第五章加载与求解(总)

第五章加载与求解5.1载荷的分类ANSYS中载荷（Loads）包括边界条件和模型内部或外部的作用力。按照特性可分为：位移载荷（DOF约束）力（集中载荷）表面载荷体载荷惯性载荷耦合场载荷5.2加载与求解菜单选择分析类型并进行选项设置施加各种载荷设置载荷步及其选项执行求解5.3基本求解过程进入求解器选择分析类型设置分析类型选项施加边界条件与载荷设置载荷步选项执行求解退出求解器5.3.1选择分析类型5.3.2设置分析类型选项5.3.3施加边界条件与载荷两种施加载荷方式：1、在实体几何模型上施加载荷；2、在有限元模型（FEA模型--节点和单元)上施加载荷；

在关键点处约束实体模型沿线均布的压力在关键点加集中力FEA模型沿单元边界均布的压力在节点加集中力在节点处约束实体模型或者有限元模型上施加载荷的对比注：两种加载方式各有其优缺点，无论是在有限元模型还是在实体几何模型上施加载荷，在执行求解之前，ANSYS程序都会自动将所有的实体几何模型上的载荷自动转化到等效的有限元模型载荷，即将载荷自动转化到其所属的节点或单元上。实体模型加载到实体的载荷自动转化到其所属的节点或单元上FEA模型沿线均布的压力均布压力转化到以线为边界的各单元上定义载荷设置菜单选项施加各种载荷的菜单选项删除各种载荷的菜单选项载荷操作运算菜单选项加载菜单均布温度参考温度面载荷的分布梯度重复加载方式：替代与累加加载菜单--载荷操作设置加载菜单--位移载荷施加自由度是有限元求解过程中的唯一变量，有限元计算最终得到的自由度的值称为基本解。自由度约束（DOF约束）可施加于节点、关键点、线和面上，用来限制对象某一方向上的自由度。学科自由度ANSYS标识符结构分析平动UX、UY、UZ转动ROTX、ROTY、ROTZSymmetryB.C.——对称位移约束：固定对称面在其面外的平动自由度和转动自由度，允许对称面在其面内自由平动和自由转动；AntisymmB.C.——反对称位移约束：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；注：如果有限元模型本身具有对称或反对称的特性，则用户可以使用对称或反对称约束来简化模型。示意图材料：普通A3钢，弹性模量2×1011Pa，泊松比0.3；单元类型：StructuralShell–Elastic4node63；厚度：1m；约束情况：右侧面完全约束网格单元最大尺寸：2；均布压力载荷大小：P＝2000N/m；4040R=5示例一：简化的有限元模型对称反对称加载菜单--集中载荷（力/力矩）施加相应标识符：FX、FY、FZ/MX、MY、MZ加载菜单--表面载荷施加相应标识符：PRES表面载荷施加一般有两种常见的分布：1、均布载荷；2、线性变化的梯度载荷；示例二：面载荷的分布梯度面载荷的梯度决定面载荷施加方式和大小。任意位置上的面载荷大小是由基准位置的面载荷大小、面载荷的梯度以及梯度方向决定。梯度设置面载荷类型斜率/分布梯度数值梯度方向施加载荷时压力施加的基准位置坐标分布梯度定义的参考坐标系最后输入的数值为参考位置坐标处的压力值温度载荷施加惯性载荷施加加载菜单--体载荷施加5.3.4载荷删除5.3.5载荷运算操作比例缩放有限元模型上的载荷将实体模型上的载荷转换到有限元模型上删除载荷文件5.4时间、载荷步、载荷子步载荷变化方式（阶跃加载/逐步加载）、单载荷步、多载荷步Δttn=7几个概念1、在静态分析和瞬态分析中，无论分析是否依赖于时间，ANSYS都使用时间作为跟踪参数，优点是时间总是单调增加的，并且在所有情况下可以使用一个不变的“计数器”或“跟踪器”。2、Stepped：表示载荷按照阶梯突变方式变化，则全部载荷施加于第一个载荷子步，且在载荷步的其余部分，载荷保持不变；3、Ramped：表示载荷按照线性渐变方式变化，则载荷是逐渐增加的，且全部载荷出现在载荷步结束时；4、依据载荷变化方式可以将整个载荷时间历程划分成多个载荷步，即LoadStep，每个载荷步代表载荷发生一次突变或者一次渐变阶段；5、在载荷步时间段内，载荷增量可以进一步划分成多个子步，即Substep，每个子步内的载荷增量仅仅是当前载荷步内载荷增量的一部分，需经过迭代计算才能得到系统的平衡状态；载荷步是指分布施加的载荷，可以使用不同的载荷步来施加不同的载荷组合。可以将载荷步理解为一系列不同的载荷配置，ANSYS只计算每个载荷配置下的应力、应变等。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（子步或时间步）。在线性静态或稳态分析中，可以使用不同的载荷步来施加不同的载荷组合。在瞬态分析中，可以将多个载荷步施加到载荷历程曲线的不同区段。一个分析过程可以包括：单一载荷步（常常这是足够的）多重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载荷步文件方法向量参数方法载荷步的控制选项（1）通过时间－时间步长控制通过时间－载荷子步数目控制载荷步终止时间时间子步步长载荷施加形式时间子步自动阶跃选项时间－时间步长用于指定在瞬态或静态分析中载荷步结束的时间。在瞬态或其他与速率有关的分析中，TIME命令指定实际的、按年月顺序的时间，这时要求指定一时间值。在与速率无关的分析中，时间作为一跟踪参数。时间－载荷子步数目载荷步终止时间载荷子步数目载荷施加形式载荷子步数目选项载荷步的控制选项（2）默认情况为在上一个载荷步的时间上加1多载荷步求解过程连续多载荷步求解方法；

