Ansys 第19例 平行圓柱體承受法向載荷時(shí)的接觸應(yīng)力分析.docx

第19例 接觸分析實(shí)例平行圓柱體承受法向載荷時(shí)的接觸應(yīng)力分析 本例介紹了利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸分析的方法、步驟扣過程，著重介紹了建立面面接觸對(duì)的方法和難點(diǎn)，為解決實(shí)際應(yīng)用問題奠定了基礎(chǔ)。9.1 概述接觸問題屬于狀態(tài)非線性問題，是一種高度非線性行為，需要較多的計(jì)算資源，為了進(jìn)行更為有效的計(jì)算，理解問題的特征和建立合理的模型是很重要的。接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)：其一，在求解問題之前，不清楚接觸區(qū)域的范圍，表面之間是接觸或分離是未知的，并且隨載荷、材料、邊界條件及其他因素變化；其二，接觸問題常需計(jì)算摩擦力，各種摩擦模型都是非線性的，使問題的收斂更加困難。1 9.1.1接觸算法接觸問題用于處理接觸體之間的相互作用關(guān)系，只有滿足接觸力的傳遞、兩接觸面之間沒有穿透等要求，接觸算法才能對(duì)接觸力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。ANSYS使用的接觸算法有： 罰函數(shù)法（Penalty Method）、拉格朗日算法(Lagrange Method)、擴(kuò)展拉格朗日算法(Augmented Method)、罰函數(shù)法+拉格朗日算法（LagrangePenalty）。1 罰函數(shù)法罰函數(shù)法的基本原理是：計(jì)算每一載荷子步時(shí)先檢查接觸面和目標(biāo)面之間是否存在穿透，若沒有則不做處理，如果有穿透，則在接觸面和目標(biāo)面之間引入一個(gè)法向接觸力，其大小與接觸剛度、穿透深度成正比，相當(dāng)于在接觸面和目標(biāo)面之間沿法向放置一個(gè)彈簧，以限制穿透的大小。接觸剛度越大，則穿透就越小，理論上，在接觸剛度為無窮大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的接觸狀態(tài)，使穿透值等于零，但是接觸剛度過大會(huì)導(dǎo)致總體剛度矩陣病態(tài)，造成收斂困難。也就是說，當(dāng)接觸剛度較大時(shí)，計(jì)算精度較高，但收斂困難。ANSYS軟件會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的特性估計(jì)一個(gè)默認(rèn)的接觸剛度值，可以用實(shí)常數(shù)FKN為接觸剛度指定一個(gè)比例因子(FKNO時(shí))或指定一個(gè)真正的值 (FKNO時(shí))。2 拉格朗日算法拉格朗日算法與罰函數(shù)法不同，不是采用力與位移的關(guān)系來求接觸力的，而是把接觸力作為一個(gè)獨(dú)立自由度，可以直接實(shí)現(xiàn)穿透為零的真實(shí)接觸條件，是一種精確的接觸算法，但由于自由度的增加，會(huì)使計(jì)算效率降低。在接觸狀態(tài)發(fā)生急劇變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震顫。3 擴(kuò)展拉格朗算法擴(kuò)展拉格朗日算法是不停更新接觸剛度的罰函數(shù)法，這種更新不斷重復(fù)，直到計(jì)算的穿透值小于允許值為止，允許穿透值用實(shí)常數(shù)FTOLN或TOLN來設(shè)定。擴(kuò)展拉格朗日算法的優(yōu)點(diǎn)是總體剛度矩陣較少病態(tài)，各接觸單元的接觸剛度取值更合理。擴(kuò)展拉格朗日算法是ANSYS默認(rèn)的接觸算法。19.1.2接觸問題的分類接觸問題有兩個(gè)基本類型，即剛體柔體的接觸和柔體柔體的接觸。在剛體柔體的接觸問題中，一個(gè)接觸面同與之接觸的變形體相比，有較大的剛度而當(dāng)做剛體，一般情況下，當(dāng)一種軟材料和一種硬材料接觸時(shí)，問題可以被近似為剛體柔體的接觸，許多金屬成型問題歸為此類接觸。而柔體柔體的接觸是一種更普遍的類型，此時(shí)兩個(gè)接觸體具有近似的剛度，都為變形體。19.1.3 ANSYS的接觸方式在ANSYS中通過接觸單元來識(shí)別可能的接觸匹對(duì)，接觸單元是覆蓋在模型可能接觸面上的一層單元。ANSYS支持3種接觸方式，即點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)面和面面的接觸，每種方式都有相適用的單元。1點(diǎn)-點(diǎn)接觸點(diǎn)點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)點(diǎn)的接觸行為。為了使用點(diǎn)點(diǎn)接觸單元，需要預(yù)先知道接觸位置，這類問題只適用于接觸面之間有較小滑動(dòng)的場(chǎng)合。如果兩個(gè)接觸面上的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，相對(duì)滑動(dòng)又忽略不計(jì)，兩個(gè)面撓度（轉(zhuǎn)動(dòng)）保持小量，那么就可以用點(diǎn)點(diǎn)接觸單元來模擬該類問題，過盈裝配問題是用點(diǎn)點(diǎn)接觸單元模擬面面接觸的典型例子。