利用ansys经典版理解workbench运动副
虽然常年使用hypermesh-ansys经典流程进行分析,但是心里也明白,workbench这种操作模式无疑会将或者说已经在工程应用中发挥了越来越强大的生命力。然而workbench虽然方便,却会带来很多理解性的困扰,特别是对于没有经历过经典“洗礼”的学习者。因此这里特别就运动副这一重要概念简单说明下:软件后续到底进行了哪些操作(由于运动副种类众多,这里仅以转动副revolute为例进行说明)。
一.Workbench操作(简略过一遍)
①问题
如下圆盘,内径15mm,外径30mm,厚度5mm,外圆面全固定,现在预在偏离中心3mm处对内圆面施加大小为100N.m的转矩,试分析该工况下的圆盘应力云图。

②模型建立
使用workbench的Designmodeler模块或者SpaceClaim建立上述模型都行(或者用其他三维建模软件导入)。
③网格划分(材料默认)
进入Mechanical模块,设置划分方法为sweep,sweep份数为5,内外圈划分40份,得到如下网格模型:

④设置转动副
在connection中拖入转动副,scope选择内表面作为约束面,然后进入reference coordinate system中设置转动中心为(3,2.5,0)。

⑤设定边界条件
约束外圆面全部自由度,设定joint load为绕Z轴1e4N.mm的转矩,直接分析即可。

二.提出问题
整个分析好像很快就完成了,然而再回顾下整个分析流程,会发现一大堆说不清楚的问题,例如:怎么确定建立转动副时scope应该选择哪一个面?怎么理解这个scope?转轴中心可以自己更改吗?转动副那些参数都代表什么意思?这个和自由度耦合的区别?......
现在这些问题都先不急着回答,我们先把结果输出给ansys经典,从头到尾看一软件到底封装了哪些操作。
三.回到ansys经典

如上,我们将结果输出给经典模块,更新后打开apdl界面,如下:

首先我们直观的看导入的模型,可以看到在我们设置的转动中心位置有一个节点,我们可以猜测这个节点用该是个控制节点,用来控制所选面的运动。为了验证猜想,打开单元类型选项,可以看到:

我们除了离散实体网格默认的solid186以外,软件还创建了另三个单元:接触单元conta174,接触单元targe170,多点约束单元mpc184。我们再看接触向导:

可以看到接触向导中已经创建了一个高级接触(单点控制,控制节点为4253,即中间那个红色的控制节点)。到这里,我们已经清楚一部分:软件使用conta174与targe170创建了一个单点控制接触,接触单元即节点4253能控制圆柱内面节点的运动,而圆柱内面也就是我们在workbench中利用scope选择的内表面。
然而,控制节点的驱动和一般节点一样,是通过约束和再和进行的,但是我们显示屏幕所有边界如下:

外圈是我们施加的固定约束,但是我们施加的转矩去哪儿了?
可以知道,如果我们使用控制节点来施加边界,是和一般节点施加一样,因此会显示出来肯定。不过不急,我们还有一个重要单元没有上场,那就是mpc单元。我们先来看下软件到底用了mpc单元的哪一种(mpc是一类单元,里面包含刚性梁,刚性杆,转动,销轴等单元):

可以看到软件还使用了一个转动单元,该单元有几个很重要的特性①不能直接施加边界,但是可以通过dj和fj来施加运动和力②节点i与节点j必须重合③必须在节点上定义局部坐标系,以便定义转轴。
因此我们在经典里也很容易查到,在转动中心处的确有两个重合节点,其中一个是控制节点作为转动副的i节点,另一个是转动副的j节点。我们也很容易理解由于是使用dj和fj来加载的,因此在屏幕上并未显示出来,这个有点类似于单元内部荷载,通过i与j的相对转动来施加。对于第三个,我么查询界面的坐标系如下:

可以看到软件自动创建了一个12号坐标系,原点为(3,2.5,0),转轴方向也和wb中一致,说明该坐标系正是操控转动单元的坐标系。
现在我们大致清楚了,整个joint(revolute)的流程相当于首先通过scope选择需要控制的内表面,该内表面使用一个控制节点来控制,而该控制节点的转动是使用一个revolute单元来定义的。而reference中能按照需求自己去定义一个局部坐标系作为转动副的参考坐标。后续通过fj和dj来直接施加转矩等便捷。读者自己继续看单点控制的一些操控参数,不难发现就是wb界面里面的一些操控参数,但是叫法有些不太一样。
当然到这里我们还是有很多疑问,比如肯定会想到的:为啥不直接在控制节点加荷载而是通过转动副?这个问题大家可以去了解下mpc单元就知道,这些单元在描述相对运动的时候的确具有相当大的优势。
四.总结
这篇文章其实并没有说出所有控制选项的对应并且也仅仅局限于一种情况,但是却提供了一种方式去理解wb的一些包装后的操作,对于喜欢钻研的读者应该还是有很大帮助的。比如可以用来研究远点载荷到底是咋实现的?Wb加任意方向压力是通过表面效应单元吗?Wb各种接触控制和边界载荷到底是怎么样实现的?......同样,对于在经典学习上遇到问题的朋友,也可以通过wb来获悉那些操作怎么样在经典中实现,以达到一个双向学习。
