ANSYS基础培训.ppt

ANSYS STRUCTURAL基础安世亚太西安办事处 2020 4 9 1 有限元法基础 有限单元法在50年代起源于航空工程飞机结构的矩阵分析 结构矩阵分析认为 一个结构可以看作是由有限个力学小单元相互连接而成的集合体 表征单元力学特性的刚度矩阵可比喻作建筑中的砖瓦 装配在一起就能提供整个结构的力学特性 应用有限元法求解连续体时 把求解区域分为有限个单元 并在每个单元上指定有限个节点 一般可以认为相邻单元在节点连接成一组单元的集合体 用以模拟或逼近求解区域进行分析 同时选定场函数的节点值 例如取节点位移作为基本未知量 假设一个插值函数近似地表示位移分布规律 再利用变分原理或其它方法建立单元节点力和位移之间的力学特性关系 得到一组以节点位移为未知量的代数方程组 从而求解节点位移分量 2 下面以小变形弹性静力问题为例 加以详细介绍 几何方程 eij 1 2 ui j uj i 物理方程 sij aijklekl平衡方程 sij j fi 0边界条件 位移已知边界条件ui ui 在边界 u上位移已知 外力已知边界条件sij j pi 0 在边界 p上外力已知 简例 续 3 简例 续 上标表示单元号码 下标表示节点号码 因铰接不存在力矩 每节点力和位移各有两个分量 共四个自由度 用四个方程来描述力 位移关系 F1x1 K11U11 K12V11 K13U21 K14V21F1y1 K21U11 K22V11 K23U21 K24V21 1 1 F1x2 K31U11 K32V11 K33U21 K34V21F1y2 K41U11 K42V11 K43U21 K44V21 4 简例 续 即 F 1 K 1 1在 1 1 中令U11 1 V11 U21 V21 0则F1x1 K11 F1y1 K21 F1x2 K31 F1y2 K41上式表明 当节点1沿X方向产生一单位位移 而单元1的其余节点位移为零时 各节点施于单元1上的力将组成一平衡力系 表示单元1抵抗位移U11的刚度 根据节点间位移协调关系 U11 U22 V11 V22又根据各节点的平衡条件有 F K 5 有限元分析步骤 有限元法可分为几步 结构的离散化选择位移模式即假定位移是坐标的某种简单的函数这种函数称为位移模式或插值函数通常选多项式作为位移模式一般来说 多项式的项数应等于单元的自由度数 f N e 1 9 f 单元内任一点的位移列阵 e 单元的节点位移列阵 N 形函数矩阵 6 有限元分析步骤 续 分析单元的力学特性 由 1 9 导出节点位移表示单元应变的关系式 B e 1 10 单元内任一点的应变列阵 B 单元应变矩阵由 1 10 导出 D B e 单元内任一点的应力矩阵 D 与单元材料有关的弹性矩阵利用变分原理 建立作用于单元上的节点力和位移之间的关系式 F e K e e 7 有限元分析步骤 续 集合所有单元的平衡方程 集合依据的是所有相邻单元在公共节点处的位移相等 建立总体的有限元方程组 引入边界条件求解有限元方程组 得到未知节点位移计算单元应力 对不同的单元 对应力的处理还有不同的方法 8 ANSYS文件结构 二进制文件 Jobname db 数据库文件 Jobname dbb 备份文件 Jobname rst 结构分析结果文件 Jobname rth 热分析结果文件 Jobname rmg 电磁场分析结果文件 Jobname rfl 流体分析结果文件 Jobname tri 三角化刚度矩阵文件 Jobname emat 单元矩阵文件 Jobname esav 单元保存文件 9 ANSYS文件结构 续 文本文件 Jobname log 命令日志文件 Jobname err 错误及警告信息文件 ANSYS6 0可以改变JobnameWorkdirectory 10 ANSYS内存管理 11 ANSYS内存管理 续 Workspace 12 ANSYS分析过程 建模 prep7 加载及求解 solu 观察结果 post1 post26 13 建模 确定工作名和分析标题 TITLE 定义单位选单元定义实常数定义材料性质创建几何模型建立有限元模型 14 ANSYS Structural求解功能Static 结构静力问题 包括线性和非线性问题 Modal 模态振动特性计算分析 结构固有频率和振型 Harmonic 谐波分析Transient 瞬态分析Spectrum 谱分析EigenBuckling 特征值屈曲分析 线性 Substructural 子结构分析 ANSYS Structural求解功能 15 ANSYS非线性 材料非线性几何非线性单元非线性 