5.4　项目分析3——曲面实体静力学分析

本节主要介绍ANSYS Workbench的结构线性静力学分析模块，计算某增压器叶轮在自转状态下的应力分布。

学习目标：

熟练掌握ANSYS Workbench静力学分析的方法及过程。

5.4.1　问题描述

图5-87所示为某增压器叶轮模型，请使用ANSYS Workbench 2020分析增压器叶轮在200 rad/s的转速下的应力分布。

5.4.2　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5-88所示。

5.4.3　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5-89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impeller_teleyhan.stp几何体文件，如图5-90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，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，但绘图窗格中没有图形显示，如图5-91所示。

Step4：单击（生成）按钮，即可显示生成的几何体，如图5-92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 2020主界面。

5.4.4　添加材料库

Step1：双击项目A中A2栏的Engineering Data选项，进入如图5-93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5-94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Aluminium 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5-95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5-96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。

5.4.5　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5-97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。

此时分析树中的Geometry前显示问号，表示数据不完全，需要输入完整的数据。本例是因为没有为模型添加材料。

Step2：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Geometry→TELEYHAN-293命令，此时可在Details of“TELEYHAN-293”（参数列表）面板中给模型添加材料，如图5-98所示。

5.4.6　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，如图5-99所示，在Defaults→Element Size栏中输入1.e-003m，其余选项采用默认设置。

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，此时会弹出网格划分进度栏，表示网格正在划分。当网格划分完成后，进度栏会自动消失。最终的网格效果如图5-100所示。

5.4.7　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5-101所示的Environment选项卡。

Step2：选择Environment选项卡中的Structural（结构）→Displacement（位移约束）命令，此时在分析树中会出现Displacement命令，如图5-102所示。

Step3：选择Displacement命令，选择需要施加固定约束的面，单击Details of“Displacement”（参数列表）面板中Geometry栏的按钮，即可在选中的面上施加位移约束，如图5-103所示，同时在X Component、Y Component、Z Component三栏中分别输入0m，其余选项采用默认设置。

Step4：同Step2，选择Environment选项卡中的Inertial（惯性）→Rotational Velocity（转动速度）命令，此时在分析树中会出现Rotational Velocity命令，如图5-104所示。

Step5：同Step3，选择Rotational Velocity命令，此时整个实体模型已被选中，在Details of“Rotational Velocity”（参数列表）面板的Magnitude栏中输入200rad/s，同时在Axis栏中选择叶轮中心孔壁面，此时Axis后面的栏中会显示Click to Change，在确定旋转轴后，会在绘图区域出现一个旋转箭头，如图5-105所示。

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，此时会弹出进度条，表示正在求解，当求解完成后，进度条会自动消失，如图5-106所示。

5.4.8　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5-107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5-108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5-109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5-110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命令，如图5-111所示。此时会弹出进度条，表示正在求解，当求解完成后，进度条会自动消失。

Step6：选择Outline（分析树）中的Solution（A6）→Equivalent Stress命令，此时会出现如图5-112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5-113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5-114所示的总变形分析云图。

5.4.9　保存与退出

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。此时，主界面的工程项目管理窗格中显示的分析项目均已完成，如图5-115所示。

Step2：在Workbench 2020主界面中单击工具栏中的（保存）按钮，保存文件名为impeller_teleyhan_StaticStructure.wbpj。

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。