角支架平面静力分析

03-角支架平面静力分析算例来源：算例制作：孟志华算例校核：孟志华关 键

词：支架、平面应力、静力分析、应力集中、应力梯度132摘要本算例对支架类结构零件进行应力分析，学习掌握ANSYS对平面问题的分析过程，以及常用的均布载荷施加。此问题中，使用了

ANSYS的Solid182单元，即平面4节点单元，可用于平面应力、平面应变、轴对称等问题。此外，本例题对后处理中应力结果的查看和设置进行了探讨，结合有限元原理解释了对应力结果不同的处理方法而导致的结果误差和应力梯度的判断。案例描述这是关于角支架零件的结构静力分析。结构模型已经准备好，尺寸如图所示，支架板厚度为10mm（厚度远小于零件长宽尺寸，因此可作为平面应力问题

处理），左上角的销孔完全固定，右

下角的销孔上作用均布力荷载，结构

使用标准的钢材料。要求计算其应力

和变形分布。3.1.打开ANSYS

Workbench，打开已有文件。1.首先启动ANSYS

Workbench环境。在【File】菜单打开分析文件，即“bracket.wbpj”。提示：为了便于用户使用和管理求解文件，wbpj文件其实为一个包含几何建模、网格划分、荷载施加等整个分析流程的索引文件，类似于一个总目录，而分析流程相关的模型等文件，则被保存在“.wbpj”的同名文件夹中。2.打开该文件后，Workbench环境的起始界面，包含了一个导入已有模型并进行静力分析的流程，如下图。提示：图中的项目流程图【ProjectSchematic】，A项目为导入ANSYS的123.CDB模型文件，B项目为基于123.cdb模型进行静力学结构分析的过程，A-B之间连线，代表A的几何模型或数据，会传递到B项目中继续使用。3.1.打开ANSYS

Workbench，打开已有文件（续）3.完成外部*.cdb模型的导入：在项目的分析流程图中，找到A项目下的【Setup】，看到图标显示为黄色闪电符号，代表需要更新操作才可以继续。因此，在【Setup】上鼠标右键，在弹出菜单中选择“update”，系统将开始刷新该步骤，即完成外部模型的导入。提示：在ANSYS

Workbench环境下，做一个有限元分析所需的一系列流程和步骤，通过的项目流程视图来管理和检查。提示图标会有对勾、问号、闪电、打叉等符号，分别代表已经完成、存在问题、需要刷新、出错等各种情况。该例题中，通过“update”操作，将使得A项目的导入外部模型操作，从闪电符号变为对勾符号，即顺利完成了该步骤。3.1.打开ANSYS

Workbench，打开已有文件（续）（4）

设置该分析过程使用的模型为平面模型：在项目的分析流程图中，找到B项目下的【Model】，鼠标右键点击弹出菜单，选择“property”，做模型导入相关的更多高级控制。在控制选项中找到Analysis

Type，设置为2D，即该例题为平面行为（包括平面应力、平面应变、轴对称等问题）。3.2启动静力分析流程，进入Mechanical，进行材料设置和网格划分（1） 找到项目流程【Project

Schematic】窗口下的静力分析过程，双击其中的【Model】栏目，遇到提示点击OK，即打开ANSYS

Mechanical模块界面。在Mechanical的界面下，将完成除几何建模和清理之外的网格划分、赋予材料、施加荷载和约束、求解控制、后处理等工作。3.2启动静力分析流程，进入Mechanical，进行材料设置和网格划分（续）（2） 在左侧目录树【Outline】下，依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为整体模型进行更多属性设置。找到细节设置面板下的【2D

Behavior】，设为平面应力问题

“plane

stress”，并给定随后的单元厚度为

10mm（注意单位制）。提示：在该处整体模型控制面板中可以做更多的高级设置，例如，可以手动设置模型使用某种单元积分技术（如完全积分、减缩积分），即在ElementControl选项设置。3.2启动静力分析流程，进入Mechanical，进行材料设置和网格划分（续）（3） 在左侧目录树【Outline】下，依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，左键点中“surfacebody”几何模型，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为单个零件赋予材料或更多设置。找到细节设置面板下的【Material】-【Assignment】，设为系统缺省提供的材料structural

steel。提示：ANSYS

Mechanical在Workbench环境中，提供了一些钢、铝等常用材料库，在【Engineering

Data】可以设置、修改、或创建材料。3.2启动静力分析流程，进入Mechanical，进行材料设置和网格划分（续）检查网格：由于该模型是从一个“123.cdb”文件导入，cdb文件是ANSYSMAPDL的几何及有限元模型文件。导入该文件时，就已经导入了有限元网格，而且不能在Workbench中随意修改。所以，该例题此处仅需点击左侧目录树的【Mesh】，对已有网格进行检查即可，无需重新划分。3.3

