弹性力学仿真软件：ANSYS：结构静力学分析基础

弹性力学仿真软件：ANSYS：结构静力学分析基础1弹性力学与ANSYS概述1.1弹性力学基础弹性力学是研究弹性体在外力作用下变形和应力分布的学科。它主要关注材料在弹性范围内对力的响应，包括线性弹性理论和非线性弹性理论。在工程设计中，弹性力学用于预测结构在不同载荷下的行为，确保结构的安全性和稳定性。1.1.1线性弹性理论线性弹性理论假设材料的应力与应变成正比，遵循胡克定律。对于三维问题，胡克定律可以表示为：σ其中，σij是应力张量，ϵkl1.1.2非线性弹性理论非线性弹性理论适用于材料在大变形或高应力状态下的行为。此时，材料的应力与应变关系不再是线性的，需要更复杂的模型来描述，如超弹性模型或弹塑性模型。1.2ANSYS软件介绍ANSYS是一款广泛应用于工程分析的仿真软件，它提供了强大的有限元分析能力，可以解决复杂的结构、热、流体、电磁和多物理场问题。在结构静力学分析中，ANSYS能够精确计算结构在静态载荷下的应力、应变和位移。1.2.1软件界面ANSYS的用户界面包括以下几个主要部分：前处理器：用于创建模型、网格划分和定义材料属性。求解器：执行有限元分析，计算结果。后处理器：查看和分析计算结果，包括应力、应变和位移的可视化。1.3ANSYS软件界面介绍1.3.1前处理器在前处理器中，用户可以进行以下操作：几何建模：通过导入CAD模型或使用内置工具创建几何形状。网格划分：将模型划分为小的单元，以便进行有限元分析。定义材料属性：输入材料的弹性模量、泊松比等参数。施加载荷和边界条件：定义结构上的力、压力和约束。1.3.1.1示例：创建一个简单的梁模型#ANSYSPythonAPI示例代码

#创建一个简单的梁模型并进行网格划分

#导入必要的库

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

#启动ANSYS

mapdl=launch_mapdl()

#进入前处理器模式

mapdl.prep7()

#创建一个矩形梁

mapdl.et(1,'SHELL181')#选择壳单元类型

mapdl.r(1,100)#设置材料属性

mapdl.mp('EX',1,200e3)#弹性模量

mapdl.mp('PRXY',1,0.3)#泊松比

mapdl.rectng(0,10,0,1)#创建一个10x1的矩形

#网格划分

mapdl.esize(1)#设置单元大小

mapdl.amesh('ALL')#对所有区域进行网格划分1.3.2求解器在求解器中，用户可以：设置分析类型：选择静力学分析。求解：运行分析，计算结构的响应。1.3.2.1示例：施加载荷并求解#继续使用上述的PythonAPI示例

#施加载荷并求解

#施加边界条件

mapdl.nsel('S','LOC','Y',0)#选择y=0的节点

mapdl.d('ALL','ALL')#固定所有自由度

#施加载荷

mapdl.f('ALL','FX',-100)#在所有节点上施加-100N的x方向力

#设置分析类型

mapdl.antype('STATIC')#设置为静力学分析

#求解

mapdl.solve()1.3.3后处理器在后处理器中，用户可以：查看结果：可视化应力、应变和位移。结果分析：提取关键数据，如最大应力和位移。1.3.3.1示例：查看位移结果#继续使用上述的PythonAPI示例

#查看位移结果

#进入后处理器模式

mapdl.post1()

