N4高级加载和求解技术

1、2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-12001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-2在完成本章学习后，应能进行高级的加载求解计算，包括耦在完成本章学习后，应能进行高级的加载求解计算，包括耦合场的分析，模态分析和多重载荷步分析。合场的分析，模态分析和多重载荷步分析。ModuleObjective第一讲第一讲 热热-应力耦合场分析应力耦合场分析4-1. 定义耦合场分析定义耦合场分析.4-2.

2、直接耦合场分析和间接耦合场分析直接耦合场分析和间接耦合场分析.4-3. 热应力热应力.4-4. 进行进行间接热间接热-应力耦合场分析的过程应力耦合场分析的过程.4-5. 求解求解间接热间接热-应力耦合场分析的过程应力耦合场分析的过程.第二讲第二讲 模态分析模态分析4-6. 定义模态分析定义模态分析.4-7. 进行进行模态分析时的三个步骤模态分析时的三个步骤.第三讲第三讲 多载荷步多载荷步4-8. 载荷步载荷步4-9. 多重求解方法多重求解方法4-10.载荷步文件方法载荷步文件方法.4-11.向量参数方法向量参数方法4-12.使用重启动生成多个载荷步使用重启动生成多个载荷步LessonObjec

3、tives 2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-32001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-4 4-1. 定义耦合场分析定义耦合场分析 耦合场分析考虑了两个或多个工程学科间的相互耦合作用耦合场分析考虑了两个或多个工程学科间的相互耦合作用 Examples Applications Thermal-stress Pressure vessels Magnetic-thermal induc

4、tion heating Electromagnetic Transmission lines Piezoelectric Ultrasonic transducers Fluid-structural Airplane wingObjectiveDefinition2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-5 4-2. 直接耦合和间接耦合的区别直接耦合和间接耦合的区别 Objective2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Ha

5、ich Gao (011001)M4-6直接方法直接方法最适合于那种耦合效应是循最适合于那种耦合效应是循环的双向耦合的情况环的双向耦合的情况真正的真正的“多物理场多物理场”分析分析不能用于非线形不能用于非线形非常好但耗费时间较长非常好但耗费时间较长(全自全自由度设置由度设置)例子例子:结构特性随温度而变的结构特性随温度而变的分析分析.间接方法间接方法最适合于那种单向耦合的情最适合于那种单向耦合的情况况,一种分析的结果能够影响一种分析的结果能够影响到另一种分析到另一种分析,反之不能反之不能独立进行两种分析独立进行两种分析,故较灵活故较灵活不能用于非线形不能用于非线形非常好但耗费时间较长非常好但耗

6、费时间较长(全自全自由度设置由度设置)例子例子:结构特性随温度而变的结构特性随温度而变的分析分析.v 涡流的焦耳热涡流的焦耳热2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-7 4-3. 热应力热应力当一个结构被加热或冷却时，通常会发生膨胀或收缩当一个结构被加热或冷却时，通常会发生膨胀或收缩自由热膨胀：如果满足下列条件，则在结构中只会发生自由热膨自由热膨胀：如果满足下列条件，则在结构中只会发生自由热膨胀，不会有应力出现：胀，不会有应力出现： 均匀均匀 只约束刚体运动只约束刚体运动 在整个结构中除了一

7、个均匀的温度变化外没有其它载荷在整个结构中除了一个均匀的温度变化外没有其它载荷然而，如果温度变化均匀，但有其它的约束，或者有不同的热膨然而，如果温度变化均匀，但有其它的约束，或者有不同的热膨胀系数，那么结构中将会产生热应力。胀系数，那么结构中将会产生热应力。Objective2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-8 例题：例题：考虑两块焊在一起的板，它们有不同的热膨胀系数。如果复合材料考虑两块焊在一起的板，它们有不同的热膨胀系数。如果复合材料棒的右半部分的热膨胀系数大于左半部分，当其受热时

