ANSYS應(yīng)力分析講義（63頁清楚明了）

1、應(yīng)力分析 第三講(A)應(yīng)力分析概述應(yīng)力分析 它是用來描述結(jié)果中含有應(yīng)力和應(yīng)變的通用選項。在結(jié)構(gòu)分析中是經(jīng)常用到的。如第二章所講的一樣, ANSYS允許以下幾種形式的應(yīng)力分析:靜力瞬態(tài)動力模態(tài)頻譜諧響應(yīng) 顯式動力學(xué)在本章中, 我們將用一個線性的靜力問題來演示其分析步驟。掌握了這些步驟，您將很快學(xué)會其它的分析。2003年5月應(yīng)力分析概述主題包括:A.分析步驟B. 建模C. 剖分網(wǎng)格D. 加載E. 求解F. 校核結(jié)果G. 檢查求解的有效性H. 練習(xí)2003年5月應(yīng)力分析A. 分析步驟每一個分析包括三個主要步驟:前處理創(chuàng)建或輸入幾何模型對幾何模型剖分網(wǎng)格求解施加荷載求解后處理檢查結(jié)果檢查求解的有效性前

2、處理求解后處理2003年5月應(yīng)力分析分析步驟注意到 ANSYS 的主菜單也是按前處理,求解和后處理。2003年5月應(yīng)力分析分析步驟前處理 (在ANSYS中稱 PREP7 )是您的主要輸入窗口。它的主要用途是生成有限元模型，它包括主要的節(jié)點,單元和材料特性。您也可以用 PREP7 來加載。通常從有限元模型開始。用一個實體模型來代表幾何模型。用一個CAD模式的數(shù)學(xué)模型代替結(jié)構(gòu)的幾何有限元模型。作為模型，可能只包含實體或面。2003年5月一個典型的實體模型是有體,面,線和點定義而成的。體是由面圍成的。 它們代表三維實體。面是由線圍成的。 它們代表實體的表面 也可以是平面或三維面。線是由關(guān)鍵點連接而成

3、的。它們代表物體的邊。關(guān)鍵點位于三維空間中。 它們代表物體的角點。體面線和關(guān)鍵點應(yīng)力分析 -前處理B. 幾何模型2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理幾何模型實體模型中圖元有一個層次關(guān)系。關(guān)鍵點是最低階的圖元，線在關(guān)鍵點上, 面在線之上,體在面之上。無論實體是怎樣建立的，這種層次總是成立的。KeypointsLinesAreasVolumesIll justchangethis lineLinesKeypointsAreasVolumesOOPs!ANSYS 不允許您將連接在高階圖元上的低階圖元修改或刪除。(某些類型的修改是允許的 后面討論)關(guān)鍵點線面體2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理幾何模型您

4、可以在 ANSYS中創(chuàng)建實體模型也可以從其它軟件中輸入。兩種方式的詳細(xì)內(nèi)容將在后面講解。現(xiàn)在, 我們將簡要的討論如何讀取一個 IGES文件以及在需要的情況下改變幾何模型的比例。IGES (Initial Graphics Exchange Specification)是一種將實體模型從一種軟件包輸入到另一種軟件包的途徑。一個 IGES 文件是 由ASCII碼寫成的, 可以在計算機系統(tǒng)中任意轉(zhuǎn)換。大多數(shù)軟件包，包括 ANSYS, 允許您讀取IGES 文件。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理幾何模型讀入IGES 模型:Utility Menu File Import IGES.在這個合成對話框中,

5、 選擇 No defeaturing * (缺省) 然后按 OK (接受其它所有選項)。在第二個對話框中, 選擇想要的文件然后按OK?；蛴?IGESIN 命令:/aux15ioptn,iges,nodefeatigesin,filename,extension,directoryfinish有關(guān) No Defeaturing vs. Defeaturing 方法以及其他選項將在以后講解。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理幾何模型當(dāng)輸入完成時, ANSYS 將自動畫出幾何模型。您可以根據(jù)需要修改模型。ANSYS 允許許多對實體模型的操作,這將在以后講到。現(xiàn)在, 我們將討論如何在不同單位制 之間進

