ANSYS加載與求解(第3章)

1、第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué) 在建立有限元模型之后，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中的應(yīng)用情況為其指定位移邊界和載荷，并選擇合適的求解器對(duì)其求解。3.1 載荷的基本概念 有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)對(duì)一定載荷條件的響應(yīng)。因此在分析中指定合適的載荷條件也是關(guān)鍵的一步。在ANSYS的術(shù)語(yǔ)中，載荷(Loads)包括邊界條件和外部或者內(nèi)部作用力。在不同的學(xué)科中，載荷的具體含義也不盡相同，下面為不同學(xué)科中所指的載荷術(shù)語(yǔ)。結(jié)構(gòu)分析：位移、力、壓力、溫度、重力；熱力分析：磁場(chǎng)、熱流速率、對(duì)流、內(nèi)部熱生成、無(wú)限表面等；磁場(chǎng)分析：磁場(chǎng)、磁通量、磁場(chǎng)段、源流密度、無(wú)限表面；電場(chǎng)分析：電勢(shì)（電壓）、電流、電荷、

2、電荷密度、無(wú)限表面等；流體分析：流速、壓力等對(duì)不同學(xué)科的載荷而言，程序中的載荷可以分為六類：DOF constraint(DOF約束）:定義結(jié)點(diǎn)的自由度值，也就是將某個(gè)自由度賦予一個(gè)已知值。在結(jié)構(gòu)分析中該約束被指定為位移和對(duì)稱邊界條件；在熱力分析中被指定為溫度和熱通量平行的邊界條件。3.1.1 關(guān)于載荷的一些概念第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)Force（集中載荷或力載荷）：施加于模型結(jié)點(diǎn)上的集中載荷。在結(jié)構(gòu)分析中被指定為力和力矩；在熱分析中為熱流速率；在磁場(chǎng)分析中為電流段。Surface load(表面載荷)：為施加于模型某個(gè)表面上的分布載荷。在結(jié)構(gòu)分析中被指定為壓力；在熱分析中為對(duì)流和

3、熱通量。Body load(體積載荷)：為施加于模型上的體積載荷或者場(chǎng)載荷。在結(jié)構(gòu)分析中為溫度；熱力分析中為熱生產(chǎn)率。Inertia load（慣性載荷）：由物體的慣性引起的載荷，如重力加速度、角速度、角加速度。主要在結(jié)構(gòu)分析中使用。Coupled-field loads（耦合場(chǎng)載荷）：為以上載荷的一種特殊情況，是從一種分析得到的結(jié)果作為另一種分析的載荷。例如可以施加磁場(chǎng)分析中計(jì)算的磁力作為結(jié)構(gòu)分析中的力載荷。3.1.2 載荷步和子步1)載荷步(load step):載荷步就是我們平時(shí)講的分步施加加載荷，以模擬真實(shí)的載荷配置。左圖所示顯示了一個(gè)需要三個(gè)載荷步的載荷歷程曲線：第一個(gè)載荷步用于線性

4、載荷，第二個(gè)載荷步用于不變載荷，第三個(gè)載荷步用于卸載。載荷值在載荷部的結(jié)束點(diǎn)達(dá)到全值。TimeLoad第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)2)載荷子步子步(Sub step):將一個(gè)載荷步分成幾個(gè)子步施加載荷。3)時(shí)間的作用在所有靜態(tài)和瞬態(tài)分析中，ANSYS使用時(shí)間作為跟蹤參數(shù)，而不論分析是否依賴于時(shí)間。在指定載荷歷程時(shí)，在每個(gè)載荷步的結(jié)束點(diǎn)賦予時(shí)間值。時(shí)間也可作為一個(gè)識(shí)別載荷步和載荷子步的計(jì)算器。這樣計(jì)算得到的結(jié)果也將是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，只不過(guò)在靜力分析中，時(shí)間取為常量0；在瞬態(tài)分析中，時(shí)間作為表示真實(shí)時(shí)間歷程的變量在變化；在其它分析中，時(shí)間僅作為一個(gè)計(jì)算器識(shí)別求解時(shí)所采用的不同載荷步。從時(shí)

5、間的概念上講，載荷步就是作用在給定時(shí)間間隔內(nèi)的一系列載荷；子步為載荷步中的時(shí)間點(diǎn)，并在這些點(diǎn)上求得中間解。3.1.3 載荷的方式及其優(yōu)缺點(diǎn)在ANSYS程序中，用戶可以把載荷施加在實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線、面體等）上，也可以施加在有限元模型（結(jié)點(diǎn)、單元）上。這兩種情況各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 (1)施加在實(shí)體模型上優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)圖形拾取來(lái)加載時(shí)，因?yàn)閷?shí)體較少，所以施加載荷簡(jiǎn)易；模型載荷獨(dú)立于有限元網(wǎng)格之外，這樣就不必因?yàn)榫W(wǎng)格重新劃分而重新加載。第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)缺點(diǎn)：不能顯示所有的實(shí)體模型載荷；關(guān)鍵點(diǎn)上的載荷很難施加。在開始求解時(shí)，實(shí)體模型載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到有限元模型。(2)施加在有限元模型上