#查看位移

mapdl.set(1,1)#设置结果读取的步数和子步

mapdl.prnsol('U')#打印位移结果通过以上步骤，用户可以使用ANSYS进行结构静力学分析，从模型创建到结果分析，实现对结构行为的全面理解。2弹性力学仿真软件：ANSYS：结构静力学分析基础-前处理2.1几何模型创建在进行结构静力学分析之前，首先需要在ANSYS中创建几何模型。这一步骤是基础，它决定了后续分析的准确性。几何模型可以是简单的二维形状，也可以是复杂的三维结构。以下是使用ANSYSWorkbench创建一个简单的二维梁的步骤：打开ANSYSWorkbench：启动ANSYSWorkbench软件，进入设计模型界面。选择DesignModeler：在左侧的项目树中，选择“Geometry”模块下的“DesignModeler”。创建二维草图：在DesignModeler中，选择“Sketch”工具，绘制梁的截面形状。例如，绘制一个矩形，长度为100mm，宽度为10mm。拉伸创建实体：选择“Extrude”工具，将草图沿Z轴方向拉伸，长度设为500mm，从而创建出一个三维实体梁。2.2材料属性定义定义材料属性是结构分析中的关键步骤，它直接影响到结构的响应。在ANSYS中，可以通过“Material”模块来定义材料属性。以下是一个定义钢材属性的例子：打开Material模块：在项目树中，选择“Material”模块。创建材料：点击“Createanewmaterial”，命名为“Steel”。定义属性：在“Steel”材料下，定义弹性模量（E）为200e9Pa，泊松比（ν）为0.3，密度（ρ）为7850kg/m^3。#ANSYSAPDLPythonScriptforMaterialDefinition

#定义材料属性

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

#创建钢材材料

mapdl.run("/MP,Steel,E,200e9")

mapdl.run("/MP,Steel,NUXY,0.3")

mapdl.run("/MP,Steel,DENS,7850")2.3网格划分技术网格划分是将连续的几何体离散化为有限数量的单元，以便进行数值计算。网格的质量直接影响分析结果的准确性。在ANSYS中，可以使用“Mesh”模块来控制网格的划分。以下是一个简单的网格划分示例：打开Mesh模块：在项目树中，选择“Mesh”模块。选择实体：在几何模型中选择要划分网格的实体，例如前面创建的梁。设置网格控制：在Mesh模块中，可以设置网格的大小、形状和分布。例如，使用“Sizing”功能，设置全局网格尺寸为10mm。生成网格：点击“Mesh”按钮，软件将根据设置的网格控制生成网格。#ANSYSAPDLPythonScriptforMeshing

#网格划分

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

#设置全局网格尺寸

mapdl.run("*DIM,size,,,10")

mapdl.run("ESIZE,size")