2點(diǎn)面接觸點(diǎn)面接觸單元主要用于模擬點(diǎn)面接觸行為。通過節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)接觸面，而面既可以是剛體也可以是柔體。使用這類接觸單元，不必預(yù)先知道準(zhǔn)確的接觸位置，接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格，并且允許有大的變形和大的相對(duì)滑動(dòng)。一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例是模擬插頭插入到插座里。3.面面接觸ANSYS使用面面接觸單元來模擬剛體柔體、柔體柔體的面面接觸。，將剛性面作為目標(biāo)面，將柔性面作為接觸面處理，本例將采用該種接觸類型。19.1.4面一面接觸分析的步驟面面接觸分析模擬剛體柔體、柔體柔體的面面接觸。將剛性面作為目標(biāo)面，將柔性面作為接觸面來處理，這兩個(gè)面合起來被稱為接觸對(duì)。使用單元類型TARGE169和CONTA171或CONTA172來定義二維接觸對(duì)，使用單元類型TARGE170和CONTA173或CONTA174來定義三維接觸對(duì)，ANSYS通過相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來識(shí)別接觸對(duì)。面面接觸單元具有以下優(yōu)點(diǎn)：支持低階和高階單元：支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形；提供更多、更好的結(jié)果數(shù)據(jù)，例如，法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力；對(duì)接觸表面的形狀沒有限制；允許各種復(fù)雜建模控制，例如，綁定接觸、漸變初始滲透、支持單元死活等。 步驟一：建立模型并劃分網(wǎng)格需要建立代表接觸體的實(shí)體模型，與其他分析過程，樣，要設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)及材料特性等，并用恰當(dāng)?shù)膯卧愋蜑榻佑|體劃分網(wǎng)格。步驟二：識(shí)別接觸對(duì)ANSYS通過目標(biāo)單元和接觸單元的定義來判斷潛在的接觸面，目標(biāo)和接觸單元會(huì)跟蹤變形階段的運(yùn)動(dòng)。不同的接觸對(duì)必須通過不同的實(shí)常數(shù)號(hào)來定義。由于幾何模型和潛在變形的多樣性，有時(shí)候一個(gè)接觸面的同一區(qū)域可能和多個(gè)目標(biāo)面發(fā)生接觸關(guān)系。此時(shí)，應(yīng)該定義多個(gè)接觸對(duì)（使用多組覆蓋層接觸單元），每個(gè)接觸對(duì)有不同的實(shí)常數(shù)號(hào)。步驟三：定義目標(biāo)面和接觸面。對(duì)于剛體柔體的接觸問題，顯然應(yīng)將剛性面定義為目標(biāo)面，將柔性面定義為接觸面。在二維情況下，剛性目標(biāo)面的形狀可以用一系列直線、圓弧和拋物線來描述，或者用它們的任意組合來描述復(fù)雜的目標(biāo)面。在三維情況下，目標(biāo)面的形狀可以用三角面、圓柱面、圓錐：面和球面來描述，對(duì)于復(fù)雜、任意形狀的目標(biāo)面，應(yīng)用三角面來描述。對(duì)于柔體柔體的接觸問題，應(yīng)按下列原則來定義目標(biāo)面和接觸面：凸面定義為接觸面，凹面定義為目標(biāo)面：細(xì)網(wǎng)格面定義為接觸面，粗網(wǎng)格面定義為目標(biāo)面；較軟的面定義為接觸面，較硬的面定義為目標(biāo)面；高階單元面定義為接觸面，低階單元面定義為目標(biāo)面；較小的面定義為接觸面，較大的面定義為目標(biāo)面。為了定義柔性體的接觸面，必須使用接觸單元CONTA171或CONTA172來定義二維表面，用CONTA173或CONTA174來定義三維表面，接觸面和目標(biāo)面的實(shí)常數(shù)號(hào)必須相同步驟四：設(shè)置實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)ANSYS使用實(shí)常數(shù)和單元選項(xiàng)來控制面面接觸單元的接觸行為。實(shí)常數(shù)包括FKN（法向接觸剛度因子）、FTOLN（最大穿透范圍）、ICONT（初始靠近因子）、PINB（pinball區(qū)域）、PMIN和PMAX（初始穿穿透范圍）、TAUMAX（最大的接觸摩擦）、CNOF（接觸面偏移值）及FKOP (接觸發(fā)生時(shí)的剛度因子)等。步驟五：控制剛性目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)剛性目標(biāo)面是按實(shí)體的原始外形來建立的，而整個(gè)面的運(yùn)動(dòng)是通過polot節(jié)點(diǎn)給定的位移來定義的。每個(gè)目標(biāo)面只能有一個(gè)polot節(jié)點(diǎn)。