有限元法与程序-Ansys加载及求解.

1、加载与求解加载与求解 1 1 加载与求解加载与求解概述概述 2 2 载荷的定义载荷的定义 3 3 求解求解 求解是对模型施加荷载，然后通过求解器计算有限元解。求解是对模型施加荷载，然后通过求解器计算有限元解。 荷载可以在前处理器或求解器中施加。荷载可以在前处理器或求解器中施加。1 加载与求解概述加载与求解概述1.1 载荷分类载荷分类1.2 载荷步、子步和平衡迭代载荷步、子步和平衡迭代1.3 载荷的显示载荷的显示1.4 载荷步选项载荷步选项1.5 加载方式加载方式1.1 载荷分类载荷分类ANSYS中的载荷中的载荷(Loads)包括边界条件和模型内部或外部包括边界条件和模型内部或外部的作用力。不同

2、学科中的载荷如下：的作用力。不同学科中的载荷如下：q 结构分析：位移、力、弯矩、压力、温度和重力等；结构分析：位移、力、弯矩、压力、温度和重力等；q 热热 分分 析：析：温度、热流速率、对流和无限表面等；温度、热流速率、对流和无限表面等；q 磁场分析：磁场分析：磁势、磁通量、磁流段、源电流密度和无限磁势、磁通量、磁流段、源电流密度和无限 表面等；表面等；q 电场分析电场分析：电压、电流、电荷和电密度等；：电压、电流、电荷和电密度等；q 流场分析流场分析：速度和压力等。：速度和压力等。 自由度约束（自由度约束（DOF constraintDOF constraint） 将给定某一自由度一已知值。

3、将给定某一自由度一已知值。 如结构分析中约束被指定如结构分析中约束被指定位移和对称边界条件位移和对称边界条件。 力（力（Force）为施加于模型节点或关键点的集中载荷为施加于模型节点或关键点的集中载荷。 在结构分析中被指定为在结构分析中被指定为力和力矩力和力矩。 表面载荷（表面载荷（Surface loads） 作用在表面的分布载荷作用在表面的分布载荷 。 结构分析中为结构分析中为压力压力。 体积载荷体积载荷(Body loads) 为体或场载荷。为体或场载荷。 结构分析中为结构分析中为温度温度。 惯性载荷惯性载荷 (Inertia loads) 物体惯性引起的载荷。物体惯性引起的载荷。 结构

4、分析中的结构分析中的重力加速度、角速度和角加速度重力加速度、角速度和角加速度等。等。 耦合场载荷（耦合场载荷（coupled-Field loads）指从一种分析得到的结果用指从一种分析得到的结果用作另一种分析的载荷。如作另一种分析的载荷。如热分析得到的温度用作结构分析的体载荷。热分析得到的温度用作结构分析的体载荷。1.1 载荷分类载荷分类六大类六大类 1.2 载荷步、子步和平衡迭代载荷步、子步和平衡迭代 载荷步载荷步：为了获得解答的载荷配置。：为了获得解答的载荷配置。 在在线性静态和稳态分析线性静态和稳态分析中，可以使用不同的载荷步施加中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合。不同的载荷组

5、合。 在在瞬态分析瞬态分析中，多个载荷步加到载荷历程曲线的不同区中，多个载荷步加到载荷历程曲线的不同区段。段。载荷步载荷步时间时间 1.2 载荷步、子步和平衡迭代载荷步、子步和平衡迭代 子步子步：执行求解载荷步过程中的点。：执行求解载荷步过程中的点。 在在非线性静态或稳态分析非线性静态或稳态分析中，使用子步逐渐施加载荷以中，使用子步逐渐施加载荷以便能获得精确解。便能获得精确解。 在在线性或非线性瞬态分析线性或非线性瞬态分析中，使用子步是为了满足瞬态中，使用子步是为了满足瞬态时间累积法则。时间累积法则。载荷载荷子步子步1.3 载荷的显示载荷的显示1.4 载荷步选项载荷步选项阶跃加载阶跃加载逐步加

