ANSYS高級(jí)分析技術(shù)指南—單元的生和死

2017-07-20  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

ANSYS高級(jí)分析技術(shù)指南—單元的生和死

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何為單元的生和死?

如果模型中加入(或刪除)材料,模型中相應(yīng)的單元就“存在”(或消亡)。單元生死選項(xiàng)就用于在這種情況下殺死或重新激活選擇的單元。(可用的單元類型在表6-1中列出。)本選項(xiàng)主要用于鉆孔(如開(kāi)礦和挖通道等),建筑物施工過(guò)程(如橋的建筑過(guò)程),順序組裝(如分層的計(jì)算機(jī)芯片組裝)和另外一些用戶可以根據(jù)單元位置來(lái)方便的激活和不激活它們的一些應(yīng)用中。單元生死功能只適用于ANSYS/Multiphysics,ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural產(chǎn)品。

Table 6-1 Elements with birth and death capability

在一些情況下,單元的生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS的計(jì)算數(shù)值決定,如溫度,應(yīng)力,應(yīng)變等。可以用ETABLE命令(Main Menu>General Postproc>ElementTable>Define Table)和ESEL命令(Utility Menu>Select>Entities)來(lái)確定選擇的單元的相關(guān)數(shù)據(jù),也可以改變單元的狀態(tài)(溶和,固結(jié),俘獲等)。本過(guò)程對(duì)于由相變引起的模型效應(yīng)(如焊接過(guò)程中原不生效的熔融材料變?yōu)樯У哪Ｐ腕w的一部分),失效擴(kuò)展和另外一些分析過(guò)程中的單元變化是有效的。

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單元生死是如何工作的?

要激活“單元死”的效果,ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除,而是將其剛度(或傳導(dǎo),或其他分析特性)矩陣乘以一個(gè)很小的因子[ESTIF]。因子缺省值為1.0E-6,可以賦為其他數(shù)值(詳見(jiàn)“施加載荷并求解”一章)。死單元的單元載荷將為0,從而不對(duì)載荷向量生效(但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn))。同樣,死單元的質(zhì)量,阻尼,比熱和其他類似效果也設(shè)為0值。死單元的質(zhì)量和能量將不包括在模型求解結(jié)果中。單元的應(yīng)變?cè)凇皻⑺馈钡耐瑫r(shí)也將設(shè)為0。與上面的過(guò)程相似,如果單元“出生”,并不是將其加到模型中,而是重新激活它們。用戶必須在PREP7中生成所有單元,包括后面要被激活的單元。在求解器中不能生成新的單元。要“加入”一個(gè)單元,先殺死它,然后在合適的載荷步中重新激活它。當(dāng)一個(gè)單元被重新激活時(shí),其剛度,質(zhì)量,單元載荷等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒(méi)有應(yīng)變記錄(也無(wú)熱量存儲(chǔ)等)。但是,初應(yīng)變以實(shí)參形式輸入(如LINK1單元)的不為單元生死選項(xiàng)所影響。而且,除非是打開(kāi)了大變形選項(xiàng)[NLGEOM,ON],一些單元類型將以它們以前的幾何特性恢復(fù)(大變形效果有時(shí)用來(lái)得到合理的結(jié)果)。單元在被激活后第一個(gè)求解過(guò)程中同樣可以有熱應(yīng)(等于a*(T-TREF)),如果其承受熱量體載荷。

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如何使用單元生死特性

可以在大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中使用單元生死,其基本過(guò)程與相應(yīng)的分析過(guò)程是一致的。對(duì)于其他分析來(lái)說(shuō),這一過(guò)程主要包括以下三步:

• 建模

• 施加載荷并求解

• 查看結(jié)果

  
  

修改基本分析步驟如下以包括單元生死特征:

建模:

在PREP7中,生成所有單元,包括那些只有在以后載荷步中才激活的單元。在PREP7外不能生成新的單元。

施加載荷并求解:

在SOLUTION中完成以下操作:

—定義第一個(gè)載荷步:

在第一個(gè)載荷步中,用戶必須選擇分析類型和所有的分析選項(xiàng)。用下列方法指定分析類型:

Command: ANTYPE

GUI: Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis

在結(jié)構(gòu)分析中,大變形效果應(yīng)打開(kāi)。用下列命令設(shè)置該選項(xiàng):

Command: NLGEOM,ON

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

對(duì)于所有單元生死應(yīng)用,在第一個(gè)載荷步中應(yīng)設(shè)置牛頓-拉夫森選項(xiàng),因?yàn)槌绦虿荒茴A(yù)知EKILL命令出現(xiàn)在后面的載荷步中。用下列命令完成該操作:

Command: NROPT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

殺死[EKILL]所有要加入到后續(xù)載荷步中的單元,用下列命令:

Command: EKILL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements

單元在載荷步的第一個(gè)子步被殺死(或激活),然后在整個(gè)載荷步中保持該狀態(tài)。要注意保證使用缺省的矩陣縮減因子不會(huì)引起一些問(wèn)題。有些情況下要考慮用嚴(yán)格的縮減因子。用下列方法指定縮減因子數(shù)值:

