利用ansys分析结构静力

1、8. 结构静力分析结构静力分析2本章的目标是，假如已将几何模型划分网格, 应如何加载、求解.lessonobjectives目目 标标 第第1课课. 载荷载荷6-1. 列表和分类载荷。列表和分类载荷。6-2. 在实体模型上完成下列操作在实体模型上完成下列操作:a.加载加载.b.校验载荷校验载荷.c.删除载荷删除载荷.第第2课课. 求解求解6-3. 描述求解过程描述求解过程.第第3课课. 结果后处理结果后处理6-4. 描述描述ansys后处理中观看结果的各种功能后处理中观看结果的各种功能.6-5. 描述静力分析结果后处理的五个步骤描述静力分析结果后处理的五个步骤. 6-6 实例实例3第第 1 1

2、 课课 加加 载载 4载荷分类载荷分类objective6-1.列表和分类载荷列表和分类载荷ansys中的载荷可分为中的载荷可分为: 自由度自由度dof - 定义节点的自由度（定义节点的自由度（ dof ） 值值 (结构分析结构分析_位移、热分位移、热分析析_ 温度、电磁分析温度、电磁分析_磁势等磁势等) 集中载荷集中载荷 - 点载荷点载荷 (结构分析结构分析_力、热分析力、热分析_ 热导率、电磁分析热导率、电磁分析_ magnetic current segments) 面载荷面载荷 - 作用在表面的分布载荷作用在表面的分布载荷 (结构分析结构分析_压力、热分析压力、热分析_热对流、热对流、

3、电磁分析电磁分析_magnetic maxwell surfaces等等) 体积载荷体积载荷 - 作用在体积或场域内作用在体积或场域内 (热分析热分析_ 体积膨胀、内生成热、电体积膨胀、内生成热、电磁分析磁分析_ magnetic current density等等) 惯性载荷惯性载荷 - 结构质量或惯性引起的载荷结构质量或惯性引起的载荷 (重力、角速度等重力、角速度等)5加载加载objective6-2a.加载加载.可在实体模型或可在实体模型或 fea 模型模型 (节点和单元节点和单元) 上加载上加载.在关键点处在关键点处约束约束实体模型实体模型沿线均布的压力沿线均布的压力在关键点加集中力在

4、关键点加集中力在节点处约在节点处约束束fea 模型模型沿单元边界均布的压力沿单元边界均布的压力在节点加集中力在节点加集中力6加载加载 ( (续续) )+ 几何模型加载几何模型加载独立于有限元网格独立于有限元网格. 重新划分网格或局部网格修改不影重新划分网格或局部网格修改不影响载荷响载荷.+ 加载的操作加载的操作更加容易更加容易 ,尤其是在图形中直接拾取时尤其是在图形中直接拾取时.直接在实体模型加载的优点直接在实体模型加载的优点:guidelines7加载加载 ( (续续) )无论采取何种加载方式无论采取何种加载方式,ansys求解前都将载荷转化到有限元模型求解前都将载荷转化到有限元模型.因此因

5、此, 加载到实体的载荷将加载到实体的载荷将自动转化到自动转化到 其所属的节点或单元上。其所属的节点或单元上。实体模型实体模型加载到实加载到实体的载荷体的载荷自动转化自动转化到其所属到其所属的节点或的节点或单元上单元上fea 模型模型沿线均布的压力沿线均布的压力 均布压力转化到以线为边界均布压力转化到以线为边界的各单元上的各单元上8加载加载 ( (续续) )注意到这是注意到这是 很长的菜单很长的菜单, 对于结构分对于结构分析，部分菜单呈暗淡灰色，表示不析，部分菜单呈暗淡灰色，表示不属于结构分析的范畴。属于结构分析的范畴。 (ansys 可可由模型中的单元类型识别分析类型由模型中的单元类型识别分析

6、类型) 实体模型加载实体模型加载:main menu: solution -loads- apply 步骤步骤1. .2. .3. . 说明说明: 可通过在可通过在preferences 中选择适中选择适当的分析类型过滤菜单中的选项。当的分析类型过滤菜单中的选项。9加载加载 ( (续续) )输入一个输入一个压力值即为压力值即为 均布载荷均布载荷, 两个数值两个数值 定义定义坡度压力坡度压力说明：压力数值为正表示其方向指向表面说明：压力数值为正表示其方向指向表面main menu: solution -loads- apply pressure on lines加载面力载荷加载面力载荷拾取拾取l

