大体积混凝土温度徐变应力的计算就可先用ANSYS计算出每一时间段内产生的温度弹性应力增量, 然后乘以松弛系数, 再对各时段进行累加便得到每一荷载步 (每天) 结束时的温度徐变应力计算结果, 利用ANSYS的APDL编程语言即可实现目的。这样就把瞬态分析连续过程划分为了一系列时段, 然后在每一时段内按ANSYS静态分析问题采用增量法进行求解。这种静态分析相当于在瞬态法分析中施加“阶跃”载荷[4], 当时间段划分足够小时, 稳态或瞬态分析的结果差别应该很小, 能够满足工程精度。
温度徐变应力的计算流程见图2, 经过ANSYS温度弹性应力计算模块处理后, 再接驳应力松弛效应计算模块进行处理, 得到温度徐变应力计算数据后, 就可通过编制专用的后处理模块来显示想要的截面云图或曲线图表。这三大模块可通过ANSYS提供的UIDL语言开发集成一个专用分析系统。
3 工程算例
某电厂二期工程的锅炉基础外形尺寸为58 m×45 m×4.75 m, 属超厚大体积混凝土, 混凝土强度等级为C30。混凝土块式基础不分层不分缝, 采用5个搅拌站8辆泵车整体一次性连续浇筑完成。混凝土养护期共持续45 d, 养护期混凝土外表面覆盖两层草袋进行保温。在养护期中防止混凝土出现温度裂缝极其关键, 我们应用本论文开发集成的温度徐变应力场专用系统进行仿真分析。
仿真分析取40 d, 图3给出了混凝土中轴竖线上底、中及顶三点的温度徐变应力时程曲线, 图4给出了第40天中心截面应力云图。通过仿真分析可知, 在养护期内, 混凝土的侧面与顶面均出现拉应力, 而最大拉应力首先出现在混凝土侧面周边部位 (这说明在养护期中, 对混凝土侧面做好保温工作是极其重要的) 。中部点的拉应力在第40天时还呈上升趋势, 故对于4.75 m厚的超大混凝土的养护期要比一般的大体积混凝土延长10 d～15 d。第40天的抗裂安全系数为2.01/1.43=1.41>1.15, 满足验算。该工程共养护45 d后, 拆模并回填土, 基础经质量检查评定, 混凝土均无贯穿裂缝和表面裂缝出现, 这与仿真分析结果是一致的。
4 结语
当不考虑混凝土的自身体积应变增量以及干缩应变增量时, 大体积混凝土在施工期只有温度弹性应变增量, 相应地有温度弹性应力增量, 对于混凝土应力松弛问题, 温度弹性应变增量产生后即保持不变, 而徐变使温度弹性应力增量不断衰减。混凝土温度徐变应力的分析可以把连续的时间划分为一系列时间段, 采用增量法计算。温度弹性应变所对应的温度弹性应力可以应用ANSYS的计算内核求解得到, 而对于徐变所产生的应力松弛效应, 通过编制应力松弛程序模块进行模拟, 本论文基于该思路, 通过APDL语言编制温度弹性应力计算模块、应力松弛效应计算模块以及专用的后处理模块, 该方法有效地解决了利用ANSYS进行混凝土温度徐变应力仿真分析的关键性问题。
参考文献
[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社, 2005:195, 218-238.
[2]吴晓枫, 陆玲娣.大体积混凝土温度监测和控制的探讨[J].山西建筑, 2007, 33 (3) :120-121.
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