第16章-耦合和约束方程(ansys教程)

第16章耦合和约束方程正如自由度约束能约束模型中确定的节点一样，耦合和约束方程可以建立节点间的位移关系。本章主要讨论何时需要建立、怎样建立节点间的耦合和约束方程。主要内容:A.耦合B.约束方程16.1耦合耦合是使一组节点具有相同的自由度值除了自由度值是由求解器计算而非用户指定外，与约束相类似例如:如果节点1和节点2在UX方向上耦合，求解器将计算节点1的UX值并简单地把该值赋值给节点2的UX一个耦合设置是一组被约束在一起，有着同一方向的节点(即一个自由度)一个模型中可以定义多个耦合，但一个耦合中只能包含一个方向的自由度16.1.1耦合设置的特点只有一个自由度卷标－如：ux,uy或temp可含有任意节点数任意实际的自由度方向－ux在不同的节点上可能是不同的主、从自由度的概念加在主自由度上的载荷16.1.2一般应用施加对称条件无摩擦界面铰接如：用耦合施加循环对称性，在循环对称切面上的对应位置实施自由度耦合16.1.3施加对称条件耦合自由度常被用来施加移动或循环对称性条件。这可以保证平面截面依然是平面。例如：-对圆盘扇区模型(循环对称)，应使两个对称边界上的对应节点在各个自由度上耦合。对锯齿形模型的半齿模型(平移对称)，应使一个边上的节点在各自由度上耦合关于此边对称这些节点的所有自由度都要耦合xyxy123451112131415由于结构的对称性，上面的一排结点在轴向上的位移应该相同16.1.3施加对称条件(续)考虑在均匀轴向压力下的空心长圆柱体，此3－D结构可用下面右图所示的2－D轴对称模型表示16.1.4无摩擦界面如果满足下列条件，则可用耦合自由度模拟接触面表面保持接触几何线性分析(小变形)忽略摩擦在两个面上，节点是一一对应的通过耦合垂直于接触面的重合节点来模拟接触面分析仍然是线性的无间隙收敛性问题在竖向耦合每对节点16.1.5铰接耦合可用来模拟铰接，如：万向节、铰链借助力矩释放可模拟铰接：只耦合连接节点间的位移自由度，不耦合旋转自由度例如：下图中，若A处重合两节点在UX、UY方向上耦合，旋转不耦合，则A连接可模拟成铰接12A节点1和节点2重合，为了看清分开显示16.1.6创建耦合设置根据使用不同，可用多种方法进行耦合设置①将节点进行同方向耦合：选择所需要的设置接着使用CP命令或orPreprocessorCoupling/CeqnCoupleDOFs例如,cp,,ux,all是把所有选择节点在UX方向上耦合输入耦合设置参考号，选择自由度卷标16.1.6创建耦合设置(续)②在零偏移量的一组节点之间生成附加耦合关系:MainMenu:PreprocessorCoupling/CeqnGenw/SameNodes3.单击OK1.输入现存耦合设置的参考号2.对每个设置指定新的自由度卷标16.1.6创建耦合设置(续)③同一位置节点间的耦合：首先确保所有要耦合的节点都被选择接着使用命令CPINTF或PreprocessorCoupling/CeqnCoincidentNodes例如：cpintf,uy同一位置的所有节点在UY上耦合(包含0.0001的缺省误差)16.1.6创建耦合设置(续)④不在同一位置节点间的耦合，如循环对称:首先确保所有要耦合的节点都被选择。然后使用命令CPCYC或PreprocessorCoupling/CeqnOffsetNodes例如：cpcyc,all,,1,0,30,0把圆心角相差30º的对应节点的各自由度进行耦合(注：当前KCN选项是总体柱坐标系)16.1.7关于耦合的说明记忆要点:耦合中的自由度方向(UX,UY,等)是节点坐标系中的方向求解器只保留耦合中的第一个自由度，并把它作为主自由度，而不保留其余自由度施加在耦合节点上的载荷(在耦合自由度方向)求和后作用在主节点上耦合自由度上的约束只能施加在主节点上16.1.8练习：耦合循环对称边界在此练习中，由生成耦合DOF设置来模拟有循环对称性的模型的接触问题1.建模并在图形窗口中画单元2.在总体柱坐标系下，生成具有Y的增量为30的节点复制件a.将当前坐标系变为总体柱坐标系b.在当前坐标系中，以Y=30的增量拷贝所有的结点16.1.8练习：耦合循环对称边界(续)3.在同一位置的节点上生成适当的耦合关系a.Choosecouplecoincidentnodesb.ChooseAllAppropriate4.不选择附在单元上的节点a.选择entity,nodeattachedtob.选择unselect，并单击apply5.将新节点拷贝回原始位置(DY=-30,INC=0)a.以Y＝－30的增量拷贝所有节点b.对节点号增量输入06.选择everything16.1.8练习：耦合循环对称边界(续)7.对所有处于同一位置的节点进行merge操作a.NumberingcontrolsMergeitemsb.关掉警告信息8.将所有的节点坐标系转到总体柱坐标系a.MainMenu:Preprocessor-Modeling-Move/ModifyRotatenodeCStoactiveCSb.拾取all9.求解并进行后处理16.2约束方程约束方程定义了节点自由度间的线性关系若两个自由度耦合,它们的简单关系是UX1=UX2约束方程是耦合的更一般形式，允许写诸如UX1+3.5*UX2=10.0的约束方程在一个模型中可以定义任意多个约束方程另外，一个约束方程可以包含任意数量的节点和自由度的集合。约束方程的一般形式是:Coef1*DOF1+Coef2*DOF2+Coef3*DOF3+...