Command: ESTIF

GUI: Main Menu>Solution>Other>StiffnessMult

不與任何激活的單元相連的結(jié)點(diǎn)將“漂移”,或具有浮動(dòng)的自由度數(shù)值。在一些情況下,用戶可能想約束不被激活的自由度[D,CP等]以減少要求解的方程的數(shù)目,并防止出現(xiàn)位置錯(cuò)誤。約束非激活自由度,在重新激活的單元要有特定的(或溫度等)時(shí)很有影響,因?yàn)樵谥匦录せ顔卧獣r(shí)要?jiǎng)h除這些人為的約束。同時(shí)要?jiǎng)h除非激活自由度的結(jié)點(diǎn)載荷(也就是不與任意激活的單元相連的結(jié)點(diǎn))。同樣,用戶必須在重新激活在自由度上施加新的結(jié)點(diǎn)載荷。

下面是第一個(gè)載荷步中命令輸入示例:

!第一個(gè)載荷步

TIME,... !設(shè)定時(shí)間值(靜力分析選項(xiàng))

NLGEOM,ON !打開(kāi)大位移效果

NROPT,FULL !設(shè)定牛頓-拉夫森選項(xiàng)

ESTIF,... !設(shè)定非缺省縮減因子(可選)

ESEL,... !選擇在本載荷步中將不激活的單元

EKILL,... !不激活選擇的單元

ESEL,S,LIVE !選擇所有活動(dòng)單元

NSLE,S !選擇所有活動(dòng)結(jié)點(diǎn)

NSEL,INVE!選擇所有非活動(dòng)結(jié)點(diǎn)(不與活動(dòng)單元相連的結(jié)點(diǎn))

D,ALL,ALL,0 !約束所有不活動(dòng)的結(jié)點(diǎn)自由度(可選)

NSEL,ALL !選擇所有結(jié)點(diǎn)

ESEL,ALL !選擇所有單元

D,... !施加合適的約束

F,... !施加合適的活動(dòng)結(jié)點(diǎn)自由度載荷

SF,... !施加合適的單元載荷

BF,... !施加合適的體載荷

SAVE

SOLVE

請(qǐng)參閱TIME,NLGEOM,NROPT,ESTIF,ESEL,EKILL,NSLE,NSEL,D,F,SF和BF命

到更詳細(xì)的解釋。

后繼載荷步

在后繼載荷步中,用戶可以隨意殺死或重新激活單元。象上面提到的,要的施加和刪除約束和結(jié)點(diǎn)載荷。

用下列命令殺死單元:

Command:EKILL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements

用下列命令重新激活單元:

Command: EALIVE

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem

!第二個(gè)(或后繼)載荷步:

TIME,...

ESEL,...

EKILL,... !殺死選擇的單元

ESEL,...

EALIVE,... !重新激活選擇的單元

...

FDELE,... !刪除不活動(dòng)自由度的結(jié)點(diǎn)載荷

D,... !約束不活動(dòng)自由度

...

F,... !在活動(dòng)自由度上施加合適的結(jié)點(diǎn)載荷

DDELE,... !刪除重新激活的自由度上的約束

SAVE

SOLVE

請(qǐng)參閱TIME,ESEL,EKILL,EALIVE,FDELE,D,F和DDELE命令得到更詳細(xì)的解釋。

查看結(jié)果

對(duì)于大多數(shù)部分來(lái)說(shuō),用戶在對(duì)包含不激活或重新激活的單元操作時(shí)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程來(lái)做。但是必須清楚的是,“殺死”的單元仍在模型中,盡管對(duì)剛度(傳導(dǎo))矩陣的貢獻(xiàn)可以忽略。因此,它們將包括在單元顯示,輸出列表等操作中。例如,不激活的單元在結(jié)點(diǎn)結(jié)果平均(PLNSOL命令或Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu)時(shí)將“污染”結(jié)果。整個(gè)不激活單元的輸出應(yīng)當(dāng)被忽略,因?yàn)楹芏囗?xiàng)帶來(lái)的效果都很小。建議在單元顯示和其他后處理操作前用選擇功能將不激活的單元選出選擇集。

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使用ANSYS結(jié)果控制單元生死

在許多時(shí)候,用戶并不清楚的知道殺死和重新激活單元的確切位置。例如,用戶要在熱分析中“殺死”熔融的單元(在模型中移去溶化的材料),事先不會(huì)知道這些單元的位置;用戶必須根據(jù)ANSYS計(jì)算出的溫度確定這些單元。當(dāng)決定殺死或重新激活單元依靠ANSYS計(jì)算結(jié)果時(shí)(如溫度,應(yīng)力,應(yīng)變等),用戶可以使用命令識(shí)別并選擇關(guān)鍵單元。

用下列方法識(shí)別關(guān)鍵單元:

Command: ETABLE

GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table

用下列方法選擇關(guān)鍵單元:

Command:ESEL

GUI: Utility Menu>Select>Entities

然后用戶可以殺死或重新激活選擇的單元。(也可以用ANSYS APDL語(yǔ)言編寫宏以完成這些操作。)

用下列方法殺死選擇的單元:

Command:EKILL,ALL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements

用下列方法重新激活選擇的單元:

Command:EALIVE,ALL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem

下面的例子是殺死總應(yīng)變超過(guò)許用值的單元:

/SOLU !進(jìn)入求解器

...

