Workbench荷载、约束、接触定义

workbench荷载的含义

1）方向载荷

对大多数有方向的载荷和支撑，其方向多可以在任意坐标系中定义：

– 坐标系必须在加载前定义而且只有在直角坐标系下才能定义载荷和支撑的方向.

– 在Details view中, 改变“Define By”到“Components”. 然后从下拉菜单中选择合适的直角坐标系.

– 在所选坐标系中指定x, y, 和z分量

– 不是所有的载荷和支撑支持使用坐标系。

2）加速度（重力）

– 加速度以长度比上时间的平方为单位作用在整个模型上。

– 用户通常对方向的符号感到迷惑。假如加速度突然施加到系统上，惯性将阻止加速度所产生的变化，从而惯性力的方向与所施加的加速度的方向相反。

– 加速度可以通过定义部件或者矢量进行施加。

标准的地球重力可以作为一个载荷施加。

– 其值为9.80665 m/s2 （在国际单位制中）

– 标准的地球重力载荷方向可以沿总体坐标轴的任何一个轴。

– 由于“标准的地球重力”是一个加速度载荷，因此，如上所述，需要定义与其实际相反的方向得到重力的作用力。

3）旋转速度

旋转速度是另一个可以实现的惯性载荷

– 整个模型围绕一根轴在给定的速度下旋转

– 可以通过定义一个矢量来实现，应用几何结构定义的轴以及定义的旋转速度

– 可以通过部件来定义，在总体坐标系下指定初始和其组成部分

– 由于模型绕着某根轴转动，因此要特别注意这个轴。

– 缺省旋转速度需要输入每秒所转过的弧度值。这个可以在路径“Tools > Control Panel >Miscellaneous > AngularVelocity” 里改变成每分钟旋转的弧度(RPM)来代替。

4）压力载荷

–压力只能施加在表面并且通常与表面的法向一致

– 正值代表进入表面（例如压缩）；负值代表从表面出来（例如抽气等）

– 压力的单位为每个单位面积上力的大小

5）力载荷

–力可以施加在结构的最外面，边缘或者表面。

– 力将分布到整个结构当中去。这就意味着假如一个力施加到两个同样的表面上，每个表面将承受这个力的一半。力单位为质量乘以长度比上时间的平方。

– 力可以通过定义矢量，大小以及分量来施加。

6）轴承载荷

– 螺栓载荷仅适用于圆柱形表面。其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷。径向压力载荷的分布如下图所示。轴向载荷分量沿着圆周均匀分布。

– 一个圆柱表面只能施加一个螺栓载荷。假如一个圆柱表面切分为两个部分，那么在施加螺栓载荷的时候一定要保证这两个柱面都要选中。

– 载荷的单位同力的单位

– 螺栓载荷可以通过矢量和幅值或者部件来定义。

7）力矩载荷

– 对于实体，力矩可以施加在任意表面

– 假如选择了多个表面，那么力矩将分摊在这些表面上。

– 力矩可以用矢量及其大小或者分量来定义。当用矢量表示时，其遵守右手法则。

– 在实体表面，力矩也可以施加在顶点或边缘，这与通过矢量或部件定义的以表面为基础的力矩类似。

– 力矩的单位为力乘上长度。

8）远端载荷

– 允许用户在面或者边上施加偏置的力

– 用户设定力的初始位置（利用顶点，圆或者x,y,z的坐标）

– 力可以通过向量和幅值或者分量来定义

– 这个在面上将得到一个等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩

– 这个力分布在表面上，但是包括了由于偏置力而引起的力矩

– 力的单位为质量*长度/时间2

9）螺栓载荷

– 在圆柱形截面上施加预紧载荷以模拟螺栓连接；

– 施加预紧载荷（力）或者位移（长度）为初始条

件；

– 顺序加载会出现其他选项；

在静力分析中预紧载荷施加在初始求解中，而其他载荷施加在子步求解中；

– 注意，这样的两步顺序是自动而且明显的。

• 在第二步求解时，螺栓连接会自动被锁死；

• 除第一步求解以外，在顺序求解的每一步中你可以选择是否打开螺栓连接；

螺栓连接注意：

– 只能在3D模拟中采用；

– 能够运用到圆柱形表面或者实体，对于实体需要一个以z轴为主方向的局部坐标系；

– 在螺栓连接处推荐单元细化（螺栓长度方向上的单元数必须大于1）。

Workbench约束的含义

1）固定约束:

– 在顶点，边缘或面上约束所有的自由度

– 对于实体，限制x,y和z的平移

– 对于壳和梁，限制x,y和z的平移和转动

2） 给定位移:

– 在顶点，边缘或面上给定已知的位移

– 允许在x,y和z方向给予强制位移

– 输入“0”代表此方向上即被约束

– 不设定某个方向的值则意味着实体在这个方向上自由运动

3）无摩擦约束:

– 在面上施加法向约束

– 对于实体，这个约束可以用施加一个对称边面界条件来实现，因为对称面等同于法向约束

4）圆柱面约束:

– 施加在圆柱表面

– 用户可以指定是轴向，径向或者切向约束

– 仅仅适用于小变形（线性）分析

5）仅有压缩的约束:

– 在任何给定的表面可以施加法向仅有压缩的约束。这个约束仅仅限制这个表面在约束的法向正方向移动。

– 解释这个约束的一种方法就是将它想象为一个“刚性”结构，它与选择的表面有相同的形状。注意到这些接触（压缩）面事先不知道。

– 可以在一个圆柱面上模拟“扣牢的圆柱约束”，这个约束可以适用于7.1版本，但是它是“仅有压缩约束”的一种特例。如右图所示，显示出了没有变形的圆柱的轮廓。有压缩力的表面阻止原始圆柱变形，而可伸长的表面自由变形。

– 这个需要一个迭代（非线性）求解器来求解。

• 由于事先不知道压缩面的行为，所以需要利用迭代求解器来判断哪个表面显示的是压缩行为

6）简单约束:

– 可以施加在梁或壳体的边缘或者顶点上

– 限制平移但是所有旋转都是自由的

7）固定旋转:

– 可以施加在壳或量的表面，边缘或者顶点上

– 约束旋转，但是平移不限制

约束总结：

约束和接触对都可以归结为边界条件。

– 接触对模拟在两个已知模型之间的一个“柔性”边界条件

– 固定约束在被模拟部件之间提供一个“刚性”边界条件，刚性的

固定部件不必建立模型。

• 假如对部件A和B之间连接比较感兴趣，那么就要考虑两个部分是否都需要分析（通过接触）或者仅提供部件B对A的影响的固定约束是否足够。

– 换句话说，部件B相对于A来说是‘刚性的’？假如是的话，可以仅仅模拟对部件A的一个固定约束。假如不是则需要模拟两者之间的摩擦。

8）热载荷:

模型当中，温度会引起热膨胀

– 热应变计算如下式:

其中α是热膨胀系数（CTE）, Tref 是热应变为零时的参考温度，T是施加的温度，εth 是热应变。

– 热应变自身不会引起应力。而当约束、温度梯度或者热膨胀系数不相匹配是才会产生应力。

– CTE在“Engineering” 下拉菜单中定义并且其单位为单位温度下的应变

– 参考温度在“Environment”下拉菜单下定义。

热载荷可以施加在模型上：

– 任何温度载荷都可以施加

– DS通常首先进行热分析，然后在结构分析时将计算所得的温度域作为载荷输入。

接触

1）装配体——实体接触

当输入实体的组合体时，两个实体之间自动生成接触。

– 面对面接触允许在两个实体边界上的不匹配的单元划分

– 用户可以在“Contact” 菜单下，指定探测自动接触距离的滑块来控制容差

在DS中，在每个接触对中都要定义目标面和接触面。

– 接触区域的其中一个表面构成“接触”面，此区域的另一个表面构成“目标”面。

– 接触中利用目标面的渗透量（在给定容差范围内）来限制接触面上的积分点。但是其相反的情况是不正确的。

• 当一个面为目标面而另一个面为接触面时称为不对称接触。而当两面都为接触面或者目标面时则称为对称接触，因为任何一边都可以渗透到另一边。

• 在缺省情况下，DS对组合体定义的是对称接触。对于ANSYS Professional licenses 以及结构模块，用户需要根据上述介绍将其改变成非对称接触。

四种接触类型可供选择：

– 绑定的和不分离的接触是最基础的线性行为，仅仅需要一次迭代

– 无摩擦以及粗糙接触是非线性行为，需要多次迭代。但是，需要注意的是仍然利用了小变形理论的假设。

• 当需要利用这些选项时，可以在相应的菜单下设定

“Actual Geometry (and Specified Offset)” 或

“Adjusted to Touch”，其中允许用户调整ANSYS模型的间隙到‘刚刚接触’ 的位置

• 对于高级用户，接触的另外一些选项可以进行修改

– 方程式可以从“Pure Penalty” 修改到“Augmented Lagrange” ， “MPC”或“Normal Lagrange”.