7、ine10加载加载 ( (续续) )vali = 500vali = 500valj = 1000vali = 1000valj = 500500l3500l31000500l31000500坡度压力载荷沿起始关键点坡度压力载荷沿起始关键点(i) 线性变化到第二个关键点线性变化到第二个关键点 (j)。 如果加载后坡度的方向相反如果加载后坡度的方向相反, 将将两个压力数值颠倒即可。两个压力数值颠倒即可。加载面力载荷（续）加载面力载荷（续）机械工程学院 王开松11加载加载 ( (续续) ) 轴对称载荷可加载到具有对称轴的3-d 结构上。 3-d 轴对称结构可用一2-d 轴对称模型描述。加载轴对称载

8、荷加载轴对称载荷10” 直径直径5” 半径半径轴对称模型轴对称模型3-d 结构结构对称轴对称轴12加载加载 ( (续续) )加载加载 轴对称载荷轴对称载荷, 注意以下注意以下方面方面:载荷数值载荷数值 (包括输出的反力包括输出的反力) 基于基于360度转角的度转角的3-d结构。结构。在右图中，轴对称模型中的在右图中，轴对称模型中的载荷是载荷是3-d结构均布面力载结构均布面力载荷的总量。荷的总量。total force = 2p pr = 47,124 lb.准则准则3-d 结构结构2-d 有限元模型有限元模型axis of symmetry13加载加载 ( (续续) )在关键点加载位移约束在关

9、键点加载位移约束: 加载约束载荷加载约束载荷main menu: solution -loads- apply -structural- displacement on keypoints +procedure1. .2. .3. . expansion option 可使相同的载荷加可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上在位于两关键点连线的所有节点上拾取拾取keypoints例例要固定一边，只要固定一边，只要拾取关键点要拾取关键点6、7,并设置并设置 all dofs = 0 和和 kexpnd = yes.k6k714加载加载 ( (续续) )加载约束载荷（续）加载约束载荷（续）在

10、线和面上加载位移约束在线和面上加载位移约束: main menu: solution -loads- apply -structural- displacement on lines + or on areas+步骤步骤1. .2. .3. . 拾取拾取 lines 拾取拾取areas15校验载荷校验载荷实体模型载荷显示在几何模型上实体模型载荷显示在几何模型上 (体、面、线或关键点体、面、线或关键点)有限元模型载荷在画节点或单元有限元模型载荷在画节点或单元时显示时显示通过通过 plotting画出载荷画出载荷: utility menu: plotctrls symbols .或通过或通过 l

11、isting列表载荷列表载荷:utility menu: list loads步骤步骤1. .2. .3. . objective6-2b. 校验载荷校验载荷16将载荷转化到有限元模型上将载荷转化到有限元模型上说明说明: 只有到求解初始化时只有到求解初始化时，才将模型中的载荷自动转化到有限元模，才将模型中的载荷自动转化到有限元模型中的节点和单元上。型中的节点和单元上。procedure1. .2. .3. . 下面将载荷转化到节点和单元上，不进行求解下面将载荷转化到节点和单元上，不进行求解:main menu: solution -loads-operate这些选项出现的信息大致相同这些选项出

12、现的信息大致相同17删除载荷删除载荷main menu: solution -loads- delete all load data 选项可同时删除模型选项可同时删除模型中的任一类载荷。中的任一类载荷。individual entities by picking 选项选项只删除模型选定的载荷。只删除模型选定的载荷。而而.procedure1. .2. .3. . 6-2c. 删除载荷删除载荷objective18删除载荷（续）删除载荷（续）当删除实体模型时当删除实体模型时, ansys 将自动删除其上所有的载荷将自动删除其上所有的载荷实体模型实体模型fea 模型模型l删除线上的均删除线上的均布

13、压力布压力 自动删除以线为边界自动删除以线为边界的各单元均布压力的各单元均布压力 记住这记住这 一关系一关系?19删除载荷（续）删除载荷（续）两关键点的扩展位移约束载荷例外：两关键点的扩展位移约束载荷例外：删除两点的约束删除两点的约束 只删除了两角点只删除了两角点（ corner ）约束，约束， 而加载而加载时扩展的时扩展的 （ inside ） 节点节点约束必须手工删约束必须手工删除除.实体实体 模型模型fea 模型模型l20第第 2 2 课课 求求 解解 21求解求解求解结果保存在数据库中并输出到结果文件求解结果保存在数据库中并输出到结果文件 (jobname.rst, jobname.r