施加载荷和边界条件本案例需要添加两类边界条件，一类为均布力载荷，一类为固定约束。（1） 施加上部销孔的均布力载荷：在Mechanical左侧目录树中，右键点击【StaticStructural】项，在弹出菜单中，给出了各种荷载和约束类型，选择“均布力荷载【Pressure】”。此时，就在目录树中插入了一个均布力荷载的操作。继续选中几何模型的上部销孔的环边，并在均布力荷载的细节设置面板中点击“Apply”确认。然后，将【Define

by】选项改为“Componet”（即荷载方向的定义方式，改为按xyz三个方向分量定义），并将随后的Ycomponent方向矢量设为“-1”Mpa（注意-1代表坐标系Y轴的反方向，注意单位制）。提示：在Workbench环境中，均布力荷载可以定义在面、线、节点组集、单元组集等元素上面。并且，荷载的方向可以依据XYZ三方向分量定义，也可选择一个参考的边或者面来定义方向。3.3

施加载荷和边界条件（续）（2）施加下部销孔的固定约束：在左侧目录树中右键点击【Static

Structural】项，在弹出菜单中，选择“固定约束【FixedSupport】”。然后选中下部销孔的环边，并在左下角的细节设置面板【Detail】中，点击【Apply】确认。提示：“固定约束”，代表选中的环边所有节点上的所有自由度均为0。若施加不同的约束、或者非零约束，可以尝试其他约束的类型。3.4静力分析求解本例题为常规的静力、线性问题，因此无需进行更多的求解控制。直接在左边目录树【Outlines】中找到需要求解的静力分析工况，即-【StaticStructural】，在【Solution】栏上鼠标右键，弹出菜单选Solve，进行求解。3.5分析结果查看本例题求解约1分钟完成。（1）计算完成后，继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，鼠标右键弹出菜单，选择-【insert】-【stress】-【Equivalent

stress/Von-mises】，即可在Solution栏下插入一个Von-mises应力的查看选项。然后鼠标点击目录树种新插入的EquivalentStress应力，即可看到应力云图的显示。在本例题中，Von-miese应力最大值为44Mpa。3.5

分析结果查看（续）（2）

对应力结果的深入理解和误差估计：点击左侧目录树中的Equivalent

Stress，其对

应的细节设置面板在左下角呈现，可以做更多的后处理设置。例如，可以查看局部的应力、查看某个时刻的应力等。本例题中，请读者使用不同的【Integration

Point

Results】-【DisplayOption】选项，包括Unaveraged、averaged等。可以看到，应力的结果显示会有所不同。查看不同设置的应力结果时，建议在目录树的【Solution】插入一个新的

Equivalent

Stress结果，并用右键Evaluate

All

Results生成结果。特别解释：ANSYS提供了应力结果的多种处理方式，结果会略有差别。读者可以从有限元的基本原理思考。有限元分析的基本未知量是位移，应力是根据位移值在积分点进行处理而得到的结果。因此，同样的网格密度，应力结果的精度较位移结果略低，且一般应力结果在单元之间不连续，需要进一步磨平处理。所以，根据不同的应力后处理方式，ANSYS提供了多种选项，供读者选用比对，如下图的红框设置。选项包括：Averaged，单元共节点的应力平均处理后的结果，一般在网格较密、应力集中不明显、应力梯度不大时，该结果是接近准确的。Unaverged，不进行平均处理的节点应力结果，在相邻单元之间应力不连续，但这是应力计算的初始结果，有时会更准确。当Averaged和Unaveraged结果相差较大时，一般代表此处有应力集中，可能需要加密网格或进行其他处理。Nodal

Difference，节点应力差，对于单元之间的共享

节点，最大应力和最小应力的差值。该值较大的地方，代表应力梯度较大，可能需要加密局部网格。NodalFraction，单元之间共享节点的节点应力差与节点平均应力的比值，也用于表现应力梯度较大的应力集中区域。Elemental

Difference，单元内部应力的差值。即单元内部的应力最大值减最小值。该值大的位置，表示单元的应力梯度较大，可能需要更密的网格。ElmentalFraction，单元内部应力差与单元内部平均应力的比值。Element