ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南

1、ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南（上）第一章 結(jié)構(gòu)分析概述1.1 結(jié)構(gòu)分析定義結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個(gè)術(shù)語(yǔ)是一個(gè)廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)如橋梁和建筑物，汽車結(jié)構(gòu)如車身骨架，海洋結(jié)構(gòu)如船舶結(jié)構(gòu)，航空結(jié)構(gòu)如飛機(jī)機(jī)身，還包括機(jī)械零部件如活塞、傳動(dòng)軸等。1.2 結(jié)構(gòu)分析的類型在 ANSYS 產(chǎn)品家族中有七種結(jié)構(gòu)分析的類型。結(jié)構(gòu)分析中計(jì)算得出的基本未知量(節(jié)點(diǎn)自由度)是位移。其他的一些未知量，如應(yīng)變、應(yīng)力和反力可通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移導(dǎo)出。包含結(jié)構(gòu)分析功能的ANSYS產(chǎn)品有：ANSYS/Multiphysics,ANSYS/Mechanical, ANSYS/Structural和ANS

2、YS/Professional。下面簡(jiǎn)單列出了這七種類型的結(jié)構(gòu)分析：靜力分析-用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。包括線性和非線性分析。非線性分析涉及塑性、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變、超彈性、接觸面和蠕變等。模態(tài)分析-用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。提供了不同的模態(tài)提取方法。諧波分析-用于確定結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間正弦變化的載荷作用下的響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力分析-用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間任意變化的載荷作用下的響應(yīng)，并且可計(jì)及上述靜力分析中提到的所有的非線性特性。譜分析-是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于響應(yīng)譜或 PSD 輸入(隨機(jī)振動(dòng))引起的應(yīng)力和應(yīng)變。屈曲分析-用于計(jì)算曲屈載荷和確定曲屈模態(tài)。ANSYS 可進(jìn)行線性

3、(特征值)屈曲和非線性曲屈分析。顯式動(dòng)力分析-ANSYS/LS-DYNA 可用于計(jì)算高度非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和復(fù)雜的接觸問(wèn)題。此外，除前面提到的七種分析類型外，還可以進(jìn)行如下的特殊分析：斷裂力學(xué)復(fù)合材料疲勞分析p-Method梁分析1.3 結(jié)構(gòu)分析所使用的單元從簡(jiǎn)單的桿單元和梁?jiǎn)卧?，一直到較為復(fù)雜的層合殼單元和大應(yīng)變實(shí)體單元，絕大多數(shù)的 ANSYS 單元類型都可用于結(jié)構(gòu)分析。注意-顯式動(dòng)力分析只能采用顯式動(dòng)力單元(LINK160、BEAM161、PLANE162、SHELL163、SOLID164、COMBI165、MASS166、LINK167)。表1-1 結(jié)構(gòu)單元類型分類單元名說(shuō)明桿LINK1

4、,LINK8,LINK180LINK10梁BEAM3,BEAM4BEAM54,BEAM44BEAM23,BEAM24BEAM188,BEAM189管PIPE16,PIPE17,PIPE18PIPE59PIPE20,PIPE602-D實(shí)體PLANE42,PLANE82,PLANE182,PLANE183PLANE2HYPER84,HYPER56,HYPER74VISCO88VISCO106,VISCO108PLANE83,PLANE25PLANE145,PLANE146p-單元,63-D實(shí)體SOLID45,SOLID95,SOLID185,SOLID186SOLID92,SOLID187SOLI

5、D46,SOLID191SOLID64,SOLID65HYPER86,HYPER58,HYPER158VISCO89VISCO107SOLID147,SOLID148p-單元,6殼SHELL93,SHELL63,SHELL41,SHELL43,SHELL181SHELL51,SHELL61SHELL91,SHELL99SHELL28SHELL150p-單元,6接觸CONTAC48,CONTAC49,CONTA171,CONTA172,CONTA173,CONTA174CONTAC12,CONTAC52CONTAC26TARGE169,TARGE170耦合場(chǎng)FLUID29,FLUID30,FLU

6、ID129,FLUID130,INFIN110,INFIN111PLANE13,SOLID5,SOLID98PLANE13,SOLID5,SOLID98PLANE13,SOLID5,SOLID62,SOLID98FLUID38,FLUID79,FLUID80,FLUID81FLUID116特殊COMBIN14,COMBIN40,COMBIN39MASS21COMBIN37SURF153,SURF154COMBIN7LINK11MATRIX27,MATRIX50顯式動(dòng)力分析LINK160BEAM161PLANE162SHELL163SOLID164COMBI165MASS166LINK1671.

7、4 材料模式界面對(duì)于本書論述的分析，如果采用GUI交互式操作，用戶可以通過(guò)直觀的“材料模式交互界面”來(lái)定義材料特性。這種方法采用樹狀結(jié)構(gòu)的材料分類，使用戶在分析中選擇合適的材料模式變得更加簡(jiǎn)單。具體方法見ANSYS Basic Analysis Guide1.2.4.4。對(duì)于顯式動(dòng)力分析(ANSYS/LS-DYNA)，材料定義見ANSYS /LS-DYNA Users Guide7.1。1.5 求解方法在 ANSYS 產(chǎn)品中，求解結(jié)構(gòu)問(wèn)題有兩種方法：h-方法和p-方法。h-方法可用于任何類型的結(jié)構(gòu)分析，而p-方法只能用于線性結(jié)構(gòu)靜力分析。根據(jù)所求的問(wèn)題，h-方法通常需要比p-方法更密的網(wǎng)格。p

