必看Intro3M03结构静力分析讲座

第四章

静力结构分析序言在DS中关于线性静力结构分析的内容包括以下几个方面:几何模型和单元接触及装配类型环境〔包括载荷及其支撑〕求解类型结果和后处理本章当中所讲到的功能同样适用与ANSYSDesignSpaceEntra及其以上的License.本章中的一些选项可能需要高级的licenses。模态、瞬态和非线性静力结构分析在这里不做讨论，在相关的章节中将有相应的阐述。线性静力分析根底在线性静力结构分析当中，位移矢量{x}通过下面的矩阵方程得到:

在分析当中涉及到以下假设条件:[K]必须是不变的假设为线弹性材料小变形理论可以包括局部非线性边界条件{F}为静力载荷不考虑随时间变化的载荷不考虑惯性〔如质量，阻尼等〕影响在线性静力分析中，记住这些假设是很重要的。非线性分析和动力学分析将在随后的章节中给予讨论。A.几何结构在结构分析中，可以使用所有DS支持的几何结构类型.对于壳体，在几何菜单下厚度选项是必须要指定的。梁的截面形状和方向在DM已经指定并且可以自动的传送给DS。对于线体，仅仅可以得到位移结果.

…PointMassPointMass在“Geometry〞分支下，模拟没有明确建模的重量体pointmass是与面相关联的可以用以下方式定义pointmass位置:在任意用户定义坐标系中(x,y,z)选择点/边/面来定义位置在结构静力分析中，pointmass只受“加速度〞、“标准重力加速度〞和“旋转速度〞的作用质量和所选面相连，它们之间没有刚度没有旋转惯性项.

…PointMasspointmass将会以灰色圆球出现这意味着在线性静力结构分析中引入pointmass只是为了考虑结构中受惯性力影响的没有建模的附加重量。PointMass本身没有结果

…材料属性在线性静力结构分析当中，材料属性只需要定义杨氏模量以及泊松比。材料输入在“EngineeringData〞分支下。假设有任何惯性载荷，密度是必须要定义的。热膨胀系数和传热系数在有热载荷的时候需要指定。注意，如果将热分析的结果作为载荷施加在结构分析中，材料的热属性需要输入。在热分析中，材料的热属性也是需要输入的。热载荷中不需要热传导率〔例如：均匀温度〕应力结果存在时，需要指定应力极限进行疲劳分析时需要定义疲劳属性需要FatigueModuleadd-onlicense

…材料属性在EngineeringDataview中显示材料属性:B.装配体–实体接触当输入实体装配体时，两个实体之间自动生成接触对。面对面接触允许在两个实体边界划分的单元不匹配用户可以在“Contact〞菜单下，指定用于探测自动接触的滑块来控制容差

…装配体–实体接触DS中，每个接触对中都要定义目标面和接触面。接触区域的其中一个外表构成“接触〞面，另一个外表构成“目标〞面。接触中利用目标面的渗透量〔在给定容差范围内〕来限制接触面。当一个面为目标面而另一个面为接触面时称为不对称接触。当两面互为接触面或者目标面时那么称为对称接触。在缺省情况下，DS对组合体定义的是对称接触。对于ANSYSProfessionallicenses以及结构模块，用户需要根据上述的将其改变成非对称接触。

…装配体–实体接触五种接触类型可供选择：绑定和不别离接触是最根底的线性行为，仅需要一次迭代无摩擦以及粗糙接触是非线性行为，需要屡次迭代〔但是，需要注意的是它们仍然利用了小变形理论假设。〕无摩擦和摩擦类型允许接触面处理选项:“AddOffset〞:对初始调整输入零值或者非零值“AdjustedtoTouch〞:ANSYS关闭间隙使模型到达“刚刚接触〞的位置(ANSYSProfessionalandabove)

…装配体–实体接触高级选项〔续〕:Pinball区域Pinball内为近距离接触；超出pinballregion范围之外的为远距离开放式接触。使求解器可以进行更加有效的接触运算对于ANSYSProfessionallicenses及以上用户，壳和实体的混合装配同样支持更多的接触选项。在这个例子中，两个体之间的间隙大于PINBALL区域，所以程序不会进行自动间隙的合并…装配体–接触汇总Simulation中可用的接触类型和接触选项:1–ForFace/Edgecontact,facesmustalwaysbedesignatedastargetsandedgesmustalwaysbedesignatedascontacts

