Ansys Workbench之Mechanical应用(上)——分析前设置

•结构：静态和瞬态，线性和非线性。

•动态特性：模态、谐波、随机振动、柔性和刚性动力学。

•热分析：稳态和瞬态，温度场和热流等。

•磁场：静磁场分析。

我们对Mechanical的学习主要分为三部分：分析前设置、分析求解设置、结果后处理。本文将对分析前设置进行详细的讲解。

在Workbench的项目管理区，双击Model等栏目进入Mechanical环境。

Mechanical界面主要包括菜单栏、分析树、详细设置窗、图形操作窗、信息窗、状态栏等。

鼠标选择方式可实现点选与框选，选择过滤器包括标签、点、线、面等。

Mechanical界面

模型导入Mechanical后，程序会自动刷新，但是我们有时候需要手动刷新，只需要点击标题栏File——Refresh All Data。

刷新数据

有时候修改了参数需要删除计算结果数据、网格数据等，只需要在分析树对应的项目上右击——Clear Generated Data。在Static Structural或Solution上操作只会清除计算结果，在Mesh上操作会清除网格数据和计算结果。

清除数据

在分析树中点击Model下的零件，在详细窗口中可以设置零件属性。一般情况下，赋予材料选项可能需要修改，其他选项使用默认设置即可。

零件属性

定义

抑制：默认为否

ID：

刚度行为：柔体/刚体/垫片

坐标系：默认全局坐标。

参考温度：随环境/随几何体

行为：无/构造体

材料

赋予材料：默认为结构钢

非线性材料效应：默认为是

热应变效应：默认为是

边界

属性

统计数据

•柔体Flexible：默认选项，零件可变形。

•刚体Rigid：零件不能变形，可以采用集中质量来减少求解时间。对于刚体需要注意3个问题：

1 连接：刚体支持接触、节点连接、弹簧等类型的连接，刚体只能作为目标体，不能作为接触体；

2 网格划分：刚体不划分网格，但会在接触面上划分网格以便计算接触；

3 边界条件：刚体只支持远程位移、远程力和力矩。

•垫片Gasket：仅用于静力学分析。垫片密封是工程中非常重要和常见的密封手段，垫片材料具有高度的非线性与复杂的卸载性能，相关内容将在以后的垫片分析相关文章中详解

连杆模型

实例1，如下图，将左侧连杆设置为刚体，其余为柔体，3个销钉分别与两根连杆铰接。固定下方两个销钉的两端面，对左侧连杆施加100Nm力矩，求右侧连杆的变形和应力。

Step1 设置零件行为，在Mechanical中，选择左侧连杆，将零件行为改为刚体Rigid，其余零件为默认，所有零件材料为默认的结构钢。

Step2 建立接触，刚体支持接触、节点连接、弹簧等类型的连接。导入到Mechanical的零件会自动生成绑定接触，但是当左连杆修改为刚体后，与之相关的接触可能会报错，这是因为在接触对中，刚体只能作为目标体，不能作为接触体。删除两连杆之间的接触，其余的接触修改为0.1系数的摩擦。

接触设置

刚体必须为目标体

Step3 网格划分，网格划分后会发现，刚体只有在接触面上划分了网格，几何体并没有划分网格，这是因为在Mechanical中将刚体简化为了集中质量，只需要关注它的重量与接触关系、边界条件等，不需要划分网格计算它结构内部的应力应变。

网格设置

我们还可以进入Finite Element Modeler详细查看集中质量的信息：回到Workbench中，在项目的Model栏右击，新建Finite Element Modeler，然后双击打开。

新建finite element modeler

在Finite Element Modeler窗口中，点击分析树中的Body下的左连杆。可以看到左侧零件被简化为了两个接触面和一个集中质量点。

Step4 施加边界条件，对于刚体，只可以施加远程位移、远程力和力矩。而其它的条件不能施加。在Mechanical中，本例我们给下方两个销钉端面施加固定约束，给左侧连杆下方的内孔面施加顺时针100Nm的力矩。

