ANSYS平面板壳的大变形及应力分析T33

平面板壳的大变形及应力分析算例来源：ANSYS非线性基础培训案例算例制作：孟志华算例校核：关键词：板壳单元、几何非线性、大变形、摘要本算例对一个平面圆盘结构的板壳件进行非线性大变形分析。在ANSYSMechanical软件中进行模型导入、网格划分、载荷约束施加，分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力，校核板壳的位移是否满足要求。其中，Mechanical默认对板壳单元使用Shell181单元，适合模拟薄壳到中等厚度壳。由于板壳结构的厚度较薄，线性分析结果的位移达到49mm，结构变形的挠度约为1/40，变形量较大。因此，在本例题中，应打开几何大变形的开关，作为几何非线性问题来对待。本例适合于初学者快速了解非线性问题的基本分析过程，并了解几何非线性的设置操作。算例描述圆盘板壳结构如图，材料为ANSYS内置的钢材料，部分区域承受均布力荷载，板壳边沿有固定约束。由于结构对称、荷载对称，为减少求解消耗，仅使用1/4模型，并施加对称边界条件即可。分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力。3.1.打开ANSYSWorkbench，导入已有文件首先启动ANSYSWorkbench环境。（1） 导入已有的Workbench文件包：在Workbench界面的顶部【File】菜单中，使用“RestoreArchive…”菜单，指定本算例文件“SNLWS01.1-shell-disk.wbpz”及路径，解压并打开文件。在系统提示保存时，选择“保存”。提示：.wbpz，是ANSYSWorkbench的一种压缩文件格式，压缩文件内包含了所有的仿真项目及必要的过程文件。该文件不能直接用“Open”打开，而是用“RestoreArchive…”解压打开。在解压打开时，必须接受“保存”为.wbpj文件和同名文件夹，以便继续完成操作。（2） 检查确认导入的wbpz文件：在Workbench界面中，导入文件后，在GUI视窗中，可以看到已经创建了一个“静力分析”的项目及过程。3.2.检查确认材料的力学属性提示：ANSYSMechanical在Workbench环境中，提供了一些钢、铝等常用材料库，在【EngineeringData】可以设置、修改、或创建材料。而且，ANSYSMechanical默认将所有单元设置为低碳钢材料。（1） 在【ProjectSchematic】视窗栏目中，双击静力分析过程的【EngineeringData】栏目，则进入材料数据的设置和修改、创建页面。（2） 检查“structuralsteel”材料属性：点击默认的“structuralsteel”材料，可以看到下面的材料力学属性表格。结构有限元分析最基本的材料力学属性为杨氏模量、泊松比等，对于材料非线性分析，则需要添加和定制更多的材料本构关系。（3） 直接关闭【EngineeringData】页签，回到Workbench的起始页面（主页面）。3.3.进入Mechanical，赋予材料及网格划分（1） 打开ANSYSMechanical模块：在Workbench起始界面，找到项目流程【ProjectSchematic】窗口下的静力分析过程，双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYSMechanical模块的界面。在本例题中，【Geometry】栏的几何模型，已经创建好，读者无需操作。3.3.进入Mechanical，赋予材料及网格划分（1） 修改单位制：在Mechanical界面的顶部菜单栏，设置单位制【Units】为毫米、公斤、牛的单位制。3.3.进入Mechanical，赋予材料及网格划分（2） 检查确认板壳结构的材料和厚度：在Mechanical的左侧目录树【Outline】下，依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，左键点中“surfacebody”零件，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为该零件赋予材料或设置其他属性。找到细节设置面板下的【Material】-【Assignment】，确认是系统默认材料structuralsteel。找到细节设置面板下【Thickness】栏，确认此处的板壳厚度为1mm。3.3.进入Mechanical，赋予材料及网格划分（3） 定义网格划分方法：在左侧目录树【Outline】下，右键点击【Mesh】，在弹出菜单中选择【Method】，即添加了一个网格划分方法。然后在网格划分方法对应的【Detail】细节设置面板中，在【Geometry】项上指定设置对象为板壳零件，在【Method】项设置为“MultizoneQuad/Tri”划分方法。本例题中，已经添加并设置了该网格划分方法，读者可以不做修改。提示：“MultizoneQuad/Tri”网格划分方法，称之为多区域网格划分方法，是常用的四边形、六面体网格划分方法之一。3.3.