8、将会发生棒的右半部分的热膨胀系数大于左半部分，当其受热时将会发生图示的弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。图示的弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-9 4-4. 间接的热应力耦合分析流程间接的热应力耦合分析流程LDREAD操作将两个分析连接起来，此操作从热分析读入指定的结操作将两个分析连接起来，此操作从热分析读入指定的结果数据，并将它们作为热载荷提供到结构分析中。果数据，并将它们作为热载荷提供到结构分析中。ObjectiveProcedure

9、. 2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-104-5. 说明间接的热应力耦合分析的全过程说明间接的热应力耦合分析的全过程执行热应力耦合分析的全过程执行热应力耦合分析的全过程进行瞬态或稳态的热分析以得进行瞬态或稳态的热分析以得到结点温度。到结点温度。查看结果，并确定温度梯度较查看结果，并确定温度梯度较大的时间点（或载荷步）。大的时间点（或载荷步）。Main Menu: General PostProc 1.在每个对话框中输入对应值在每个对话框中输入对应值ObjectiveProcedure1

10、. .2. .3. . 2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-11删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析Main Menu: Preferences选择结构选择结构分析。分析。b. 单击单击OK。注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析，则不需要转换分析类型。注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析，则不需要转换分析类型。2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (

11、011001)M4-124. 将单元类型从热分析转换到结构分析将单元类型从热分析转换到结构分析Main Menu: Preprocessor Element Type Switch Element Type选择选择“thermal to structure”。b. 单击单击OK。注意：对新的单元类型，必须验证单元关键字选项设置时合适的。注意：对新的单元类型，必须验证单元关键字选项设置时合适的。2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-134. 将单元类型从热分析转换到结构分析将单元类型从热分析

12、转换到结构分析验证单元关键字选项设置：验证单元关键字选项设置：Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete选定单元类型，然后选择选定单元类型，然后选择Option验证验证, 如果需要可以更改如果需要可以更改a.c. 选择选择OK。2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-145. 定义结构的材料特性（定义结构的材料特性（EX等），特别注意不要忘记输入热膨胀系等），特别注意不要忘记输入热膨胀系数（数（ALPX）和其它建模细节。）和其它建

13、模细节。Main Menu: Preprocessor Materail Props -Constant- Isotropic单击单击OK 。a.输入结构的材料特性值，包括热膨胀系数输入结构的材料特性值，包括热膨胀系数ALPX，然后单击，然后单击OK。2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-156. 指定分析类型和分析选项。指定分析类型和分析选项。选择分析类型（通常是静态）选择分析类型（通常是静态）Main Menu: Solution -Analysis Type- New Analysi

14、s2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-16 b. 选择分析选项选择分析选项Main Menu: Solution Analysis Options指定选项并指定选项并单击单击OK.2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-17施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分。施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分。Main Menu: Solution -Load- Apply -Structur

15、e- Temperature From Therm Analy输入期望的载荷步输入期望的载荷步和子步号（缺省为第一个和子步号（缺省为第一个载荷步和最后一个子步）。载荷步和最后一个子步）。b. 选择热分析的选择热分析的 结果文件，结果文件，以以rth为扩展名为扩展名.c. 单击单击OK.2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-188. 指定载荷步选项。指定载荷步选项。Main Menu: Solution在每个对话框中在每个对话框中输入对应值。输入对应值。开始求解。开始求解。9.Main Me

16、nu: Solution2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-19 练习使用热应力耦合场分场，我们将根据轴对称模型的温度分练习使用热应力耦合场分场，我们将根据轴对称模型的温度分布来计算应力结果。布来计算应力结果。以作业名以作业名“thstress”进入进入ANSYS恢复数据库文件恢复数据库文件thstress.db1进行热分析求解，生成进行热分析求解，生成thstress.rth文件文件在图形窗口中显示温度分布在图形窗口中显示温度分布删除所以节点上的所有约束条件删除所以节点上的所有约束条件

17、将热分析转换到结构分析将热分析转换到结构分析将单元类型转换为结构的单元类型将单元类型转换为结构的单元类型将单元选项设置为轴对称将单元选项设置为轴对称约束左下角关键点垂直方向的位移约束左下角关键点垂直方向的位移(uy=0)从从thstress.rth施加温度载荷施加温度载荷a.从热分析中施加结构温度载荷：从热分析中施加结构温度载荷：Main Menu:Preprocessor Loads -Loads- Apply -Structural- Temperature From Therm Analysisb.选择选择thstress.rth。Exercise2001年10月1日2022-4-27*

