ANSYS中的坐標系問題

2017-05-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

前處理一向是ANSYS非常值得稱道的優點,靈活的坐標系在其中起到了相當大的作用。

下面來分別認識一下這些坐標系:

整體坐標系和局部坐標系(Global and Local Coordinate Systems )

整體坐標系

整體坐標系和局部坐標系用于在建模過程中實現定位功能,例如ANSYS中有許多創建圖形要素命令(創建點、線、面等),如果只有一個坐標系,那么就意味著真個模型都基于同一個坐標原點——這對于復雜模型而言實在是會造成大麻煩。如果針對模型的不同構件,采用不同的坐標系,而不同坐標系又可以產生某種關聯,這樣就可以用更加簡單的描述方式創建構件,再將各個構件合并成整體,這就是整體與局部坐標系的意義。

這是在任何一本ANSYS教材中都會見到的坐標系的三種基本形式:

它們是:

直角坐標系(Cartesian coordinate system)系統默認的坐標系)
柱面坐標系(Cylindrical coordinate system)
球面坐標系(Spherical coordinate system)

直角坐標系最容易理解,至于其他,注意看圖示中X、Y、Z軸對應的變量值,比如柱面坐標系中的X就是R,Y就是θ,Z就是Z。

也就是說,當看到k,1,3,6,7的時候,要看其處在哪個坐標系中,后面的3,6,7的單位可不一定是什么呦。

局部坐標系

上面的實例中,目的是從矩形平面里“摳掉”兩個圓。做法是先建立矩形平面,然后在圓心處建立局部坐標系,并繪制圓面,最后用布爾運算從矩形平面中“剪掉”圓面即可。

這里生成局部坐標系的命令是:

……

local,11,1,x1,y2
n,5,R2,β

……

如何建立局部坐標系:

根據整體坐標系定義局部坐標系
LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX
根據已知的 3個節點定義局部坐標系
CS,KCN,KCS,NORIG,NXAX,NXYPL
根據已知的 3個關鍵點定義局部坐標系
CSKP,KCN,KCS,PORIG,PXAXS,PXYPL
根據激活的坐標系定義局部坐標系
CLOCAL,KCN,KCS,XL,YL,ZL,THXY,THYZ,THZX

如何激活局部坐標系?

通過改變 KCN 的值來實現坐標系的激活與切換

CSYS,0 表示激活整體直角坐標系
CSYS,1 表示激活整體柱面坐標系
CSYS,2 表示激活整體球坐標系
CSYS,n 表示激活局部坐標系(n表示局部坐標系號,n>=11)

節點坐標系(Nodal Coordinate Systems)

什么時候會考慮節點坐標系?

定義節點自由度的方向,因為節點輸入數據(如約束自由度、荷載等)是以節點坐標系方向來表達的;
定義節點結果數據的方向,時間歷程后處理(POST26)中節點結果數據(如自由度解、節點力等)也是以節點坐標系方向來表達的。

節點坐標系不孤立存在,而是與自由度、荷載、節點力等綁定在一起。節點坐標的使用,就是使其“轉向”誰的過程:

…
csys,0(激活直角坐標系為當前坐標系)
nrotat,all
(將節點坐標系切換到與當前坐標系方向一致)
f,all,fx,100
f,all,fy,100

…
csys,1 (激活柱面坐標系為當前坐標系)
nrotat,all
f,all,fx,100
f,all,fy,100

定義節點坐標系的方法

切換節點坐標系為當前坐標系
NROTAT,NODE1,NODE2,NINC

生成節點時可以定義旋轉角度,使節點坐標系方向旋轉一個角度
N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

對已有節點可以修改節點坐標系的方向
NMODIF,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

單元坐標系(Element Coordinate Systems)

與每個節點都有自己的節點坐標系一樣,每個單元都有自己的單元坐標系

單元坐標系的作用

規定正交材料特性的方向
規定所施加面力的方向
規定單元結果數據(應力或應變)的方向

單元坐標系的默認方向:

線單元(如Link1)的x軸通常由單元的I節點指向J節點;
殼單元(如Shell63)的x軸通常取I節點到J節點的方向,z軸過I點且與殼面垂直,其正向由單元的I、J和K節點按右手規則確定,y軸總垂直于x,z軸;
二維和三維實體單元(如Plane42,Solid45)的單元坐標系總平行于整體直角坐標系;

如何定義或修改單元坐標系?

直接定義單元坐標系的方向:ESYS,KCN
對已知單元進行單元坐標系的修改:EMODIF,IEL,ESYS,I1

需要注意的是,定義或修改單元坐標系方向之前,一定要定義一個局部坐標系;一些單元的Keyopt提供了修改默認單元坐標系的設置。

顯示坐標系(Display Coordinate System)

顯示坐標系有什么用?

定義幾何體被列表或顯示——默認情況下幾何體總是顯示為整體直角坐標系,顯示坐標系的改變會影響到圖形的顯示

改變顯示坐標系類型

DSYS,KCN

想一想,什么情況下,我們需要幾何體以柱坐標的形式顯示出來呢?

結果坐標系(The Results Coordinate System)

用來列表、顯示或在通用后處理(post1)中將節點或單元結果轉換到一個特定的坐標系中。

——ANSYS計算的結果數據有位移、應力、應變和節點力,這些數據在向數據庫(*.DB)和結果文件(*.RST)存儲時,有的是按節點坐標系,有的是按單元坐標系。但是,結果數據通常需要切換到激活的結果坐標系中顯示、列表和單元表數據存儲。實際上,使用結果坐標系起到了一個根據用戶需要“統一”結果數據的作用!

注意:有些單元,例如beam單元的單元軸力和彎矩不受結果坐標系的影響