14、th, jobname.rmg, or jobname.rfl)结果文件结果文件结果数据结果数据数据库数据库求解器求解器结果结果输入数据输入数据2021-11-1322模态分析谐波分析瞬态分析频谱分析子结构分析 求解前使用该对话框将各个控制项设置好，就可以求解了。命令：solcontrol，key1，key2，key3，vtolgui：mainmenusolutionanalysis typesolution ctrl23求解时模型是否准备就绪求解时模型是否准备就绪? ?在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容:统一的单位统一的单位单元类

15、型和选项单元类型和选项材料性质参数材料性质参数 考虑惯性时应输入材料密度考虑惯性时应输入材料密度 热应力分析时应输入材料的热膨胀系数热应力分析时应输入材料的热膨胀系数实常数实常数 (单元特性单元特性)单元实常数和材料类型的设置单元实常数和材料类型的设置实体模型的质量特性实体模型的质量特性 (preprocessor operate calc geom items)模型中不应存在的缝隙模型中不应存在的缝隙壳单元的法向壳单元的法向节点坐标系节点坐标系集中、体积载荷集中、体积载荷面力方向面力方向温度场的分布和范围温度场的分布和范围热膨胀分析的参考温度热膨胀分析的参考温度 (与与 alpx 材料特性协

16、调材料特性协调?)24求解过程求解过程:1. 求解前保存数据库求解前保存数据库2. 将将output 窗口提到最前面观看求解信息窗口提到最前面观看求解信息3. main menu: solution -solve-current ls.进行求解进行求解objective6-3.描述求解过程描述求解过程procedure1. .2. .3. . 机械工程学院 王开松25进行求解进行求解( (续续) )在求解过程中，应将在求解过程中，应将output窗口提到最前面。窗口提到最前面。 ansys 求求解过程中的一系列信息都将显示在此窗口中，主要信息包解过程中的一系列信息都将显示在此窗口中，主要信息包

17、括括:模型的质量特性模型的质量特性- 模型质量是精确的模型质量是精确的 - 质心和质心和 质量矩的质量矩的值有一定误差。值有一定误差。单元矩阵系数单元矩阵系数 - 当单元矩阵系数最大当单元矩阵系数最大/最小值的比率最小值的比率 1.0e8 时将预示模型中的材料性质、实常数或几何模时将预示模型中的材料性质、实常数或几何模型可能存在问题。当比值过高时，求解可能中途退出型可能存在问题。当比值过高时，求解可能中途退出。模型尺寸和求解统计信息。模型尺寸和求解统计信息。汇总文件和大小。汇总文件和大小。机械工程学院 王开松26进行求解进行求解( (续续) )没有获得结果的原因是什么没有获得结果的原因是什么?

18、 往往是求解输入的模型不完整或存在往往是求解输入的模型不完整或存在错误，典型原因有错误，典型原因有: 约束不够约束不够! (通常出现的问题通常出现的问题)。 当模型中有非线性单元当模型中有非线性单元 (如缝隙如缝隙 gaps、滑块、滑块sliders、铰、铰hinges、索、索cables等），整体或部分结构出现崩溃或等），整体或部分结构出现崩溃或“松脱松脱”。 材料性质参数有负值材料性质参数有负值, 如密度或瞬态热分析时的比热值。如密度或瞬态热分析时的比热值。 未约束铰接结构，如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有未约束铰接结构，如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。约束。 屈曲屈曲 -

19、当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲。，因为整个结构已发生屈曲。27第第 3 3 课课 结果后处理结果后处理 28结果的绘图和列表结果的绘图和列表ansys 有两个后处理器有两个后处理器:通用后处理器通用后处理器 (即即 “post1”) 只能观看整个模型在某一时刻的结果只能观看整个模型在某一时刻的结果 (如如：结果的照相：结果的照相 “snapshot”). 时间历程后处理器时间历程后处理器 (即即 “post

20、26”) 可观看模型在不同时间的结果。可观看模型在不同时间的结果。 但但此后处理器只能用于处理瞬态和此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。或动力分析结果。在这一课只讨论通用后处理器在这一课只讨论通用后处理器objective6-4.介绍介绍ansys后处理功能后处理功能机械工程学院 王开松29结果的绘图和列表结果的绘图和列表( (续续) )静力分析结果后处理的步骤主要包括:1. 绘变形图2. 变形动画3. 支反力列表4. 应力等值线图5. 网格密度检查guidelinesobjective6-5.介绍静力分析结果后处理的五个步骤介绍静力分析结果后处理的五个步骤机械工程学院 王开松30绘