6、行縮放。 (注意: 若在IGES輸入中采用“Defeature” ，“Scaling” 將不可用)2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理幾何模型當(dāng)您需要對幾何模型進行單位轉(zhuǎn)換時，比例縮放是很有用處的,比如從英尺轉(zhuǎn)換為毫米時。在 ANSYS中縮放模型:首先保存數(shù)據(jù)庫 - Toolbar SAVE_DB 或 SAVE命令 。接著 Main Menu Preprocessor Operate Scale Volumes (在模型中選擇可能的高級圖元)Pick All 拾取所有的體再輸入沿 RX, RY, RZ 方向的比例因子然后設(shè)置 IMOVE 為 “Moved” 而取代f “Copied”或用 VLS

7、CALE 命令:vlscale,all,25.4,25.4,25.4,12003年5月應(yīng)力分析 - 前處理幾何模型Demo:讀入pipe.igs:“No Defeaturing” 的方法其它所有缺省設(shè)置模型顯示如圖保存 pipe.db2003年5月應(yīng)力分析 前處理幾何模型前處理幾何模型剖分網(wǎng)格求解加載求解后處理檢查結(jié)果檢查求解的有效性2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理C. 剖分網(wǎng)格剖分網(wǎng)格 是將實體模型用節(jié)點和單元填充, 創(chuàng)建FEA模型。您需要節(jié)點和單元來求有限元的解, 而不是用實體模型。實體模型不參加有限元的求解。Solid modelFEA modelmeshing2003年5月應(yīng)力分析

8、- 前處理剖分網(wǎng)格剖分網(wǎng)格有三步:定義單元屬性設(shè)置剖分控制選項進行剖分單元屬性 是在剖分網(wǎng)格之前您必須建立的有限單元的特征。它們包括:單元類型實常數(shù)材料特性2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格單元類型單元類型是一個很重要的選項因為它決定了以下的單元特性:自由度(DOF)的設(shè)置.例如,一種熱單元類型,有一個自由度: TEMP； 然而一個結(jié)構(gòu)單元類型可能有六個自由度: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ。單元形狀 八面體, 四面體, 四邊形, 三角形, etc.維數(shù) - 2-D (X-Y 平面)，或 3-D.假設(shè)位移形函數(shù) 線性 vs. 二次.您可以從ANSYS的包含有

9、超過 150種的單元類型的單元庫中選取單元。如何正確選取單元類型的詳細(xì)內(nèi)容將在后面討論。現(xiàn)在,讓我們看看怎樣定義單元類型。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格定義單元類型:Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteAdd 增加新的單元類型選擇您需要的類型 (例如 SOLID92) 然后按 OKOptions 定義其它的單元選項或用 ET 命令:et,1,solid922003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格注意:設(shè)置您所需的選項 (Main Menu Preferences) 將只顯示該選項的有效單元類型。您應(yīng)在前處理階段開始時定義單元類型，因為

10、基于當(dāng)前設(shè)置的DOF在GUI中的許多菜單選項將被過濾掉。例如,如果您選擇一個結(jié)構(gòu)單元類型,熱荷載選項將被過濾掉。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格實常數(shù)實常數(shù)是來定義不能被單元幾何模型所完全描述的幾何特性。例如:一個梁單元是用連接兩個節(jié)點的線來定義的。這只定義了梁的長度。要定義梁的截面特性 諸如面積和慣矩，您將需要定義實常數(shù)。一個殼單元是 有一個四邊形或三角形所圍成的面來定義的。這只許定義殼的表面積。如要定義殼的厚度,您需要用到實常數(shù)。大多數(shù) 3-D 實體單元不需要實常數(shù)，因為單元幾何特性已經(jīng)由其節(jié)點完全定義了。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格定義實常數(shù):Preprocess

11、or Real ConstantsAdd 增加一個新的實常數(shù)如果定義了多種單元類型，須對不同的單元類型分別定義相應(yīng)的實常數(shù)。然后鍵入實常數(shù)的值。或用 R 命令系列。不同的單元類型需要不同的實常數(shù),有些不需要實常數(shù)。在在線幫助中查找單元手冊獲取詳細(xì)信息。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格材料特性每種分析均需要輸入一些材料特性: 結(jié)構(gòu)單元的楊氏模量 EX,熱單元的熱傳導(dǎo)系數(shù) KXX 等。有兩種方式來定義材料特性:材料庫自定義特性2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格利用材料庫這種方式允許您選擇一種預(yù)先定義好的材料。ANSYS 提供了一些常用典型的結(jié)構(gòu)和熱的材料（線性）,但是我們建議您創(chuàng)

