5.6　项目分析5——子模型静力学分析

前面4节分别介绍了实体单元、梁单元、曲面实体与支承座的静力学分析，本节将通过一个简单的实例介绍一下子模型的静力学分析。

子模型的静力学分析比较广泛地应用于模型的细化分析，可以提高局部的分析精度。请读者掌握子模型静力学分析的基本过程。

学习目标：

熟练掌握ANSYS Workbench子模型静力学分析的方法及过程。

5.6.1　问题描述

在工程分析过程中常常会遇到一些结构比较复杂的模型。在这类模型的某些位置，特别是在一些过渡连接的位置或者特征比较复杂的位置需要细化网格，以满足计算精度的要求。但是由于硬件的资源限制，即使这些问题的原理很简单，有时也会很棘手。旧版本的ANSYS Workbench只能通过APDL编程来辅助分析，对于初学者或一般工程人员来说，上手比较困难。而ANSYS Workbench可以不需要特殊编程即可完成细化分析——子模型分析。

下面将通过一个简单的例子，介绍一下如何对如图5-161所示的铝合金模型进行子模型分析。

5.6.2　启动Workbench并建立分析项目

Step1：在Windows系统下选择“开始”→“所有程序”→“ANSYS 2020 R1”→“Workbench 2020 R1”命令，启动ANSYS Workbench 2020，进入主界面。

Step2：双击主界面Toolbox（工具箱）中的Analysis Systems→Static Structural（静态结构分析）命令，即可在Project Schematic（工程项目管理窗格）中创建分析项目A，如图5-162所示。

5.6.3　导入几何体

Step1：右击A3栏的Geometry选项，在弹出的快捷菜单中选择Import Geometry→Browse命令，如图5-163所示，此时会弹出“打开”对话框。

Step2：在弹出的“打开”对话框中选择文件路径，导入model.sat几何体文件，如图5-164所示，此时A3栏的Geometry选项后的图标变为图标，表示实体模型已经存在。

Step3：双击项目A中A3栏的Geometry选项，会进入DesignModeler界面，然后选择单位为m，此时模型树中的Import1命令前会显示图标，表示需要生成几何体，但图形窗口中没有图形显示，如图5-165所示。

Step4：单击（生成）按钮，即可显示生成的几何体，如图5-166所示，此时可在几何体上进行其他的操作。本例无须进行操作。

Step5：单击DesignModeler界面右上角的（关闭）按钮，退出DesignModeler平台，返回Workbench主界面。

5.6.4　添加材料库

Step1：双击项目A中A2栏的Engineering Data选项，进入如图5-167所示的材料参数设置界面。在该界面下即可进行材料参数设置。

Step2：在界面的空白处右击，在弹出的快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源）命令，此时的界面会变为如图5-168所示的界面。原界面中的Outline of Schematic A2:Engineering Data表消失，被Engineering Data Sources及Outline of General Materials表取代。

Step3：在Engineering Data Sources表中选择A4栏的General Materials选项，然后单击Outline of General Materials表中A4栏的Aluminum Alloy（铝合金）选项后的B4栏的（添加）按钮，此时在C4栏中会显示（使用中的）图标，如图5-169所示，表示材料添加成功。

Step4：同Step2，在界面的空白处右击，在弹出的快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源）命令，返回初始界面。

Step5：根据实际工程材料的特性，在Properties of Outline Row 4:Aluminum Alloy表中可以修改材料的特性，如图5-170所示。本实例采用的是默认值。

用户也可以通过材料参数设置界面自行创建新材料并添加到模型库中，这在后面的讲解中会涉及，本实例不介绍。

Step6：单击工具栏中的按钮，返回Workbench 2020主界面，完成材料库的添加。

5.6.5　添加模型材料属性

Step1：双击项目A中A4栏的Model选项，进入如图5-171所示的Mechanical界面。在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。

ANSYS Workbench程序默认的材料为Structural Steel。

Step2：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Geometry→实体1命令，此时即可在Details of“实体1”（参数列表）面板中给模型添加材料，如图5-172所示。

Step3：单击Material→Assignment栏后的按钮，此时会出现刚刚设置的材料Aluminum Alloy，选择该选项即可将其添加到模型中。如图5-173所示，表示材料已经添加成功。

5.6.6　划分网格

Step1：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Mesh命令，此时可在Details of“Mesh”（参数列表）面板中修改网格参数。本例在Defaults→Element Size栏中输入5.0m，其余选项采用默认设置，如图5-174所示。

Step2：右击Outline（分析树）中的Mesh命令，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh命令。最终的网格效果如图5-175所示。

本例为了演示子模型的使用方法，全模型的网格划分比较粗糙。

5.6.7　施加载荷与约束

Step1：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Static Structural（A5）命令，此时会出现如图5-176所示的Environment选项卡。

Step2：选择Environment选项卡中的Structural（结构）→Fixed（固定）命令，此时在分析树中会出现Fixed Support命令，如图5-177所示。