21、变形图绘变形图绘出结构在静力作用下的变形结果: main menu: general postprocessor plot results deformed shape.机械工程学院 王开松31变形动画变形动画以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程: utility menu: plotctrls animate deformed shape.机械工程学院 王开松32支反力支反力在任一方向，支反力总和必等于在此方向的载荷总和。在任一方向，支反力总和必等于在此方向的载荷总和。节点反力列表节点反力列表: main menu: general postpro

22、cessor list results reaction solution.机械工程学院 王开松33应力等值线应力等值线应力等值线方法可清晰描述一种结果在整个模型中的变化，可以应力等值线方法可清晰描述一种结果在整个模型中的变化，可以快速确定模型中的快速确定模型中的 “危险区域危险区域”。显示应力等值线显示应力等值线 : main menu: general postprocessor plot results -contour plot- nodal solution.机械工程学院 王开松34应力等值线动画应力等值线动画结果动画结果动画 : utility menu: plotctrls an

23、imate deformed results机械工程学院 王开松35关于关于powergraphicspowergraphics的说明的说明powergraphics 特点特点: 快速重画、图形轮廓分明。快速重画、图形轮廓分明。 模型显示光滑、具有相片的真实感。模型显示光滑、具有相片的真实感。 支持单元类型（支持单元类型（ lines、pipes、elbows、 contact 等单元）和等单元）和几何实体几何实体 （ lines、areas、 volumes 等）。等）。powergraphics 打开打开 (缺省缺省)powergraphics 关闭关闭机械工程学院 王开松36检查网格精度

24、检查网格精度 由于网格密度影响分析结果的精度，因此有必要验证网格的精度是否足够。 有三种方法进行网格精度检查： 1. 观察（ visual inspection ）2. 误差估计3. 将网格加密一倍，重新求解并比较两者结果。注意: 有些情况下这种做法不适用。机械工程学院 王开松37观察观察画出画出非平均（非平均（ unaveraged ）应力等值线，例如，画出单元应力应力等值线，例如，画出单元应力而不是节点应力。而不是节点应力。 显示每个单元的应力显示每个单元的应力 寻找单元应力变化大的区域，这些区域应进行网格加密。（寻找单元应力变化大的区域，这些区域应进行网格加密。（在在meshtool中对

25、网格加密非常方便，中对网格加密非常方便， meshtool 将在后面的将在后面的内容介绍。）内容介绍。）averaged stress contoursunaveraged stress contours机械工程学院 王开松38误差估计误差估计ansys 对平均应力和非平均应力采用几种不同的误差计算方法，误差估计只在进入后处理前powergraphics 被关闭的情况下进行。 (如果进入后处理后关闭 powergraphics则ansys将重新计算误差因子。) 关闭关闭 powergraphics，应力等值线图可显示应力分布和最大最小值，应力等值线图可显示应力分布和最大最小值范围，这可表明误差

26、的大小。范围，这可表明误差的大小。通过画出结构能误差的等值线图，可显示误差较大的区域通过画出结构能误差的等值线图，可显示误差较大的区域 - 这些区这些区域需要网格加密。域需要网格加密。画出所有单元的应力偏差图，可给出每个单元的应力误差值。画出所有单元的应力偏差图，可给出每个单元的应力误差值。 (平均平均应力和非平均应力不同应力和非平均应力不同)机械工程学院 王开松39应力平均应力平均fea的计算结果包括通过计算直接得到的初始量和导出量。的计算结果包括通过计算直接得到的初始量和导出量。 任一节点处的任一节点处的dof结果结果 (ux、uy、temp等等) 是初始量。是初始量。 它们只是它们只是在

27、每个节点计算出来的初始值。在每个节点计算出来的初始值。 其它量，如应力应变，是由其它量，如应力应变，是由dof 结果通过单元计算导出而得到的。结果通过单元计算导出而得到的。 因此，在给定节点处，可能存在不同的应力值。这是由以与此节点因此，在给定节点处，可能存在不同的应力值。这是由以与此节点相连的不同单元计算而产生的。相连的不同单元计算而产生的。 “节点结果节点结果”（nodal solution）画出）画出 的是在节点处导出量的平均值，而的是在节点处导出量的平均值，而 “单元结果单元结果”（ element solution ） 画出非平均量。画出非平均量。 在同一个节点处，相临单元计算出的结