6、優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)檩d荷可以直接施加在主結(jié)點(diǎn)上，所以在簡(jiǎn)化分析時(shí)不會(huì)有任何問(wèn)題；可用簡(jiǎn)單地選取所需要的結(jié)點(diǎn)，并直接指定約束條件。缺點(diǎn)：任何對(duì)于有限元網(wǎng)格的修改都使載荷無(wú)效，需要?jiǎng)h除先前的載荷并在新網(wǎng)格上重新施加載荷；不方便處理線載荷和面載荷，因?yàn)樵瓉?lái)施加在一條線上的載荷需要逐個(gè)結(jié)點(diǎn)來(lái)拾取，原來(lái)施加在一個(gè)面上的載荷需要逐個(gè)單元來(lái)拾取，非常麻煩。在結(jié)構(gòu)分析涉及到的所有載荷中，慣性載荷相對(duì)于整體相對(duì)于整體笛卡兒坐標(biāo)系施加于整個(gè)模型，除此之外，其它載荷既可以施加于實(shí)體圖元（點(diǎn)、線、面），也可以施加在有限元模型上（結(jié)點(diǎn)、單元）。載荷可以進(jìn)行施加(Apply)、刪除(Delete)、運(yùn)算(Operate)。3.2

7、載荷的施加第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)施加載荷可以通過(guò)下列途徑操作：MainPreprocessor|Loads| 或 MainSolution|Loads| 或命令。上頁(yè)圖示菜單為第一種方式。彈出相應(yīng)對(duì)話框后：(1)選擇載荷形式：如Displacement(位移) ,Force/Moment(力和力矩),Pressure(壓力)、Temperature（溫度）等；(2)選擇加載的對(duì)象：如:On Keypoints、On Lines、On Areas、On Nodes、On Element等；(3)指定載荷的方向和數(shù)值3.2.1 施加DOF約束在結(jié)構(gòu)分析中，DOF約束中相應(yīng)的自由度有平

8、移和旋轉(zhuǎn)，共有6個(gè)，即UX、UY、UZ(X、Y、Z方向平動(dòng)自由度）及RTOX、RTOY、RTOZ （X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)平動(dòng)自由度），它可以施加在線上，也可以施加在結(jié)點(diǎn)上。位移方向與軸向相同時(shí)取正值，否則取負(fù)值。DOF的復(fù)雜情況如下：施加對(duì)稱或者反對(duì)稱DOF約束施加耦合DOF約束第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)3.2.2 施加力（集中載荷）在結(jié)構(gòu)分析中，集中載荷包括力（FX、FY、FZ，即在X軸、Y軸、Z軸方向的集中力和力矩（MX、MY、MZ，即繞X軸、Y軸、Z軸的力矩）。它們只能施加在關(guān)鍵點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)上面GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Apply|Displ

9、acement|Force/Moment Main Menu|Solution|Loads|Apply|Displacement|Force/Moment3.2.2 施加表面載荷在結(jié)構(gòu)分析中，表面載荷就是施加的壓力。當(dāng)表面載荷方向指向物體內(nèi)部時(shí)取正值，否則取負(fù)值，ANSYS不僅可以將表面載荷施加在線上、面上，還可以將表面載荷施加在結(jié)點(diǎn)和單元上。集中載荷包括力（FX、FY、FZ，即在X軸、Y軸、Z軸方向的集中力和力矩（MX、MY、MZ，即繞X軸、Y軸、Z軸的力矩）。它們只能施加在關(guān)鍵點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)上面GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Apply|Displacement

10、|Pressure Main Menu|Solution|Loads|Apply|Displacement|PressureANSYS程序給出了兩種表面載荷，一種是均勻分布的表面壓力，還有一種是線性增加的表面壓力，不要搞錯(cuò)第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)3.2.3 施加體積載荷在結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中，體積載荷有溫度和流量?jī)煞N。在ANSYS程序當(dāng)中，體積載荷可以施加在結(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體、單元上GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Apply|Temperature Main Menu|Solution|Loads|Apply| TemperatureGUI：Main

11、 Menu|Preprocessor|Loads|Apply|Other|Fluence Main Menu|Solution|Loads|Apply| Other|Fluence3.2.4 施加慣性力載荷在結(jié)構(gòu)分析中，慣性載荷有加速度、角加速度、角速度等。慣性載荷只有在模型具有質(zhì)量的時(shí)候才有效。GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Apply|Gravity Main Menu|Solution|Loads|Apply| Gravity列表顯示慣性載荷：Utility Menu|List|Status|Solution|InertiaANSYS程序不允許用戶刪除慣

12、性載荷，要取消慣性載荷只需將其值設(shè)為0第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)3.2.5 施加耦合場(chǎng)載荷略3.3 載荷的重新設(shè)置、運(yùn)算(1) 重新設(shè)置載荷ANSYS程序允許用戶重新設(shè)置載荷GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Setting|Replace vs. Add Main Menu|Solution|Loads|Setting| Replace vs. Add(2)按比例放大、縮小載荷第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)第3章 ANSYS加載和求解中南大學(xué)第3章 ANSYS加載和求解中南大