ANSYS WORKBENCH全船結(jié)構(gòu)有限元分析流程

一、建立有限元模型與ANSYS經(jīng)典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美觀，建模、分析的過程更加智能化，更容易上手。但作為一個(gè)專注于有限元分析的軟件，其日漸強(qiáng)大的建模模塊(Geometry)對(duì)建立復(fù)雜的船體曲面仍顯得力不從心。因此需要在其他建模軟件(筆者使用了SolidWorks)中建立船體實(shí)體模型后導(dǎo)入WORKBENCH中，完成隨后的建模和分析工作。鑒于實(shí)體單元在計(jì)算中消耗過多的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，本文采用概念建模(Concept)的方法將船體板定義為無厚度的殼體(SurfaceBody)，將船體骨架定義為線體(LineBody)，殼體和線體劃分的網(wǎng)格類似于經(jīng)典版的殼單元(Shell)和梁單元(Beam)。導(dǎo)入實(shí)體模型可采用多種方法導(dǎo)入，如直接將模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(項(xiàng)目概圖)窗口，如圖1所示。還可雙擊啟動(dòng)Geometry模塊后，在其File菜單中選擇導(dǎo)入命令，導(dǎo)入后的模型如圖2所示。模型已凍結(jié)，分為船體和上層建筑兩部分，船首指向X軸正向，船體上方指向Z軸正向。坐標(biāo)原點(diǎn)位于船體基平面、中站面和中線面的交點(diǎn)處。圖2導(dǎo)入后的模型生成舷墻在中縱剖面(ZXPlane)建立草圖(NewSketch)，進(jìn)入繪制草圖模式。點(diǎn)擊"TreeOutline"f"Sketching"，沿甲板邊線位置繪制一條曲線。返回模型模式，點(diǎn)擊“Sketching"f"Modeling"f"Extrude"，生成一個(gè)SurfaceBody。沿甲板將船體分開，點(diǎn)擊“Create"f"Slice"，在“DetailView"窗口"SliceType"選項(xiàng)中選擇“SlicebySurface"項(xiàng)，"TargetFace"選擇上一步生成的SurfaceBody，"SliceTargets"選項(xiàng)中選"SelectedBodies"，點(diǎn)選船體結(jié)構(gòu)f"Apply"f"Generate"，原來的船體分成兩部分，上面是舷墻部分，下面是船艙部分，如圖3所示。圖3船體分為兩部分這時(shí)生成的SurfaceBody已完成歷史使命，可將其抑制(Suppress)掉了。注意不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody抑制掉。生成舷墻：選擇(2)中生成的舷墻部分進(jìn)行抽殼，點(diǎn)擊“Thin”f"Surface”，在“DetailView"窗口"SelectionType"選項(xiàng)中，選擇“FacetoKeep"項(xiàng)，保留舷墻部分，設(shè)置厚度為0,然后點(diǎn)選“生成”。生成船體外表面本文使用的船舶鋼板厚度都是一樣的，可將上層建筑與船體一起定義。倘若船體各處鋼板厚度不同，計(jì)算過程中可分別定義各鋼板的厚度。布爾并運(yùn)算：點(diǎn)擊“Create"f"Boolean"，在“DetailView"窗口Operation選項(xiàng)中選擇Unite項(xiàng)，“ToolBodies”選擇上層建筑生成的船艙部分，然后點(diǎn)選“生成”。生成船體表面：選中⑴中生成的體，然后抽殼，保留全部外表面，厚度設(shè)置為0。抽殼后將在圖4所示的藍(lán)色區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生甲板大開口狀，需要補(bǔ)上去。補(bǔ)全甲板：點(diǎn)擊“Concept"f"SurfacesFromEdges"，選中圖4所示藍(lán)色線條位置處的4條邊，然后生成1個(gè)面。圖4抽殼后甲板位置有開口在船體骨架位置處生成邊船體是一個(gè)板架結(jié)構(gòu)，除了鋼板之外還應(yīng)該有骨架。有限元模型中骨架必須位于船體板上，以免計(jì)算時(shí)骨架與板分離造成計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。為了保證模型的骨架位于船體板上，需要在船體板上添加邊(edges)，以便在邊上生成骨材(LineBody)。解凍：點(diǎn)擊“Tools"f"Unfreeze”，選擇上面生成的船體表面，解凍后如圖5所示。本文采用印痕操作(Imprint)在船體板上添加邊，只有非凍結(jié)體才能執(zhí)行該操作。印痕：本文采用拉伸命令(Extrude)生成印痕，所以先在中縱剖面(ZXPlane)建立草圖(NewSketch)，在肋骨位置上繪制一組直線，如圖6所示。