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Ansys Workbench瞬态动力学分析详解

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瞬态动力学分析(Transient Structural)用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应。可以确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷作用下,位移、应变、应力及力随时间变化。ANSYS Workbench 瞬态动力学分析项目流程,如下图所示。

Fig. 1 Ansys Workbench瞬态动力学分析流程图

行星轮系广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。齿面啮合产生的应力、冲击往往造成齿轮失效,如轮齿折断、齿面磨损等,因而有必要对行星轮系进行强度校核。本文以行星轮系刚柔耦合仿真为例,详细讲解Ansys Workbench瞬态动力学分析流程。

Fig. 2 行星齿轮传动

1 几何建模与导入

在Solidworks环境中,构建行星轮系CAD模型,保存为x_t格式。打开 Workbench,拖入Geometry,设置Units为mm。右击Geometry,选择并进入DM界面,通过Import External Geometry File导入模型,右击Attacxh1,选择Generate生成模型

Fig. 3 几何建模与导入

2材料与单元属性

关闭DM界面,拖拉Transient Structural至Geometry上。双击Engineering Data,材料选用结构钢。双击Model,进入Mechanical界面,展开Geometry修改刚度属性Stiffness Behavior,将内齿圈、行星架设置为Rigid,将太阳轮、行星轮设置为Flexible。 


Fig. 材料属性设置

3有限元网格划分

右击模型树Mesh,插入1个Method,划分方法设置为多区MultiZone,图形区选中太阳轮和行星轮,点击下方列表中的Apply,设置Element Size为5mm。右击Mesh,选择Generate Mesh,生成网格模型检查网格质量Quality,如下图所示。

Fig. 5 行星轮系有限元网格划分

4连接关系的构建

1) 设置齿面接触。太阳轮与行星轮、行星轮与内齿轮均设置为无摩擦接触。接触面选择所有的主动轮啮合面,目标面选择所有的从动轮啮合面。其中,选择方法请参考:操作技巧 | Ansys Workbench快速选中点边面体

Fig. 6 齿面接触设置
特别注意:为便于收敛,设置接触刚度系数为0.1。此外,由于模型初始间隙较大,故将Interface Treatment设置为 Adjust to Touch。

2) 创建运动副。在模型树Connections下,插入两个转动副(Revolute-Body to Ground),一个转动副(Revolute-Body to Body)、一个固定副(Fixed-Ground to Body),然后选取相关表面,完成运动关系创建。
Fig. 7 创建转动副
5 载荷及驱动设置
模型树右击Transient,插入两个关节载荷Joint Load,设置太阳轮角速度为0.2 rad/s,设置行星架反向转矩为100N·mm。此处注意单位。

Fig. 设置关节角速度

6 求解设置与计算
点击Analysis Settings,设置求解时间为0.1s,设置初始子步为10,最小子步为10,最大子步为1000,开启大变形开关。如果不收敛,可以通过调试网格质量,调试接触算法,或者增加一个较短的时间步过渡加载。

Fig. 分析求解设置

7求解结果后处理

求解完成后,进入结果后处理,单击Equivalent Stress可以获得整个分析过程中的应力云图及曲线。也可以通过添加接触工具,查看接触压力云图等。

Fig. 10 应力云图

Ansys Workbench行星轮系瞬态动力学计算量较大,可以仿真转动两三个齿即可,为提高计算的准确性,可以将这两三个齿进行网格局部加密,以便更加接近真实解。

来源:纵横CAE
MechanicalWorkbench瞬态动力学航空航天船舶汽车SolidWorksGID材料传动ANSYS
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首次发布时间:2024-10-20
最近编辑:1月前
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Ansys Workbench网格划分全攻略

