ANSYS平面板壳的大变形及应力

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.府3.进入Me汉ch胃an南ic赛al，赋坏予材且料及板网格为划分（3）铺定义乞网格务划分删方法筋：在传左侧贝目录酷树【O见ut和li性ne挺】下，烂右键凶点击【M丧es垫h】，在防弹出抄菜单丑中选揭择【M鬼et齿ho赛d】，即邮添加屯了一遵个网烫格划需分方终法。低然后维在网谨格划店分方惑法对缺应的【D丹et扒ai吃l】细节吵设置距面板抱中，毙在【G愈eo滩me授tr排y】项上陶指定槐设置豆对象喊为板昼壳零寻件，抵在【M电et坝ho从d】项设呈置为背“Mu筹lt请iz克on惭e币Qu按ad膜/T量ri总”划分点方法北。本健例题喜中，贴已经乒添加爹并设组置了谋该网表格划蚊分方叨法，衬读者鞠可以社不做疾修改变。提示唐：“Mu粪lt挡iz枝on神e才Qu跨ad稻/T傍ri泪”网格俯划分投方法第，称孩之为私多区闻域网魄格划券分方秤法，秃是常棋用的守四边巡寿形、穴六面滥体网更格划束分方谋法之脾一。3.详3.进入Me慨ch冒an杠ic捉al，赋狗予材都料及增网格缝划分（4）计定义寇网格荷划分卸尺寸挠：点深击左贝侧目懂录树【O帆ut督li译ne妄】的【M忠es面h】栏，范对应破的细涉节设党置面画板中浇，已眼经设群置了错总体判的网驱格划坏分尺它寸【E吨le膊me兽nt差S污iz牙e】为5m狡m。无消需修境改。（5）判生成外网格麦：在始目录废树【O伟ut洞li虏ne若】下，弟找到-【绕Me喝sh寒】，鼠袖标右锣键，毅在弹映出菜犁单中秩选择【G疮en够er疤at用e联Me稀sh世】，即白可完鹅成网粮格划亦分。旬划分宴网格交后的蜓网格体数量岁、质梯量等仗信息挺，可荷以在搏选中-【山Me健sh险】下的供细节夺设置批面板照中查际看。3.骆4.施加夜载荷疏和边灯界条善件本案扒例需浅要添您加两规类边医界条姓件，郑一类渣为均颤布压拢力载情荷，匀一类岩为固薪定约毛束。（1）葱施加胞均布刚压力钉载荷针：例酷题中支的目却录树吓中，殃已经坡添加片并定友义了【P事re湖ss估ur菜e】均布本力载刑荷，相并定咱义了捆作用评区域虑和数错值。盆如下繁图，炮无需泡修改抽。（2）应施加湖固定谦约束脸：例灿题中塞的目辰录树晌中，奇已经讯添加恒并定垮义了【F扑ix累ed额S线up弊po犬rt先】固定孤约束缓，并充定义贝了约聪束作对用的摔区域组和数仁值。涛如下骨图，甜无需节修改肌。（3）唱检查柔结构舌对称驱条件帐：例铁题中泽的目弄录树掘中，惰已经华添加晚并定重义了【S佳ym惹me傅tr富y】对称雹条件氏，作吗用于1/嚼4板壳咬的边师界上吓，从雄而可魄以用1/浓4模型绝等效间整体界模型荡进行险分析裤。如倚下图愤，无笔需修连改。3.炒5.静力醒分析蒸求解第一限次的鹅求解辆，为讯常规晴的静岸力、尚线性芒问题减，因因此无碧需进堪行更伟多的葵求解才控制智。直逃接在烟左边则目录纳树【O遍ut集li叮ne热s】中找滚到需片要求偷解的御静力换分析颜工况叙，即-【驱St轻at罗ic精S绘tr瞒uc俭tu踏ra筛l】，在【S全ol州ut概io充n】栏上凡鼠标黄右键许，弹识出菜收单选So党lv数e，进溜行求站解。3.则6.线性数分析熔结果峡查看计算锦完成驴后，（1）需添加脚并查聋看Vo哗nm馋is简es应力联结果艘：继钥续在域左侧选目录扭树【o币ut撇li熄ne财】下的【S痕ol嫂ut火io丑n】，点遇鼠标盟右键随，在疮弹出牌菜单胁选择-【脱in卫se腥rt摩】-巷【s芝tr甚es戴s】馋-【饺Eq卵ui珠va荷le泥nt务s种tr拿es切s/滔Vo告n-艰mi蜓se存s】，即游可在So毁lu仰ti壳on栏下脾插入拢一个Vo笛n-搂mi隶se侍s应力削的查小看选忙项。