Step5 计算，结果如下，可见刚体被简化为质量点，未产生任何变形，也无应力（刚体的接触面上也无应力，但是与刚体接触的柔体表面应力能正常计算）。

位移与应力结果

行为默认为None，修改为构造体Construction Body后，此零件将不参与任何计算，也不能进行操作，相当于此零件被抑制，但是与抑制不同的是构造体可以显示。

在赋予材料中，可以给几何体指派材料，默认为合金钢，可以点击右侧下拉菜单进入材料库修改，或者选择收藏的材料，关于如何创建自己的材料库已经在以往的文章中详细介绍过了，此处不再赘述。

默认使用材料的非线性效应。如果修改为No，材料的非线性特性将被忽略。此处建议使用默认设置。

默认使用材料的热应变效应。如果修改为No，材料的热应变特性将被忽略。此处建议使用默认设置。

边界显示了零件的最大尺寸轮廓值。

边界

属性显示了零件的体积、重量、质心坐标、惯性矩等。

属性

属性显示了零件的节点数量、单元数量等，如果还没有划分网格，节点与单元数显示为0。

统计数据

点击分析树的Model后，工具栏会出现Model工具条，下图是其中部分工具：

集 合

对称

远程点

虚拟拓扑

构造几何

以下主要介绍构造几何、远程点、集 合，其余功能将在以后的实例中详解。

构造几何包括路径、剖面、体区，可以在此路径或剖面上显示求解结果。点击Model工具栏的Construction Geometry，便创建了一个构造集 合。在分析树中右击创建的Construction Geometry——Insert——Path/Surface/Solid（或在工具栏的Construction Geometry工具条中选取），便能创建路径/剖面/体区。

Construction Geometry工具条

3.1.1 定义路径

路径是由用户定义的空间曲线或直线，可以通过3种方法定义：

1，起点与终点：在Path Type中选择Two Point，根据选取的坐标不一样，得到的路径也不一样，在笛卡尔坐标下定义的为直线，在圆柱坐标下定义的为螺旋线。

2，通过模型边线定义：在Path Type中选择Edge。

3，通过模型与X轴相交定义：在Path Type中选择X Axis Intersection。

3.1.3 定义剖面

剖面只能通过坐标系定义，而且为坐标系的XY面。

3.1.4 定义体区

剖面只能通过坐标系定义，分别输入体区的两个角顶点的坐标x1、y1、z1和x2、y2、z2，便生成了一个方块区域。

实例2，求如图受扭矩的圆环在X轴、XY面的位移。

实例2

Step1 创建构造集 合。点击分析树中的Model，在工具栏出现Model工具条，选择Construction Geometry，便在分析树中创建了构造集 合。点击这个构造集 合，在工具栏出现Construction Geometry工具条。

1，创建路径：点击 Construction Geometry工具条中的Path，在细节窗口设置Path Type为X Axis Intersection。

创建路径

2，创建剖面：点击 Construction Geometry工具条中的Surface，在细节窗口中设置坐标系（如果全局坐标的XY面不是我们想要的，可以事先建立局部坐标系）。

创建剖面

Step2 设置网格和边界条件。设置完成后点击Solve开始计算。

Step3 查看结果：在计算结果上不能直接添加构造集 合的云图，需要通过Worksheet添加。

创建合位移结果：点击分析树的Soulution，在工具栏中找到工作表Worksheet并点击，跳出工作表。找到合位移USUM右击，选择Create User Defined Result(创建用户自定义结果)。

工作表

在Soulution边创建了USUM结果，点击进行细节设置，在Scoping Method中选择 Path，在Path中选择我们设置的路径。同理设置其他结果。

定义结果

右击分析树Solution——Evaluate All Results（评估所有结果），结果被刷新，显示如下

结果显示

Remote Point (远程点)是一个抽象点，是把相关联的模型几何特征集中到空间一·个点，可以用来定义不直接作用在模型上的多种边界条件。Remote Point主要体现在Remote Force (远程力) 、Remote Displacement (远程位移) 、Point Mass (质点)等边界条件和对应的后处理。