8、-方法在應(yīng)用較粗糙的網(wǎng)格時(shí)，提供了求得適當(dāng)精度的一種很好的途徑。本書主要討論h-方法，而6 則專門研究 p-方法。第二章 結(jié)構(gòu)線性靜力分析2.1 靜力分析的定義靜力分析計(jì)算在固定不變載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼影響-如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化載荷作用的情況?？墒?，靜力分析可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響(如重力和離心力)，以及那些可以近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化載荷(如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價(jià)靜力風(fēng)載和地震載荷)的作用。靜力分析用于計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時(shí)間

9、的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括：外部施加的作用力和壓力穩(wěn)態(tài)的慣性力(如重力和離心力)強(qiáng)迫位移溫度載荷(對(duì)于溫度應(yīng)變)能流(對(duì)于核能膨脹)關(guān)于載荷，還可參見2.3.4。2.2 線性靜力分析與非線性靜力分析靜力分析既可以是線性的也可以是非線性的。非線性靜力分析包括所有類型的非線性：大變形、塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、接觸(間隙)單元、超彈性單元等。本章主要討論線性靜力分析。對(duì)非線性靜力分析只作簡(jiǎn)單介紹，其詳細(xì)論述見ANSYS Structural Analysis Guide8。2.3 靜力分析的求解步驟2.3.1建模首先用戶應(yīng)指定作業(yè)名和分析標(biāo)題，然后通過(guò) PREP7 前處理程序定義單元類型

10、、實(shí)常數(shù)、材料特性、模型的幾何元素。這些步驟是大多數(shù)分析類型共同的，并已在ANSYS Basic Analysis Guide1.2 論述。有關(guān)建模的進(jìn)一步論述，見ANSYS Modeling and Meshing Guide。2.3.1.1注意事項(xiàng)在進(jìn)行靜力分析時(shí)，要注意如下內(nèi)容：1、可以采用線性或非線性結(jié)構(gòu)單元。2、材料特性可以是線性或非線性，各向同性或正交各向異性，常數(shù)或與溫度相關(guān)的：必須按某種形式定義剛度(如彈性模量 EX，超彈性系數(shù)等)。對(duì)于慣性載荷(如重力等)，必須定義質(zhì)量計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，如密度DENS。對(duì)于溫度載荷，必須定義熱膨脹系數(shù) ALPX。3、對(duì)于網(wǎng)格密度，要注意：應(yīng)力或

11、應(yīng)變急劇變化的區(qū)域(通常是用戶感興趣的區(qū)域)，需要比應(yīng)力或應(yīng)變近乎常數(shù)的區(qū)域較密的網(wǎng)格：在考慮非線性的影響時(shí)，要用足夠的網(wǎng)格來(lái)得到非線性效應(yīng)。如塑性分析需要相當(dāng)?shù)姆e分點(diǎn)密度，因而在高塑性變形梯度區(qū)需要較密的網(wǎng)格。2.3.2設(shè)置求解控制設(shè)置求解控制包括定義分析類型、設(shè)置一般分析選項(xiàng)、指定載荷步選項(xiàng)等。當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析時(shí)，可以通過(guò)“求解控制對(duì)話框”來(lái)設(shè)置這些選項(xiàng)。該對(duì)話框?qū)τ诖蠖鄶?shù)結(jié)構(gòu)靜力分析都已設(shè)置有合適的缺省值，用戶只需作很少的設(shè)置就可以了。我們推薦采用該對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置。如用戶不喜歡采用求解控制對(duì)話框，則可應(yīng)用 ANSYS 的標(biāo)準(zhǔn)求解命令集和相應(yīng)的菜單(Main MenuSolutionUn

12、abridged Menuoption)來(lái)設(shè)置求解控制選項(xiàng)。關(guān)于求解控制對(duì)話框的總體情況，見ANSYS Basic Analysis Guide3.11。2.3.2.1進(jìn)入求解控制對(duì)話框用戶可通過(guò)選擇(Main MenuSolution -Analysis Type- Soln Control)進(jìn)入求解控制對(duì)話框。下面諸小節(jié)簡(jiǎn)要論述該對(duì)話框中各標(biāo)簽的選項(xiàng)。關(guān)于如何設(shè)置這些選項(xiàng)，可在按該標(biāo)簽的 Help 按鈕進(jìn)入幫助系統(tǒng)，得到詳細(xì)介紹。2.3.2.2Basic標(biāo)簽在求解控制對(duì)話框中共有五個(gè)標(biāo)簽，這些標(biāo)簽按從基本到高級(jí)的順序排列。根據(jù)這種排列方式，可使求解設(shè)置較為平順。在進(jìn)入求解控制對(duì)話框時(shí)，缺省

13、激活的是Basic標(biāo)簽。Basic標(biāo)簽中的設(shè)置，提供了分析中所需的最少數(shù)據(jù)。一旦在Basic標(biāo)簽中的設(shè)置滿足以后，就不需要設(shè)置其他標(biāo)簽中的選項(xiàng)，除非因?yàn)橐M(jìn)行高級(jí)控制而修改其他缺省設(shè)置。按 OK 按鈕以后，設(shè)置存儲(chǔ)到ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)，并關(guān)閉對(duì)話框。用戶可以在Basic標(biāo)簽中設(shè)置的選項(xiàng)如 表2-1 所示。有關(guān)詳細(xì)說(shuō)明見該標(biāo)簽的Help幫助系統(tǒng)。表2-1選項(xiàng)詳細(xì)信息指定分析類型ANTYPE,NLGEOMANSYS Basic Analysis Guide1.2.6.1ANSYS Basic Analysis Guide8ANSYS Basic Analysis Guide3.16控制時(shí)間設(shè)置，包括