16 几何非线性 大应变大挠度应力刚化旋转软化 17 材料非线性 速率无关的塑性速率相关的塑性超弹性粘弹性混凝土非线弹性蠕变膨胀 18 材料非线性 流动准则屈服准则强化准则 19 单元非线性 接触点 点点 线点 面面 面刚 柔柔 柔单元生死 焊接 土壤开挖 非线性单元LINK10 COMBINE40 20 几何模型与有限元模型 关键点 线 面 体 单元 节点 几何模型 有限元模型 21 加载 载荷的含义 六大类 自由度约束 位移 对称边界条件 温度等 节点力 力 力矩 热流量 表面载荷 压力 对流 热流量 体载荷 结构分析中温度 热分析中热生成率 磁场分析中电流密度 惯性载荷 重力加速度 角加速度 耦合场载荷 上述载荷的一种特殊情况 一种分析的结果作为载荷加于另一种分析中 22 实体几何模型载荷 优点改变网格不影响载荷涉及到的加载实体少缺点生成的单元在当前激活的单元座标下 节点为总体直角座标 因此实体与有限元模型可能有不同座标系统和载荷方向实体载荷在凝聚分析中不方便 因载荷加在主自由度上施加关键点约束较繁锁不能显示所有实体载荷 23 有限元载荷 优点凝聚分析加载方便不用考虑约束扩展缺点网格改变后需重新加载图形拾取加载不方便 24 ANSYS坐标系种类 总体坐标系局部坐标系节点坐标系单元坐标系结果坐标系显示坐标系 25 ANSYS坐标系类型 直角坐标系圆柱坐标系球坐标系环形坐标系 26 误差估计 SERR单元能量范数误差eiei 1 2 vol D T 1d vol PRERR能量范数百分比误差EE 100 e U e 1 2U 整个模型应变能SDSG i连接单元的节点中 最大应力差值的绝对值 in an in 27 选择单元策略 对线性结构 应力 分析 建议采用高阶单元对非线性应力分析 用低阶单元采用较密网格 而不用较粗网格高阶单元对场分析 低阶单元通常与高阶单元一样可以取得好的结果对应力分析 四边形比三角形结果要好 28 ANSYS单元介绍 ANSYS单元分类 ANSYS常用单元介绍 ANSYS单元介绍 29 ANSYS单元分类 ANSYS常用单元介绍 ANSYS常用单元推荐 ANSYS单元介绍 30 ANSYS的单元按形状可分为以下三类 质点单元 如质量单元 线单元 如杆 梁 管单元 面单元 二维平面 壳等 体单元 如SOLID等 其它辅助单元下面就这些类型中常用的单元作简要介绍 ANSYS单元分类 31 ANSYS单元分类 1 杆单元 包括二维杆单元和三维杆单元 线性调节元 主要包括 LINK1 LINK8 LINK10 LINK11 LINK180等 2 弹簧阻尼单元 包括COMBIN系列 COMBIN7 COMBIN14 COMBIN37 COMBIN40等 3 质量元 MASS21 32 ANSYS单元分类 4 梁单元 分为二维和三维单元 弹性和塑性 可定义各种截面 主要包括 BEAM3 BEAM4 BEAM23 BEAM24 BEAM44 BEAM188 BEAM189 5 管单元 分为弹性和塑性管元 直管 弯管 T形管 主要包括 PIPE系列 6 二维 三维预拉单元PRET179 可以处理预紧螺栓 7 结构实体单元 分为二维和三维 弹性和塑性 低阶单元和高阶单元 主要包括 PLANE系列 SOLID系列 33 ANSYS单元分类 8 壳单元 分为薄壳 中厚壳 弹性壳元 塑性壳单元 膜单元 主要包括 SHELL系列 9 流体单元 FLUID系列 10 超弹单元 HYPER系列 11 粘弹性单元 VISCO系列 12 二维 三维表面效应单元 热表面效应单元 SURF151 SURF152 结构表面效应单元 SURF153 SURF154 34 ANSYS单元分类 13 接触单元 分为二维和三维点 点接触 点 面接触 面 面接触 接触单元和目标单元在某些情况下成对使用 主要包括 接触单元 CONTA系列 目标单元 TRAGE系列 14 网格划分辅助单元 MESH200 与求解无关 不影响计算结果 在用低级单元创建高级单元等状态时使用 例如拖拉 15 其它单元超单元 MATRIX50 主要用于子结构分析等方面 刚度 阻尼 质量单元 MATRIX27 可用于弹性运动学响应分析等方面 35 ANSYS单元介绍 ANSYS单元分类 常用单元介绍 ANSYS常用单元推荐 36 ANSYS常用单元介绍 Link83维杆单元 可用来模拟桁架 缆索 连杆 弹簧等 沿杠的轴向承受拉压 不承受弯矩 每个节点有3个自由度 沿节点坐标系x y z的平动 具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形 