6、载逐步加载时间时间载荷载荷时间时间载荷载荷阶跃载荷阶跃载荷逐步加载逐步加载1.5 加载方式加载方式 可以对实体模型加载或对有限元模型直接加载（节点和单元）可以对实体模型加载或对有限元模型直接加载（节点和单元） 。 实体模型更容易加载，因为可供拾取的实体少。实体模型更容易加载，因为可供拾取的实体少。 而且，实体模型荷载独立于网格。如果改变网格无需重新加载。而且，实体模型荷载独立于网格。如果改变网格无需重新加载。实体模型实体模型加载到实体加载到实体的载荷自动的载荷自动转化到其所转化到其所属的节点或属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的各单元上

7、均布压力转化到以线为边界的各单元上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求解前都将载荷转化到有限元模型。因此，加载到实体的载荷将型。因此，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其所属的节点或单元上。上。实体模型实体模型加载到实体加载到实体的载荷自动的载荷自动转化到其所转化到其所属的节点或属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均布压力转化到以线为边界的各单元上边界的各单元上注意注意: : 在实体模型上施加的载荷，只有到求解初始在实体模型上施加的载荷，只有到求解初始 化时，才会被自动转

8、化到有限元模型中的节化时，才会被自动转化到有限元模型中的节 点和单元上。点和单元上。但也可以不进行求解，通过执行以下操作将实体模但也可以不进行求解，通过执行以下操作将实体模型上的载荷转化到有限元节点和单元上型上的载荷转化到有限元节点和单元上: :Main Menu: Solution -Define Loads -Operate -Transfer to FE 2 载荷的定义载荷的定义自由度约束自由度约束 自由度约束自由度约束又称又称DOF约束约束，是对模型在空间中的自由度的约束。，是对模型在空间中的自由度的约束。自由度约束可施加于自由度约束可施加于节点、关键点、线和面节点、关键点、线和面上，

9、用来限制对象某上，用来限制对象某一方向上的自由度。一方向上的自由度。不同学科中的位移约束不同学科中的位移约束学科学科自由度自由度ANSYS标识符标识符结构分析结构分析平动平动UX、UY、UZ转动转动ROTX、ROTY、ROTZ热分析热分析温度温度TEMP2 载荷的定义载荷的定义自由度约束的操作自由度约束的操作自由度约束的施加自由度约束的施加2 载荷的定义载荷的定义自由度约束的操作自由度约束的操作对称和反对称约束对称和反对称约束对称边界线对称边界线FF建造的建造的1/2模型模型建造的建造的1/2模型模型反对称边界线反对称边界线对称模型对称模型反对称模型反对称模型对称和反对称约束对称和反对称约束

10、对称面约束对称面约束：与对称面法向一致的自由度和面外的转动自由：与对称面法向一致的自由度和面外的转动自由度都将施加零位移约束，其他自由度则完全自由。度都将施加零位移约束，其他自由度则完全自由。即固定对即固定对称面在其面外的平动自由度和转动自由度，允许对称面在其称面在其面外的平动自由度和转动自由度，允许对称面在其面内自由平动和自由转动。面内自由平动和自由转动。 反对称面约束反对称面约束：固定反对称面在其面内的转动自由度和平动固定反对称面在其面内的转动自由度和平动自由度，允许在其面外自由转动和平动。自由度，允许在其面外自由转动和平动。反对称边界UY=UZ=0ROTX=0对称边界UX=0ROTY=R

11、OTZ=0YX2 载荷的定义载荷的定义集中载荷集中载荷 集中载荷：集中载荷：结构分析中，包括结构分析中，包括力和力矩力和力矩，相应的标识符，相应的标识符FX、FY、FZ和和MX、MY、MZ 集中载荷可以施加在集中载荷可以施加在节点或关键点节点或关键点上。上。 载荷的正负载荷的正负表示力表示力沿坐标轴的正向或负向沿坐标轴的正向或负向。注意：对轴对称模型：注意：对轴对称模型： 输入整个输入整个 360上的力的值。上的力的值。 输出值输出值 (反力反力) 也是基于整个也是基于整个 360上的值。上的值。 例如，假定一个半径为例如，假定一个半径为 r 的圆柱形壳体，边缘施加的圆柱形壳体，边缘施加 P