14、載荷步結(jié)束的時(shí)間TIME,自動(dòng)時(shí)間步AUTOTS,在一個(gè)載荷步中的子步數(shù)NSUBST或DELTIMANSYS Basic Analysis Guide2.4ANSYS Basic Analysis Guide2.7.1設(shè)置寫到數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)果數(shù)據(jù)OUTRESANSYS Basic Analysis Guide2.7.4在靜力分析中需要特別注意的選項(xiàng)主要有：在設(shè)置 ANTYPE 和 NLGEOM 時(shí)，如進(jìn)行一個(gè)新的分析并忽略大變形效應(yīng)(如大撓度、大轉(zhuǎn)角、大應(yīng)變)時(shí)，請(qǐng)選擇“Small Displacement Static”項(xiàng)。如預(yù)期有大撓度(如彎曲的長(zhǎng)細(xì)桿)或大應(yīng)變(如金屬成形問(wèn)題)，則選擇“L

15、arge Displacement Static”。如想重啟動(dòng)一個(gè)失敗的非線性分析，或者用戶已進(jìn)行了完整的靜力分析，而想指定其他載荷，則選擇“Restart Current Analysis”項(xiàng)。在設(shè)置 TIME 時(shí)，記住這個(gè)載荷步選項(xiàng)指定該載荷步結(jié)束的時(shí)間，缺省值為1。對(duì)于后續(xù)的載荷步，缺省為1加上前一個(gè)載荷步指定的時(shí)間。雖然在靜力分析(除蠕變、粘塑性或其他率相關(guān)材料行為外)中，時(shí)間沒有物理意義，但可以用于追蹤時(shí)間步和子步，見ANSYS Basic Analysis Guide2。在設(shè)置OUTRES時(shí)，請(qǐng)記?。喝笔r(shí)只有1,000個(gè)結(jié)果集記錄到結(jié)果文件(Jobname.RST)中，如果超過(guò)這

16、一數(shù)目(基于用戶的 OUTRES 設(shè)置)，程序?qū)⒊鲥e(cuò)停機(jī)?？梢酝ㄟ^(guò) /CONFIG,NRES 命令來(lái)增大這一限值，見ANSYS Basic Analysis Guide20。2.3.2.3Transient標(biāo)簽Transient 標(biāo)簽設(shè)置瞬態(tài)分析控制，只有在 Basic 標(biāo)簽中選擇了瞬態(tài)分析時(shí)才能激活這一標(biāo)簽，如果在 Basic 標(biāo)簽中選擇了靜態(tài)分析，則這一標(biāo)簽不能設(shè)置。所以在這里暫不討論。2.3.2.4Soln Options標(biāo)簽Soln Options 標(biāo)簽用于設(shè)置 表2-2 所列的選項(xiàng)。詳細(xì)說(shuō)明可從Help按鈕進(jìn)入幫助系統(tǒng)而得到。表2-2選項(xiàng)參見ANSYS Basic Analysis

17、Guide指定方程求解器EQSLV3.23.10對(duì)于多重啟動(dòng)指定參數(shù)RESCONTROL3.16.2在靜力分析中設(shè)置 EQSLV 時(shí)，選擇下列求解器之一：程序選擇求解器(ANSYS 將根據(jù)問(wèn)題的領(lǐng)域自動(dòng)選擇一個(gè)求解器)；稀疏矩陣求解器(對(duì)線性和非線性、靜力和完全瞬態(tài)分析，為缺省項(xiàng))；PCG求解器(對(duì)于大模型/高波前，巨形結(jié)構(gòu)推薦使用)；AMG的求解器(其應(yīng)用與PCG求解器相同，但提供并行算法；在用于多處理器環(huán)境時(shí)，轉(zhuǎn)向更快)；DDS求解器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在多處理器系統(tǒng)中提供并行算法；迭代求解器(自動(dòng)選擇；只適用于線性靜力/完全瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析，或穩(wěn)態(tài)溫度分析；推薦)；波前直接求解器。注意-AMG 和 D

18、DS 求解器，是ANSYS并行算法的一部分，需要單獨(dú)購(gòu)買。見ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide9。2.3.2.5Nonlinear標(biāo)簽Nonlinear 標(biāo)簽用于設(shè)置 表2-3 所列的選項(xiàng)。詳細(xì)內(nèi)容可通過(guò)Help按鈕進(jìn)入幫助系統(tǒng)。表2-3選項(xiàng)參見ANSYS Basic Analysis Guide激活線性搜索LNSRCH8.5.2.8.58.10.2.3激活DOF解的預(yù)測(cè)PRED8.5.2.8.4指定每個(gè)子步的最大迭代次數(shù)NEQIT8.5.2.8.3指明是否包括蠕變計(jì)算RATE8.3.1.58.5.3.2.1設(shè)置收斂準(zhǔn)則CNVTOL8.5.2.8.