圓、圓弧、圓錐、圓柱、球只能定義第一個(gè)節(jié)點(diǎn)為polot節(jié)點(diǎn)。載荷和邊界條件只能施加在polot節(jié)點(diǎn)上，只有polot節(jié)點(diǎn)能與其他單元相連。為了控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)，在下列任一情況下必須使用polot節(jié)點(diǎn)：目標(biāo)面上作用著給定的外力；目標(biāo)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)； 目標(biāo)面和其他單元相連，例如，結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元。步驟六：施加必要的邊界條件該過程與其他分析類型相同。步驟七：定義求解和載荷步選項(xiàng)接觸問題的收斂性隨問題的不同而不同，下面列出了在大多數(shù)面面接觸分析中都推薦使用的一些選項(xiàng)：打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)：Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/Frequenc-Time and substps.打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)：Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps。選擇完全牛頓-拉普森迭代，關(guān)閉自適應(yīng)下降因子：Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options.設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)(25-50)：Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinear Equilibrium Iter打開時(shí)間不長(zhǎng)預(yù)測(cè)器選項(xiàng): Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinear Predictor.使用線性搜索選項(xiàng)來使計(jì)算穩(wěn)定化：Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearLine Search.步驟八：求解與一般的非線性問題相同步驟九：查看結(jié)果接觸分析的結(jié)果包括常規(guī)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變，還有接觸壓力、滑動(dòng)等接觸信息。可以使用POST1或POST26后處理器來查看結(jié)果。19.2問題描述 兩個(gè)半徑分別為r1=0.05m、r2=0.1m，長(zhǎng)度均為L(zhǎng)=0.01m的平行圓柱體發(fā)生正接觸，即接觸線為兩圓柱體的母線，作用在兩圓柱體接觸線法線方向上的壓力總和為F=1000N，兩圓柱體均為鋼制，分析兩圓柱體的接觸情況。 由于接觸的影響只發(fā)生于結(jié)構(gòu)的局部，另外圓柱體具有對(duì)稱性，所以分析時(shí)只取兩圓柱體的四分之一，以減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算容量。1 9.3.1改變?nèi)蝿?wù)名拾取菜單Utility MenuFileChange Jobname，彈出如圖19-1所示的對(duì)話框，在“/FILNAM”文本框中輸入EXAMPLE19，單擊“OK”按鈕。圖19-1改變?nèi)蝿?wù)名對(duì)話框19.3.2選擇單元類型拾取菜單Main MenuPreprocessorElement Type-Add/Edit/Delete，彈出如圖19-2所示的對(duì)話框，單擊“Add”按鈕，彈出如圖19-3所示的對(duì)話框，在左側(cè)列表中選、“Structural Solid”，在右側(cè)列表中選“Quad 8node 183”，單擊“Apply”按鈕，再在右側(cè)列表中選“Brick 20node 186”，單擊Apply 按鈕，再在左側(cè)列表中選“Contact”，在右側(cè)列表中選“3D target 170”，單擊“Apply”按鈕，再在右側(cè)列表中選“8 nd surf 174”，單擊“OK”按鈕，返回到如圖19-2所示的對(duì)話框，選擇“TYPE 4 CONTA174”，單擊“Options”按鈕，在所彈出的對(duì)話框中選擇“K5”為“Close gap”，單擊“OK”按鈕，最后單擊如圖19-2所示的對(duì)話框中的“Close”按鈕。圖19-2單元類型對(duì)話框圖19-3單元類型庫(kù)對(duì)話框19.3.3定義材料模型拾取菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，彈出如圖19-4所示的對(duì)話框，在右側(cè)列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“isotropic”， 彈出如圖19-5所示的對(duì)話框，在“EX”文本框中輸入2e11（彈性模量），在“PRXY”文本框中輸入0.3 (泊松比)，單擊“OK按鈕，然后關(guān)閉如圖19-4所示的對(duì)話框。