... !標(biāo)準(zhǔn)的求解過(guò)程

SOLVE

FINISH

!

/POST1 !進(jìn)入POST1

SET,...

ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV !將總應(yīng)變存入ETABLE

ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 !選擇所有總應(yīng)變大于或等于0.20的單元

FINISH

!

/SOLU !重新進(jìn)入求解器

ANTYPE,,REST

EKILL,ALL !殺死選擇(超過(guò)允許值)的單元

ESEL,ALL !讀入所有單元

...

... !繼續(xù)求解

請(qǐng)參閱ETABLE,ESEL,ANTYPE和EKILL命令得到更詳細(xì)的解釋。

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進(jìn)一步的說(shuō)明

不活動(dòng)的自由度上不能施加約束方程[CE,CEINTF等]。(不活動(dòng)的自由度當(dāng)結(jié)點(diǎn)不與活動(dòng)的單元相連時(shí)出現(xiàn))。

可以通過(guò)先殺死然后重新激活單元的方法做應(yīng)力松弛(如退火)操作。

在非線性分析中,注意不要因?yàn)闅⑺阑蛑匦录せ顔卧鹌娈愋?如結(jié)構(gòu)分析中的尖角)或剛度突變。這將使得收斂困難。

在有單元生死的分析中打開(kāi)FULL牛頓-拉夫森方法的適應(yīng)下降選項(xiàng)將得到好的結(jié)果。用下列方法:

Command: NROPT,FULL,,ON

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

可以通過(guò)一個(gè)參數(shù)值來(lái)指示單元生死狀態(tài)[*GET,Par,ELEM,n,ATTR,LIVE]

(Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data)。該參數(shù)可以用于APDL邏輯分支(*IF等),或其他要控制單元生死的應(yīng)用場(chǎng)合中。

用戶可能想通過(guò)改變材料特性來(lái)殺死或重新激活單元[MPCHG](Main Menu>Preprocessor>Material Props>Change Mat Num)。但是,在這個(gè)過(guò)程中要特別小心。軟件保護(hù)系統(tǒng)和限制使得“殺死”的單元在求解器中改變材料特性時(shí)將不生效。(單元集中載荷不能自動(dòng)刪除;應(yīng)變,質(zhì)量,比熱等也不能刪除。)不當(dāng)?shù)氖褂肕PCHG命令將帶來(lái)許多問(wèn)題。例如,如果將單元的剛度縮減到近于0,而保留其質(zhì)量,在有加速度和慣性載荷的問(wèn)題中將產(chǎn)生奇異性。

一個(gè)MPCHG的應(yīng)用是在建立模型時(shí)涉及“出生”單元的應(yīng)變歷程的情況下。使用MPCHG可以得到單元在變形的結(jié)點(diǎn)構(gòu)造中的初始應(yīng)變。

在單元生死中不能用多載荷步求解[LSWRITE],因?yàn)椴患せ罨蛑匦录せ畹膯卧獱顟B(tài)將不寫入載荷步文件中。有多個(gè)載荷步的生死單元分析應(yīng)該用一系列的SOLVE命令(Main Menu>Solution>Current LS)來(lái)做。

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單元生死應(yīng)用實(shí)例(命令行格式)

問(wèn)題描述

等截面桿兩端固定,承受均勻的溫度載荷時(shí)將其中間1/3段移去。過(guò)程是將其應(yīng)變自由化并移去均勻溫度。分析其熱應(yīng)力和應(yīng)變情況。材料特性和幾何模型參數(shù)見(jiàn)下圖。

/PREP7

/TITLE, ELEMENT BIRTH/DEATH IN A FIXED BAR WITH THERMAL LOADING

ET,1,LINK1 !二維桿單元

MP,EX,1,30E6 !材料特性

MP,ALPX,1,.00005

MP,EX,2,30E6

MP,ALPX,2,.00005 !重新‘出生’單元的特性

MP,REFT,2,100 !單元出生的參考溫度

R,1,1.0

N,1

N,4,10

FILL

E,1,2

EGEN,3,1,-1 !生成三個(gè)單元

FINISH

/SOLU

ANTYPE,STATIC

D,1,ALL,,,4,3 !固定桿的兩端

TREF,0 !參考溫度0度

TUNIF,100 !均勻溫度載荷

NROPT,FULL

OUTPR,BASIC,ALL

SOLVE

EKILL,2 !‘殺死’中間的單元

SOLVE

EALIVE,2 !重新激活中間單元

MPCHG,2,2 !將材料特性改為2以生成自由應(yīng)變單元

SOLVE

TUNIF,0 !刪除溫度載荷

SOLVE

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