有限元分析软件及应用

1、1B. 加载可在实体模型或 FEA 模型 (节点和单元) 上加载.沿线均布的压力沿单元边界均布的压力在关键点处在节点处约约束束实体模型FEA 模型在关键点加集中力在节点加集中力SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA3/ 76A. 载荷分类ANSYS中的载荷可分为:度DOF - 定义节点的度（ DOF ）值 (结构分析_位移)集中载荷 - 点载荷 (结构分析_力)面载荷 - 作用在表面的分布载荷 (结构分析_压力)体积载荷 - 作用在体积或场域内 (热分析_ 体积膨胀、内生成热、电磁分析_ magnetic current density等)惯性

2、载荷 - 结构质量或惯性引起的载荷 (重力、角速度等)SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA2/ 763.5.1 ANSYS荷载概述在这一节中将: A. 载荷分类B. 加载C. 节点坐标系 D. 校验载荷 E. 删除载荷SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA1/ 76有限元及应用 (8)孙 瑛哈尔滨工业大学空间结构2010秋2加载 (续)实体模型加载:Maenu: Solution -Loads- Apply 说明: 可通过在preferen中选择适当的分析类型过滤菜单中的选项。SSRCSpa tructure

3、 Research Center, HIT, CHINA7/ 76加载 (续)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.因此, 加载到实体的载荷将自动转化到 其所属的节点或单元上。沿线均布的压力均布压力转化到以线为边界的各单元上加载到实体的载荷自动转化到其所属实体模型的节点或单元上FEA 模型使用约束扩展选项时SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA6/ 76加载 (续)在FEA模型加载的优点:+ 可方便在节点上施加荷载或约束.Guidelines在FEA模型加载的缺点:任何网格修改都会使已加荷载无效。SSRCSpa tructure Re

4、search Center, HIT, CHINA5/ 76加载 (续)直接在实体模型加载的优点:+ 几何模型加载独立于有限元网格. 重新划分网格或局部网格修改不影响载荷.Guidelines + 加载的操作更加容易 ,尤其是在图形中直接拾取时.直接在实体模型加载的缺点:ANSYS网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中. 因此，实体模型和FEA模型有可能具有不同的坐标系和加载方向。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA4/ 763加载 (续)加载集中载荷施加一个力需要有以下信息:节点号 (可以通过拾取确定)力的大小 (应与正在使用的系

5、统保持一致)力的方向 FX, FY, 或 FZ使用:Solution - Loads - Apply Force/Moment或命令 FK 或 FSSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA11 / 76加载 (续)通过不选底部角点附近的节点和单元，就可以在上孔附近得到预期的应力 SMAX (8,098)。SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA10 / 76加载 (续)在左下角展示的二维实体单元中，注意到在加力位置出现最大应力 SMAX (23,854)。当在力附近的节点和单元不被选中时，SMAX (12,755)

6、就会移到底部角点处，这是由于在该角点处约束引起的另一处应力奇异。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA9/ 76加载 (续)加载集中载荷一个力就是可以在一个节点或关键点处施加的集中载荷(也可以叫 “点载荷”)和力一样，点载荷适合于线状模型，如梁，桁架，弹簧等。在实体单元或壳单元中, 点载荷往往引起应力奇异，但当忽略了附近的应力时，它仍然是可接受的。记住，可以通过选择来忽略附近施加了点载荷的单元。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA8/ 764加载 (续)加载约束载荷（续）和面上加载位移约束:M

7、aenu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Lines+ OR On Areas+SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA15 / 76加载 (续)加载约束载荷在关键点加载位移约束:Maenu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Keypo s +Expanoption 可使相同的载荷加在位拾取于两关键点连线的所有节点上keypo sSSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA1

8、4 / 76例要固定一边，只要拾取关键点6、7,并设置 all DOFs = 0和 KEXPND =yes.K7K6加载 (续)加载面力载荷（续）500500VALI = 500坡度压力载荷沿起始关1000键点(I) 线性变化到第二500个关键点 (J)。VALI = 500VALJ = 1000如果加载后坡度的方向相反, 将两个压力数值颠1000倒即可。500VALI = 1000VALJ = 500SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA13 / 76L3L3L3加载 (续)加载面力载荷Maenu: Solution -Loads- Appl