圖19-4材料模型對(duì)話框圖19-5材料特性對(duì)話框19.3.4定文實(shí)常數(shù)拾取菜單Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete， 彈出“Real Constants”對(duì)話框，單擊“Add”按鈕，彈出“Element Type for Real Constants”對(duì)話框，在列表中選擇“Type 4 CONTA174”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖19-6所示的對(duì)話框，在“FKN”文本框中輸入0.1（法向接觸剛度因子），單擊 OK按鈕，返回到“Real Constants”對(duì)話框，單擊”Close“按鈕。圖19-6定義實(shí)常數(shù)對(duì)話框1 9.3.5創(chuàng)建圓形面 拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasCirclePartial Annulus，彈出如圖19-7所示的對(duì)話框，在“WP X”文本框中輸入0，在“WP Y”文本框中輸入0，在“Rad-1”文本框中輸入0.1，在“Theta-l”文本框中輸入0，在“Rad-2”文本框中輸入0，在“Theta-2”文本框中輸入90，單擊“Apply”按鈕。再次彈出如圖19-7所示的對(duì)話框，在“WP X”文本框中輸入0，在“WP Y”文本框中輸入0.15，在“Rad-1”文本框中輸入0.05，在“Theta-1”文本框中輸入0，在“Rad-2”文本框中輸入0，在“Theta-2”文本框中輸入-90，單擊”O(jiān)K“按鈕。19.3.6平移、旋轉(zhuǎn)工作平面拾取菜單Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increment，彈出如圖19-8所示的對(duì)話框，在“X，Y，Z Offsets”文本框中輸入0.01，在“XY, YZ，ZX Angles”文本框中輸入0，0，90，單擊“OK”按鈕。 圖19-7創(chuàng)建圓形面對(duì)話框 圖19-8平移、旋轉(zhuǎn)工作平面對(duì)話框19.3.7改變視點(diǎn) 拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsPan Zoom Rotate，在所彈出的對(duì)話框中，依次單擊“Iso”、“Fit 按鈕，或者單擊圖形窗口右側(cè)顯示控制工具條上的劍按鈕。19.3.8劃分圓形面 拾取菜單 Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleans DivideArea by WorkPlane，彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕。將兩個(gè)圓形面劃分為兩部分，其目的是為了減小可能接觸面的面積，減少接觸單元數(shù)目，以減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算容量。19.3.9劃分單元 拾取菜單Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，彈出如圖19-9所示的對(duì)話框，單擊“Size Controls”區(qū)域中“Global”后面的“Set”按鈕，彈出如圖19-10所示的對(duì)話框，在“SIZE”文本框中輸入0.0075，單擊“OK”按鈕。在如圖19-9所示對(duì)話框中的“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“Quad”（四邊形），選擇劃分單元的方法為“Free”（自由），單擊“Mesh”按鈕，彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕，再在如圖19-9所示的對(duì)話框中， 選擇下拉列表框“Refine at：”為“KeyPoints”，單擊“Refine”按鈕，彈出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中輸入2，4（即選擇位于接觸區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)2和4），單擊“OK”按鈕，彈出如圖19-11所示的對(duì)話框，選擇“LEVEL”為3，單擊“OK”按鈕，最后關(guān)閉如圖19-9所示的對(duì)話框。在接觸區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。19.3.10設(shè)定擠出選項(xiàng)拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeElem Ext Opts,在所彈出對(duì)話框中的“VAL1”文本框中輸入5（擠出段數(shù)），選定ACLEAR為“Yes”（擠出后清除圓形面上的單元），單擊“OK”按鈕。 