…装配体–焊点焊点提供了一种在不连续位置处连接壳组合体的方式。焊点是在CAD软件中进行定义的。目前DS只认在DM和UG当中所定义的焊点。

求解选项选择分析类型后，求解选项被自动添加手动或自动控制时间步长求解器控制:两种可用的求解器:直接求解器(ANSYS中的Sparsesolver).迭代求解器〔ANSYS中的PCGsolver).缺省求解器是程序控制.弱弹簧:Simulation预期一个平衡的模型。如果没有施加“FixedSupport〞约束，程序会自动添加弱弹簧。可以翻开或者关闭.惯性解除:计算平衡所施加载荷的加速度....分析选项–分析数据管理分析数据管理:求解文件路径默认为.dsdb保存的文件夹.Futureanalysis:可以进行设置，暗示进行下一步分析.保存db文件DeleteUnneededFiles:Simulation缺省去除文件.SolverMessages:通过点击屏幕下方的MESSAGES标签来观察求解过程中触发的信息。...求解选项–载荷步控制载荷步控制:多载荷步定义一组静力分析.对于静力分析，结束时间可以定义为识别载荷步和子步的计数器/跟踪器.可以分步观察结果.每个载荷步的载荷值可以在“TabularData〞中输入.时间和载荷直在图形窗口中显示...多载荷步不同载荷步的汇总可以通过选中“AnalysisSettings〞，然后选择“Worksheet〞标签来查看....多载荷步求解后，每个载荷步的结果可以通过选中需要的载荷步，然后点右键>“RetrieveThisResult〞来查看。C.载荷及支撑这里有四种结构载荷的类型可供选择：惯性载荷作用在整个系统中密度用于质量计算，必须定义PointMasses只受这些载荷的作用结构载荷作用在系统局部结构上的力或者力矩结构支撑约束局部区域的运动热载荷从结构意义上讲，热载荷会产生温度场，该温度场在模型上引起热膨胀。

…方向载荷对大多数有方向的载荷和支撑，其方向可以在任意坐标系中定义在Detailsview中，改变“DefineBy〞到“Components〞，然后从下拉菜单中选择适宜的坐标系。

…加速度与重力加速度系统中可以定义加速度加速度以长度比上时间的平方为单位作用在整个模型上。用户通常对方向的符号感到迷惑。假设加速度突然施加到系统上，惯性将阻止加速度所产生的变化，从而惯性力的方向与所施加的加速度的方向相反。加速度可以通过定义部件或者矢量进行施加。标准的地球重力可以作为一个载荷施加。其值为9.80665m/s2〔在国际单位制中〕标准的地球重力载荷方向可以沿总体坐标轴的任何一个轴。由于“标准的地球重力〞是一个加速度载荷，因此，如上所述，需要定义与其实际相反的方向得到重力的作用力。旋转速度是另一个可以实现的惯性载荷整个模型围绕一根轴在给定的速度下旋转可以通过定义一个矢量来实现，应用几何结构定义的轴以及定义的旋转速度可以通过部件来定义，在总体坐标系下指定初始和其组成局部由于模型绕着某根轴转动，因此要特别注意这个轴。缺省旋转速度需要输入每秒所转过的弧度值。这个可以在路径“Tools>ControlPanel>Miscellaneous>AngularVelocity〞里改变成每分钟旋转的圈数(RPM)来代替。

…力和压力压力载荷：压力只能施加在外表并且通常与外表的法向一致正值代表进入外表〔例如压缩〕负值代表从外表出来〔例如抽气等〕压力的单位为每个单位面积上力的大小力载荷：力可以施加在结构的最外面，边缘或者外表。力将分布到整个结构当中去。这就意味着假设一个力施加到两个同样的外表上，每个外表将承受这个力的一半。力单位为质量乘以长度比上时间的平方。力可以通过定义矢量，大小以及分量来施加。

…静水压力静水压力:在面上施加线性变化的载荷(实体或壳)来模拟施加在结构上的流体压力.流体可以是内部的或者外部的.用户需要指定:幅值和加速度方向.流体密度.流体自由面所参考的坐标系.对于壳体，提供顶面/底面选项.InternalExternal

…轴承载荷轴承载荷:螺栓载荷仅适用于圆柱形外表。其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷。径向压力载荷的分布如以下图所示。轴向载荷分量沿着圆周均匀分布。一个圆柱外表只能施加一个螺栓载荷。假设一个圆柱外表切分为两个局部，那么在施加螺栓载荷的时候一定要保证这两个柱面都要选中。载荷的单位同力的单位螺栓载荷可以通过矢量和幅值或者分量来定义。