9、y Prere On Lines拾取输入一个Line压力值即为均布载荷,两个数值定义坡度压力说明：压力数值为正表示其方向指向表面SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA12 / 765.节点坐标系必要时，可以转换节点坐标的方向。例如:模拟一个斜的滚动支座。施加径向力.施加径向约束 (比如模拟一个承受压力的刚性销)。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA19 / 76.节点坐标系节点坐标系和模型中的每个节点有关。缺省时, 节点坐标系与总体坐标系一致，例如，所有施加的力和位移约束缺省时都是在笛卡尔坐标

10、中。YnXnYnXnYnXnYYnXXnSSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA18 / 76C. 节点坐标系所有的力，位移，和其它与方向有关的节点量都可以在节点坐标中说明。输入量: 力和力矩 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ 位移约束 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 耦合和约束方程 其它输出量: 计算出的位移 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 反力 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ 其它SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA17 / 76

11、加载 (续)加载惯性力惯性荷载当模型具有质量有效时，通过指定密度施加。也可以通过使用质量单元（如MASS21) ，但通过密度施加的方法更常用且更有效。Maenu: Solution -Loads- Apply -Structural- Inertia Gravity Global命今：MP, DENS, 1, 7850ACEL, 9.8SSpa tructure Research Center, HIT, CHINA16 / 766将载荷转化到有限元模型上说明: 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型中的节点和单元上。下面将载荷转化到节点和单元上，不进行求解:Maenu: S

12、olution -Loads-Operate这些选项出现的信息大致相同SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA23 / 76D. 校验载荷通过 plotting画出载荷:Utility: PlotCtrls Symbols .实体模型载荷显示在几何模型上 (体、面、线或关键点)有限元模型载荷在画节点或单元时显示或通过 listing列表载荷:Utility: List Loadspearch Center, HIT, CHINA22 / 76.节点坐标系演示:恢复 rib.db文件。把工作平面移至底圆圆心处 (使用关键点的中间位置)。在工作平面上

13、激活柱坐标系（或建立一个局部坐标系）。选择半径在 r = 0.35 上的点并画出它们(演示选择集的生成）。在当前激活的坐标系中旋转所有被选择节点的坐标系。在所有选择的节点上施加一个 UX 位移约束 (或者施加一个 FX 的力)。注意极径方向。激活坐标系(CSYS,0).在当前激活的坐标系中旋转所有选择节点的坐标系。重新画出节点，注意新载荷的方向。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA21 / 76.节点坐标系旋转节点坐标分为四步:选择需要旋转的节点。激活您要旋转的节点所在的坐标系(或者生成一个局部坐标系)例如：CSYS,1。选择 Prepros

14、or Move/Modify - Roe Node CS- To Active CS, 然后在拾取器中按 Pick All 或者使用NRO,ALL命令。激活所有节点。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA20 / 767.删除载荷演示:继续rib.db文件。上施加压力。在关键点上施加位移约束。校验荷载。将荷载转化到有限元模型上，注意节点约束的扩展。删除线上荷载，注意单元荷载的变化。删除关键点的约束，注意扩展节点上的约束变化.删除扩展节点上的约束。查看计算初始化时力的转换。SSRCSpa tructure Research Center, HIT

15、, CHINA27 / 76删除载荷（续）两关键点的扩展位移约束载荷例外：删除两点的约束只删除了两角点（ CORNER ）约束而加载时扩展的（ inside ） 节点约实体 模型FEA 模型l束必须手工删除.SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA26 / 76删除载荷（续）当删除实体模型时, ANSYS 将自动删除其上所有的载荷删除线上的自动删除以线为边界均布压力的各单元均布压力记住这 一关系?实体模型FEA 模型lSSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA25 / 76E. 删除载荷Maenu: Solution

16、 -Loads- DeleteAll Load Data 选项可同时删除模型中的任一类载荷。而.individual entities by picking 选项只删除模型选定的载荷。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA24 / 768.求解器ANSYS 中可用的求解器可以分为三类:直接消去求解器 波前求解器 稀疏求解器 (缺省)迭代求解器 PCG (预制条件共轭梯度求解器) ICCG (不完全分解共轭梯度求解器) JCG (雅可比共轭梯度求解器)并行求解器 (需要特殊的文件) AMG (Algebraic Multigrid) DDS (分