圖19-9劃分單元工具對(duì)話框圖19-10單元尺寸對(duì)話框圖19-11重定義單元對(duì)話框19.3.11 由面擠出體拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingOperate Extrude Areas By XYZ Offset，彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕，彈出如圖19-12所示的對(duì)話框，在“DX，DY，DZ”文本框中分別輸入0，0，0.01，單擊“OK”按鈕。圖19-12擠出面對(duì)話框1 9.3.12顯示面號(hào) 拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsNumbering，在所彈出的對(duì)話框中，將Area numbers（面號(hào)）打開，單擊“OK”按鈕。19.3.13選擇下方接觸面及面上的節(jié)點(diǎn) 拾取菜單Utility MenuSelectEntities，彈出如圖19-13所示的對(duì)話框，在各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入“Areas”、“By Num/Pick”、“From Full”，單擊“Apply”按鈕，彈出拾取窗口，拾取面14（下方接觸面），單擊拾取窗口中的“OK”按鈕；再在如圖19-13所示對(duì)話框中的各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入Nodes, “Attached to”, “Areas, all”, From Full，單擊 “OK”按鈕.于是選中了面14及面上的所有節(jié)點(diǎn)。19.3.1 4指定單元屬性拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes,彈出如圖19-14所示的對(duì)話框，選擇下拉列表框“TYPE”為“3 TARGE170”，選擇下拉列表框“MAT”為“1”，選擇下拉列表框“REAL”為“1”，單擊“OK”按鈕。圖19-13選擇實(shí)體對(duì)話框圖19-14單元屬性對(duì)話框19.3.15創(chuàng)建目標(biāo)單元拾取菜單Main Menu PreprocessorModeling Create ElementsSurf/ContactSurf to Surf，單擊所彈出對(duì)話框中的“OK”按鈕，然后單擊隨后彈出的拾取窗口中的“Pick ALL”按鈕。重復(fù)步驟19.3.13-19.3 .15，選擇上方接觸面（面18）及面上的節(jié)點(diǎn)，選擇單元類型“TYPE”為“4 CONTA174”，創(chuàng)建接觸單元。于是創(chuàng)建了由CONTA174單元和TARGE170單元形成的接觸對(duì)，由實(shí)常數(shù)1識(shí)別。19.3.16選擇所有 拾取菜單Utility MenuSelectEverything.19.3.17施加約束拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，彈出拾取窗口，拾取面8和16 (最下方)，單擊“OK”按鈕，彈出如圖19-15所示的對(duì)話框，在列表中選擇“UY”，單擊“Apply”按鈕；再次彈出拾取窗口，拾取面15和20（最左側(cè)），單擊“OK”按鈕，彈出如圖19-15所示的對(duì)話框，在列表中選擇“UX”，單擊“Apply”按鈕；再次彈出拾取窗口，拾取面1、9、13和1 7（最前方），單擊“OK”按鈕，彈出如圖19-15所示的對(duì)話框，在列表中選擇“UZ”，單擊“OK”按鈕。圖19-15在面上施加約束對(duì)話框19.3.1 8選擇最上方表面及其面上的節(jié)點(diǎn) 拾取菜單Utility MenuSelectEntities，彈出如圖19-13所示的對(duì)話框，在各下拉列表框、文本框、 單選按鈕中依次選擇或輸入“Areas”、“By Num/Pick”、“From Full”，單擊“Apply”按鈕，彈出拾取窗口，拾取面11、19（最上方面），單擊拾取窗口中的“OK”按鈕；再在如圖19-13所示對(duì)話框中的各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入Nodes, “Attached to”, “Areas AIl”, “From Full”單擊 “OK”按鈕.19.3.19 施加壓力載荷拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas,彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕，彈出如圖19-16所示的對(duì)話框，在“VALUE”文本框中輸入le6，單擊“OK”按鈕。圖19-16在面上施加壓力載荷對(duì)話框 于是，在面11和19上施加了大小為1x106Pa.方向垂直并指向面的壓力。由于兩面面積總和為0.05x0.01=0.0005mm2，所以作用于一半圓柱體上總的力為500N，整個(gè)圓柱體上總的力為1000N。