搜索建模與網格劃分指南第三章
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 安世亞太 來源: e-works
關鍵字: CAE 教程 網格劃分
第三章 坐標系
3.1坐標系的類型
ANSYS程序提供了多種坐標系供用戶選取。
· 總體和局部坐標系用來定位幾何形狀參數(節點、關鍵點等)的空間位置。
· 顯示坐標系。用于幾何形狀參數的列表和顯示。
· 節點坐標系。定義每個節點的自由度方向和節點結果數據的方向。
· 單元坐標系。確定材料特性主軸和單元結果數據的方向。
· 結果坐標系。用來列表、顯示或在通用后處理(POST1)操作中將節點或單元結果轉換到一個特定的坐標系中。
工作平面與本章的坐標系分開討論,以在建模中確定幾何體素,參見§4中關于工作平面的詳細信息。
3.2總體和局部坐標系
總體和局部坐標系用來定位幾何體。缺省地,當定義一個節點或關鍵點時,其坐標系為總體笛卡爾坐標系。可是對有些模型,定義為不是總體笛卡爾坐標系的另外坐標系可能更方便。ANSYS程序允許用任意預定義的三種(總體)坐標系的任意一種來輸入幾何數據,或在任何用戶定義的(局部)坐標系中進行此項工作。
3.2.1總體坐標系
總體坐標系統被認為是一個絕對的參考系。ANSYS程序提供了前面定義的三種總體坐標系:笛卡爾坐標、柱坐標和球坐標系。所有這三種系統都是右手系。且由定義可知它們有共同的原點。它們由其坐標系號來識別:0是笛卡爾坐標,1是柱坐標,2是球坐標(見圖總體坐標系)
圖3-1總體坐標系
· (a) 笛卡爾坐標系(X, Y, Z) 0 (C.S.0)
· (b)柱坐標系(R,θ, Z com ponents) 1 (C.S.1)
· (c) 球坐標系(R,θ,φcomponents) 2 (C.S.2)
· (d)柱坐標系 (R,θ,Y components) 5 (C.S.5)
3.2.2局部坐標系
在許多情況下,有必要建立自己的坐標系。其原點與總體坐標系的原點偏移一定的距離,或其方位不同于先前定義的總體坐標系(如圖3-2所示用局部、節點或工作平面坐標系旋轉定義的一個坐標系的例子)。用戶可定義局部坐標系,按以下方式創建:
圖3-2歐拉旋轉角
·按總體笛卡爾坐標定義局部坐標系。
命令:LOCAL
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At Specified Loc
·通過已有節點定義局部坐標系。
命令:CS
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>By 3 Nodes
·通過已有關鍵點定義局部坐標系。
命令:CSKP
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>By 3 Keypoints
·在當前定義的工作平面的原點為中心定義局部坐標系。
命令:CSWPLA
GUI : Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At WP Origin
· 通過激活的坐標系由CLOCAL命令定義局部坐標系。(見§3.2.3一節)(沒有與CLOCAL相應的GUI)
當用戶定義了一個局部坐標系后,它就會被激活。當創建了局部坐標系后,分配給它一個坐標系號(必須是11或更大),可以在ANSYS進程中的任何階段建立(或刪除)局部坐標系。
若要刪除一個局部坐標,利用下列方法:
命令:CSDELE
GUI: Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Delete Local CS
要查看所有的總體和局部坐標系使用下列方法:
命令:CSLIST
GUI: Utility Menu>List>Other>Local Coord Sys
與三個預定義的總體坐標系類似,局部坐標系可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或球坐標系。局部坐標系可以是圓的,也可以是橢圓的,此外,還可以建立環形局部坐標系,如圖3-3所示。
圖3-3坐標系類型
注意:一般建議不要在環形坐標系下進行實體建模操作,因為生成的可能不是用戶想要的面或體。
3.2.3坐標系的激活
用戶可定義任意多個坐標系,但某一時刻只能有一個坐標系被激活。激活坐標系的方法如下:首先自動激活總體笛卡爾坐標系。每當用戶定義一個新的局部坐標系,這個新的坐標系就會自動被激活。如果要激活一個總體坐標系或以前定義的坐標系,可用下列方法:
命令:CSYS
GUI :Utility Menu>Change Active CS to>Global Cartesian
Utility Menu>Change Active CS to>Global Cylindrical
Utility Menu>Change Active CS to>Global Spherical
Utility Menu>Change Active CS to>Specified Coord Sys
Utility Menu>Change Active CS to>Working Plane
在ANSYS程序運行的任何階段都可以激活某個坐標系。若沒有明確地改變激活的坐標系,當前激活的坐標系將一直保持有效。
注意:在定義節點或關鍵點時,不管哪個坐標系是激活的,程序都將坐標標為X、Y和Z,如果激活的不是笛卡爾坐標系,用戶應將X、Y、Z理解為柱坐標中的R、θ、Z或球及環坐標系中的R、θ、Φ。
3.2.4曲面
給一個單一的坐標就表示一個曲面。例如,在笛卡爾坐標中X=3表示在X=3處的Y-Z平面(或曲面)。這種曲面常與各種操作一起使用(如選擇命令xSEL,移動命令MOVE、KMOVE等)。由常量生成的一些曲面見圖3-4和圖3-5。這些曲面均可在總體或局部坐標系中按所需的方向定位。對橢圓坐標系,曲面R=C中R只能是沿X軸取值。
3.2.5封閉曲面和奇異曲面
曲面可看成是無限延伸的。如圖3-6所示,圓柱面在θ=±180°處奇異。所以生成節點〔FILL〕命令或生成關鍵點〔KFILL〕命令不能超過180°線。這樣,從A點到C點經過B點,從A點到D點要經過E點,從C點到D點要經過B、A和E點。
對柱坐標系可將奇異點移至θ=0°(或360°),則從C點到D點就可以不通過B、A和E點了。移動奇異點使用下列方法:
命令:CSCIR
GUI :Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Move Singularity
圖3-4常數所表示的一些曲面
同樣地,環坐標系在Φ=±180°處發生奇異,可用上述方法將其轉移。球坐標系在Φ=±90°處發生奇異,因此,不使用這些位置。
圖3-5常數所表示的一些曲面
圖3-6奇異點
注意:奇異點不影響實體模型中的線。二個關鍵點之間的曲線將取其夾角最小的路徑而不管奇異點的位置如何。(為此,曲線不會超過180°)。在上圖中從B點到D點或從D點到B點的圓弧都經過C點。
3.3顯示坐標系
在缺省情況下,即使是在其它坐標系中定義的節點和關鍵點,其列表都顯示它們的總體笛卡爾坐標。可用下列方法改變顯示坐標系:
命令:DSYS
GUI:UtilityMenu>WorkPlane>ChangeDisplay CSto>Global Cartesian
Utility Menu>WorkPlane>Change Display CS to>Global Cylindrical
Utility Menu>WorkPlane>Change Display CS to>Global Spherical
Utility Menu>WorkPlane>Change Display CS to>Specified Coord Sys
改變顯示坐標系也會影響圖形顯示。除非用戶有特殊的需要,一般在用諸如NPLOT,EPLOT命令顯示圖形前,應將顯示坐標系重置為C、S、0(總體笛卡爾坐標系)。DSYS命令對LPLOT,APLOT和VPLOT命令無影響。
3.4節點坐標系
總體和局部坐標系用于幾何體的定位,而節點坐標系則用于定義節點自由度的方向。每個節點都有自己的節點坐標系,缺省情況下,它總是平行于總體笛卡爾坐標系(與定義節點的激活的坐標系無關)。可用下列方法將任意節點坐標系旋轉到所需方向:
· 將節點坐標系旋轉到激活坐標系的方向。即節點坐標系的X軸轉成平行于激活坐標系的X軸或R軸,節點坐標系的Y軸旋轉到平行于激活坐標系的Y或θ軸。節點坐標系的Z軸轉成平行于激活坐標系的Z或Φ軸
命令:NROTAT
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-To Active CS
Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-To Active CS