17、布区域求解器)SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA31 / 76B. 求解器求解器的功能是求解代表结构 度个数的线性联立方程。求解的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。只有一个载荷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十个，几百个甚至几千次求解。因此，选择求解器的类型是很重要的。SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA30 / 76A. 进行求解求解过程:求解前保存数据库将Output 窗口提到最前面求解信息ProcedureMaenu: Soluti

18、on -Solve-Current LS.SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA29 / 761. .2. .3. .3.5.2 ANSYS的求解在这一节中将: A. 进行求解B. 求解器C. 多载荷步求解SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA28 / 769.求解器迭代 求解器通过以下步骤求解:.emat文件计算单元刚度矩阵。组集总体刚度矩阵。（不是将矩阵三角化）开始时把所有度的值设为零，然后一直迭代到收敛(基于输入的残.full文件余力的容许值)。用单元刚度矩阵计算单元解。在 ANSYS 中

19、迭代求解器 PCG,JCG, ICCG 的主要区别是所使用结果的预条件控制不同。文件SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA35 / 76迭代求解组集总体矩阵计算单元矩阵.求解器稀疏矩阵直接求解器:建立在与迭代法相对应的直接消基础上。需要分解后的矩阵，对于内存的要求较高。不良矩阵不会求解。SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA34 / 76.求解器波前是对角化过程中保留在求解器中的度数。它随着求解的进行增大或缩小，当最后 度消去完成后，波前数变为零。波前直接影响到计算的速度：值越大，速度越 慢；其值越小，CPU所

20、用的时间越少。最大波前值直接影响内存的需要。尽量获得最小的波前值：重新进行单元 为求解器选择一个合适的单元 顺序 可以减小波前数。 ANSYS 在一开始就自动对单元重新编号。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA33 / 76.求解器直接消去求解器: 不组集整个矩阵，而是在求解处理每个单元.emat时，同时进行整体矩阵的组集和file求解。步骤:计算单元刚度矩阵。第一个单元的度。.tri删除所有已知度或通过其它自file由度可以表示的度 然后把方波前：是在三角化过程中因不能从求解器消去而保留的results包含file5. 回代求解度,然后使用

21、单元矩阵计算单元解。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA32 / 76度数。代求解组集并三角化总体矩阵计算单元矩阵10SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA39 / 76.求解器求解控制框:Solution -ysis Type- Soln Control瞬态分析非线性选项基本选项求解选项高级非线性选项SSRC38 / 76.求解器并行求解器 (需特殊)AMG (代数多极运算)迭代求解器可以在单处理器或多处理器环境下使用。DDS (DistributedSolver)把大模型分解为小的域，然后

22、把这些小的域送到多处理器中处理。SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA37 / 76.求解器求解器何时使用模型大小 内存使用 硬盘(DOFs)使用低高Frontal 当要求适应性好时(非线性分析)或当内存有限时 50k -Load Step Opts- 施加载荷WriS File 写到LS文件(.s01)或使用LSWRITE 命令 施加不同的载荷载荷步文件命名为 写到LS文件(.s02)jobname.s01, .s02, .s03, 等等 施加不同的载荷在所有载荷步写出后，可以只用 写到LS文件(.s03)一个命令 LSSOLVE 或 等等

23、Solution -Solve- From LS 从LS文件求解 Files 顺序读入每个文件并求解 查看结果SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA51 / 76多重载荷求解步骤多次求解方法 输入或创建模型划分网格单载荷步求解的扩展, 不离开施加载荷求解器的情况下顺序求解每一个载荷步 求解 (载荷步 1)施加不同的载荷最适于批处理模式 求解 (载荷步 2)当用于交互模式时，这个方法 施加不同的载荷只适于能快速求解的模型 求解 (载荷步 3)缺点：在交互时必须等到每一 等等.步求解结束后才能定义下一步 查看结果载荷步。SSRCSpa tructu