#生成网格

mapdl.run("MESH,ALL")通过以上步骤，我们可以在ANSYS中完成一个结构静力学分析的前处理工作，包括几何模型的创建、材料属性的定义以及网格的划分。这些是进行任何结构分析的基础，确保了后续分析的准确性和可靠性。3加载与约束3.1施加力和载荷在ANSYS中，施加力和载荷是结构静力学分析的关键步骤。这涉及到在模型的特定区域或点上应用外部力，以模拟实际工作条件。力和载荷可以是点载荷、面载荷、体载荷，也可以是温度载荷、压力载荷等。3.1.1示例：施加点载荷假设我们有一个简单的梁模型，需要在梁的一端施加一个垂直向下的力。在ANSYSWorkbench中，可以通过以下步骤实现：在Solution中选择“StaticStructural”。在Model树中，选择需要施加载荷的几何体。在工具栏中，点击“Loads”>“Force/Moment”。在弹出的对话框中，选择“Force”，输入力的大小和方向，例如：-1000N（垂直向下）。点击“Apply”应用载荷。3.2定义边界条件边界条件在结构分析中用于限制模型的自由度，确保分析结果的准确性。常见的边界条件包括固定约束、滑动约束、铰链约束等。3.2.1示例：固定约束在ANSYS中，固定约束可以模拟结构的一端被完全固定的情况。例如，对于上述的梁模型，我们希望固定一端，可以按照以下步骤操作：在Solution中选择“StaticStructural”。在Model树中，选择需要施加固定约束的几何体。在工具栏中，点击“Loads”>“FixedConstraint”。点击“Apply”应用约束。3.3接触对设置接触对设置用于模拟两个或多个物体之间的接触行为，这对于分析复杂结构（如齿轮、轴承等）至关重要。在ANSYS中，接触对可以定义为“Bonded”（粘结）、“Frictionless”（无摩擦）、“Frictional”（有摩擦）等类型。3.3.1示例：定义接触对假设我们有一个齿轮和轴的模型，需要模拟齿轮与轴之间的无摩擦接触。在ANSYSWorkbench中，可以通过以下步骤定义接触对：在Solution中选择“StaticStructural”。在Model树中，选择“Contact”。点击“+”添加接触对。在弹出的对话框中，选择“Target”和“Contact”面，例如：轴的外表面作为“Target”，齿轮的内表面作为“Contact”。选择接触类型为“Frictionless”。点击“Apply”应用接触对设置。通过以上步骤，我们可以在ANSYS中有效地施加力和载荷、定义边界条件以及设置接触对，为结构静力学分析提供必要的输入。在实际操作中，这些步骤可能需要根据具体模型和分析需求进行调整，以确保分析结果的准确性和可靠性。4求解设置4.1静力学分析类型选择在进行结构静力学分析时，选择正确的分析类型至关重要。ANSYS提供了多种静力学分析选项，包括线性静力学分析、非线性静力学分析、模态分析等。对于基础的结构静力学分析，我们通常选择线性静力学分析，它适用于在小变形和线性材料行为假设下的结构分析。4.1.1示例：选择线性静力学分析在ANSYSWorkbench中，打开MechanicalAPDL模块，创建一个新的StaticStructural项目。在项目树中，可以看到“Solution”分支下有“AnalysisType”选项，点击并选择“StaticStructural”作为分析类型。4.2求解控制参数设置求解控制参数的设置直接影响分析的精度和效率。在ANSYS中，可以通过设置求解器选项、收敛准则、时间步长等参数来优化分析过程。4.2.1示例：设置求解器选项在ANSYSWorkbench的MechanicalAPDL模块中，进入“Solution”分支下的“SolutionInfo”选项卡，点击“SolverSettings”。在弹出的对话框中，可以设置求解器类型（如Direct或Iterative）、求解器精度（如RelativeResidual和AbsoluteResidual）等参数。#ANSYSPythonAPI示例：设置求解器选项

#假设已经通过API连接到ANSYSWorkbench

#设置求解器类型为Direct

ansys_solution.SetSolverType("Direct")

#设置相对残差为1e-3

ansys_solution.SetRelativeResidual(1e-3)

#设置绝对残差为1e-6

ansys_solution.SetAbsoluteResidual(1e-6)4.2.2示例：设置收敛准则收敛准则决定了求解过程何时停止。在ANSYS中，可以通过设置“ConvergenceCriteria”来调整收敛条件。#ANSYSPythonAPI示例：设置收敛准则

#假设已经通过API连接到ANSYSWorkbench

#设置位移收敛准则为1e-4

ansys_solution.SetDisplacementConvergenceCriteria(1e-4)

#设置力收敛准则为1e-3

ansys_solution.SetForceConvergenceCriteria(1e-3)4.3运行静力学分析完成分析类型选择和求解控制参数设置后，即可运行静力学分析。在ANSYSWorkbench中，这通常通过点击“Solve”按钮来实现。4.3.1示例：运行静力学分析在ANSYSWorkbench的MechanicalAPDL模块中，完成所有必要的设置后，点击工具栏上的“Solve”按钮，或在菜单中选择“Solution”>“Solve”来启动分析。#ANSYSPythonAPI示例：运行静力学分析

#假设已经通过API连接到ANSYSWorkbench

#运行静力学分析

ansys_solution.Solve()在分析运行过程中，可以通过“SolutionMonitor”窗口查看求解进度和收敛情况。分析完成后，可以查看结果，包括位移、应力、应变等，以评估结构的静力学性能。以上示例代码和步骤假设用户已经熟悉ANSYSWorkbench的基本操作，并且已经通过PythonAPI建立了与ANSYS的连接。在实际操作中，用户需要根据具体问题和模型调整分析类型和求解控制参数，以获得最准确和高效的分析结果。5弹性力学仿真软件：ANSYS：后处理技术教程5.1结果可视化在ANSYS中，结果可视化是分析后处理的关键步骤，它帮助工程师直观理解结构的响应。ANSYS提供了多种工具来展示仿真结果，包括等值线图、变形图、矢量图和动画等。5.1.1等值线图等值线图是展示结构上应力、应变或位移等参数分布的常用方法。例如，展示结构上的vonMises应力分布：#在ANSYS中生成vonMises应力等值线图