12、N/m 的荷载，把这的荷载，把这个荷载施加在二维轴对称壳模型上个荷载施加在二维轴对称壳模型上(例如例如 SHELL51 单元单元)，要施加要施加 2p prP 的力。的力。rP N/m2prP N2 载荷的定义载荷的定义表面载荷表面载荷1、均布载荷、均布载荷2、梯度载荷、梯度载荷2 载荷的定义载荷的定义表面载荷表面载荷3、函数载荷、函数载荷(自学）自学）4、梁单元上的压力载荷、梁单元上的压力载荷Load key设置压力载荷的类型设置压力载荷的类型1表示从节点表示从节点I到节点到节点J的的法向力法向力，正值表示沿单元坐标系，正值表示沿单元坐标系-Y法向法向；2表示从节点表示从节点I到节点到节点J

13、的的切向力切向力，正值表示沿单元坐标系，正值表示沿单元坐标系+X切向切向；3表示节点表示节点I端部端部轴向力轴向力，正值表示沿单元坐标系，正值表示沿单元坐标系+X轴向轴向；4表示节点表示节点J端部的端部的轴向力轴向力，正值表示沿单元坐标系，正值表示沿单元坐标系-X轴向轴向；2 载荷的定义载荷的定义表面载荷表面载荷500JL3500 I1000JL3500 IL31000 I500J线布压力线布压力载荷沿起始载荷沿起始关键点关键点(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, , 将两个压力数值对调即可将两个压力数值对调即可。V

14、AL I = 500VAL I = 500VAL J = 1000VAL I = 1000VAL J = 500加载面力载荷：加载面力载荷：2 载荷的定义载荷的定义表面载荷表面载荷通过通过 plotting 画出载荷画出载荷: Utility Menu: PlotCtrls Symbols .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或通过或通过 listing列表载荷列表载荷:Utility Menu: List Loads2 载荷的定义载荷的定义体载荷体载荷 体载荷体

15、载荷是施加在模型体积上的载荷。是施加在模型体积上的载荷。 结构分析中的体载荷主要有结构分析中的体载荷主要有温度和惯性载荷温度和惯性载荷。删除载荷删除载荷删除载荷删除载荷Main Menu: Solution -Define Loads -DeleteAll Load Data 选项可同时删除模型中选项可同时删除模型中的任一类载荷。的任一类载荷。Structural 下单列的各选项则只删除模下单列的各选项则只删除模型选定的载荷。型选定的载荷。当实体模型被删除时当实体模型被删除时, , ANSYS ANSYS 将自动删将自动删除其上所有的载荷。除其上所有的载荷。3 3 求解求解 求解器的功能，是解

16、结构自由度的线性联立方程。求解器的功能，是解结构自由度的线性联立方程。 求解速度主要取决于模型的大小和计算机的速度，所用求解速度主要取决于模型的大小和计算机的速度，所用时间可以是几秒也可以是几小时。时间可以是几秒也可以是几小时。 只有一个荷载步的线性静态分析只需一次求解，而非线只有一个荷载步的线性静态分析只需一次求解，而非线性或瞬态分析，可能需要几次，几百次甚至几千次求解性或瞬态分析，可能需要几次，几百次甚至几千次求解。因此，选择求解器的类型是很重要的。因此，选择求解器的类型是很重要的。3.1 选择求解器选择求解器ANSYS提供了三个求解器用于一般求解：提供了三个求解器用于一般求解：波前求解器

17、波前求解器（Frontal solver）PCG求解器求解器（ PCG solver）（预条件预条件共扼梯度共扼梯度, 或者或者 “Power求解器求解器”）。稀疏矩阵求解器稀疏矩阵求解器（Sparse solver） 也可以使用，主要用于非线性问题。也可以使用，主要用于非线性问题。3 3 求解求解 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3 3 求解求解没有获得结果的原因是什么没有获