12、建自己的材料庫。從庫中選擇材料:首先定義材料庫的路徑。Preprocessor Material Props Material Library Library Path輸入路徑以從中讀取材料信息 /ansys57/matlib.或用 /MPLIB 命令2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格然后從庫中輸入材料類型。Preprocessor Material Library Import Library選擇單位制。這將不能進行單位之間的轉(zhuǎn)換。選擇想要的材料文件,如鋼材 AISI C1020.或用 MPREAD 命令中的 LIB選項。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格自定義材料特性不用選

13、擇材料名,直接通過 材料模式的GUI 指定所需的特性。自定義特性:Preprocessor Material Props Material Models雙擊相應(yīng)的材料特性以進行定義2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格通過樹狀圖來定義材料類型。然后鍵入自定義的特征值。或用 MP 命令。mp,ex,1,30e6mp,prxy,1,.32003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格增加溫度特性 繪出溫度特性曲線2003年5月應(yīng)力分析-前處理剖分網(wǎng)格將材料模型從一個表中復(fù)制到另一個表中。刪除材料模型2003年5月應(yīng)力分析-前處理剖分網(wǎng)格單位的注意事項您不需要提示ANSYS正在使用的單位體系。只要確定

14、您所采用的單位，并且保證輸入數(shù)據(jù)的單位是一致的。例如,如果幾何模型的單位是英寸，并且保證其它的輸入數(shù)據(jù) 材料特性,實常數(shù), 荷載等 是以英寸為單位的。ANSYS 不能進行單位轉(zhuǎn)換！它只接受數(shù)據(jù)而不檢驗單位制是否正確。命令/UNITS允許您定義單位制,但它只是一個記錄，目的讓其它用戶知道你建模所采用的單位。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格設(shè)置網(wǎng)格密度是剖分網(wǎng)格的第二步。在 ANSYS中有幾種控制網(wǎng)格密度的方式。下面, 我們將提供一個簡單的定義網(wǎng)格剖分密度的方法,稱為智能網(wǎng)格。智能網(wǎng)格 是一種基于線的長度、曲率、與孔的接近程度等自動對模型的所有線段進行劃分的一種算法。您只要將滾動條設(shè)置在

15、1（最密的網(wǎng)格）到10（最粗的網(wǎng)格）之間，其余工作由 ANSYS 來做。2003年5月應(yīng)力分析-前處理剖分網(wǎng)格MeshTool 是控制網(wǎng)格密度的最好的途徑:Preprocessor MeshTool.智能網(wǎng)格剖分。缺省值為 6。執(zhí)行剖分 是剖分網(wǎng)格的最后一步。首先保存數(shù)據(jù)庫。然后按 Mesh 鍵。這會產(chǎn)生一個拾取操作。按 Pick All 選取所有圖元。2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理剖分網(wǎng)格當(dāng)網(wǎng)格劃分完成之后, ANSYS 將自動顯示單元。單元繪圖的缺省設(shè)置使用直線顯式單元的邊界，即使是二次單元類型也是這樣。如果想顯示單元的曲邊,鍵入 /EFACET,2 (或 Utility Menu P

16、lotCtrls Size and Shape).2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理網(wǎng)格劃分Demo:恢復(fù) pipe.db (如果需要)定義單元類型為 SHELL63定義實常數(shù) 厚度 = 1/8 in用材料模式的 GUI 來定義 Material 1:結(jié)構(gòu), 線性, 彈性, 各向同性楊氏模量 EX = 30e6泊松比 PRXY = .3保存 pipe.db, 然后用 SMRT,4來模型劃分網(wǎng)格保存 pipemesh.db2003年5月應(yīng)力分析 - 前處理劃分網(wǎng)格前處理幾何模型劃分網(wǎng)格求解加載求解后處理檢查結(jié)果檢查求解的有效性2003年5月應(yīng)力分析 - 求解D. 加載求解是要我們在物體上施加荷載