然后“拉伸”，在“DetailView”窗口Operation選項(xiàng)中選擇“ImprintFaces”項(xiàng)，Direction項(xiàng)選擇“Both-Symmetric”，Extent選項(xiàng)選擇“ThroughAll”，然后“生成”。原來光滑的船體表面將出現(xiàn)許多線條，如圖7所示。圖6在肋骨位置繪制直線圖7印痕后的船體表面與(2)的操作相似，在基平面(XYPlane)建立草圖(NewSketch)，沿甲板縱桁位置和龍骨位置繪制直線，完成拉伸和印痕操作。在中縱剖面(ZXPlane)建立草圖(NewSketch)，沿舷側(cè)縱桁位置繪制直線，完成拉伸和印痕操作。最終在船體表面生成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格線，如圖8所示。注意：要等到所需的印痕操作全部完成后再添加LineBody，否則后面的印痕操作可能造成之前添加的LineBody脫離船體表面。圖8印痕后的船體表面凍結(jié)船體，解凍上面補(bǔ)充的甲板面。如圖9所示，這里之所以要輪換凍結(jié)、解凍不同的面，是因?yàn)槎鄠€(gè)非凍結(jié)體會(huì)自動(dòng)執(zhí)行布爾并運(yùn)算。倘若布爾運(yùn)算結(jié)果不符合WORKBENCH的要求，模型將出現(xiàn)錯(cuò)誤而無法繼續(xù)建模。圖9印痕后的甲板面生成艙壁生成首尖艙艙壁：點(diǎn)擊“Concept"f"SurfacesFromEdges”，選中圖10中圍成首尖艙的各條邊(edges)，然后點(diǎn)選“生成”。圖10生成首尖艙艙壁生成其他橫艙壁：與(1)中操作類似，選擇圍成艙壁所需的邊，一一生成其余各橫艙壁。各橫艙壁生成后如圖11所示。在橫艙壁上印痕：在橫艙壁上生成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格線，以便利用這些痕跡添加縱艙壁和船體骨架。印痕操作后如圖12所示。圖12橫艙壁上的印痕生成其他艙壁并在艙壁骨架位置印痕：與(1)、(2)中操作類似，選擇圍成艙壁所需的邊，一一生成其余各艙壁，然后在各艙壁上印上縱橫交錯(cuò)的痕跡。結(jié)果如圖13所示。圖13船體各艙壁生成骨架為了減少工作量，本文著重分析除上層建筑外的船舶整體強(qiáng)度，不考慮上層建筑的受力情況，所以這里不為上層建筑添加骨架，也不關(guān)注上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。生成甲板橫梁：點(diǎn)擊"Concept"f"LinesFromEdges”，選擇甲板上橫向的印痕，如圖14中綠色線條，在“DetailView"窗口Operation選項(xiàng)中選擇“AddFrozen"項(xiàng)，生成凍結(jié)狀態(tài)的甲板橫梁(LineBody)。直接生成凍結(jié)體是為了避免它們與隨后添加的甲板縱桁發(fā)生布爾并運(yùn)算。凍結(jié)狀態(tài)下各個(gè)梁擁有各自獨(dú)立的橫截面特征，布爾并運(yùn)算后各個(gè)梁將合為一體，只能共同用一種橫截面特征。圖14選擇甲板上的橫向印痕生成橫梁定義橫截面：點(diǎn)擊“Concept"f"CrossSection"f"LSection"，本文中甲板橫梁的橫截面為L形，此時(shí)將自動(dòng)呈現(xiàn)繪圖窗口，顯示一個(gè)L形草圖。在“DetailView”窗口Dimensions項(xiàng)輸入橫截面尺寸值即可。賦予甲板橫梁橫截面特性：選擇生成的LineBody(可群選)，在"DetailView"窗口"CrossSection”項(xiàng)中選擇剛剛定義的橫截面。點(diǎn)擊“View"f"CrossSectionSolids"，生成的LineBody將顯示成實(shí)體模樣，此時(shí)可以看出橫梁的位置稍微偏離甲板表面(有時(shí)方向跟預(yù)期結(jié)果不同)，選擇其中一個(gè)LineBody，在“DetailView”窗口"OffsetType”項(xiàng)中選擇“UserDefined”，可輸入數(shù)值移動(dòng)橫骨到合適位置。如果發(fā)現(xiàn)方向與預(yù)期結(jié)果不同，可右鍵點(diǎn)擊其“LineBody”(可群選)，在右鍵子菜單中選擇“SelectUnalignedLineEdges"予以調(diào)整，如可以在“DetailView"窗口Rotate項(xiàng)填入旋轉(zhuǎn)角度。重復(fù)步驟(1)?(3),生成其他骨架并賦予它們橫截面特征，調(diào)整各骨架位置。結(jié)果如圖15所示。圖15生成船體骨架連接各面(Joint)Joint命令用于將各個(gè)面連接起來，連接后的板共同有一條相鄰的邊，相鄰板之間的網(wǎng)格協(xié)調(diào)一致。FormNewPart命令可以使該P(yáng)art中的各個(gè)部分連接起來，使這個(gè)Part中的線、面網(wǎng)格都協(xié)調(diào)一致。點(diǎn)擊“Tools”f"Joint”，選擇全部體，然后“生成”。