通过连续多次进行施加载荷、载荷步设置与求解过程来实现，必须完成上一个载荷步求解后才能进行下一个载荷步工作，这也是其缺点。定义载荷步文件批处理求解方法；

利用以序列的载荷步文件进行批处理求解，把每一个载荷步中的边界条件、载荷、载荷步设置等全部信息写入载荷步文件。示例三：连续多载荷步求解方法材料：普通A3钢，弹性模量2×1011Pa，泊松比0.3；单元类型：StructuralShell–Elastic4node63；网格单元最大尺寸：0.2；第1个载荷步：板件左侧固定，右侧承受面内均布拉压力P＝2000N；第2个载荷步：板件左侧固定，右侧承受面内均布压力P＝－2000N；第3个载荷步：板件左侧固定，整个板件面上承受横向均布压力P＝100N；定义连续多载荷步求解方法1.定义第一个载荷步并存盘；2.进行求解；3.不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘；4.进行求解；5.不要退出求解器，继续进行步骤3和步骤4直到所有的载荷步完成；6.进行后处理；定义载荷步文件批处理求解方法进入求解器；选择分析类型并设置分析选项；定义第1个载荷步的载荷并设置载荷步选项，然后写出第1个载荷步文件Jobname.s01;定义第2个载荷步的载荷并设置载荷步选项，然后写出第2个载荷步文件Jobname.s02;同理定义其他所有的载荷步文件Jobname.s03，……；执行批处理求解；退出求解器；5.5求解载荷施加完成后，即可进行有限元的求解。求解过程是ANSYS读取有限元模型及其上的载荷信息，建立联立方程并使用不同的求解器得出求解结果，包括基本解和单元解。通常有限元求解的结果为：（1）节点的自由度解------基本解；（2）原始解的导出解------单元解；求解当前载荷步读取载荷步文件并求解求解器

的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组-这个过程可能需要花费几分钟(1,000个自由度)到几个小时或者几天(100,000-1,000,000自由度)，基本上取决于你所用计算机的速度。对于简单分析，可能需要一、两次求解。对于复杂的瞬态或非线性分析，可能需要进行几十次、几百次、或者甚至几千次求解。ANSYS提供了三个求解器用于一般求解：波前求解器（Frontalsolver）和

PCG求解器（

PCGsolver）（预条件共轭梯度,或者“Power求解器”）。稀疏矩阵求解器（Sparsesolver）也可以使用，主要用于非线性问题。求解器的选择直接解法（FRONT）稀疏矩阵解法（SPARSE）雅可比共轭梯度法（JCG）不完全乔类斯基共轭梯度法（ICCG）条件共轭梯度法（PCG）自动迭代法（ITER）5.6预测求解时间、规模和内存需求预测求解时间预测迭代总次数预测选中选项预测所有选项5.7中断和重启动求解中断一个非线性分析时，会产生一个求解中断文件，命名为Jobname.abt，默认将最后一次收敛的载荷子步写到重启动文件。重启动求解必须从重启动文件读取中断信息，可以进行单点重启动与多点重启动，多点重启动必须在求解前进行设置。补充内容：静力学分析概论静力分析是有限元分析方法中常用的一个应用领域。静力分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响，也不考虑载荷随时间的变化。但是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷如下：外部施加的作用力和压力稳态的惯性力（如重力和离心力）位移载荷温度载荷结构静力学分析的类型静力分析线性静力分析非线性静力分析非线性静力分析允许有大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触（间隙）单元、超弹性单元等。线性静力分析根据结构特征和所受外载荷的形式通常归结为如下几个问题：平面问题、轴对称问题、周期对称问题、三维问题等。瞬态动力学分析概论瞬态动力学分析（也称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷的结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较显著。如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。ANSYS软件允许在瞬态动力分析中包括各种类型的非线性，如大变形、接触、塑性等。进行瞬态动力学分析也可以采用三种方法：Full（完全法）、Reduced（减缩法）和ModeSuperposition（模态叠加法）。