24、re RCenter, HIT, CHINA50 / 76多载荷步求解单载荷步 可定义为载荷条件之一当使用多载荷步时，可以:“” 结构的响应到每一种载荷条件在后处理中以任何方式合并这些响应，可以研究不同的设想(这称为载荷工况组合只对线性分析有效。)两种定义及求解多载荷步的方式:多次求解载荷步文件方法SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA49 / 76多载荷步求解如果您是在多组载荷条件下求解，可以选择下面两种方法中的一种:把所有载荷放在一起求解或者分别施加载荷作为多组载荷求解。SSRCSpa tructure Research Center, H

25、IT, CHINA48 / 76143.5.3 ANSYS的后处理在这一节中将: A. 结果的绘图和列表 B. 结果的路径输出C. Element Table 的提取 D. Load Case及其组合SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA55 / 76多重载荷求解步骤演示:恢复 rib.db 文件将左边线UX约束并约束底边线的UY给上边线施加压力 = 100写载荷步文件1, 然后列表并显示有限元载荷命令对右边线施加渐变的从 50 到 100 的压力删除上边压力载荷写载荷步文件 2LSSOLVE,1,2分别查看每一载荷步的结果SSRCSpa tr

26、ucture RCenter, HIT, CHINA54 / 76多重载荷求解步骤这两种方法:施加 一个载荷步的载荷将保留在数据库中直到删除为止。所以要确保删除不是当前载荷步的载荷。每一载荷步的结果附加到结果文件中去，并标识为载荷步1，载荷步2等等在后处理中，首先读入希望的结果集，然后查看数据库中包含求解的最后一个载荷子步的载荷及结果SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA53 / 76多重载荷求解步骤载荷步文件方法的优点在于可以交互建立所有载荷步在离开计算机时求解它，甚至对大模型也可如此。注意: 在载荷步文件中的加载荷命令总是按照节点和单元的，

27、尽管可以在实体模型上施加载荷。注意和Load Case之间的区别Load Step荷载之间存在一定的先后顺序关系Load Case荷载之间没有内在关系SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA52 / 76152. 变形动画以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程:Utility: PlotCtrtSSSpa tructure Research Center, HIT, CHINA1. 绘变形图绘出结构在静力作用变形果Maenu: GeneSh.SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA58 / 76A. 结果的绘图和

28、列表静力分析结果后处理主要包括:绘变形图变形动画支反力列表 (文字输出)应力等值线图SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA57 / 76ANSYS的后处理ANSYS 有两个后处理器:通用后处理器 (即 “ T1”) 只能 整个模型在某一时刻的结果时间历程后处理器 (即 “ T26”) 可 模型在不同时间的结果。 但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。在这一课只通用后处理器SSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA56 / 7616B. 结果的路径输出路径输出是显示某个变量（例如位移、应力等

29、）沿模型指定路径的变化图。注意：只能在包含实体单元的模型中定义路径定义路径属性 (Maenu: Generaltproc Path Operations Define Path)定义路径点 (Maenu: Generaltproc Path Operations Define Path Modify Paths)将所需的量到路径上 (Maenu: General tproc Map Onto Path)显示结果 (Maenu: Generaltproc Path Operations Plot Path Items)SSRCSpa tructure Research Center, HIT,

30、CHINA63 / 764. 应力等值线动画结果动画 :Utility: PlotCtrls Animate Deformed Results4. 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，可以快速确定模型中的 “区域”。显示应力等值线 :Ma Results -Contour Plot- NSSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA61 / 763. 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。节点反力列表:Maenu: Generaltprosor List Results Reaction Solution.SS

31、RCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA17. Load Case及其组合建立载荷工况一个载荷工况可简单地充当一个结果系列的指示器. 它需要如下两条信息:唯一的 ID 号它代表的结果序列 (载荷步和载荷子步号)使用 LCDEF 命令或 General tproc Load Case CreateLoad CaseSSRCSpa tructure Research Center, HIT, CHINA67 / 76. Load Case及其组合典型步骤:建立载荷工况将某一 载荷工况读入数据库执行期望的操作SSRCSpa tructure RCenter, HIT, CHINA66 / 76D. Load Case及其组合多个计算结果可以使用Load Case的方法分