• “MPC” 仅仅适用于绑定的接触

• “Augmented Lagrange” 应用于规则的ANSYS模型中

– 在绑定的接触中，纯粹的罚函数法可以想象为在接触面间施加了十分大的刚度系数来阻止相对滑动。这个结果是在接触面间的相对滑动可以忽略的情况下得到的。

– MPC 方程当中对接触面间的相对运动定义了约束方程，因此没有相互的滑动。这个方程经常作为罚函数法的最好的替代。

–pinball region可以自己定义和显示出来

• pinball region定义了近距离开放式接触的位置。而超出pinball region 范围之外的为远距离开放式接触。

• 最初，pinball region 作为十分有效的接触探测器使用，但是它也用于其它方面，例如绑定接触等。

• 对于绑定或者不分离的接触，假如间隙或者渗透小于pinball region，则隙/渗透自动被删除。

• 其它的高级选项将在以后的章节中讨论。

ANSYS Professional1 licenses 及其以上版本支持壳和实体的混合装配体

– 允许十分复杂的组合体，在应用中利用了壳的优点

– 更多的接触选项可供用户选择

– 可以进行接触的后处理操作

• 边缘接触是生成接触的一个子集

– 包括壳面或者实体边的接触，只有定义绑定或不分离的接触类型。

– 对于包括壳边缘的接触，只能定义MPC 形式的绑定行为。

• 对于以MPC为基础的绑定接触，用户可以将搜索器设定为目标法向或是pinballregion（这种方法需要给定多点的约束）。

• 假如存在间隙（这在壳的组合体中经常出现），pinball region 可以用来作为探测越过间隙的接触探测器。

DS中接触类型及其可供的选项总结如下表所示：

– 这个表在DS的在线帮助当中也有。利用这个张表将有助于用户决定哪些选项可供选择。

•焊点提供了一种在不连续位置处连接壳组合体的方式。

– ANSYS DesignSpace licenses不支持壳接触，因此焊点就是唯一定义一个壳组合的方法。

– 焊点是在CAD软件中进行定义的。目前DS只认在DM和UG当中所定义的焊点。

– 焊点也可以在DS中生成，但是只能在不连续的顶点处生成。

2）接触结果

– 对于所选择的有接触单元的实体或者表面接触结果可被要求.

– ANSYS中接触单元利用的是接触面和目标面的概念.仅有接触单元可以显示接触结果.以MPC为基础的接触,任何接触的目标面以及以边缘为基础的接触都不显结果.并且线不能显示任何接触结果.

• 如果使用不对称和自动不对称，只有接触面上由结果而目标面上结果为零

• 如果使用对称接触，接触面和对称面上都会有结果。比如接触压力，真实的接触压力为接触和目标面上以力的平均值

– 在“Solution”分支中“Contact Tool”中要求接触结果

• 用户可以在“Contact Tool”中要求接触结果

– 在工作表中可以很容易的为“Contact Tool”添加接触区域

– 接触和目标面上的结果可以从数据表中选择(对称与非对称)

– 从Context工具条中指定接触结果

• 接触结果种类:

– Contact Presure显示法向接触压力分布

– Contact Penetration 显示穿透深度而Contact Gap 显示缝隙大小

(在pinball 半径内).

– Sliding Distance 表示面相对滑动大小. Frictional Stress 是由于摩擦力引起的切向接触引力.

– Contact Status 提供是否接触的信息

– 对open state, near-field 意味着在pinball 区域内, far-field指在pinball 区域外.

•如果“Reactions” 在“Contact Tool”被要求, 所选择接触区域的力和力矩将会被报告

– 在“Worksheet”标签下,所有要求的接触区域的接触力将会被列出

– 在“Geometry” 标签下,将会显示接触力和力矩的方向.