18、ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-2011. 画图核定温度。画图核定温度。a. PlotCtrls Symbols.b. Choose None in Boundary Cond. Symbol.c. Turn “body load symbol” to “structural temps”d. Choose Do not replot.12. 求解并进行后处理求解并进行后处理2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-212

19、001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-22 4-6. 定义模态分析定义模态分析 模态分析被用来求解一个结构或机器零件的振动特性（固模态分析被用来求解一个结构或机器零件的振动特性（固 有频率和模态形状）。有频率和模态形状）。模态分析往往是其它更详细分析的起点。模态分析往往是其它更详细分析的起点。模态分析在特殊情况下的应用：模态分析在特殊情况下的应用： 存在预应力结构的模态分析，例如旋转的涡轮叶片存在预应力结构的模态分析，例如旋转的涡轮叶片 循环对称结构的模态分析，可以只建立循环对称结构的部分模

20、型来循环对称结构的模态分析，可以只建立循环对称结构的部分模型来计算整个结构的模态形状计算整个结构的模态形状ObjectiveDefinition2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-234-5. 说明模态分析的三个步骤说明模态分析的三个步骤进行模态分析：进行模态分析：建模此过程与其它分析基本相同建模此过程与其它分析基本相同a. 指定作业名和分析标题指定作业名和分析标题b. 定义单元类型定义单元类型c. 定义单元实常数定义单元实常数d. 定义材料常数（包括密度）定义材料常数（包括密度）e.

21、建立几何模型建立几何模型1.注意：在进行模态分析时，非线性特性如塑性和接触单注意：在进行模态分析时，非线性特性如塑性和接触单元被忽略。元被忽略。ObjectiveProcedure1. .2. .3. . 2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-242. 加约束并求解加约束并求解指定分析类型指定分析类型 Main Menu: Solution -Analysis Type- New Analysis选择选择Modal.a.单击单击OK.2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教

22、程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-25b. 指定分析类型指定分析类型 Main Menu: Solution Analysis Options一般情况下首选一般情况下首选block lanczos 模态抽取法模态抽取法指定需要抽取的模态数指定需要抽取的模态数如果想对变形形状和应力进如果想对变形形状和应力进行后处理，指定扩展的模态行后处理，指定扩展的模态数等于抽取的模态数，如果数等于抽取的模态数，如果缺省，则输出给定频率范围缺省，则输出给定频率范围内的所有的模态内的所有的模态如果需要单元结果，选择如果需要单元结果，选择Yes1)单击单击OK。

23、2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-26c. 指定分析类型指定分析类型 Main Menu: Solution -Loads- Apply选择选择displacement1)选择要给定的约束条件的图选择要给定的约束条件的图元，然后根据条件按提示操元，然后根据条件按提示操作。作。2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-27d. 存数据库的备份文件给一新文存数据库的备份文件给一新文件名件名

24、Utility Menu: File Save as指定文件名指定文件名单击单击OK。开始求解计算开始求解计算1) Utility Menu: Solution -Solve- Current LS2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-283. 在后处理中查看结果在后处理中查看结果Main Menu General Postproc查看不同的模态形状查看不同的模态形状1)注意：模态分析得到的应力大注意：模态分析得到的应力大小是任意的小是任意的2001年10月1日2022-4-27*ANSY

25、S培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-29 此练习对托架进行分析，并计此练习对托架进行分析，并计算其频率和模态形状。算其频率和模态形状。以作业名以作业名“modal”进入进入ANSYS恢复数据库文件恢复数据库文件thstress.db1，并，并在图形窗口中画单元在图形窗口中画单元将分析类型指定为模态分析将分析类型指定为模态分析指定分析选项：指定分析选项：选择选择block lanczos.抽取抽取10个模态个模态扩展扩展10个模态个模态计算单元结果计算单元结果计算并进行后处理（计算并进行后处理（using 1st set, next s