Step3：选择Fixed Support命令，选择需要施加固定约束的面，单击Details of“Fixed Support”（参数列表）面板中Geometry栏的按钮，即可在选中的面上施加固定约束，如图5-178所示。

Step4：同Step2，选择Environment选项卡中的Structural（结构）→Force（力）命令，此时在分析树中会出现Force命令，如图5-179所示。

Step5：选择Force命令，在Details of“Force”（参数列表）面板中进行如下设置。

在Geometry栏中确保如图5-180所示的两个面被选中并单击按钮，此时在Geometry栏中显示1Face，表明一个面已经被选中。

在Define By栏中选择Components选项。

在Y Component栏中输入-3000N，其余选项保持默认设置即可。

Step6：右击Outline（分析树）中的Static Structural（A5）命令，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令。

5.6.8　结果后处理

Step1：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Solution（A6）命令，此时会出现如图5-181所示的Solution选项卡。

Step2：选择Solution选项卡中的Results（结果）→Stress（应力）→Equivalent（von-Mises）命令，此时在分析树中会出现Equivalent Stress（等效应力）命令，如图5-182所示。

Step3：同Step2，选择Solution选项卡中的Results（结果）→Strain（应变）→Equivalent（von-Mises）命令，如图5-183所示，此时在分析树中会出现Equivalent Elastic Strain（等效应变）命令。

Step4：同Step2，选择Solution选项卡中的Results（结果）→Deformation（变形）→Total命令，如图5-184所示，此时在分析树中会出现Total Deformation（总变形）命令。

Step5：右击Outline（分析树）中的Solution（A6）命令，在弹出的快捷菜单中选择Evaluate All Results命令，如图5-185所示。

Step6：选择Outline（分析树）中的Solution（A6）→Equivalent Stress命令，此时会出现如图5-186所示的应力分析云图。

Step7：选择Outline（分析树）中的Solution（A6）→Equivalent Elastic Strain命令，此时会出现如图5-187所示的应变分析云图。

Step8：选择Outline（分析树）中的Solution（A6）→Total Deformation（总变形）命令，此时会出现如图5-188所示的总变形分析云图。

Step9：单击Mechanical界面右上角的（关闭）按钮，退出Mechanical平台，返回Workbench 2020主界面。

5.6.9　子模型分析

Step1：右击项目A中A1栏的Static Structural选项，在弹出的快捷菜单中选择Duplicate（复制工程）命令，如图5-189所示，复制一个分析项目为项目B。

Step2：右击项目B中B3栏的Geometry选项，在弹出的快捷菜单中选择Replace Geometry→Browse命令，如图5-190所示。

Step3：在弹出的“打开”对话框中选择sub_model.sat几何体文件，如图5-191所示。

Step4：单击项目A中A6栏的Solution选项不放，将其直接拖动到项目B中B5栏的Setup选项处，实现数据传递，如图5-192所示。

Step5：右击B5栏的Setup选项，在弹出的快捷菜单中选择Refresh命令，更新数据。

Step6：双击B4栏的Model选项，进入Mechanical界面，此时在Mechanical界面中出现如图5-193所示的Submodeling（A6）命令，此命令表示可以添加子模型激励。

Step7：将材料设置为Aluminum Alloy。

Step8：删除Static Structural（B5）→Fixed Support和Force两个命令。

Step9：划分网格，将网格大小设置为0.005m，如图5-194所示。

Step10：划分完成的网格模型如图5-195所示。

Step11：右击Submodeling（A6）命令，在弹出的快捷菜单中选择Insert→Cut Boundary Constraint命令，如图5-196所示。

ANSYS Workbench 2020的子模型命令与之前版本的不同，请读者注意！

Step12：在弹出的如图5-197所示的Details of“Imported Cut Boundary Constraint”面板的Geometry栏中选择3个圆柱面。

Step13：右击Imported Cut Boundary Constraint命令，在弹出的快捷菜单中选择Imported Load命令。

Step14：导入完成后的载荷及信息如图5-198所示。

Step15：右击Outline（分析树）中的Static Structural（A5）命令，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令。

Step16：图5-199～图5-201所示为应力、应变及位移分析云图。

5.6.10　保存并退出

Step1：单击Mechanical界面右上角的（关闭）按钮，退出Mechanical界面，返回Workbench 2020主界面。

Step2：在Workbench 2020主界面中单击工具栏中的（保存）按钮，保存包含分析结果的文件。

Step3：单击界面右上角的（关闭）按钮，退出Workbench 2020主界面，完成项目分析。

读者根据子模型静力学分析的方法和步骤，仔细分析子模型静力学分析的机理，可知子模型静力学分析适合比较复杂的几何模型结构。例如，汽车的轮毂结构一般比较复杂，而且属于周期对称结构，在分析汽车轮毂时可以取出其中一部分进行有限元分析，但是考虑到结构在轮缘与辐射毂之间过渡的位置受力容易出现奇异值，所以在过渡位置应进行细化分析，提高计算精度以保证工程需要。