进入Mechanical，赋予材材料及网网格划分分（4） 定义义网格划划分尺寸寸：点击击左侧目目录树【Outline】的【Mesh】栏，对应应的细节节设置面面板中，，已经设设置了总总体的网网格划分分尺寸【ElementSize】为5mm。无需修修改。（5） 生成成网格：：在目录录树【Outline】下，找到到-【Mesh】】，鼠标右右键，在在弹出菜菜单中选选择【GenerateMesh】，即可完完成网格格划分。。划分网网格后的的网格数数量、质质量等信信息，可可以在选选中-【Mesh】】下的细节节设置面面板中查查看。3.4.施加载荷荷和边界界条件本案例需需要添加加两类边边界条件件，一类类为均布布压力载载荷，一一类为固固定约束束。（1） 施加加均布压压力载荷荷：例题题中的目目录树中中，已经经添加并并定义了了【Pressure】】均布力载载荷，并并定义了了作用区区域和数数值。如如下图，，无需修修改。（2） 施加加固定约约束：例例题中的的目录树树中，已已经添加加并定义义了【FixedSupport】固定约束束，并定定义了约约束作用用的区域域和数值值。如下下图，无无需修改改。（3） 检查查结构对对称条件件：例题题中的目目录树中中，已经经添加并并定义了了【Symmetry】】对称条件件，作用用于1/4板壳的边边界上，，从而可可以用1/4模型等等效整整体模模型进进行分分析。。如下下图，，无需需修改改。3.5.静力分分析求求解第一次次的求求解，，为常常规的的静力力、线线性问问题，，因此此无需需进行行更多多的求求解控控制。。直接接在左左边目目录树树【Outlines】中找到到需要要求解解的静静力分分析工工况，，即-【StaticStructural】，在【Solution】栏上鼠鼠标右右键，，弹出出菜单单选Solve，进行行求解解。3.6.线性分分析结结果查查看计算完完成后后，（1）添添加并并查看看Vonmises应力结结果：：继续续在左左侧目目录树树【outline】】下的【Solution】，点鼠鼠标右右键，，在弹弹出菜菜单选选择-【insert】】-【【stress】-【Equivalentstress/Von-mises】，即可可在Solution栏下插插入一一个Von-mises应力的的查看看选项项。然然后在在目录录树中中新插插入的的EquivalentStress应力上上点击击鼠标标右键键，使使用““EvaluateAllResults””，即可可看到到应力力云图图的显显示。。在本例例题中中，Von-miese应力最最大值值为800Mpa，最大大值在在板壳壳零件件圆心心位置置3.6.线性分分析结结果查查看（2）添添加并并查看看整体体变形形应力力结果果：继继续在在左侧侧目录录树【outline】】下的【Solution】，点鼠鼠标右右键，，在弹弹出菜菜单选选择-【insert】】-【【deformation】】-【【total】】，即可可在Solution栏下插插入一一个结结构总总变形形量的的查看看选项项。然然后在在目录录树中中新插插入的的“totaldeformation”上点击击鼠标标右键键，使使用““EvaluateAllResults””，即可可看到到结构构总体体位移移云图图的显显示。。对于本本例题题，最最大位位移点点在板板壳的的圆心心部位位，此此外，，可以以看到到结构构的变变形满满足对对称条条件，，符合合用1/4模型模模拟整整体模模型的的预期期。3.7.改为几几何非非线性性求解解由于板板壳结结构的的厚度度较薄薄，线线性分分析结结果的的位移移达到到49mm，结构构变形形的挠挠度约约为1/40，变形形量较较大。。因此此，在在本例例题中中，应应打开开几何何大变变形的的开关关，作作为几几何非非线性性问题题来对对待。。（1）打打开几几何大大变形形开关关：在在Mechanical目录树树中，，在该该静力力分析析工况况【Staticstructural】】栏下，，点击击【AnalysisSetting】栏，相相应的的细节节设置置面板板中，，可以以设置置各种种线性性、非非线性性、动动力学学的求求解参参数和和选型型。此此处，，将【Autotimestepping】保持““programcontrolled””，即非非线性性求解解的时时间步步长由由系统统自动动调整整。并并将““LargeDeflection””改为““on””，即打打开几几何非非线性性开关关，求求解时时作为为几何何非线线性问问题来来求解解。（2）重重新求求解：：在目目录树树的【StaticStructural】】-【【Solution】栏上鼠鼠标右右键，，弹出出菜单单选Solve，进行行重新新求解解。（3）监监控求求解过过程的的收敛敛曲线线：非非线性性求解解过程程中，，迭代代和收收敛是是重要要的问问题。。在目目录树树找到到【Solution】下的【SolutionInformation】，点击，可可以在视窗窗中看到收收敛曲线和和求解进度度。3.8.非线性分析析结果查看看由于是非线线性问题，，求解一般般需要多次次迭代才能能收敛，所所以求解时时间长于线线性问题。。计算完成成后，（1） 查看Vonmises应力结果：：再次查看看Von-miese应力，最大大值为213Mpa，最大值在在板壳零件件圆心位置置。远低于于没有打开开大变形开开关时800Mpa的结果。3.8