ANSYS中如何处理奇异性方法

在有限元分析中(FEA)中，必须适当地简化实体,我们很少分析包含所有细节的实体。由于计算条件限制了模型的规模，权宜之下，通常简化螺纹孔、倒角、安装凸台和其它一些并不重要的部分。因为简化一些无关紧要的细节能使分析求解尽可能地高效，减少占用的ＲＡＭ、硬盘空间和ＣＰＵ时间。 但问题是，随着倒角和其它一些细节被简化，在它们邻近区域内计算出的应力值可能不准确。比如用一个尖角代替倒角，尖角处产生奇异，导致该处有无限大的应力集中因子。虽然奇异并不防碍ＡＮＳＹＳ在该处的应力计算，但计算的结果却不能反映真实应力，由于单元密度的疏密不同，计算的结果可能比实际值过高或过低。虽然计算的应力值是不准确的，若位移值仍然是好的，且奇异产生的区域并不特别重要，该应力值则可以忽略，分析员可以放心的关注模型的其他部分。 有时，一些模型细节明显可以被简化，有时细节刚开始并不显得重要，但后来结果分析显示该细节是至关重要的，这也是应力分析学科的一个特点。分析员必须运用他们的经验和直觉来判断设计细节的相关性能，确定它们能否被简化而不产生错误的结果。我发现经验能使分析员的直觉灵敏，尽管如此，但仍可能出错，有时分析员并不能掌握细节的重要性，当他检查结果时才发现，简化了的细节其实是非常重要的。 象这样的情况，我们有几种选择方案。一种是在模型中添加该细节重新计算，该方法适应于具有简单边界条件和相对比较简单的几何实体，并且重新分析所需要的时间也不太多。如果第一次计算需要７０个小时，且任务紧迫，那么修改并重新计算整个模型并非是很好的方式，此时应该应用已有的结果来得出精确的应力。 完成该任务的方法之一是子模型法，在包含细节的相关区域建立子模型来计算精确的应力。在ＡＮＳＹＳ在线文档中可获得子模型法，分析向导的“高级分析技术”章节中包含了ＡＮＳＹＳ可以完成的各种类型子模型例子，包括“shell-shell”、“shell-solid”和“solid-solid”。如果子模型在低应力梯度区域内具有边界，根据在线文档的指南可以得到满意的求解。 特别当模型相对比较复杂和建立子模型计算结果所用的时间够用时，可用子模型法来计算，因为子模型法通常比原始模型尺寸更小，运行的时间也更少，且对计算资源要求不高。当然，可能也要花费一到两天的的时间来建立子模型、施加边界条件、求解和分析结果。 另外一种获得准确应力值的方法是外插值法。假设奇异在该区域没有发生时来推断奇异点的应力值，并使用应力集中因子来计算真实应力。例如一个具有阶跃截面的悬臂梁（图1），大边固定，在自由端的顶部施加一个垂直载荷。在实际几何体中，虽然在阶跃截面处有一小的倒角，但在模型中通常被简化，因为初始的估计表明这并不重要。 然而计算结果显示（图2）该区域的应力是最值得关注的。通过沿着梁较薄部分底部的路径画应力值（在该例中为最小应力S3），从而可以较好的估计奇异点的应力值。该任务通过以下的命令来完成：用PPATH定义路径，PDEF命令插值该路径上的S3 应力值和PLPATH画插值数据。 该过程表明S3 随位置呈线性变化（图3），愈靠近尖角，数值愈大，当接近尖角时，由于该位置的奇异，应力值迅速增加。使用该图，可以估计应力曲线的线性部分与垂直轴在-7180PSI处相交，此数据与手工计算的-7200PSI数据接近。如果应力集中因子为1.0，该应力值即为尖角处的应力值。 处理尖角处不正确应力时，一种较好的方法是分析员借助应力集中手册（如R.E.Peterson的《应力集中因子》），找到几何体的相应应力集中因子来计算正确的应力值。 (http://www.ansys.com.cn/SUPPORT/caewz2.htm) 该例简单从而可以容易地用手工计算来完成，但存在许多这样的情况：问题并非这样简单并且根本不可能进行手工计算。此时，在产生奇异的区域，你可以运用应力的线性插值和合适的应力集中因子来快捷计算准确的应力值。