大应变等功能 单元无选项要求 所需实常数 截面积和初始应变 同类型单元有Link1 2D Link10 Link11等 37 Combin14弹簧阻尼单元 可用于一维 二维 三维中的轴向拉压和扭转 具有轴向拉压 扭转能力 单元选项 K1 线性 非线性求解选项 K2 1D自由度选项 包括平动自由度和转动自由度 K3 2D 3D自由度选项 包括平动自由度和转动自由度 实常数 K 弹簧刚度 CV1 阻尼系数 CV2 非线性阻尼系数 ANSYS常用单元介绍 38 ANSYS常用单元介绍 BEAM4三维弹性梁单元可承受轴向拉压 扭转和弯曲 每个节点六个自由度 三个平动和三个转动自由度 具有应力刚化和大变形功能 单元选项 k2 刚化矩阵选项 主矩阵或一致矩阵 k6 是否输出单元力和力矩 k7 是否计算回转矩阵 k9 额外中间选项输出 k10 按长度单位还是按长度比例进行载荷偏移处理 实常数定义 可以通过截面参数按截面图形输入和定义截面尺寸 截面类型 同类型的单元 BEAM3 BEAM23 BEAM24 BEAM44 BEAM188 BEAM189等 39 ANSYS常用单元介绍 PLANE422D结构实体单元 可用于平面应力 平面应变 轴对称 有四个节点 每个节点两个平动自由度 具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形和大应变功能 单元选项 K1 单元坐标系定义 平行于总体坐标系或以IJ边为基准 K2 是否包括额外的位移形状 K3 单元行为 平面应力 应变 轴对称等 K4 额外的应力输出 没有 积分点 节点 K5 额外的表面输出选项 实常数 无实常数要求 单元厚度按单位厚度考虑 对应的高阶单元是PLANE82 接受非轴对称载荷的轴对称单元是PLANE25 同类型的单元还有PLANE182 PLANE183等 40 ANSYS常用单元介绍 SOLID95 D20节点结构实体单元 是3D八节点实体单元SOLID45的高阶单元 该单元在保证精度的同时允许使用不规则的形状 具有相容的位移形式 适用于曲线边界的建模 具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形和大应变功能 单元选项 单元坐标系 额外单元输出选项 额外表面输出选项 积分原则 同类型的单元还有 SOLID185 SOLID186等 41 ANSYS常用单元介绍 SHELL93八节点结构壳单元 每个节点有六个自由度 三个平动和三个转动自由度 在平面的两个方向上 变形的形状都是二次的 具有塑性 应力刚化 大变形和大应变功能 单元选项 单元坐标系 额外应力输出选项 非线性积分点输出选项等 实常数 单元各点的厚度 单元X轴的转角 增加的单位质量面等 同类型的单元 42 ANSYS常用单元介绍 SHELL63线性单元 4节点 具有应力刚化 大变形功能 SHELL143四节点塑性壳单元 具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形和大应变功能 可处理薄壳和中厚度的壳单元 SHELL181有限应变壳单元 特别适用于具有线性 大角度转动 或非线性大应变特性的应用问题 非线性分析中考虑了壳厚度的变化 单元内积分可用完全积分和缩减积分 采用SHELL43有收敛困难的问题可用SHELL181代替 SHELL43塑性大应变壳单元 43 ANSYS常用单元介绍 SURF1532D表面效应单元SURF1543D表面效应单元单元选项 单元特点 平面应力 应变 轴对称等 是否有中间节点 压力载荷法向等 实常数 基础刚度 表面张力 厚度 44 ANSYS常用单元介绍 接触单元 目标面 接触面 可以通过接触导向来定义接触对 单元选项 单元自由度 接触算法 接触检查点 CNOF的自动调节 接触时间 载荷 预报 伪接触预报 接触初期渗透 间隙考虑否 接触刚度修正 实常数 接触刚度 KFN 穿透容差值 FTOLN 摩擦系数等 45 表面效应单元 表面效应单元 Surf154 应用简介 单元定义 4 8个节点及材料特性单元退化实常数厚度等 厚度缺损为单位厚度 质量和体积的计算要使用单元厚度 ADMSU 附加质量 单位面积 EFS 基础刚度 46 表面效应单元 表面效应单元 Surf154 的加载 节点和单元载荷对于face为1 2 3 4 5压力的正值作用在单元坐标系的正面 除非在Z的负方向作用法向压力 正或负根据Keyopt 6 可以移动到流体约束的自由表面 face 1 压力作用在表面的法向 face 2 压力作用在表面的切向 X