· 按給定的旋轉角旋轉節點坐標系(由于通常不易得到旋轉角,因此NROTAT命令可能更有用)在生成節點時可以定義旋轉角度,或對已有節點指定旋轉角度(NMODIF命令)
命令:N
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>In Active CS
命令: NMODIF
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-By Angles
Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-By Angles
· 按方向余弦旋轉節點坐標系
命令:NANG
GUI : Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-By Vectors
Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-By Vectors
· 可利用下列方法列出節點坐標系相對總體笛卡爾坐標旋轉的角度。
命令:NLIST
GUI : Utility Menu>List>Nodes
Utility Menu>List>Picked Entities>Nodes
圖3-7節點坐標系
3.4.1節點坐標系中的數據譯碼:
輸入數據在節點坐標系中譯碼包含的分量如下:
約束自由度
力
主自由度
從自由度
約束方程
下列是在節點坐標系下輸出文件和POST26中顯示的數據結果:
自由度解
節點載荷
反作用載荷
在POST1中,結果數據換算到結果坐標系〔RSYS〕下記錄的,而不是在節點坐標系下。
3.5單元坐標系
每個單元都有它自己的坐標系,單元坐標系用于規定正交材料特性的方向,加面壓力和結果(如應力和應變)的輸出方向。所有的單元坐標系都是正交右手系。
大多數單元坐標系的缺省方向遵循以下規則:
· 線單元的X軸通常從該單元的I節點指向J節點
· 殼單元的X軸通常也取I節點到J節點的方向。Z軸過I點且與殼面垂直,其正方向由單元的I、J和K節點按右手定則確定,Y軸垂直于X軸和Z軸。
· 對二維和三維實體單元的單元坐標系總是平行于總體笛卡爾坐標系。
然而,并非所有的單元坐標系都符合上述規則;對于特定單元坐標系的缺省方向參見《ANSYS Elements Reference》部分的詳細說明。
許多單元類型都有選項(KEYOPTS;在DT或KETOPT命令中輸入)。這些選項用于修改單元坐標系的缺省方向。對面單元和體單元而言,可用下列命令將單元坐標系的方向調整到已定義的局部坐標系上:
命令:ESYS
GUI : Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs
Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Elem Attributes
Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude / Sweep>Default Attributes
如果既用KEYOPT命令又用了ESYS命令,則KEYOPT命令的定義有效。對某些單元而言,通過輸入角度可相對先前的方向進一步旋轉。(例如:SHELL63單元中的實常數THETA)
3.6結果坐標系
在求解的過程中,計算的結果數據有位移(UX,UY,ROTX等),梯度(TGX,TGY等),應力(SX,SY,SZ等),應變(EPPLX,EPPLXY等)等等。這些數據存貯在數據庫和結果文件中,要么是在節點坐標系(初始或節點數據)要么是單元坐標系(導出或單元數據)。但是,結果數據通常是旋轉到激活的結果坐標系(缺省為總體坐標系)中顯示、列表和單元表數據存貯(ETABLE命令)。
用戶可將活動的結果坐標系轉到另一個坐標系(如總體柱坐標系或一個局部坐標系),或轉到在求解時所用的坐標系下(例如,節點和單元坐標系)。如果用用戶列表、顯示或操作這些結果數據,則它們將首先被旋轉到結果坐標系下。利用下列方法即可改變結果坐標系:
命令:RSYS
GUI : Main Menu>General Postproc>Options for Output
Utility Menu>List>Results>Options
參見《ANSYS Basic Analysis Guide》中§5來詳細查看將結果旋轉到一個不同的坐標系以進行后處理。
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