如何在ANSYS中实现动态边界条件的加载

第18卷 第5期 武汉科技学院学报 V ol.18 No.5 2005年05月 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND ENGINEERING May. 2005 如何在ANSYS 中实现动态边界条件的加载
吴 晓，周星元
（武汉科技学院 机电工程系，湖北 武汉 430074）
摘 要 ：用ANSYS 进行动态模拟时，边界条件的加载是关键，也是动态模拟中的一个难点。

本文在这方面
进行了探讨，并以在“Y ”型口模的入口截面上施加周期性的振动压力为例，介绍了施加动态载荷的过程。

关键词： ANSYS ；动态；边界条件
中图分类号：TU311.2 文献标识码：A 文章编号：1009－5160（2005）－0012－03
ANSYS 软件是美国ANSYS 公司开发的知名大型综合性通用有限元分析软件，融结构、热、流体、电磁学、声学于一体，在航空、航天、汽车、机械、土木、电子等多数工业领域内有较广泛的应用。

用ANSYS 进行模拟分析的步骤一般是建立模型、网格划分、加载边界条件、模拟计算、结果分析，其中，边界条件的加载是非常重要的一个环节，它直接影响到模拟结果的精度[1,2]。

对于边界条件不随时间变化的稳态分析，一般来说其边界条件的加载比较容易，但要施加随时间变化的动态载荷就会遇到一定的困难，而在进行结构、电磁场或流场模拟分析的时候，经常会遇到动态载荷作用于模型上的情况，如风力以及随时间变化的压力、电流、电压等等，加载这类载荷时可以利用ANSYS 提供的参数的函数定义功能，其步骤如下：先利用下拉菜单Parameters\Functions\Define/Edit…定义一个通用的函数，并以文件的形式保存，然后在每一步施加载荷时，让程序从给定的路径里读取该文件，并同时给定各待定常数的值[3]。

下面以“Y ”截面的模型为例，说明动态载荷施加的具体实施步骤。

1 有限元模型建立
本文利用Unigraphics 三维造型软件建立如图1所示的几何模型，然后通过ANSYS 的内置IGES 转换器读进该模型，模
型的几何尺寸如下：圆环内外半径分别为115R mm =和230R mm =，
中心角为o 60，矩形部分长宽为20l mm =和15h mm =，长度为65L mm =。

在ANSYS 里对该模型进行网格划分，划分时选用FLUID 142单元，其结构形状主要为八节点六面体单元，在边界区域也有四节点四面体单元，采用延伸网格划分的方法来划分。

对模型进行一次划分后，在拐角的区域进行了细分，得到如图2所示的有限元模型，共分为17055个单元，18570个节点。

图1 几何模型结构图
图2 有限元网格模型图
收稿日期：2005-03-23
作者简介：吴 晓（1972-），男, 讲师,研究方向：高分子材料成型与模具设计.
第5期 吴 晓，等：如何在ANSYS 中实现动态边界条件的加载
132 动态载荷的施加
2．1 载荷描述
本文以动态压力载荷作用于模型端面上为例，介绍载荷的施加过程，其他类型的动态载荷，如电流，电压，热流等都可以参照该方法施加。

现设在上述有限元模型的“Y ”形入口端面上作用有一随时间周期性变化的动态压力，其变化规律由下式给出，即
)sin 1(t A P P ω+= （1）
式中：P 为平均压力；A 为压力振幅；ω为振动的角频率；t 为时间。

2.2 载荷的施加
（1） 定义压力函数。

进入NASYS 主界面后，点击下拉菜单Parameters\Functions\Define/Edit…，此时ANSYS 弹出一个如图3所示的函数定义对话框，在该对话框的Result 栏内给出压力函数的一个通用表达式，即
()Re 1*sin {}sult A TIME ω=+ （2）
式中：P 、A 、ω均为待定常数。

（2） 保存压力函数。

点击图3所示对话框中的File/Save as….菜单，给出
路径和文件名，就可以将该压力函数以.func 文件的形式储存起来。

如以
pressure01.func 为文件名保存到d:/Ansysexercise\Parameters 目录下。

(3) 读取压力函数。

在某次具体分析中给该截面施加动态压力时，点击下
拉菜单Parameters\Functions\Reading from file…，在弹出的对话框内给定刚才保
存文件的路径和文件名，ANSYS 会读取压力函数文件。

（4）给定待定参数。

ANSYS 读取压力函数的同时会弹出如图4所示的对
话框，要求给定压力函数中各个待定常数的值，这时只要按照已知条件给定各
常数的值，即给定平均压力ω、振动参数A 和ω后，施加到入口截面的压力P
就只是随时间而周期性变化的一维函数。