创建方法，点击Model工具条的Remote Point，在细节窗口中选择模型顶点/边线/表面(或者通过集 合Named Selection选择)。程序便会在被选对象的形心创建一个远程点，可以通过修改细节窗口的坐标来修改其位置。在Behavior中修改其柔性/刚性属性。

显示远程点连线：点击分析树中远程点集 合，细节窗口设置Show Connection Lines:Yes，便能显示出远程点连线。

显示远程点连线

在Mechanical中经常会出现Named Selection（集 合），集 合是用户定义的若干几何元素（点、线、面、体、单元、节点）的合集。

集 合的创建：选择Model工具条的Named Selection，在分析树中便出现了Named Selections和下属的Selection，在细节窗口中选择我们要添加的几何元素即可。注意，一个Selection里面只能有同一种几何元素，比如不能将线与面创建到同一个Selection中。

创建集 合

点击分析树中Geometry或下属零件，工具栏便会出现Geometry工具条。

表面涂层

均布质量

质量点

Point Mass是理想的质量点，将零件简化称为一个带质量参数的点，在有惯性载荷的计算中提高了计算速度。

需要注意的时，创建的质量点并不会继承原模型的边界条件与接触关系，也不会自动抑制原模型。所以创建质量点前一般先手动抑制原模型，并通过远程点的形式添加与其他模型的接触关系。

实例3，将图中上方几何体简化为质量点，计算在重力下，下方几何体的变形与应力。

Step1 抑制上方块。创建与下方块关联的远程点，右击分析树Model——Insert——Remote Point，细节窗口中选择下方块的上表面，适当修改高度方向数值，以便观察。

远程点创建

远程点设置

Step2 质量点创建：在Geometry工具条选择质量点，Scope Method选择Remote Point，在Remote Points下拉菜单中选择刚才创建的远程点，质量修改为上方块的质量。

创建质量点

Step3 施加边界条件：固定下方块下端面，给系统时间向下的重力加速度，计算结果如下：

计算结果

Distributed Mass设置方法类似于质量点，但是它不是集中质量点，而是在一个面或一条边线上的均布质量

Surface Coating可以定义表面涂层厚度与材料。

当导入模型后，Mechanical会自动添加全局坐标系Global Coordinate System。但是很多时候全局坐标系已经不能满足我们的使用要求此时就需要创建用户的局部坐标系。创建坐标系方法如下。

Step1 新建坐标系：在分析树中右击Coordinate Systems——Insert——Coordinate System，便能添加局部坐标系。也可以点击工具栏图标。右击创建的Coordinate System——Rename，可以修改坐标系名称。

Step2 选择坐标系类型Type：包括笛卡尔坐标系Cartesian与圆柱坐标系Cylindrical。坐标系的ID号在Coordinate System中修改，一般通过程序默认值。

Step3 定义坐标系原点Origin：可以通过在Define By中指定定义方式：几何选择Geometry Selection，全局坐标Global Coordinates。

几何选择是在模型中选择一个点、线、面、体，圆心将将在选择元素的质心。

若选择全局坐标，原点将由全局坐标下定义的X/Y/Z值定义。

Step4 定义主轴方向Principal Axis：在Axis指定主轴，默认为X轴，可以通过在Define By中指定定义方式：几何选择Geometry Selection，全局坐标轴方向Global X/Y/Z Axis。

定义副轴方向Principal Axis：在Axis指定副轴，默认为Y轴，方向定义方法与主轴相同。

当几何体存在多个零部件时，需要确定零部件之间的相互关系，在Mechanical中可以创建的连接关系如下：

•接触Connect

•网格接触Mesh Connection

•关节连接Joint

•梁连接Beam Connection

•弹簧Spring

•轴承Bearings

•点焊spot Weld

•末端释放End Releaser（应用于梁、壳单元）

•几何体交互Body Interaction (应用于显示动力学中）

其中接触已经在上一篇文章中详细讲解了，此处介绍其他连接方式。

在Cnnections的选项细节窗口中，Generate Automatic Connection On Refresh（在刷新时自动生成连接）默认为Yes，这一设置在设计分析时很有用。