在Graphics窗口框選全部體，右鍵點(diǎn)擊進(jìn)入子菜單，選擇“FormNewPart”。二、計(jì)算完成建模后，直接退出正在運(yùn)行的Geometry模塊，在Workbench的Toolbox窗口雙擊“StaticStructure”(ANSYS)，將在“ProjectSchematic”窗口中出現(xiàn)新的項(xiàng)目B。如圖16所示，拖動(dòng)項(xiàng)目A中“Geometry”到項(xiàng)目B的相應(yīng)位置，這時(shí)出現(xiàn)一條連接線，建好的模型就可以導(dǎo)入分析模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分析計(jì)算。雙擊B中的“Model”進(jìn)入分析模塊。如果A中模型被修改，再次打開B時(shí)系統(tǒng)將會(huì)提示是否更新模型。圖16新建分析項(xiàng)目定義鋼板尺寸及材料屬性在Outline窗口中展開Geometry（點(diǎn)"+”號(hào)），再展開Parti,選擇“SurfaceBody”（可群選），在“DetailsofMultipleSelection"窗口Thickness項(xiàng)中填入厚度值即可。如果各個(gè)板厚度不同，可一一定義。同一個(gè)板也可以擁有不同的局部厚度值。本文中船體構(gòu)件都是鋼，采用默認(rèn)材料即可。如需其他材料，需要從材料庫添加。劃分網(wǎng)格WORKBENCH中的網(wǎng)格劃分更加智能，不再需要選擇網(wǎng)格單元，系統(tǒng)將自動(dòng)選擇通用單元完成分析計(jì)算。但劃分網(wǎng)格前可自行設(shè)置各種參數(shù)。在Outline窗口選擇Mesh，在“DetailofMesh"窗口中設(shè)置網(wǎng)格尺寸并選擇所需的選項(xiàng)即可。也可以右鍵點(diǎn)擊“Mesh”添加特殊命令，為某一個(gè)（些）特殊部分專門定義尺寸、劃分網(wǎng)格的方法等。本文中采用的是正方形網(wǎng)格，如圖17所示。圖17劃分網(wǎng)格定義邊界條件船舶是航行在水中的，因此外板會(huì)受到來自水的壓力作用。本文中添加了HydrostaticPressure模塊來模擬水壓力。船上運(yùn)載物的重量加載到其所在艙室的骨架上，固定首尾尖艙上的3個(gè)點(diǎn)。在Outline窗口選擇“StaticStructural（B5）"，右鍵點(diǎn)擊“Insert"f"HydrostaticPressure"，在“DetailofHydrostaticPressure"窗口填入水密度值（Definition選項(xiàng)中“FluidDensity"）、重力加速度值（“HydrostaticAcceleration"選項(xiàng)）并定義液面位置（“FreeSurfaceLocation"選項(xiàng)中“Location"）。結(jié)果如圖18所示。其他邊界條件的定義方法類似，定義后如圖19所示。圖18定義水壓力分析計(jì)算本文中船體骨架采用的是梁單元，計(jì)算出來的應(yīng)力是正應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力，而且只有在“BeamTool”里才能顯示。圖19邊界條件在Outline窗口選擇“Solution(B6)”，右鍵點(diǎn)擊“Insert”f"BeamTool”，添加一個(gè)梁工具。同樣方法添加其他感興趣的結(jié)果，如變形(Deformation)＞應(yīng)力(Stress)及應(yīng)變(Strain)等，也可以自定義結(jié)果(UserDefinedResult)。如添加自定義的總變形(等效應(yīng)力)結(jié)果：右鍵點(diǎn)擊"Insert"f"UserDefinedResult”，在圖形窗口點(diǎn)選或框選自己關(guān)注的結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊“DetailofUserDefinedResult"f"Geometry"f"Apply"，這樣輸出的結(jié)果就是所選擇的那部分結(jié)構(gòu)的結(jié)果。在Expression項(xiàng)填入usum(Seqv)，這樣輸出的結(jié)果就是總變形(等效應(yīng)力)。列舉幾個(gè)云圖，如圖20?圖22所示。圖20中只關(guān)注了船舶中間部分的結(jié)果，這時(shí)船首尾兩端是固定的，等效應(yīng)力比較大。如果顯示全船等效應(yīng)力，船舶中間部分的云圖梯度太小，不容易區(qū)分哪里應(yīng)力更大。根據(jù)圣維南原理，中間部分的結(jié)果相對(duì)精確，固定端的結(jié)果精確度欠佳。圖20骨架正應(yīng)力云圖圖21自定義總變形云圖三、結(jié)語ANSYSWORKBENCH是相對(duì)比較新的軟件，船舶強(qiáng)度分析方面的例子也并不多見，這里筆者所采用的方法不一定是最好的，僅供參考。圖22自定義等效應(yīng)力云