19.3.20節(jié)點(diǎn)自由度耦合拾取菜單Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs，彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕，彈出如圖19-17所示的對(duì)話框，在“NSET”文本框中輸入1，選定“Lab”下拉列表框?yàn)椤癠Y”，單擊“OK”按鈕。這樣做的目的是保證面11和19上所有節(jié)點(diǎn)在承載后具有相同的y方向位移，變形后面11和19仍然保持為水平平面。圖19-17耦合自由度對(duì)話框19.3.21選擇所有拾取菜單Utility MenuSelectEverything。19.3.22激活線性搜索拾取菜單Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearLine Search， 在所彈出如圖19-18所示的對(duì)話框中，將線性搜索選項(xiàng)LNSRCH打開。提示： 如果該菜單項(xiàng)未顯示在界面上， 可以拾取菜單Main MenuSolutionUnabridged Menu，以顯示Main Menu Solution下的所有菜單項(xiàng)。圖19-18線形搜索對(duì)話框19.3.23打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)并指定分析時(shí)間步的數(shù)目拾取菜單Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequenceTime and Substps,彈出如圖19-19所示的對(duì)話框中，將 AUTOTS”打開，在“NSUBST”文本框中輸入5，在“Maximum noof sub steps”文本框中輸入10，在“Minimum no. of sub steps”文本框中輸入3，單擊“OK”按鈕。圖19-19時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)選項(xiàng)對(duì)話框19.3.24 確定數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中所包含的內(nèi)容 拾取菜單Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File，在所彈出的對(duì)話框中，選擇下拉列表框“Item”為“All Items”，選中“Every sub step”，單擊”O(jiān)K“按鈕。19.3.25求解 拾取菜單Main Menu Solution SolveCurrent LS，單擊”Solve Current Load Step 對(duì)話框申的“OK”按鈕。當(dāng)出現(xiàn)“Solution is done!”提示時(shí)，求解結(jié)束，從下一步開始，進(jìn)行結(jié)果的查看。19.3.26選擇接觸單元 拾取菜單Utility MenuSelectEntities，彈出如圖19-13所示的對(duì)話框，在各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇輸入 “Elements”、”By Attributes”、“Elem type num，“4”、”From Full，單擊“OK”按鈕。19.327定文單元表拾取菜單Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table，彈出“Element Table Data”對(duì)話框，單擊“Add”按鈕，彈出如圖19-20所示的對(duì)話框，在“Lab”人中框中輸入PRES，在“Item”列表中選擇“Contact “， 在“Comp”列表中選擇“Pressure PRES”，單擊“Apply”按鈕；再次彈出如圖19-20所示的對(duì)話框，在“Lab”文本框中輸入ST，在“Item”列表中選擇“Contact”，在“Comp”列表中選擇“Status STAT”，單擊“Apply”按鈕；再次彈出如圖19-20所示的對(duì)話框， 在“Lab”文本框中輸入GAP，在“Item”列表中選擇“Contact”，在“Comp”列表中選擇“Gap GAP”，單擊“OK”按鈕，關(guān)閉如圖19-20所示的對(duì)話框。圖19-20定義單元類型對(duì)話框 于是定義了3個(gè)單元表，單元表“PRES”存儲(chǔ)了接觸單元的法向壓力，單元表“ST”存儲(chǔ)了接觸單元的接觸狀態(tài)，單元表“ GAP”存儲(chǔ)了接觸表面之間的距離。19.3.28對(duì)單元表數(shù)據(jù)進(jìn)行排序拾取菜單Main MenuGeneral PostprocList ResultsSorted ListingSort Elems, 彈出如圖19-21 所示的對(duì)話框，選定“ORDER”下拉列表框?yàn)椤癉escending order”， 選定“Item，Comp”下拉列表框?yàn)椤癙RES”，單擊“OK”按鈕。于是，對(duì)單元表“PRES”的數(shù)據(jù)按遞減順序進(jìn)行了排序。19.3.29列表單元表數(shù)據(jù)拾取菜單Main MenuGeneral PostprocElement TableList Elem Table，在所彈出對(duì)話框的列表中選擇“PRES”、“ST”、“GAP”，單擊“OK”按鈕，結(jié)果如圖19-22所示。