ANSYS-Workbench-19.0基础入门与工程实践-第6章-静力学分析

第六章静力学分析6.1基本理论介绍静力学主要用于分析固定载荷作用下的结构响应，不考虑系统的惯性及阻尼，其中线性静力学是静力学中最基础的一类问题。1．小变形在线性静力分析中，系统发生的变形相对于系统整体尺寸非常小，变形并不显著影响整个系统的刚度。2．线性材料线性静力学问题考虑的是材料在弹性变形阶段的行为，即满足应力与应变呈正比关系。3．固定载荷线性静力学问题中假设载荷和约束并不随时间发生变化，载荷的加载过程是一个非常均匀缓慢的过程。只有满足上述3个基本假设才属于我们常见的线性静力学问题，线性静力学比较关注系统的支反力、变形和应力大小。下面我们将通过具体实例对线性静力学问题的具体操作和分析进行详细介绍。6.2线性静力学分析实例——支架静力分析本例将通过支架的静力学分析，帮助读者掌握基本的模型简化和求解设置方法，通过详细操作步骤了解静力学分析的一般思路。6.2.1问题描述移动龙门支架是工厂车间常用的自动化装卸设备，其常见结构如图所示。根据基本的材料力学知识可知，当移动升降机运动至横梁中间偏右位置时，整个机构的变形将最大，所以只需要计算在中间位置时刻支架的受力及变形，就可以初步判断移动升降机的整个过程中处于任意位置是否满足设计要求。6.2.2分析模型建模本模型已通过三维建模软件完成建模，因此只需通过WB19.0的外部几何模型导入功能完成几何建模。但是单纯导入模型并不能直接进行分析，所以需要对模型进行事先预处理，完成几何设计模型到有限元分析模型的建模。具体建模思路如下。1．删减无关结构将移动龙门支架的附件、螺栓、升降驱动机等与分析无关的结构直接删除，删除之后，模型进一步简化为图所示。2．几何特征删减完成无关结构的删减之后，由于几何模型中存在诸多螺栓孔、定位孔，如左图所示，这些螺栓孔、定位孔对分析结果也不产生直接影响，且不是分析中关注的内容，所以要再次对模型进行特征删减，去除支架及横梁结构中存在的螺栓孔、定位孔，最终得到可以用于分析的模型，如右图所示。3．导入几何模型利用第3章讲述的外部几何模型导入操作，设置单位为mm，将两根立柱及一根横梁几何模型导入DM中，导入之后的结果如图所示。4．载荷加载区域预处理由于移动升降机的安装宽度为0.3m，所以需要在横梁中部位置截取该部分宽度的加载区域，可以使用ImprintFaces完成载荷面的获取。如图所示，在横梁上表面建立矩形草图，然后进行拉伸操作，将Operation设置为ImprintFaces，单击Generate完成载荷面的烙印操作。6.2.3材料属性设置本例静力分析涉及的材料属性有材料弹性模量、泊松比，选用材料为Q235，查阅材料手册可知Q235的弹性模量Ε=2.12e5MPa、泊松比μ=0.288、密度ρ=7.86e3kg/m3，具体设置步骤如下。（1）双击EngineeringData进入材料属性设置界面。（2）单击EngineeringDataSources窗口，在GeneralMaterials中创建Q235材料，定义密度、弹性模量和泊松比三种属性，分别输入ρ=7.86e-9tonne/mm3，Ε=2.12e5MPa、μ=0.288。（3）完成材料定义后添加到分析模型中即可。6.2.4网格划分进入Mesh划分步骤，插入BodySize，选择所有实体，然后在ElementSize中输入网格尺寸为25mm。同时插入网格划分方法Method，选择四面体网格Tetrahedrons划分，设置完成之后单击Mesh选择GenerateMesh生成网格，如图所示。6.2.5载荷及约束设置根据工况描述可知，载荷大小为30kg（G=294N）的重物，装置立柱固定，具体操作如下。（1）施加外载荷。（2）施加重力。（3）边界约束加载。6.2.6模型求解设定求解结果，提交计算机计算6.2.7结果后处理进入后处理模块，选择分析结果参数，设置工具栏中的Edges为NoWireFrame，显示云图结果。其中应力云图结果如图所示，最大值为23.44MPa，很显然最大应力值小于Q235的屈服强度，结构强度是不存在问题的。6.3线性静力学分析实例——口型梁静力分析本例以常见材料力学问题为对象，介绍如何使用梁单元在WB19.0中实现对静力学问题的求解，通过实例对梁单元的建模、网格划分以及边界设置进行详细讲解，为读者对梁单元的使用提供指导。6.3.1问题描述梁结构是静力学分析中经常遇到的一类问题，本例通过图6-17所示的外伸梁结构详细介绍在WB19.0中如何进行梁结构问题的建模及单元使用，材料属性与WB19.0中StructureSteel默认一致。6.3.2分析模型建模分析模型的几何建模直接在DM中完成，具体操作如下。（1）创建直线体。（2）创建梁截面。（3）槽型截面赋予直线体。6.3.3材料属性设置双击进入Model设置界面，由于模型材质默认为StructureSteel，所以无须进一步创建材料属性。在树形窗口中选择LineBody，可以看到弹出的详细设置窗口中，软件默认将StructureSteel赋予几何体。6.3.4网格划分在Mesh中创建网格单元，具体操作如下。（1）插入BodySizing，设置单元大小为50mm。（2）插入单元生成方法，软件默认使用Automatic进行网格划分。6.3.5载荷及约束设置载荷的创建及约束设置步骤如下。（1）创建载荷。（2）边界约束施加。6.3.6模型求解设置求解结果输出参数，分别插入TotalDeformation及DirectionalShear-MomentDiagram(VY-MZ-UY)，由于剪切-弯矩图的设置需要定义路径Path，所以在提交计算之前先创建所有曲线的路径。6.3.7结果后处理计算完成之后可以得到整个梁结构的变形情况，如图6-29所示的变形云图。6.4线性静力学分析实例——壳单元分析实例壳单元是有限元分析经常需要使用的单元类型，本例将通过壳单元对管道结构进行静力学分析，使读者掌握壳单元的使用方法，同时与实体结构分析结果进行对比，查看两种单元分析结果的误差，使读者对壳单元的使用有更加全面的认识。6.4.1问题描述图6-32所示为管道连接结构，纵向小管道受到50kN的外力作用，横向大管道两端约束，现采用壳单元对整个结构进行仿真校核。6.4.2几何建模创建静力学分析项目，然后进入DM编辑窗口导入几何模型。下面针对模型创建薄板结构，操作如下：依次选择菜单栏中的Tools