=Constant16.2.1约束方程的特点约束方程的特点自由度卷标的任意组合任意节点号任意实际的自由度方向――在不同的节点上ux可能不同16.2.2一般应用连接不同的网格•实体与实体的界面•2－D或3－D•相同或相似的单元类型•单元面在同一表面上，但结点位置不重合连接不同类型的单元•壳与实体•垂直于壳或实体的梁建立刚性区过盈装配16.2.3连接不同的网格两个已划分网格的实体部分在某个面相连接，若它们的节点不相同，可以通过建立约束方程来建立连接处理此类情况最容易的方法是使用CEINTF命令(PreprocessorCoupling/CeqnAdjacentRegions)首先选择网格划分较细的对象的节点和另一方的单元自动计算所有必要的系数和常数适合于实体单元对实体单元，2-D或3-D16.2.4连接不同类型的单元如果需要连接自由度集不同的单元类型，则要求写出约束方程以便于从一类单元向另一类单元传递载荷:梁与实体或垂直于壳的梁壳与实体命令：CE命令(PreprocessorCoupling/CeqnConstraintEqn)建立转动自由度和移动自由度之间的关系16.2.5建立刚性区约束方程通常被用来模拟刚性区作用在节点(主节点)上的载荷将被恰当地分配到刚性区的其它节点上使用CERIG命令(或PreprocessorCoupling/CeqnRigidRegion)•在某些特殊情况下，全刚性区给出了约束方程的另一种应用•全刚性区和部分刚性区的约束方程都可由程序自动生成16.2.6过盈装配同接触耦合相类似，但在两界面间允许有过盈量或间隙典型方程:0.01=UX(node51)-UX(node251)16.2.7建立约束方程的过程①人工建立约束方程的菜单路径：MainMenu:PreprocessorCoupling/CeqnConstraintEqn2.单击OK1.输入常数项、节点号、自由度卷标和方程系数16.2.7建立约束方程的过程(续)②以现有的约束方程为基础生成约束方程：1.生成第一个约束方程:MainMenu:PreprocessorCoupling/CeqnConstraintEqn2.生成其余的约束方程:MainMenu:PreprocessorCoupling/CeqnGenw/SameDOF生成的约束方程数.现存约束方程中的节点增量3.选择OK生成的约束方程的起始序号，终止序号和增量16.2.7建立约束方程的过程(续)③通过“刚性区”来建立约束方程：MainMenu:PreprocessorCoupling/CeqnRigidRegion拾取将要连在一起的结点，然后单击OK1.选择将要使用的刚性区的类型(自由度设置)2.单击OK16.2.7建立约束方程的过程(续)④在相邻的区域生成约束方程：1.从网格较密的区域中选择节点2.从网格较稀的区域中选择单元MainMenu:PreprocessorCoupling/CeqnAdjacentRegions3.指定容差，此容差作为单元区域中最小单元长度的比率4.在约束方程中将要使用的自由度5.单击OK16.2.8练习：在蜗轮叶片上建立约束方程在此练习中，将使用约束方程将具有不同单元类型和不同网格的两部分连接起来。这两部分分别是涡轮叶片段及叶片连接的基座BaseBlade16.2.8练习：在蜗轮叶片上建立约束方程(续)1.建模并划分单元2.选择基座上的单元(mat2)3.选择叶片底面上的节点a.首先，unselect附在底座单元上的节点(接第2步)b.然后，在位置Z＝0处reselect节点4.在所选的相邻区域生成约束方程.5.选择everything6.求解并进行后处理16.2.9耦合练习-叶轮叶片说明：对叶轮的30°扇区使用耦合。确定叶片在绕Z轴1000弧度/秒角速度载荷下的vonMises应力分布。16.2.9耦合练习-叶轮叶片(续)载荷和材料特性16.2.9耦合练习-叶轮叶片(续)1.按教师指定的工作目录，用“cp-blade”作为作业名，进入ANSYS。2.恢复“cp-blade.db1”数据库文件:UtilityMenuFileResumefrom…或使用命令:RESUME,cp-blade,db116.2.9耦合练习-叶轮叶片(续)3.进入前处理器，分别定义单元类型1为SOLID95,单元类型2为MESH200。对MESH200单元设置KEYOPY(1)=5：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete…[Add...]选择“StructuralSolid”和“Brick20node95”,然后按[Apply]选择“NotSolved”and“MeshFacet200”,然后按[OK]选择[Options...]SetK1=“TRIA6-NODE”,然后按[OK][Close]或使用命令:/PREP7ET,1,SOLID95ET,2,MESH200KEYOPT,2,1,516.2.9耦合练习-叶轮叶片(续)4.使用VSWEEP对体volume2进行网格剖分:MainMenuPreprocessorMeshTool…选择“Hex”（六面体）和“Sweep”（扫掠）,然后选择[Sweep]或使用命令:VSWEEP,216.2.9耦合练习-叶轮叶片(续)5.选择“智能尺寸”等级4并用MESH200单元对1号面剖分网格（扇区底侧边界）:MainMenuPreprocessorMeshTool…智能尺寸”等级置为4Mesh置为Areas选择“Tri”和“Free”,然后按[Mesh]或使用命令:SMRT,4AMESH,116.2.9耦合练习-叶轮叶片(续)6.拷贝1号面的网格到11号面(扇区高段一侧边界):MainMenuPreprocessor-Modeling-CopyAreaMesh+拾取1号面(或者在ANSYS输入窗口键入“1”后按[Enter]键)[OK]拾取11号面(或者在ANSYS输入窗口键入“11”后按[Enter]键)在拾取对话框中选择[OK]设置KCN=1设置DY=30按[OK]