圖19-21對(duì)單元表數(shù)據(jù)排序?qū)υ捒驁D19-22結(jié)果列表第20例 線性屈曲分析實(shí)例-壓桿隱定性問題 本例通過計(jì)算受壓桿臨界壓力，介紹了利用ANSYS進(jìn)行線性屈曲分析的方法、步驟和過程，并使用解析解對(duì)有對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。線性屈曲分析分為兩大步驟：先進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析，分析時(shí)必須將預(yù)應(yīng)力開關(guān)打開；然后進(jìn)行屈曲分析。20.1 概述20.1.1屈曲分析的定義 屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。ANSYS提供了非線性屈曲分析和特征值（線性）屈曲分析兩種方法，特征值屈曲分析即教科書里傳統(tǒng)的彈性屈曲分析方法，非線性屈曲分析方法比特征值屈曲分析更精確，是實(shí)際中更常用的方法。20.1.2特征值屈曲分析的過程 1建立模型特征值屈曲分析的建模過程與其他分析相似，包括定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料特性、建立幾何模型和劃分網(wǎng)格等。但需注意的是：必須定義材料的彈性模量或某種形式的剛度。另外，特征值屈曲分析屬于線性分析，非線性特性將被忽略。2獲得靜力學(xué)解該過程與一般的靜力學(xué)分析一致，但需注意以下幾點(diǎn)，(1)必須打開預(yù)應(yīng)力效果選項(xiàng)，因?yàn)樵摲治鲂枰?jì)算應(yīng)力剛度矩陣；(2)通常需要為結(jié)構(gòu)施加一個(gè)單位載荷，由屈曲分析計(jì)算出的特征值即為屈曲載荷（臨界載荷）：(3)在凝聚法特征值屈曲分析中，不接受非零約束；(4)在求解結(jié)束后要退出求解器。3獲得特征值屈曲解獲得特征值屈曲解的步驟如下：(1)進(jìn)入求解器。(2)指定分析類型：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，選Eigen Buckling。(3)指定分析選項(xiàng)：Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options，提取的特征值數(shù)目(NMODE)為1。(4)定義載荷步選項(xiàng)：Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout。5)如果要查看屈曲模態(tài)形狀，需擴(kuò)展模態(tài)：Main MenuSolutionLoad Step OptsExpansionpassSingle ExpandExpand modes, 選 NMODE為 l。( 6)求解： Main MenuSolutionSolveCurrent LS。4查看結(jié)果ANSYS屈曲分析的結(jié)果有屈曲載荷系數(shù)、屈曲模態(tài)形狀及相對(duì)應(yīng)力分布等。查看結(jié)果使用POST1后處理器。顯示屈曲載荷系數(shù)：Main MenuGeneral PostprocResults Summary。因?yàn)樵诮Y(jié)果文件中，每個(gè)模態(tài)都作為一個(gè)子步進(jìn)行保存，所以要觀察屈曲模態(tài)形狀，必須將相應(yīng)的模態(tài)讀入，通常是第一個(gè)模態(tài)：Main MenuGeneral PostprocRead ResultsFirst Set。顯示屈曲模態(tài)形狀：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape。顯示相對(duì)應(yīng)力分布：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，在所彈出對(duì)話框的列表中選擇“Nodal SolutionStress”。20.2問題描述及解析解某構(gòu)件的受力可以簡(jiǎn)化成如圖20-1所示的模型，細(xì)長(zhǎng)桿件承受壓力，兩端鉸支。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，當(dāng)桿件承受的壓力P超過臨界壓力P1j時(shí)，桿件將喪失穩(wěn)定性。已知桿的橫截面形狀為矩形，截面的高度h和寬度b均為0.03m，桿的長(zhǎng)度L=2m，使用材料為Q235A，彈性模量E=2x10Pa，則桿件的臨界壓力P1j可用如下方法計(jì)算：圖20-1 受壓桿桿橫截面積的慣性矩為:I=bh312=6.75103m4桿橫截面積的面積為A=bh=910-4m2桿橫截面積的最小慣性半徑為:i=IA=8.6610-3m桿的柔度為=li=231式中，為壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)，兩端鉸支時(shí)=1。 因?yàn)槭軌簵U用Q235A鋼制造，且100，所以應(yīng)該用歐拉公式計(jì)算其臨界壓力.