Mid-Surface，对几何模型进行中面抽取。在弹出的窗口中分别选择管道内外表面，同时将SelectionMethod设置为Automatic，然后单击Generate生成薄板结构模型，最终生成的分析模型。6.4.3材料属性设置本例中采用StructureSteel材料，各项参数设置按照图所示进行设置，其他按照软件默认即可，然后通过Model中Geometry下的Assignment将材料赋予几何模型。6.4.4网格划分采用六面体主体网格划分方法，右键单击Mesh，插入Method，采用自动划分方法；同时单击鼠标右键，插入Sizing，设置所有薄板单元尺寸为8mm，生成网格，结果如图所示。6.4.5载荷及约束设置设置求解的外部载荷和边界条件，操作如下：（1）单击工具栏中的Loads

Force，然后选择小管道上表面的边线，在-x轴方向加载50kN的外力。（2）设置边界条件。6.4.6模型求解设置求解输出参数，右键单击Solution，分别输出TotalDeformation和EquivalentStress，完成之后提交计算机求解。6.4.7结果后处理计算结束之后查看结果，其变形云图如图6-40所示，应力云图如图上所示，从图中可以得到最大变形为0.2157mm，最大应力值约为176MPa。查看求解信息SolutionInformation，可以看到本实例中所用单元为SHELL181，如图下所示。6.4.8实体模型计算结果对比下面通过实体模型的计算，来与壳单元计算结构进行对比。操作步骤如下。（1）导入实体几何模型进行网格划分，采用六面体主体网格划分技术，网格大小设置为10mm，划分结果。（2）同壳单元边界及载荷设置一致，固定大管道两端，同时在-x方向施加50kN载荷，结果。（3）模型求解。6.5本章小结本章通过移动龙门架和外伸梁结构的静力分析实例，详细介绍了在WB

19.0中进