19、2控制二分CUTCONTROL8.5.2.8.62.3.2.6Advanced NL標(biāo)簽Advanced NL 標(biāo)簽用于設(shè)置 表2-4 所列的選項(xiàng)。詳細(xì)內(nèi)容見該標(biāo)簽中的Help幫助系統(tǒng)。表2-4選項(xiàng)參見ANSYS Basic Analysis Guide指定分析結(jié)束準(zhǔn)則NCNV8.5.2.8.3激活和終止弧長(zhǎng)法控制ARCLEN,ARCTRM8.10.2.42.3.3設(shè)置其他求解選項(xiàng)本節(jié)討論求解的其他選項(xiàng)的設(shè)置。由于很少用到這些選項(xiàng)，并且一般都采用其缺省設(shè)置，因此這些選項(xiàng)沒有出現(xiàn)在求解控制對(duì)話框中。本節(jié)中許多選項(xiàng)是非線性選項(xiàng)，將在ANSYS Structural Analysis Guide8進(jìn)

20、一步討論。2.3.3.1 應(yīng)力剛度效應(yīng)一些單元，如 18X 族單元，不論 SSTIF 如何，都包括了應(yīng)力剛度效應(yīng)。為了確定一個(gè)單元是否包括應(yīng)力剛度，請(qǐng)見ANSYS Element Reference Manual說(shuō)明。在缺省時(shí)，如果 NLGEOM 為 ON 的話，應(yīng)力剛度效應(yīng)為 ON。在下面的這些特殊情況下，用戶可能會(huì)關(guān)閉應(yīng)力剛度效應(yīng)：應(yīng)力剛度僅與非線性分析相關(guān)。如果進(jìn)行線性分析NLGEOM,OFF，則可以關(guān)閉應(yīng)力剛度。在分析之前，用戶知道結(jié)構(gòu)不會(huì)因屈曲(分叉或跳躍屈曲)而破壞。通常，包括應(yīng)力剛度效應(yīng)時(shí)，可以加速非線性分析收斂。請(qǐng)記住上面所述的各點(diǎn)，用戶可能對(duì)一些看起來(lái)收斂困難的特殊問(wèn)題，選擇

21、關(guān)閉應(yīng)力剛度效應(yīng)，如局部破壞。命令：SSTIFGUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options2.3.3.2Newton-Raphson選項(xiàng)這一選項(xiàng)只能用于非線性分析中，它說(shuō)明在求解時(shí)如何修正切線剛度矩陣。用戶可以選下列選項(xiàng)之一：程序選擇；完全；修正；初始剛度；完全并且非對(duì)稱矩陣。命令：NROPT2.3.3.3預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算通過(guò)這一選項(xiàng)在同一模型中執(zhí)行預(yù)應(yīng)力分析，如預(yù)應(yīng)力模態(tài)的分析。缺省值為 OFF。注意-應(yīng)力剛度效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算都控制應(yīng)力剛度矩陣的生成，因此在一個(gè)分析中不能同時(shí)采用。如二者都指定，則最后選項(xiàng)將覆蓋前者。命令：PSTR

22、ESSGUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options2.3.3.4質(zhì)量矩陣公式通過(guò)該選項(xiàng)在結(jié)構(gòu)中施加慣性載荷(如重力或旋轉(zhuǎn)載荷)。可以指定下列選項(xiàng)之一：缺省(與單元類型有關(guān))；集中質(zhì)量近似。注意-對(duì)于靜力分析，用戶所用的質(zhì)量矩陣并不明顯影響求解精度(假設(shè)網(wǎng)格密度足夠)。然而，如果想在同一模型上作預(yù)應(yīng)力動(dòng)力分析，選擇質(zhì)量矩陣公式就很重要；參見動(dòng)力分析的有關(guān)章節(jié)。命令：LUMPMGUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options2.3.3.5參考溫度這個(gè)載荷步選項(xiàng)適用于溫度應(yīng)變計(jì)算?？捎?/p>

23、MP,REFT命令來(lái)設(shè)置材料相關(guān)的參考溫度。命令：TREFGUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherReference Temp2.3.3.6模態(tài)數(shù)這個(gè)載荷步選項(xiàng)用于軸對(duì)稱簡(jiǎn)諧單元。命令：MODEGUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherFor Harmonic Ele2.3.3.7蠕變準(zhǔn)則這個(gè)非線性載荷步選項(xiàng)為自動(dòng)時(shí)間步指定蠕變準(zhǔn)則。命令：CRPLIMGUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-NonlinearCreep Criterion2.3.

24、3.8輸出選項(xiàng)這個(gè)載荷步選項(xiàng)用于指定在輸出文件(Jobname.out)中包括任意結(jié)果數(shù)據(jù)。命令：OUTPRGUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout 警告-應(yīng)用多個(gè) OUTPR 命令時(shí)，有時(shí)可能會(huì)有一些沖突，見ANSYS Basic Analysis Guide2.7.4。2.3.3.9外插應(yīng)用這個(gè)載荷步選項(xiàng)，可以通過(guò)把單元積分點(diǎn)結(jié)果拷貝到節(jié)點(diǎn)上，而不是通過(guò)外插(存在材料非線性時(shí)，這是缺省設(shè)置)。命令：ERESXGUI：Main MenuSolutionUnabridged Men

25、u-Load Step Opts-Output CtrlsIntegration Pt2.3.4施加載荷設(shè)置了求解選項(xiàng)以后，就可以對(duì)模型施加載荷了。2.3.4.1載荷類型下面列出的所有載荷類型，都可應(yīng)用于靜力分析中。2.3.4.1.1位移(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)這些自由度約束常施加到模型邊界上，用以定義剛性支承點(diǎn)。它們也可以用于指定對(duì)稱邊界條件以及已知運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)。由標(biāo)號(hào)指定的方向是按照節(jié)點(diǎn)座標(biāo)系定義的。2.3.4.1.2力(FX,FY,FZ) 和力矩(MX,MY,MZ)這些集中力通常在模型的外邊界上指定。其方向是按節(jié)點(diǎn)座標(biāo)系定義的。2.3.4.1.3壓力 (PRES)這