face 3 压力作用在表面的切向 Y 47 表面效应单元 Face 4 法向压力在每个积分点 压力的大小是Pi xPj yPk ZPl其中 Pi Pj Pk Pl是用SFE命令输入的VAL1 VAL2 VAL3 VAL4 X Y Z是当前位置的笛卡儿系下的坐标值 48 表面效应单元 Face 5 与表面成一定的角度的压力压力值的大小是Pi 压力的方向是 PjX PkY PlZ Pj2 Pk2 Pl2 1 2压力值可以根据Keyopts 11 和Keyopts 12 调整 但 当使用Sffun或Sfgrad命令时 方向是不会调整的 49 表面效应单元 Suuf154的输入单元名SURF154节点 i j k lifkeyopt 4 1 无中间节点 I j k l m n o pifkeyopt 4 0 有中间节点 自由度 uxuyuz实常数 材料特性 Dens Visc Damp 50 表面效应单元 SurfaceLoadsPressures Face 1 I J K L 表面法向Face 2 I J K L 切向 X Face 3 I J K L 切向 Y Face 4 I J K L 法向 锥形 Face 5 I J K L 根据输入的矢量 51 ANSYS单元分类 ANSYS常用单元介绍 ANSYS常用单元推荐 ANSYS单元介绍 52 实体单元推荐 几乎不可压缩材料 塑性 可忽略弯曲的体结构变形采用Plane182 Solid185选择缩减积分 B Bar 对于小应变应用采用非协调模式单元Plane42 Solid45 对于大应变应用采用具有URI 特别对于大模型 的Plane182和Solid185或具有URI的Solid95 也可以采用Visco106 Visco107和Visco108单元 甚至对于与速率无关的塑性 53 实体单元推荐 不可压缩材料 超弹性 类似橡胶材料的不可压缩条件约束需要U P混合公式 可采用单元Hyper56 Hyper58 Hyper158或Hyper74 54 壳单元 概述 当结构的总体厚度相对于典型长度很小时可使用壳单元 长度比厚度大十倍以上的问题可决定使用壳单元 公开的文献中有各种壳理论 这源于对壳位移的不同近似描述 ANSYS中的壳单元根据要求解的问题类型采用不同的公式 三个基本的壳公式包括 薄膜理论 薄 壳理论和 厚 壳理论 55 壳单元 概述 薄膜理论Shell41采用薄膜理论 Shell41忽略弯曲和横向剪切 只包含薄膜效应 经典Love Kirchhoff理论Shell63是 薄 壳单元 Shell63包含弯曲和薄膜效应但忽略横向剪切变形 Reissner Mindlin理论Shell43 143 181 91 93和99是 厚 壳单元 其包含弯曲 薄膜和横向剪切效应 横向剪切被表示为整个厚度上的常剪切应变 这种一阶近似只适用于 中等厚度 壳体 56 平面变形中的壳单元 平面内壳的响应可认为是平面应力状态 因此对于壳单元不会出现体积锁定问题 当绝对不可压缩 泊松比 0 5时Shell181支持超弹性 对于薄膜现象 壳单元的平面公式与平面实体单元的公式相似 非协调模式 Shell41 43 63和181对于平面内变形支持非协调模式 Shell181也支持具有沙漏控制的一致缩减积分 缺省选项 57 壳单元推荐 线性分析如壳的厚度非常小采用Shell63 Shell63单元不包含横向剪切效应 如横向剪切变形重要 对于均匀材料采用Shell43 Shell93或Shell143 对于复合材料采用Shell91或Shell99 注意具有一致缩减积分 缺省 的单元Shell181对大模型较快 但将需要较细的网格 58 壳单元推荐 非线性分析等向强化塑性和超弹性采用Shell181 其优势包括 较小的 esav文件 较少的CPU时间 压力载荷刚度效果 可以导入初始应力 接触分析中厚度变化 运动强化塑性 蠕变采用Shell143 Shell43和Shell93 Shell43和Shell143适用于小应变塑性 Shell93是弯曲的壳 高阶 59 梁单元 概述 梁单元可用于分析主要受侧向或横向载荷的结构 典型的梁应用包括 机器主轴 房屋构架 桥梁等 ANSYS中可用的两个梁单元公式为 Euler Bernoulli梁Beam3和Beam4包括弯曲 轴向和扭转变形 横向剪切变形不包括于单元公式中 但可作为柔性因子应用 Timoshenko梁Beam188和Beam189在单元公式中包括弯曲 轴向 扭转和横向剪切变形 60 梁单元推荐 线性分析对于线性模型采用Beam3 Beam4 Beam188或Beam18