/post1

/contour,type=element,item=stress,comp=eqv

/plot这行代码将生成结构上的vonMises应力等值线图，/post1命令切换到后处理模式，/contour命令设置等值线的类型和参数，/plot命令则绘制图形。5.1.2变形图变形图显示结构在载荷作用下的变形情况，有助于识别结构的薄弱区域。#在ANSYS中生成变形图

/post1

/contour,type=element,item=disp,comp=total

/plotdef,mode=total

/plot这里，/contour命令设置为显示总位移，/plotdef命令设置变形模式，mode=total表示显示总变形。5.2应力应变分析ANSYS提供了详细的应力应变分析工具，帮助工程师评估结构的强度和刚度。5.2.1应力分析应力分析通常关注vonMises应力、主应力和剪应力等。例如，查询特定节点的vonMises应力：#查询节点100的vonMises应力

/post1

*get,stress_vonmises,node,100,s,eqv

print,stress_vonmises*get命令用于获取特定节点的vonMises应力值，print命令则输出该值。5.2.2应变分析应变分析包括线应变和剪应变。查询特定单元的线应变：#查询单元200的线应变

/post1

*get,strain_linear,elem,200,e,exx

print,strain_linear这里，exx表示x方向的线应变。5.3变形量检查检查结构的变形量对于确保结构的安全性和性能至关重要。5.3.1总变形量查询结构的最大总变形量：#查询结构的最大总变形量

/post1

*get,max_total_def,node,max,u,abs

print,max_total_defmax参数用于获取最大值，abs表示计算绝对值。5.3.2局部变形量检查特定区域的变形量，例如，查询节点100到200之间的最大位移：#查询节点100到200之间的最大位移

/post1

*dim,node_range,array,100,200

*get,max_disp,node,max,u,abs,node_range

print,max_disp*dim命令用于定义节点范围，node_range是一个包含节点编号的数组。通过以上步骤，工程师可以全面评估结构的静力学性能，确保设计的安全性和可靠性。6案例分析6.1梁的弯曲分析在弹性力学仿真软件ANSYS中，梁的弯曲分析是结构静力学分析的基础案例之一。此分析主要关注梁在不同载荷作用下的变形、应力和应变分布。梁的弯曲分析通常涉及以下步骤：模型建立：定义梁的几何尺寸、材料属性和网格划分。载荷施加：在梁上施加力或力矩。边界条件设置：固定梁的一端或两端，以模拟实际的支撑条件。求解：运行静力学分析，计算梁的响应。结果后处理：查看和分析梁的变形、应力和应变。6.1.1示例：简支梁的静力分析假设我们有一根简支梁，长度为1米，宽度为0.1米，高度为0.05米，材料为钢，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。梁在中点受到垂直向下的力，大小为1000N。###ANSYSAPDL脚本示例