刷新时自动生成连接

透明度启用

Connections选项

网格接触可以帮助连接不连续的体之间的网格划分，如以下实例。

实例3，两块面体间隙为0.5mm。使用网格接触使它们接触。

Step1生成网格。

Step2 创建网格接触集 合：创建网格接触的工具不是在Connetions工具条内，而是在Mesh工具条呢。点击分析树中的Mesh，工具栏出现Mesh工具条，选择Mesh Edit——Mesh Connection Group，在分析树中便创建了Mesh Edit及其下属的Mesh Connection Group。

创建网格接触

Step3 设置接触：点击Mesh Edit进行细节设置，Generate Automatic Connection On Refresh（在刷新时自动生成连接）改为Yes。

Mesh Edit细节设置

点击Mesh Connection Group进行细节设置，Geometry默认为All Bodies（需要先划分网格），修改Tolerance Slider到-100，使Tolerance Value值大于0.5。若拖到-100，其值仍小于0.5，可将Tolerance Type改为Value，然后直接修改Tolerance Value的值为0.6。

Mesh Connection Group细节设置

Step4 自动生成网格接触：右击分析树中的Mesh Connection Group——Detect Connections(探测连接)，其下属便生成了两对网格接触，检查是否正确，此处只需要一对，删除其中一对。

右击分析树中的Mesh Connection Group——Generate，网格连接创建成功。

删除重复的接触对

生成网格连接

最后点击分析树的Mesh，可以发现两个面体已经通过网格连接为一体。

注：也可以通过手动方式创建网格接触：在Step2中选择Manual Mesh Connections，无需进行Step3的设置，只需要在Mesh Connection的细节设置中指定主副几何，同样需要将Tolerance Value设置为大于缝隙值。

手段创建网格连接

Joint核心即为MPC接触形式,采用约束方程定义实体之间或者实体与大地之间的连接关系。

分为固定Fixed、旋转Revolute 、圆柱Cylindrical 、平移Translational 、 槽Slot 、万向节 Universal 、球Spherical 、 平面Planar、套管Bushing、通用General 、点面连接Point on Curve。具体含义将在刚体运动学一文中解释。

Spring和Beam接触，用来模拟弹簧和梁的连接，以定义相应的接触关系。两者的创建方法相同，以下以创建弹簧接触为例。

实例4，长条左端施加可转动的约束，上端面时间弹簧接触，在重力的影响下求变形。

实例5

Step1创建弹簧。

右击分析树的Connections——Insert——Spring，便创建了待定义的弹簧接触。

对弹簧接触进行细节设置：Scope设置为Body-Ground，即几何体与地面连接，此处的地面为抽象概念，表示弹簧锚在不动的地方。其余设置如下图。

Step2添加约束条件。

以远端位移约束左端面，只允许竖直平面内的转动，添加竖直向下的重力加速度。计算结果如下。

边界条件设置

计算结果

轴承径向刚度与阻尼（平面）

轴承接触为一个2D弹性单元，可用来限制旋转部件的相对运动和转动。定义轴承时，需要设置刚度矩阵与阻尼矩阵。其含有如下图。

点焊连接用来连接不同的零件，其作用与绑定接触一样，但是对象只能选择点。点焊在不同零件直接传递载荷。如下图将两个方块4个顶点一对一点焊，在施加底面的固定与横向的拉力，位移结果如下。

点焊

网格划分在以往的文章中已经详细解释，但是结构分析中应该注意以下几点：

载荷与约束也被称为边界条件，在以往文章已经详细介绍过了，此处不再赘述。

写在最后，Workbench的分析前设置先介绍到这里，分析设置与后处理将在接下来的文章中详解，尽请期待。笔者也是在一边翻资料一边看帮助文件的学习过程，其中一些理论笔者也不大明白，比如轴承接触的刚度矩阵的含义，希望相互交流学习，还望不吝批评赐教。