28、果不同。在同一个节点处，相临单元计算出的结果不同。40应力平均应力平均( (续续) )在弹性模量不同的材料交界处，应力分量会不连续。在弹性模量不同的材料交界处，应力分量会不连续。 (powergraphics 自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。)在多数情况下，画出平均应力图，但有时要画出：在多数情况下，画出平均应力图，但有时要画出：非平均单元应力显示不连续的应力非平均单元应力显示不连续的应力平均的节点应力显示连续的应力平均的节点应力显示连续的应力41应力平均应力平均( (续续) )在不同厚度的壳单元的交界处，在不同厚度的壳单元的交界处，大多数应

29、力会不连续大多数应力会不连续 。(powergraphics 自动考虑到这自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理一点并对此界面不进行平均处理。)非平均单元应力显示不连续的应力非平均单元应力显示不连续的应力平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性42应力平均应力平均( (续续) )在壳单元构成的尖角或连接处，某些应力分量不连续。在壳单元构成的尖角或连接处，某些应力分量不连续。非平均单元应力显示不连续的应力非平均单元应力显示不连续的应力平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性2021-11-13436-6 6-6 简单实例简

30、单实例6.6.1 平面问题：板中圆孔的应力集中实例1：如图所示为承受双向拉伸的板件，其中心位置有一个小圆孔，尺寸(mm)如图所示。弹性模量e2105n/mm2，泊松比v=0.3拉伸载荷:q=20n/mm平板的厚度：t=20mm解题思路分析：1.属于平面应力问题2.中心带孔，应使用8节点四边形单元或三角形单元3.注意单位：尺寸mm，力n，故应力n/mm24.最大变形约为0.001mm（忽略孔的影响）,最大应力在孔的顶部和底部，大小约为3.9n/mm2，即3.9mpa。依次检验有限元的分析结果。2021-11-1344一. 相关设置设置jobname为bracket、title为”a exampl

31、e for bracket”，且过滤参数为structural;二.建立网格模型1.创建几何模型：在xy平面内建立一个矩形和圆，并用布尔subtract得到几何模型；2.定义单元类型：选择structural solid选项下的quad 8node 82单元，确定返回最后自动得到单元类型为plane82。它是8节点的四边形单元，是平面4节点单元plane42的高阶形式，更适合有曲线边界的模型。对于本问题，我们需要有厚度的平面应力单元，只需单击单元类型表中的options按钮，弹出plane82选项设置窗口，如图所示，在k3对应的方框中选择”plane strs w/thk“，使得可以设置板的厚

32、度。2021-11-13453.定义实常数：preprocessorreal constantsadd/edit/delete。弹出如下对话框,输入板的厚度204.定义材料特性：ex200000，prxy0.35.定义网格尺寸：网格边长25，划自由网格。如下页所示 preprocessormeshingsize cntrlsmanual sizeall areas preprocessormeshingmeshareasfree或用meshtool6. 保存工作2021-11-1346三. 加载和求解1.定义分析类型：solutionanalysis typenew analysis ，设为s

33、tatic，即结构静态分析；2.施加约束：solutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon lines，用鼠标点选模型最左侧边，并全部约束(all dof)3.施加载荷：板右侧边缘上有一个背离平板的20n/mm的均布线载荷，则均布压力线载荷除以板厚20mm1n/mm2。对对模型右侧边施加1的均布表面压力。solutiondefine loadsapplystructuralpressureon lines4. 求解：solutionsolvecurrent ls网格模型图约束、载荷模型图2021-11-1347三.检查计算结果，观察收敛情况,决

34、定是否修改网格模型1.节点最大应力检查 由于最大应力点的应力值有解析解，因此可以检查该点的应力值。首先显示节点编号，找出孔部对应的节点：utility menuplotnodes（如果没有显示节点编号，则utility menuplotctrlsnumbering，打开节点编号），记下与圆顶部对应的节点编号。如图所示 列出应力值：general postproclist resultsnodal solutionstress，检查所要考察节点的seqv值（等效应力值），查结果可知其大小为2.67n/mm2，与手工计算的结果3.9mpa有较大的差别，因此需要在孔的周围采用更小的网格尺寸才能获得更为精确的解。2021-11