根據(jù)歐拉公式，得P1j=(2 EI)/(l)2=33310N20.3分析步驟20.3.1改變?nèi)蝿?wù)名拾取菜單Utility MenuFileChange Jobname，彈出如圖20-2所示的對(duì)話框，在“/FILNAM”文本框中輸入EXAMPLE20，單擊“OK”按鈕。圖20-2改變?nèi)蝿?wù)名對(duì)話框20.3.2選擇單元類型拾取菜單Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，彈出如圖20-3所示的對(duì)話框，單擊“Add”按鈕，彈出如圖20-4所示的對(duì)話框，在左側(cè)列表中選“Structural Beam”，在右側(cè)列表中選“3 node 189”，單擊“OK”按鈕，再單擊如圖20-3所示對(duì)話框中的“Close”按鈕。圖20-3單元類型對(duì)話框圖20-4單元類型對(duì)話框20.3.3定義材料模型拾取菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，彈出如圖20-5所示的對(duì)話框，在右側(cè)列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，彈出如圖20-6所示的對(duì)話框，在“EX”文本框中輸入2e11（彈性模量），在“PRXY”文本框中輸入0.3（泊松比），單擊“OK”按鈕，然后關(guān)閉如圖20-5所示的對(duì)話框。圖20-5材料模型對(duì)話框圖20-6材料特性對(duì)話框20.3.4定義梁截面 拾取菜單Main MenuPreprocessorSectionsBeamCommon Sections，彈出如圖20-7所示的對(duì)話框，在“ID”文本框中輸入1，選擇“Sub-Type”為“”（橫截面形狀），在“B”文本框中輸入0.03，在“H”文本框中輸入0.03，：?jiǎn)螕簟癘K”按鈕。20.3.5創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS, 彈出如圖20-8所示的對(duì)話框，在“NPT”文本框中輸入1，在“X，Y，Z”文本框中分別輸入0，0，0，單擊“Apply”按鈕；再在“NPT”文本框中輸入2，在“X，Y，Z”文本框中分別輸入0，2，0，單擊“OK”按鈕。圖20-7定義梁截面對(duì)話框圖20-8創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)的對(duì)話框20.3.6創(chuàng)建直線 拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line,彈出拾取窗口，拾取關(guān)鍵點(diǎn)1和2，創(chuàng)建了一條直線，單擊“OK”按鈕。20.3.7劃分單元拾取菜單Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，彈出如圖20-9所示的對(duì)話框，單擊“Size Controls”區(qū)域中“Lines”后面的“Set”按鈕，彈出拾取窗口，拾取上一步創(chuàng)建的直線1，單擊OK”按鈕，彈出如圖20-10所示的對(duì)話框，在“NDIV”文本框中輸：入10，單擊“OK”按鈕；單擊如圖20-9所示對(duì)話框中“Mesh”區(qū)域的“Mesh”按鈕，彈、出拾取窗口，拾取直線1，單擊“OK”按鈕，然后關(guān)閉如圖20-9所示的對(duì)話框。 圖20-9劃分單元工具對(duì)話框圖20-10單元尺寸對(duì)話框20.3.8打開預(yù)應(yīng)力效果 拾取菜單Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options,彈出“Static or Steady-State Analysis”對(duì)話框，在“SSTIF”與“PSTRES”下拉列表框（將滾動(dòng)條滾動(dòng)到下方，以顯示該下拉列表框）中選擇“Prestress ON”，單擊“OK”按鈕。將預(yù)應(yīng)力開關(guān)打開。 提示：如果該菜單項(xiàng)未顯示在界面上， 可以拾取菜單Main MenuSolutionUnabridged Menu， 以顯示Main MenuSolution下的所有菜單項(xiàng)。20.3.9顯示關(guān)鍵點(diǎn)號(hào) 拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsNumbering,彈出“Plot Numbering Controls”對(duì)話框，將Keypoint Numbers（關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)）打開，單擊“OK”按鈕。20.3.10顯示線拾取菜單Utility MenuPlotLines。20.3.11施加約束 拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Keypoints，彈出拾取窗口，拾取關(guān)鍵點(diǎn)1，單擊“OK”按鈕，彈出如圖20-11所示的對(duì)話框，在”Lab2”列表中選擇”UX、”UY” 、”UZ”、“ROTX”、“ROTY”，單擊“Apply，按鈕；再