26、是表面載荷，通常作用于模型的外部。正壓力為指向單元面（起到壓縮的效果）。2.3.4.1.4溫度(TEMP)溫度用于研究熱膨脹或熱收縮(即溫度應(yīng)力)。如果要計(jì)算熱應(yīng)變的話，必須定義熱膨脹系數(shù)。用戶可以從熱分析LDREAD中讀入溫度，或者直接指定溫度(通過(guò) BF 族命令)。2.3.4.1.5流(FLUE)用于研究膨脹(由于中子流或其他原因而引起的材料膨脹)或蠕變的效應(yīng)。只在輸入膨脹或蠕變方程時(shí)才能使用。2.3.4.1.6重力、旋轉(zhuǎn)等整個(gè)結(jié)構(gòu)的慣性載荷。如果要計(jì)算慣性效應(yīng)，必須定義密度(或某種形式的質(zhì)量)。2.3.4.2在模型上施加載荷除了與模型無(wú)關(guān)的慣性載荷以外，用戶可以在模型的幾何實(shí)體(關(guān)鍵點(diǎn)、

27、線、面)或在有限元模型(節(jié)點(diǎn)和單元)上定義載荷。用戶還可以通過(guò) TABLE 類型的數(shù)組參數(shù)(見2.3.4.2.1)施加邊界條件或作為函數(shù)的邊界條件(見2.6.15)。表2-5 匯總了靜力分析可以使用的載荷。在一個(gè)分析中，可以施加、刪除、操作或列表載荷。表2-5載荷類型分類定義這些荷在的命令和菜單位移(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)約束ANSYSBasicAnalysisGuide2.6.3力、力矩(FX,FY,FZ,MX,MY,MZ)力ANSYSBasicAnalysisGuide2.6.6壓力(PRES)面載荷ANSYSBasicAnalysisGuide2.6.7溫度(T

28、EMP)、流(FLUE)體載荷ANSYSBasicAnalysisGuide2.6.8重力、旋轉(zhuǎn)等慣性載荷ANSYSBasicAnalysisGuide2.6.92.3.4.2.1應(yīng)用TABLE類數(shù)組參數(shù)施加載荷用戶可以通過(guò) TABLE 類數(shù)組參數(shù)施加載荷。對(duì)于應(yīng)用表格邊界條件，參見ANSYS Basic Analysis Guide2.6.14。在結(jié)構(gòu)分析中，有效的初變量有時(shí)間(TIME)、溫度(TEMP)和位置(X,Y,Z)。定義隨時(shí)間(TIME)變化的一維表時(shí)，時(shí)間必須為升序排列。用戶可以通過(guò)命令或交互式定義表格數(shù)組參數(shù)。具體操作參見ANSYS APDL Programmers Guid

29、e。2.3.4.3計(jì)算慣性解除用戶可以通過(guò)靜力分析來(lái)執(zhí)行慣性解除計(jì)算，即計(jì)算與施加載荷反向平衡的加速度。用戶可以把慣性解除想象成一個(gè)等價(jià)自由體分析。要在 SOLVE 命令之前應(yīng)用這一命令作為慣性載荷命令的一部分。模型應(yīng)當(dāng)滿足下面的要求：模型不應(yīng)當(dāng)包括軸對(duì)稱單元、子結(jié)構(gòu)、或非線性。不推薦使用混合2D和3D單元的模型。對(duì)于梁?jiǎn)卧?BEAM23、BEAM24、BEAM44和BEAM54)以及分層單元(SHELL91、SHELL99、SOLID46和SOLID191)，忽略偏置和楔形效應(yīng)。也忽略層狀單元的不對(duì)稱分層效應(yīng)。把楔形變截面單元分解成數(shù)個(gè)單元將得出更精確的結(jié)果。必須提供質(zhì)量計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，如密

30、度。提供所需的最少位移約束，即保證不發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)即可。對(duì)于2D單元需要三個(gè)約束(根據(jù)單元類型，可能更少)，對(duì)于3D單元只需要6個(gè)約束(根據(jù)單元類型，可能更少)。附加的約束，如對(duì)稱邊界條件也是允許的，但必須對(duì)所有約束檢查0反力，以確保在慣性解除分析中不出現(xiàn)過(guò)約束。應(yīng)當(dāng)指定對(duì)于慣性解除計(jì)算合適的載荷。命令：IRLE,1GUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherInertia Relief2.3.4.3.1慣性解除的輸出通過(guò) IRLIST 命令來(lái)打印慣性解除計(jì)算的輸出。該輸出包括平衡施加載荷所需要的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，而且可用于其他程序來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。質(zhì)量和

31、慣性矩列表匯總是精確解(求解時(shí)產(chǎn)生)，而不是近似解。約束反力將為0，因?yàn)樗?jì)算的慣性力與外力平衡。慣性解除輸出存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，而不是結(jié)果文件(Jobname.RST)，在用戶執(zhí)行 IRLIST 命令時(shí)，ANSYS 從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)信息，輸出數(shù)據(jù)庫(kù)中最新保存求解SOLVE 或PSOLVE的慣性解除。命令：IRLISTGUI：無(wú)2.3.4.3.2部分慣性解除計(jì)算用戶還可以通過(guò)部分求解方法PSLOVE作部分慣性解除計(jì)算，如下面的例子所示：/PREP7.MP,DENS,. ! Generate model, define density.FINISH/SOLUD,. ! Specify only mi

