ANSYS中的坐标系问题

前处理一向是ANSYS非常值得称道的优点,灵活的坐标系在其中起到了相当大的作用。

下面来分别认识一下这些坐标系:

整体坐标系和局部坐标系(Global and Local Coordinate Systems )

整体坐标系

整体坐标系和局部坐标系用于在建模过程中实现定位功能,例如ANSYS中有许多创建图形要素命令(创建点、线、面等),如果只有一个坐标系,那么就意味着真个模型都基于同一个坐标原点——这对于复杂模型而言实在是会造成大麻烦。如果针对模型的不同构件,采用不同的坐标系,而不同坐标系又可以产生某种关联,这样就可以用更加简单的描述方式创建构件,再将各个构件合并成整体,这就是整体与局部坐标系的意义。

2014-11-14_190345

这是在任何一本ANSYS教材中都会见到的坐标系的三种基本形式:

2014-11-14_190538

它们是:

  • 直角坐标系(Cartesian coordinate system)系统默认的坐标系)
  • 柱面坐标系(Cylindrical coordinate system)
  • 球面坐标系(Spherical coordinate system)

直角坐标系最容易理解,至于其他,注意看图示中X、Y、Z轴对应的变量值,比如柱面坐标系中的X就是R,Y就是θ,Z就是Z。

也就是说,当看到k,1,3,6,7的时候,要看其处在哪个坐标系中,后面的3,6,7的单位可不一定是什么呦。

局部坐标系

2014-11-14_191113

上面的实例中,目的是从矩形平面里“抠掉”两个圆。做法是先建立矩形平面,然后在圆心处建立局部坐标系,并绘制圆面,最后用布尔运算从矩形平面中“剪掉”圆面即可。

这里生成局部坐标系的命令是:

……

local,11,1,x1,y2
n,5,R2,β

……

如何建立局部坐标系:

根据整体坐标系定义局部坐标系
LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX
根据已知的 3个节点定义局部坐标系
CS,KCN,KCS,NORIG,NXAX,NXYPL
根据已知的 3个关键点定义局部坐标系
CSKP,KCN,KCS,PORIG,PXAXS,PXYPL
根据激活的坐标系定义局部坐标系
CLOCAL,KCN,KCS,XL,YL,ZL,THXY,THYZ,THZX

如何激活局部坐标系?

通过改变 KCN 的值来实现坐标系的激活与切换

  • CSYS,0 表示激活整体直角坐标系
  • CSYS,1 表示激活整体柱面坐标系
  • CSYS,2 表示激活整体球坐标系
  • CSYS,n 表示激活局部坐标系(n表示局部坐标系号,n>=11)

节点坐标系(Nodal Coordinate Systems)

什么时候会考虑节点坐标系?

  1. 定义节点自由度的方向,因为节点输入数据(如约束自由度、荷载等)是以节点坐标系方向来表达的;
  2. 定义节点结果数据的方向,时间历程后处理(POST26)中节点结果数据(如自由度解、节点力等)也是以节点坐标系方向来表达的。

2014-11-14_191858

节点坐标系不孤立存在,而是与自由度、荷载、节点力等绑定在一起。节点坐标的使用,就是使其“转向”谁的过程:


csys,0(激活直角坐标系为当前坐标系)
nrotat,all
(将节点坐标系切换到与当前坐标系方向一致)
f,all,fx,100
f,all,fy,100


csys,1 (激活柱面坐标系为当前坐标系)
nrotat,all
f,all,fx,100
f,all,fy,100

定义节点坐标系的方法

切换节点坐标系为当前坐标系
NROTAT,NODE1,NODE2,NINC

生成节点时可以定义旋转角度,使节点坐标系方向旋转一个角度
N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

对已有节点可以修改节点坐标系的方向
NMODIF,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

单元坐标系(Element Coordinate Systems)

与每个节点都有自己的节点坐标系一样,每个单元都有自己的单元坐标系

单元坐标系的作用

  • 规定正交材料特性的方向
  • 规定所施加面力的方向
  • 规定单元结果数据(应力或应变)的方向

单元坐标系的默认方向:

  • 线单元(如Link1)的x轴通常由单元的I节点指向J节点;
  • 壳单元(如Shell63)的x轴通常取I节点到J节点的方向,z轴过I点且与壳面垂直,其正向由单元的I、J和K节点按右手规则确定,y轴总垂直于x,z轴;
  • 二维和三维实体单元(如Plane42,Solid45)的单元坐标系总平行于整体直角坐标系;

2014-11-14_192446

如何定义或修改单元坐标系?

直接定义单元坐标系的方向:ESYS,KCN
对已知单元进行单元坐标系的修改:EMODIF,IEL,ESYS,I1

需要注意的是,定义或修改单元坐标系方向之前,一定要定义一个局部坐标系;一些单元的Keyopt提供了修改默认单元坐标系的设置。

显示坐标系(Display Coordinate System)

显示坐标系有什么用?

定义几何体被列表或显示——默认情况下几何体总是显示为整体直角坐标系,显示坐标系的改变会影响到图形的显示

改变显示坐标系类型

DSYS,KCN

想一想,什么情况下,我们需要几何体以柱坐标的形式显示出来呢?

结果坐标系(The Results Coordinate System)

用来列表、显示或在通用后处理(post1)中将节点或单元结果转换到一个特定的坐标系中。

——ANSYS计算的结果数据有位移、应力、应变和节点力,这些数据在向数据库(*.DB)和结果文件(*.RST)存储时,有的是按节点坐标系,有的是按单元坐标系。但是,结果数据通常需要切换到激活的结果坐标系中显示、列表和单元表数据存储。实际上,使用结果坐标系起到了一个根据用户需要“统一”结果数据的作用!

注意:有些单元,例如beam单元的单元轴力和弯矩不受结果坐标系的影响

结果坐标系的设置

可以将其它整体坐标系、局部坐标系、节点和单元坐标系定义成当前(激活)的结果坐标系。

RSYS,KCN

注意:RSYS只能在后处理(POST1或POST26)中使用

示例

2014-11-14_193505

对于这种径向荷载的情况,在后处理查看应力分布的时候,默认会按照直角坐标给出应力分布云图:

/post1

rsys,0
(将直角坐标系置为结果坐标系)
plnsol,s,x (显示x方向应力云图)

图片1

但这明显不是想要的结果,这样做才对:

rsys,11
(将局部坐标系11置为结果坐标系)
plnsol,s,x (显示x方向应力云图)
fini

图片2
这里再引申出一个问题,那就是,当混凝土内应变计埋设方向与其轴线方向不同,或者在斜肢中埋设传感器的时候,查看传感器处应力值之前也是要考虑调整结果坐标系的。

 

【注】本文主要参考了这篇PPT的内容,这是我见过的介绍坐标系最完善的文档,向不知名的原作者致敬!

长河

一个还算得上勤奋的业务精进者,个人主页:SunY.Pro

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