Ansys Workbench是一款功能强大的多物理场耦合仿真分析软件,广泛应用于各种工程领域的结构力学、流体力学、热力学等问题的模拟和分析。Ansys Workbench提供了多种网格划分方法,用于将连续的物体划分为离散单元,以便进行数值计算和仿真分析。网格的好坏直接关系到计算与分析的求解精度、求解收敛性和求解速度,是有限元分析的关键。良好的网格是提高仿真可信度的前提,粗糙的网格将得到甚至错误的结果。一般来说,有限元分析80%的时间花费在有限元网格的建立和修正上。1 网格划分基本流程 确定物理场进入Mechanical界面后,单击Mesh,在下方面板的Physics Preference中选择相关物理场,分别为Mechanical(结构场)、Nonlinear Mechanical(非线性结构场)、 Electromagnetics(电磁场)、CFD(流体场)、Expficit(显示动力场)等。注意事项:设置物理场时,可以通过调整网格相关度Relevance(-100~+100,数值越大,网格越密)来控制网格疏密程度。设置整体网格控制展开Sizing,定义全局单元尺寸Element Size、相关性中心Relevance Center(细化节点和调整单元数量,稀疏Coarse、中等Medium、细化Fine)、平滑Smoothing、过渡Transition、跨角中心Span Angle Center、以及尺寸函数Size Functon等。插入局部网格控制右击Mesh,定义网格划分方法Method、局部单元尺寸Size(边、面、体)、接触尺寸Contact Sizing(接触边、接触面)、网格细化Refinement(点、边、面)、映射网格划分Face Meshing、匹配控制Match Control(边、面)、收缩控制Pinch(只对点和边起作用,面和体不能收缩)、设置膨胀层Inflation(边、面)等。预览表面网格情况整体的体网格质量是由表面网格质量来决定的,右击Mesh,点击Preview,选择Surface Mesh,预览表面网格情况。这一步在模型复杂时显得尤为重要,生成体网格的时间较长,一旦发现设置问题,重新修改再次划分势必造成诸多不便和时间的浪费,网格划分的主题参数设置完毕后就,可以先预览表面情况来判断是否存在问题。生成并检查网格质量右击模型树中的Mesh,选择Generate Mesh或Update,生成有限元网格。完成网格划分后,单击模型树中的Mesh,展开下方面板中的Quality,在Mesh Metric中选择网格质量评价指标。具体流程参见前期文章:一文搞懂Ansys Workbench网格质量评价。注意事项为得到较好的位移解,单元纵横比尽量小于7。为得到较好的应力解,单元纵横比应尽量小于3。计算的位移结果是准确的,应力结果才可接收,有时给出好的位移结果的网格,应力结果不如想象中的准确,这就需要调整网格密度。应力梯度较大、较复杂的区域是问题的考虑重点,应充分关心应力梯度区域,在该区域应采用细致高密度的网格,如螺栓孔附近、流体边界层等。网格划分应比较准确地反映结构的真实形状,对于复杂的形状,粗大的网格会造成分析结果失真。2 常用网格划分方法 右击模型树中的Mesh,插入Method,在下方面板中选择网格划分方法。对于3D模型,主要有自动网格划分(Automatic)、四面体网格划分(Tetrahedrons)、六面体网格划分(Hex Dominant)、扫掠网格划分(Sweep)、多区域网格划分(MultiZone)等。Element Order选项是用来控制网格单元的类型,选择合适的Element Order对于确保模拟的准确性以及计算效率至关重要。Linear表示一阶单元,Quadratic表示二阶单元。一般来说,二阶单元能够提供更高的精度,尤其是在曲率较大或者需要更精细地捕捉应力梯度变化的情况中,然而这也意味着更大的计算量和更长的求解时间。自动网格划分自动网格划分方法是一种智能化的网格划分方式,它可以在四面体网格和扫掠网格之间自动切换。该方法 会根据几何体的形状和拓扑结构自动选择最适合的网格划分方式。如果几何体允许扫掠网格划分,则使用扫掠网格;否则,使用四面体网格。这种划分方法是最傻瓜化的方式,尤其适合初学者,因为它减少了手动选择网格类型的需求,提高了操作的便捷性和灵活性。因此,当面对复杂或不规则的几何形状时,使用自动网格划分可以简化工作流程,同时保持网格的质量和计算的有效性。四面体网格划分四面体网格划分是一种常见的网格划分方法,尤其适用于复杂几何模型。基于协调分片算法(Patch Conforming)或基于独立分片算法(Patch Independent),将区域划分为一系列四面体单元。一般来说,四面体网格划分方法是最后的选择。其中,如果要忽略一些小细节(如倒角、小孔等),选择使用Patah Independent算法。如果要考虑一些细节,则选择使用Patch Conforming算法。六面体网格划分一种以六面体为主的网格划分方法,它适用于实体形状规则性要求不高的情况,可以将区域划分为六个面都是四边形或六边形的六面体单元。此方法首先在几何体表面生成六面体网格,然后根据需要填充六面体、棱锥或四面体单元。适用于内部容积较大的实体;对于体积与表面积比小的薄复杂体效果不佳,对于CFD分析无边界层识别功能。在不需要严格规则形状的前提下,Hex-Dominant方法能尽可能多地生成六面体网格,从而在一定程度上保证了网格的质量和计算效率。六面体网格划分是一种常用的网格划分方法,它旨在生成六面体元素在数量和体积上均占主导地位的网格。然而,这种方法依赖于三角形合并技术,该技术用于将初始网格的三角形重新组合成四边形。因此,使用此方法并不意味着您的所有元素都是六面体。扫掠网格划分扫掠网格划分方法适用于具有对称形状的区域,通过在几何体上进行扫掠操作生成网格。扫掠方法应用很广泛,多数规律而整齐的六面体网格都是通过扫掠方法得到的。ICEM中有名的O形网格划分、Y形网格划分,都是智能分区加上扫掠(映射)得到的。扫掠划分网格时,先划分源面,然后再映射到目标面。这种方法主要产生六面体单元或棱柱形单元,对几何体形状的要求较高,几何体必须是形状规则、可扫略的,且有形状一致、单一的源面和目标面。详细参见前期文章:Ansys Workbench扫掠网格划分方法。多区网格划分多区域网格划分方法适用于复杂的几何体,将区域划分为多个子域,然后在每个子域内进行网格划分。这种方法主要用于生成高质量的六面体网格,允许对不同几何形状的部分进行不同的网格划分方法,尤其适用于需要高质量六面体网格的动力学分析等场合。 对于一些规整的单体部件,传统扫掠方法难以直接得到六面体网格,而使用MultiZone网格划分方法,只需简单指定源面和设置网格控制参数,即可实现自动分区并生成所需的网格,大大减少了手动切割的工作量,能够高效完成复杂模型的前处理。3 网格划分选择依据 1) 对于空间物体,尽量使用六面体网格划分方法。推荐用于具有很大的内部体积、无法扫掠的几何模型。对于薄层结构或复杂形状的模型不推荐采用。2) 对于简单规则体,使用扫掠网格划分方法。要求实体在某一个方向上具有相同的拓扑结构,实体只允许一个目标面和一个源面,但薄壁模型可以有多个源面和目标面。3) 对于简单规则体组合,使用多区网格划分方法,更适合于用扫掠方法不能分割拆解的几何模型。4) 四面体网格划分方法是最后的选择。如果要忽略一些小细节(如倒角、小孔等),使用patah independent算法。如果要考虑一些细节,则使用patch conforming算法。5) 自动网格划分方法是最傻瓜化的方式。程序自动检测实体,对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格,对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体网格。喜欢作者,请点赞和在看来源:纵横CAE

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