26、et, ）1.显示应力并对模态形状进行动画处显示应力并对模态形状进行动画处理。理。Exercise2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-302001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-31 4-8. 说明载荷步的含义说明载荷步的含义一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进行一次或多次求解。行一次或多次求解。一个分析过程可

27、以包括：一个分析过程可以包括： 单一载荷步（常常这是足够的）单一载荷步（常常这是足够的） 多重载荷步多重载荷步有三种方法可以用来定义并求解多载荷步有三种方法可以用来定义并求解多载荷步 多次求解方法多次求解方法 载荷步文件方法载荷步文件方法 向量参数方法向量参数方法Objective2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-32 4-9. 说明模态分析的三个步骤说明模态分析的三个步骤它是三种方法中最易理解的方法它是三种方法中最易理解的方法缺点：用户必须等到每一次求解完成后才能定义下一次载荷步缺点

28、：用户必须等到每一次求解完成后才能定义下一次载荷步（除非使用批处理方法）（除非使用批处理方法）注意：只有在不离开求解过程时，此方法才有效。否则，必须注意：只有在不离开求解过程时，此方法才有效。否则，必须指示程序进行重启动指示程序进行重启动为了使用多次求解方法为了使用多次求解方法：定义第一个载荷步并存盘定义第一个载荷步并存盘进行求解进行求解不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘进行求解进行求解不要退出求解器，继续进行步骤不要退出求解器，继续进行步骤3和步骤和步骤4直到所有的载荷步完成直到所有的载荷步完成1.进行后处理进行后处理Obje

29、ctiveProcedure1. .2. .3. . 2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-33 4-10. 说明载荷步文件方法说明载荷步文件方法当用户想离开计算机时，使用此方法求解多重载荷步是很方便当用户想离开计算机时，使用此方法求解多重载荷步是很方便的的程序将每个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为程序将每个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为jobname.sxx（sxx 为载荷步号），然后使用一条命令，读进每个为载荷步号），然后使用一条命令，读进每个载荷步文件并开始求解载荷步文件并

30、开始求解为了使用载荷步文件方法为了使用载荷步文件方法：定义第一个载荷步定义第一个载荷步将边界条件写进文件将边界条件写进文件Main Menu: Solution -Load Step Opts- Write LS File (jobname.sxx)为了进行第二次求解按需要改变载荷条件为了进行第二次求解按需要改变载荷条件将边界条件写到第二个文件将边界条件写到第二个文件利用载荷步文件进行求解利用载荷步文件进行求解Main Menu: Solution -Solve- From LS Files (jobname.sxx)ObjectiveProcedure1. .2. .3. . 2001年10

31、月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-34 4-11. 说明向量参数方法说明向量参数方法主要用于瞬态和非线性稳静态分析。主要用于瞬态和非线性稳静态分析。使用向量参数和循环语句来定义一个载荷随时间变化的表使用向量参数和循环语句来定义一个载荷随时间变化的表 *DO,FYVAL,1,10,1 *DIM,LOADVALS,5 F,1,FY,FYVAL LOADVALS(1)=1,2,3,5,7 SOLVE *DO,II,1,5,1 *ENDDO F,1,FY,LOADVALS(II) SOLVE *ENDDOO

32、bjective2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-35使用向量参数方法：使用向量参数方法：定义参数定义参数Utility Menu: Parameters Array Parameters Define/Edit单击单击add输入参数名和行列数输入参数名和行列数1.单击单击OK，对每个参数都重复对每个参数都重复a 到到c 的过程的过程Procedure1. .2. .3. . 2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haic

33、h Gao (011001)M4-362. 输入参数值输入参数值单击单击edit输入行、列对应的值输入行、列对应的值a.选择选择file quit ，对每个参数都重复对每个参数都重复a 到到c 的过程的过程2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-37构造一个循环结构来进行加载并求解构造一个循环结构来进行加载并求解 Example 随时间变化的载荷随时间变化的载荷2001年10月1日2022-4-27*ANSYS培训教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)M4-38 4-12. 使用重启动生成多重载荷步使用重启动生成多重载荷步使用重启动可能不可靠，因此推荐使用多次求解方法来求解一个载荷使用重启动可