以下是一个使用ANSYSAPDL进行简支梁静力分析的脚本示例：

```apdl

/FILNAME,SIMPLE_BEAM,DAT

/PREP7

;定义材料属性

MP,EX,1,200E9

MP,PRXY,1,0.3

;创建梁的几何模型

ET,1,SOLID186

L,0,1,0,0

L,1,1,0,0.1

L,2,1,0.05,0.1

L,3,1,0.05,0

L,4,1,0,0

AL,1,2,3,4

LESIZE,ALL,0.1

;施加载荷

F,2,FY,-1000

;设置边界条件

D,1,UX,0

D,1,UY,0

D,1,UZ,0

D,4,UX,0

D,4,UY,0

D,4,UZ,0

;生成网格

ESIZE,0.1

MESH,ALL

;求解

/SOLU

ANTYPE,0

SOLVE

;结果后处理

/POST1

PRNSOL,U

PRNSOL,S###解释

-**/FILNAME,SIMPLE_BEAM,DAT**：设置文件名和类型，用于保存模型数据。

-**MP,EX,1,200E9**和**MP,PRXY,1,0.3**：定义材料的弹性模量和泊松比。

-**ET,1,SOLID186**：选择实体单元类型。

-**L,0,1,0,0**等：创建梁的几何模型。

-**F,2,FY,-1000**：在梁的中点施加垂直向下的力。

-**D,1,UX,0**等：设置梁两端的边界条件，限制所有方向的位移。

-**ESIZE,0.1**和**MESH,ALL**：设置网格尺寸并生成网格。

-**/SOLU**和**ANTYPE,0**：进入求解模式并设置分析类型为静力分析。

-**SOLVE**：运行求解器。

-**/POST1**：进入后处理模式。

-**PRNSOL,U**和**PRNSOL,S**：输出位移和应力结果。

##平板受压仿真

平板受压仿真用于分析平板在压力作用下的变形和应力分布。平板可以是矩形、圆形或其他形状，其受压情况在工程设计中非常常见，如建筑结构中的楼板、压力容器的壁等。

###示例：矩形平板的受压分析

假设我们有一块矩形平板，尺寸为2米×1米，厚度为0.01米，材料为铝，弹性模量为70GPa，泊松比为0.33。平板受到均匀的垂直压力，大小为1000Pa。

```markdown

###ANSYSAPDL脚本示例

```apdl

/FILNAME,PLATE_PRESSURE,DAT

/PREP7

;定义材料属性

MP,EX,1,70E9

MP,PRXY,1,0.33

;创建平板的几何模型

ET,1,PLANE182

R,1,0.01

L,1,0,2,0

L,2,2,2,1

L,3,0,0,1

L,4,0,2,1

AL,1,2,3,4

LESIZE,ALL,0.1

;施加载荷

SF,ALL,PRES,1000

;设置边界条件

D,1,UX,0

D,1,UY,0

D,2,UX,0

D,2,UY,0

D,3,UX,0

D,3,UY,0

D,4,UX,0

D,4,UY,0

;生成网格

ESIZE,0.1

MESH,ALL

;求解

/SOLU

ANTYPE,0

SOLVE

;结果后处理

/POST1

PRNSOL,U

PRNSOL,S###解释

-**/FILNAME,PLATE_PRESSURE,DAT**：设置文件名和类型。

-**MP,EX,1,70E9**和**MP,PRXY,1,0.33**：定义材料的弹性模量和泊松比。

-**ET,1,PLANE182**和**R,1,0.01**：选择平面单元类型并设置厚度。

-**L,1,0,2,0**等：创建平板的几何模型。

-**SF,ALL,PRES,1000**：在平板上施加均匀压力。

-**D,1,UX,0**等：设置平板四角的边界条件，限制所有方向的位移。

-**ESIZE,0.1**和**MESH,ALL**：设置网格尺寸并生成网格。

-**/SOLU**和**ANTYPE,0**：进入求解模式并设置分析类型为静力分析。

-**SOLVE**：运行求解器。

-**/POST1**：进入后处理模式。

-**PRNSOL,U**和**PRNSOL,S**：输出位移和应力结果。

##结构优化设计示例

结构优化设计是利用仿真软件来改进结构设计的过程，以达到减轻重量、降低成本或提高性能的目的。在ANSYS中，结构优化设计通常涉及形状优化、尺寸优化和拓扑优化。

###示例：尺寸优化

假设我们有一根钢梁，需要在满足强度和刚度要求的前提下，通过调整梁的高度和宽度来减轻重量。

```markdown

###ANSYSAPDL脚本示例

```apdl

/FILNAME,BEAM_OPTIMIZATION,DAT

/PREP7

;定义材料属性

MP,EX,1,200E9

MP,PRXY,1,0.3

;创建梁的几何模型

ET,1,BEAM188

R,1,0.1,0.05

L,1,0,1,0,0

AL,ALL

;施加载荷

F,2,FY,-1000

;设置边界条件

D,1