32、nimum no. of constraintsF,. ! Other loadsSF,.OUTPR,ALL,ALL ! Activates printout of all itemsIRLF,1 ! Can also be set to -1 for precise mass and! load summary only, no inertia reliefPSOLVE,ELFORM ! Calculates element matricesPSOLVE,ELPREP ! Modifies element matrices and calculates ! inertia relief te

33、rmsIRLIST ! Lists the mass summary and total load summary tablesFINISH有關(guān) OUTPR,IRLF,IRLIST,PSOLVE 等命令的詳細(xì)介紹見ANSYS Commands Reference。2.3.4.3.3通過(guò)宏來(lái)執(zhí)行慣性解除計(jì)算如用戶經(jīng)常要執(zhí)行慣性解除計(jì)算，可以寫一個(gè)包含上述命令的宏。參見ANSYS APDL Programmers Guide。2.3.5求解現(xiàn)在可以進(jìn)行求解。1、把數(shù)據(jù)庫(kù)保存為一個(gè)文件作為備份。在以后需要時(shí)，可重新進(jìn)入 ANSYS 并用 RESUME 命令恢復(fù)模型。命令：SAVE GUI：Utili

34、ty MenuFileSave as2、開始計(jì)算 命令：SOLVE GUI：Main MenuSolution-Solve-Current LS3、如果分析中包括其他載荷條件(即多個(gè)載荷步)，則應(yīng)重新施加載荷，指定載荷步選項(xiàng)，保存并求解每一個(gè)載荷步。在ANSYS Basic Analysis Guide中,還論述了多載荷步的其他操作方法。4、退出求解 命令：FINISH GUI：關(guān)閉求解菜單。2.3.6檢查分析結(jié)果靜力分析結(jié)果保存于結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件(Jobname.RST)中，包括以下內(nèi)容：1、基本解 節(jié)點(diǎn)位移(UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ)。2、導(dǎo)出解節(jié)點(diǎn)和單元應(yīng)

35、力；節(jié)點(diǎn)和單元應(yīng)變；單元力；節(jié)點(diǎn)反力；等等。2.3.6.1后處理可以用一般后處理器 POST1 和時(shí)程后處理器 POST26，來(lái)進(jìn)行后處理，查看結(jié)果。POST1 用于對(duì)整個(gè)模型在某一子步(時(shí)間點(diǎn))上的結(jié)果進(jìn)行檢查，下面會(huì)解釋一些 POST1 的操作。POST26 用于非線性靜力分析中跟蹤整個(gè)載荷作用歷程上的特定結(jié)果，參見ANSYS Basic Analysis Guide8。對(duì)于 POST26 的完整說(shuō)明，參見ANSYS Basic Analysis Guide4。2.3.6.2注意事項(xiàng)為了用 POST1 和 POST26 檢查結(jié)果，在數(shù)據(jù)庫(kù)中必須包括與求解時(shí)相同的模型；結(jié)果文件 Jobnam

36、e.RST 必須存在。2.3.6.3檢查結(jié)果數(shù)據(jù)1、從數(shù)據(jù)庫(kù)文件中讀入數(shù)據(jù) 命令：RESUME GUI：Utility MenuFileResume from2、讀入適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果集。用載荷步、子步或時(shí)間來(lái)區(qū)分結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)集。如果用戶所指定的時(shí)間值不存在相應(yīng)的結(jié)果，則 ANSYS 將根據(jù)全部數(shù)據(jù)通過(guò)線性插值得到該時(shí)間點(diǎn)上的結(jié)果。命令：SETGUI：Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step3、執(zhí)行必要的 POST1 操作。下面將討論典型的靜力分析中 POST1 的操作方法。2.3.6.4典型的后處理操作1、顯示變形圖應(yīng)用 PLDISP命令(

37、Main MenuGeneral Postproc Plot Results Deformed Shape)來(lái)顯示變形圖。PLDISP 命令的 KUND 參數(shù)給用戶可以在原始圖上迭加變形圖。2、列出反力和反力矩通過(guò)PRESOL命令(Main MenuGeneral PostprocList Results Reaction Solu)列出約束節(jié)點(diǎn)的反力和力矩。為了顯示反力，執(zhí)行 /PBC,RFOR,1，然后顯示所需的節(jié)點(diǎn)或單元(NPLOT 或 EPLOT 命令)。如要顯示反力矩，則用 RMOM 代替 RFOR。3、列出節(jié)點(diǎn)力和力矩執(zhí)行 PRESOL,F(或M) 命令(Main MenuGene

38、ral PostprocList Results Element Solution)列出節(jié)點(diǎn)力和力矩。也可以列出所選擇的節(jié)點(diǎn)集的所有節(jié)點(diǎn)的力和力矩。首先選擇節(jié)點(diǎn)集，然后列出作用于這些節(jié)點(diǎn)上的所有力。命令：FSUMGUI：Main MenuGeneral PostprocNodal CalcsTotal Force Sum用戶也可以在每個(gè)已選擇的節(jié)點(diǎn)上檢查所有力和力矩。對(duì)于處于平衡狀態(tài)的實(shí)體，除載荷作用點(diǎn)和存在反力的節(jié)點(diǎn)以外的所有節(jié)點(diǎn)上，其總載荷為0：命令：NFORCEGUI：Main MenuGeneral PostprocNodal CalcsSum Each NodeFORCE命令(Mai