首然后射在目预录树贸中新慕插入泉的Eq粘ui骗va老le伞nt呈S呈tr封es比s应力妻上点慨击鼠阶标右蚕键，蒸使用泰“Ev狂al娱ua未te榴A虏ll丈R竭es冻ul兼ts烫”，即哪可看行到应冤力云钓图的湾显示匀。在本坝例题辟中，Vo文n-扇mi挨es誉e应力钻最大父值为80色0M容pa，最兴大值悔在板杜壳零魔件圆汪心位助置3.睛6.线性浙分析牲结果聚查看（2）饮添加亦并查祥看整裹体变续形应省力结商果：廉继续刑在左零侧目拍录树【o皮ut详li效ne鸟】下的【S绢ol挨ut你io膝n】，点赌鼠标滴右键董，在舰弹出畏菜单思选择-【符in抚se经rt休】-茧【d围ef练or吗ma农ti隐on肆】-衬【t颈ot熟al技】，即影可在So灿lu偿ti歌on栏下盛插入辣一个堵结构厦总变塘形量量的查肚看选忙项。此然后窄在目爪录树终中新凤插入逐的“to贪ta地l锤de吉fo众rm讨at践io叫n”上点仗击鼠古标右隙键，僚使用生“Ev以al公ua叨te缎A半ll诞R循es屈ul删ts狱”，即受可看你到结猾构总虑体位业移云绳图的骨显示妈。对于姑本例朵题，素最大夏位移屈点在监板壳制的圆侄心部怪位，支此外携，可下以看熊到结偶构的伏变形壤满足鲁对称阵条件渗，符鼻合用1/详4模型调模拟清整体奥模型明的预帐期。3.荐7.改为锋几何骑非线艳性求技解由于祥板壳娘结构晓的厚惰度较尝薄，弓线性裂分析碎结果怪的位炭移达追到49纠mm，结蜘构变搁形的似挠度严约为1/虏40，变井形量毫较大值。因锁此，喇在本颠例题戏中，陷应打个开几婆何大塑变形付的开消关，降作为滚几何唇非线豪性问拌题来岔对待收。（1）酒打开迅几何滋大变旧形开腊关：凯在Me痰ch赠an逐ic乞al目录之树中河，在绍该静乐力分妨析工嚷况【S颤ta商ti鸣c曾st肚ru辩ct跌ur因al翼】栏下对，点社击【A今na袄ly肉si状s获Se库tt渠in限g】栏，锣相应晨的细尊节设木置面呀板中恒，可糖以设瘦置各布种线况性、诵非线贴性、锯动力系学的偏求解扔参数某和选肃型。汇此处程，将【A拒ut耀o掠ti值me拳s营te笼pp麻in啄g】保持召“pr坝og桨ra著m兄co铺nt歼ro烦ll茄ed控”，即朴非线鲁性求专解的震时间捐步长盗由系慈统自促动调脑整。使并将悦“La沸rg横e隐De鲁fl表ec招ti络on绞”改为垮“on晌”，即误打开鉴几何神非线态性开览关，选求解瓜时作唐为几话何非拜线性品问题汉来求亚解。（2）景重新般求解打：在盾目录膊树的【S扇ta雀ti末c丝式St油ru压ct尘ur孔al撞】-枣【S幕ol腔ut典io航n】栏上远鼠标絮右键我，弹阀出菜茶单选So格lv恳e，进圈行重秩新求致解。（3）辛监控咱求解廉过程袜的收售敛曲腐线：与非线慰性求泽解过赴程中骗，迭招代和腰收敛智是重溉要的膜问题臂。在艇目录孕树找轨到【S荒ol面ut惕io抹n】下的【S骄ol积ut坏io痛n晚In往fo眯rm克at区io跃n】，点吴击，掌可以饿在视捉窗中昌看到躬收敛械曲线棋和求通解进查度。3.才8.非线危性分护析结殃果查桐看由于所是非避线性凡问题霜，求筹解一犹般需音要多岂次迭中代才错能收恭敛，棋所以哀求解墙时间具长于煤线性苏问题丘。计住算完振成后狭，（1）偿查看Vo洲nm音is演es应力问结果葡：再书次查沫看Vo慌n-集mi挂es颤e应力维，最矛大值缴为21规3M远pa，最副大值震在板鹅壳零煎件圆字心位背置。傲远低纲于没歇有打头开大起变形体开关升时80铲0M拆pa的结阶果。3.叮8.非线责性分摆析结集果查能看（2）洋查看无整体涂变形炒应力瓣结果瞎：点铃击目淘录树铲的象“to台ta猛l宋de牺fo馒rm算at哨io族n”，即涨可看隶到结吐构总