…力矩载荷力矩载荷:对于实体，力矩可以施加在任意外表假设选择了多个外表，那么力矩将分配在这些外表上。力矩可以用矢量及其大小或者分量来定义。当用矢量表示时，遵守右手法那么。在实体外表，力矩也可以施加在顶点或边缘，这与基于外表的通过矢量或分量定义的力矩类似。力矩的单位为力乘上长度。

…平移载荷远端载荷:允许用户在面或者边上施加偏置的力用户设定力的初始位置〔利用顶点，圆或者x,y,z的坐标〕力可以通过向量和幅值或者分量来定义在面上将得到一个等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩单位为力的单位

螺栓预紧载荷：在圆柱形截面上施加预紧载荷以模拟螺栓连接施加预紧载荷〔力〕或者位移〔长度〕为初始条件加载时需要定义局部坐标系(预紧载荷在z方向)自动完成两个载荷步求解:LS1:施加预紧载荷、边界条件和接触LS2:预紧截面的运动被固定，施加外部载荷.顺序加载会出现其他选项〔见下页〕

…螺栓载荷...螺栓载荷–顺序加载详细列表框的“DefineBy〞栏提供了顺序加载的选项:LoadorAdjustment:如前页所述.Lock:固定所有位移(施加载荷).Open:保持预紧载荷为“open〞(无预紧).1432螺栓连接时注意:只能在3D模拟中采用能够运用到圆柱形外表或者实体，对于实体需要一个以z轴为主方向的局部坐标系在螺栓连接处推荐单元细化〔螺栓长度方向至少两个单元〕...线压力线压力加载:三维仿真中，在边界上施加均布力，力的大小为力密度.单位为力/长度.可以通过以下途径定义幅值和向量幅值和分量方向(总体或者局部坐标系)幅值和切向…约束〔常规〕固定约束:在顶点、边缘或面上约束所有的自由度对于实体，限制x、y和z的平移对于壳和梁，限制x、y和z的平移和转动给定位移:在顶点，边缘或面上给定的位移允许在x、y和z方向给予强制位移输入“0〞代表此方向上被约束不设定某个方向的值那么意味着实体在这个方向上自由运动弹性支撑:允许在面/边界上模拟弹簧行为根底的刚度为使根底产生单位法向偏移所需要的压力…约束〔实体〕无摩擦约束:在面上施加法向约束对于实体，这个约束可用于模拟对称边界条件，因为对称面等同于法向约束圆柱面约束:施加在圆柱外表用户可以指定为轴向、径向或者切向约束仅仅适用于小变形〔线性〕分析…约束〔实体〕仅有压缩的约束:在任何给定的外表可以施加法向仅有压缩的约束。可以用于模拟柱面受销钉或者螺栓的作用。需要一个迭代〔非线性〕求解器来求解。FixedCompressionOnlyForce…约束〔梁/壳体〕简单约束:可以施加在梁或壳体的边缘或者顶点上限制平移，但是所有旋转都是自由的固定旋转:可以施加在壳或梁的外表、边缘或者顶点上约束旋转，但是平移不限制

…热载荷模型当中，温度会引起热膨胀热应变计算如下式:

a是热膨胀系数〔CTE〕Tref是热应变为零时的参考温度，T是施加的温度，eth是热应变。热应变自身不会引起应力，而当约束、温度梯度或者热膨胀系数不相匹配是才会产生应力。参考温度在“Environment〞下拉菜单下定义…ThermalLoading热条件:在结构分析中，施加均匀〔缺省〕或者非均匀的温度非均匀的热分布可以通过热分析得到.…求解模型求解模型只需单击标准工具栏上的求解按钮如果电脑具备两个处理器，可以运用两个处理器进行求解(缺省).使用处理器个数可以通过“Tools>SolveProcessSettings〞修改.作业4.1–线性结构分析目标:分析一个由5个局部构成的推进式泵，其皮带上承受100N的预载.D.作业4.1E.结果和后处理在后处理中可以得到多种不同的结果:各个方向变形及总变形应力应变分量、主应力应变或者应力应变不变量。接触输出需要ANSYSProfessional及其以上版本支反力在DS中，结果通常是在计算前指定的，但是它们也可以在计算完成后指定。假设计算一个模态，那么可以在计算完成后查询所要结果，点击按钮“Solve〞，结果就会重新得到。假设某种结果已经添加那么不需要新的求解(比方总体变形提前设定，现在增加了方向上的变形)。

…图形显示结果经常在变形的几何体上显示云图和矢量图，利用ContextToolbar改变结果的显示比例。

…变形模型的变形可以被显示:总体变形是一个标量:x,y,和z方向的变形可以在菜