4 实例应用
本文选取图2所示的模型，研究Y 型异型材在入口动态压力作用下的挤出
流动过程，模拟研究中取低密度聚乙烯（LDPE ）的物性参数，用ANSYS 的
FLOTRAN CFD 模块模拟，本例主要是验证动态压力边界条件加载的正确性，
所以，分析时选用非牛顿等温幂律粘度模型，即熔体粘度由式(3)给出。

在确定
熔体粘度时需要指定以下参数：熔体的名义粘度0µ、稠度系数k 、幂指数n 以
及D 的截断值D 0，另外还要给出熔体的密度等参数。

⎩⎨⎧≤>=−−010001
D D kD D D kD n n µµµ (3) 式中：0µ为名义粘度，k 为稠度系数，n 为幂指数；2I D =，2I 为第二不变张量；k 的单位与n 值有关。

取04200*Pa s µ=、10k =、0.4n =、035D =、密度3
954/kg m ρ=。

其入口压力由式（1）给出，挤出工艺参数如表1： 根据入口截面面积和入口流量，可以计算入口处的平均速度v 0
（假设入口截面上各处的速度相等）。

为了分析方便，在模型上建立
如图1所示的坐标系，即以入口截面上大圆弧的中点为坐标圆点，z
轴正向沿熔体的流动方向。

首先选取流道内不同截面上的压力随时
间变化曲线，为此本文在Z=0、5、25、50mm 截面上各选取一点，
它们的坐标分别为(坐标单位为mm)：A （0,0,0）、B （0，0，5）、C （0，0，25）和D （0，0，50）。

图5反映的是上述各点的Z 向压力随时间变化曲线图。

由图看出，入口截面上的压力确实有振动，而且振幅和振动频率与所给的压力公式相符，说明入口动态压力条件的加载正确。

另外其余各个截面的压力由零开始上升，直至达到稳定值，而该稳定值随z 值的增大而减小。

另外从图4-5可看出在Z=5截面压力有较明显的振动现象，且
图3 函数定义对话框
图4 读取函数对话框 表１ 挤出工艺参数 平均压力P （MPa ） 10.3 入口流量Q (Kg/s) 0.02 振幅 A 0.01 0.03 0.05 0.07 0.1 频率F(Hz) 10 20 30 40 50
武汉科技学院学报 2005年
14振动随z 值的增大而减小，亦即压力振动同样沿流动方向衰减。

图6是模型内点（0,0,5）(5Z mm =截面上)在相同频率下不同振幅时压力随时间变化曲线，图中显示，在该截面上压力具有明显的振动，它们拥有相同的频率，但振幅与入口动态压力的振幅相同；图7是在振幅A=0.07时，不同频率的情况下模型内点（0,0,5）的压力随时间变化曲线，从图中可以看出，模型内z ＝5mm 处的压力振动频率与入口截面的动态压力的频率相同。

这进一步说明了入口动态压力条件加载的正确性。

图5 不同截面压力随时间变化曲线
图6 不同振幅时压力－时间曲线
（Z=5，MPa P 3.10=） 图7 不同频率时压力－时间曲线 (z=5，MPa P 3.10=) 5 结束语
由于在实际工程问题中影响分析结果的各种边界条件几乎都是随时间变化的，如风力以及随时间变化的压力、电流、电压等等，都是随时间变化的动态载荷，所以利用ANSYS 软件进行模拟分析时必须认真考虑边界条件的引入问题。

本文例举的虽然是动态压力载荷，但该方法完全可以应用于其他动态载荷的问题。

参考文献：
[1]
洪庆章. ANSYS 教学范例[M]. 北京：中国铁道出版社，2002. [2]
陈精一，蔡国忠. 电脑辅助工程分析－ANSYS 使用指南[M]. 北京：中国铁道出版社，2001. [3] 柳和生，吴晓. 振动场作用下聚合物熔体在异型材挤出口模内的前沿推进跟踪[J]. 中国塑料, 2003，17(12): 62－65.
How to Load Dynamic Boundary Condition in ANSYS
WU Xiao ， ZHOU Xing-yuan
(Wuhan Institute of Science and Technology ，Wuhan Hubei 430074, China)
ABSTRACT: How to load boundary condition is the key and also a difficulty in dynamic simulate by means of the ANSYS software package. This question is discussed in this paper, and taking a periodic oscillating entrance pressure within extrusion dies with the “Y” shaped cross sections as the example, the process of introducing dynamic load is introduced in this paper.
Keywords: ANSYS ；dynamic; boundary condition。