17、讓求解器計算有限元結(jié)果。加載既可在求解菜單也可以在前處理菜單。2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載有五種荷載類型:DOF約束定義 DOF 的值, 例如在應(yīng)力分析中的位移或在熱分析中的溫度位移。集中載荷點荷載, 例如集中力或熱流速率。面荷載由面承擔(dān)的荷載, 例如壓力或?qū)α?。體或場荷載例如溫度(引起的熱傳導(dǎo))或體內(nèi)產(chǎn)生熱量。慣性荷載由于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量或慣性而引起的荷載, 例如重力或由角速度產(chǎn)生的離心慣性力。2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載您可以在實體模型上加載或在FEA模型上加載 (節(jié)點或單元)。在實體模型上加載比較簡單因為要拾取的圖元較少。而且, 實體模型的荷載是獨立的。在重劃網(wǎng)格之后您不需要重

18、新加載。Constraints at nodesFEA modelPressures on element facesForce at nodeConstraint on lineSolid modelPressure on lineForce at keypoint2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載無論您怎樣加載, 求解器都需要將荷載加在有限元模型上。因此,在求解時加在實體模型上的荷載將被自動轉(zhuǎn)化到有限元模型上去。 我們現(xiàn)在將討論如何施加下列類型的結(jié)構(gòu)荷載:位移約束壓力重力2003年5月應(yīng)力分析 求解加載位移約束用來定義模型固定的位置 (零位移位置)。也可以是非零位移,來設(shè)一個已知的偏位。

19、施加位移約束 :Solution -Loads- Apply Displacement選擇您想施加位移的位置。再圖形窗口中拾取圖元。然后選擇約束方向。約束值缺省為零?；蛴?D 命令系列: DK, DL, DA, D.2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載位移約束也被用于施加對稱或反對稱邊界約束。對稱邊界: 面外線位移和面內(nèi)的轉(zhuǎn)角位移被約束。反對稱邊界: 面內(nèi)線位移和面外轉(zhuǎn)角位移被約束。反對稱邊界UY=UZ=0ROTX=0對稱邊界UX=0ROTY=ROTZ=0YX2003年5月壓力施加壓力:Solution -Loads- Apply Pressure選擇您想施加壓力的位置，在2-D模型中通常選擇

20、線, 在 3-D 模型中通常選擇面。在圖形窗口中拾取圖元。然后鍵入壓力值。正值表示 壓力(指向單元的表面)?；蛴?SF 命令系列: SFL, SFA, SFE, SF.應(yīng)力分析 - 求解加載2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載對于一個 2-D 模型, 壓力通常施加在線上, 您可以通過輸入I和J端同一個值來定義一個均布荷載。I 和 J是由線的方向來定義的。如果您發(fā)現(xiàn)坡度方向有誤,只要將兩個壓力數(shù)值顛倒即可。VALI = 500500L3500VALI = 500VALJ = 1000L31000500VALI = 1000VALJ = 500L310005002003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載

21、重力施加重力加速度:Solution -Loads- Apply Gravity或用 ACEL 命令 。注意:一個正的加速度值引起反方向的運動。如果 Y指向上,那么一個正的ACELY 值將引起結(jié)構(gòu)向下運動。密度 (或某種塊體)必須定義重力和其它形式的荷載。2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載校驗載荷畫出載荷:Utility Menu PlotCtrls Symbols命令 - /PBC, /PSF, /PBF 列表荷載:Utility Menu List Loads 2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載修改和刪除荷載修改荷載值, 只要用新值代替舊值即可。刪除荷載:Solution -Loads

22、- Delete 當(dāng)您刪除實體模型的荷載時, ANSYS 將自動刪除有限單元上的荷載。2003年5月應(yīng)力分析 - 求解加載前處理幾何模型網(wǎng)格劃分求解加載求解后處理檢查結(jié)果檢查求解的有效性2003年5月應(yīng)力分析 - 求解E. 求解求解是讓求解器計算有限單元的結(jié)果。首先,檢查和校核您的計算數(shù)據(jù)是必要的,例如:單位一致單元類型, 選項和實常數(shù)材料特性如果有慣性荷載時的密度溫度應(yīng)力的熱傳導(dǎo)率尤其在應(yīng)力集中區(qū)的網(wǎng)格密度荷載的大小和方向熱傳導(dǎo)的參考溫度2003年5月應(yīng)力分析 - 求解求解開始求解:首先保存數(shù)據(jù)庫!然后:Solution -Solve- Current LS或鍵入 SOLVE 命令。求解器將