39、n MenuGeneral PostprocOptions for Outp)指明檢查哪個(gè)力分量：全部(缺省)；靜力分量；阻尼分量；慣性力分量。對(duì)于處于平衡狀態(tài)的實(shí)體，除載荷作用點(diǎn)或存在反力載荷的節(jié)點(diǎn)外，其他所有節(jié)點(diǎn)的總載荷為0(應(yīng)用所有 FORCE 分量)。4、線單元結(jié)果對(duì)于線單元(如梁、桿、管)，通過(guò) ETABLE(Main MenuGeneral Postproc Element TableDefine Table)來(lái)取得導(dǎo)出數(shù)據(jù)(如應(yīng)力、應(yīng)變等)。結(jié)果數(shù)據(jù)用一個(gè)標(biāo)號(hào)和一個(gè)序列號(hào)的組合，或用元件名來(lái)區(qū)別。參見ANSYS Basic Analysis GuidePOST1中的 ETABLE

40、 命令的說(shuō)明。5、誤差評(píng)估在實(shí)體和殼單元的線性靜力分析中，通過(guò) PRERR 命令(Main MenuGeneral PostprocList ResultsPercent Error)列出網(wǎng)格離散誤差的評(píng)估值。這個(gè)命令按結(jié)構(gòu)能量模(SEPC)計(jì)算和列出誤差百分比，代表一個(gè)特定的網(wǎng)格離散的相對(duì)誤差。6、結(jié)構(gòu)能量誤差評(píng)估通過(guò) PLESOL,SERR 命令(Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Element Solu)來(lái)計(jì)算單元-單元之間的結(jié)構(gòu)能量誤差(SERR)。在等值線圖中，SERR 較大的區(qū)域是要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的候選區(qū)域(用戶可用

41、 ADAPT 命令自動(dòng)激活網(wǎng)格細(xì)化，參見ANSYS Modeling and meshing Guide)。關(guān)于誤差評(píng)估的更多內(nèi)容請(qǐng)參見ANSYS Basic Analysis Guide5.3.5。7、等值線顯示可通過(guò) PLNSOL和PLESOL 命令(Main MenuGeneral PostprocPlot Results -Contour Plot-Nodal Solu or Element Solu)顯示幾乎所有結(jié)果項(xiàng)的等值線,如應(yīng)力(SX,SY,SZ等)、應(yīng)變(EPELX,EPELY,EPELZ等)和位移(UX,UY,UZ等)。PLNSOL 和 PLESOL 命令的 KUND 域使

42、用戶可以在原始結(jié)構(gòu)上迭加顯示。通過(guò)PLETAB和PLLS命令(Main MenuGeneral PostprocElement TablePlot Element Table 和 Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Line Elem Res)來(lái)顯示單元表數(shù)據(jù)和線單元數(shù)據(jù)。 警告-導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、應(yīng)變，在應(yīng)用 PLNSOL 命令時(shí)為節(jié)點(diǎn)上的平均值。這種平均的結(jié)果對(duì)于不同材料、不同厚度的殼或其他不連續(xù)體時(shí)，會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。為了避免這一問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)用選擇命令(見ANSYS Basic Analysis Guide7)來(lái)選擇相同材料

43、、相同厚度的殼等，然后才能應(yīng)用 PLNSOL 命令。另一個(gè)方法，是應(yīng)用PowerGraphics及 AVRES 命令(GUI：Main Menu General PostprocOptions for Outp)以使在不同材料、不同厚度的殼上不產(chǎn)生平均應(yīng)力。8、矢量顯示通過(guò) PLVECT 命令(Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Vector Plot- Predefined)來(lái)觀察矢量的顯示，通過(guò) PRVECT 命令(Main Menu General PostprocList ResultsVector Data)來(lái)觀察矢量列表。對(duì)于觀察矢量如位移(

44、DISP)、轉(zhuǎn)角(ROT)、主應(yīng)力(S1，S2，S3)，矢量顯示(不要與矢量模態(tài)混淆)是一種有效的辦法。9、表格列示通過(guò)下列命令來(lái)進(jìn)行表格列示：命令：PRNSOL(節(jié)點(diǎn)結(jié)果)PRESOL(單元-單元之間結(jié)果)PRRSOL(反力)等GUI：Main MenuGeneral PostprocList Resultssolution option在列表前,通過(guò) NSORT 和 ESORT 命令(Main MenuGeneral Postproc List Results-Sorted Listing-Sort Nodes or Sort Elems)進(jìn)行數(shù)據(jù)排序。10、其他后處理功能在POST1中,

45、 還可以應(yīng)用許多其他后處理功能，如影射結(jié)果到路徑上、載荷工況組合等，參見ANSYS Basic Analysis Guide4。2.4靜力分析示例(GUI方法)2.4.1 問(wèn)題描述一個(gè)六角扳手(截面高度10 mm)，在端部作用 100 N 的力，同時(shí)還作用向下的力 20 N。分析板手在這兩種載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度。2.4.2 幾何和材料特性截面高度 = 10 mm；形狀=六角形；長(zhǎng)度 = 7.5 cm；把手長(zhǎng)度 = 20 cm；彎曲半徑 = 1 cm；彈性模量 = 2.07E11 Pa；扭曲載荷 = 100 N；向下載荷 = 20 N。2.4.3 求解圖1 六角板手示意圖2.4.3.1 設(shè)置分析

46、標(biāo)題1、選擇“Utility MenuFileChange Title”。2、輸入“Static Analysis of an Allen Wrench”并按“OK”。2.4.3.2 設(shè)置單位1、點(diǎn)擊“ANSYS Input window”右下角。2、輸入“/UNITS,SI”命令然后按回車。注意在“ANSYS Input window”的輸入行上方出現(xiàn)了這個(gè)命令。3、選擇“Utility MenuParametersAngular Units”，出現(xiàn)“Angular Units for Parametric Functions”對(duì)話框。4、在其中選擇“Degrees DEG”。5、按“OK”

47、。2.4.3.3 定義參數(shù)1、選擇“Utility MenuParametersScalar Parameters”。出現(xiàn)“Scalar Parameters”對(duì)話框。2、輸入下表的參數(shù)。在定義每個(gè)參數(shù)后按“Accept”按鈕。參數(shù)值描述EXX2.07E11Youngs modulusis 2.07E11PaW_HEX.01Width of hexacross flats=.01mW_FLATW_HEX*TAN(30)Width of flat=.0058mL_SHANK.075Length of shank(shortend).075mL_HANDLE.2Length of handle(l

48、ongend).2mBENDRAD.01Bend radius.01mL_ELEM.0075Element length.0075mNO_D_HEX2Number of divisions along hexflat=2TOL25E-6Tolerance for selecting node=25E-6m注意-可以用大寫或小寫字母，但ANSYS總是用大寫顯示。3、按“Close”。4、在ANSYS工具條中按“SAVE_DB”按鈕。 2.4.3.4 定義單元類型1、選擇“Main MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete”。2、按“Add”，出現(xiàn)“

49、Library of Element Types”對(duì)話框。3、在左邊選擇“Structural Solid”。4、在右邊選擇“Brick 8node 45”。5、按“Apply”按鈕把它定義為單元類型1。6、在對(duì)話框右邊選“Quad 4node 42”。7、按“OK”把它定義為單元類型2。并關(guān)閉對(duì)話框。8、在“Element Types”對(duì)話框中按“Close”按鈕。2.4.3.5定義材料特性1、選擇“Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models”，出現(xiàn)“Define Material Model Behavior”對(duì)話框。2、在“Mat

50、erial Models Available”窗口中，選擇“Structural- Linear-Elastic-Isotropic，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框。3、在“EX域”輸入字符EXX，然后按“OK”，現(xiàn)在在左邊的“Material Models Defined”窗口中出現(xiàn)“Material Model Number 1”。4、選擇“MaterialExit”退出“Define Material Model Behavior”對(duì)話框。2.4.3.6 建立六角形截面1、選擇“Main MenuPreprocessor-Modeling- Create -Areas- Polygon By Side

51、Length”，出現(xiàn)“Polygon by Side Length”對(duì)話框。2、輸入“number of sides”6。3、輸入邊長(zhǎng)W_FLAT。4、按“OK”。現(xiàn)在圖形窗口出現(xiàn)六角形。2.4.3.7 沿路徑建立關(guān)鍵點(diǎn)1、選擇“Main MenuPreprocessor-Modeling- Create KeypointsIn Active CS”。出現(xiàn)“Create Keypoints in Active Coordinate System”對(duì)話框。2、輸入關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)7。在X，Y，Z域全部輸入0。3、按“Apply”。4、輸入關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)8。5、在X，Y，Z域全部輸入0,0,-L_SHANK，然

52、后按“ Apply”。6、輸入關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)9。7、在X，Y，Z域全部輸入0,L_HANDLE,-L_SHANK，然后按“OK”。2.4.3.8 沿路徑建立線1、選擇“Utility MenuPlotCtrlsWindow ControlsWindow Options”。出現(xiàn)“Window Options”對(duì)話框。2、在下拉菜單中選“At top left”。3、按“OK”。4、選擇“Utility MenuPlotCtrlsPan/Zoom/Rotate”，出現(xiàn)“Pan-Zoom-Rotate”對(duì)話框。5、按“Iso”，然后按“Close”。6、選擇“Utility MenuPlotCtrlsVi

53、ew SettingsAngle of Rotation”。出現(xiàn)“Angle of Rotation”對(duì)話框。7、輸入90度。8、在“Axis of rotation”中選”Global Cartes X“。9、按”O(jiān)K“。10、選擇“Utility MenuPlotCtrlsNumbering”。出現(xiàn)“Plot Numbering Controls”對(duì)話框。11、按“Keypoint numbers”方框打開它。12、按“Line numbers”方框打開它。13、按“OK”。14、選擇“Main MenuPreprocessor-Modeling- Create -Lines- Lines

54、Straight Line”。出現(xiàn)“Create Straight Line”拾取菜單。15、在關(guān)鍵點(diǎn)4和1上拾取，在這兩個(gè)點(diǎn)之間建立一根線。16、在關(guān)鍵點(diǎn)7和8上拾取，在這兩個(gè)點(diǎn)之間建立一根線。17、在關(guān)鍵點(diǎn)8和9上拾取，在這兩個(gè)點(diǎn)之間建立一根線。18、按“OK”。2.4.3.9 為板嘴和把手建立線1、選擇“Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Lines-Line Fillet”。出現(xiàn)“Line Fillet”拾取菜單。2、在線8和9上拾取。3、按“OK”。出現(xiàn)“Line Fillet”對(duì)話框。4、在“Fillet radius”中輸入BENDRAD ，按“OK”。5、在工具條中按“SAVE_DB”。2.4.3.10 剪裁六角形截面在這一步，要把六角形截面剪裁成兩個(gè)四邊形，以滿足映射分網(wǎng)的需要。1、選擇“Utility MenuPlotCtrlsNumbering”。出現(xiàn)“Plot Numbering Controls”對(duì)話框。2、按“Keypoint numbers”方框關(guān)閉之。3、按“OK”。4、選擇“Utility MenuPlotAreas”。5、選擇“Main MenuPreprocessor-Modeling-Operate -Bool