23、結(jié)果數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中去和結(jié)果文件中, jobname.rst (or .rth, .rmg, .rfl).ResultsResultsDataDatabaseInputDataResultsFileSolver2003年5月應(yīng)力分析 - 求解求解在求解過程中, ANSYS通過輸出窗口提供了許多有用的信息, 諸如:模型的整體特性質(zhì)量計算是非常準(zhǔn)確的，質(zhì)心和慣性矩的計算精度就略低了。單元矩陣系數(shù)的范圍如果材料特性或?qū)嵆?shù)的最大值與最小值的比值 1.0E8將會產(chǎn)生錯誤。模型尺寸和求解的統(tǒng)計生成文件和它們大小的總結(jié)jobname.emat 單元矩陣文件 jobname.esav 保存單元的結(jié)果文件job

24、name.tri 三對角矩陣文件jobname.rst 結(jié)果文件2003年5月應(yīng)力分析 - 求解求解Demo:恢復(fù) ribmesh.db (2-D 平面應(yīng)力模型, 厚度 = 1/8 in)在左邊上固定 UX 在底邊上固定UY在頂邊上施加 100 psi 的壓力列表線約束和壓力保存 ribload.db求解。在求解過程中顯示輸出窗口。2003年5月應(yīng)力分析 求解求解前處理幾何模型剖分網(wǎng)格求解加載求解后處理檢查結(jié)果檢查求解的有效性2003年5月應(yīng)力分析 - 后處理F. 結(jié)果檢查后處理是有限元分析過程中的最后一步。 您應(yīng)在創(chuàng)建和求解所做假定的基礎(chǔ)上解釋您的結(jié)果。您的設(shè)計應(yīng)依據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù),因此仔細(xì)的檢查

25、結(jié)果以及檢查求解的有效性都是非常必要的。ANSYS 有兩個后處理器:POST1, 后處理器,用來檢查整個模型單荷載步的結(jié)果。POST26, 時程處理器, 用于觀察模型在某一時刻的結(jié)果。主要用于瞬態(tài)和非線性分析。 (本教程中不做討論。)2003年5月應(yīng)力分析 - 后處理結(jié)果檢查應(yīng)力的結(jié)果檢查大體包括如下幾方面:變形應(yīng)力支反力變形能夠迅速的判斷您施加的荷載位置是否正確。圖例列表示最大位移，DMX。也可以用動畫顯示變形。2003年5月應(yīng)力分析 - 后處理結(jié)果檢查畫變形圖:General Postproc Plot Results Deformed Shape或用 PLDISP 命令。動畫:Utili

26、ty Menu PlotCtrls Animate Deformed Shape或用 ANDISP 命令。2003年5月應(yīng)力分析 - 后處理結(jié)果檢查應(yīng)力下面的應(yīng)力是三維實體模型中可用的應(yīng)力:一組應(yīng)力 SX, SY, SZ, SXY, SYZ, SXZ (缺省為總體坐標(biāo)方向)主應(yīng)力 S1, S2, S3,SEQV (von Mises應(yīng)力), SINT (表面應(yīng)力強度)顯示應(yīng)力的最好方法是等值線繪圖，這樣可以使你迅速地找到“熱點”或有問題的區(qū)域。節(jié)點結(jié)果: 在節(jié)點處的應(yīng)力是平均值, 光滑而連續(xù)。單元結(jié)果: 不是平均值, 結(jié)果不再是連續(xù)的。2003年5月應(yīng)力分析 - 后處理結(jié)果檢查畫應(yīng)力等值圖:G

27、eneral Postproc Plot Results Nodal Solu 或 PLNSOL 命令General Postproc Plot Results Element Solu 或 PLESOL 命令也可以畫應(yīng)力等值線動畫圖:Utility Menu PlotCtrls Animate Deformed Results. 或 ANCNTR 命令2003年5月應(yīng)力分析 - 后處理結(jié)果檢查關(guān)于 PowerGraphics的注意事項它是缺省的繪圖設(shè)置 (/GRAPH,POWER)。只繪出可見的表面其它的是不可視的。 優(yōu)點:快速重畫,圖形輪廓分明。模型顯示光滑,具有相片的真實感。避免應(yīng)力穿過材料或?qū)嵆?shù)邊界進行平均。激活 PowerGraphics (