ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)課件

軟件及應(yīng)用ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)前言本課程是一門介紹有限元法在機械工程中應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課。其主要任務(wù)是：1．鞏固學(xué)生所學(xué)習(xí)有限元法理論知識的基礎(chǔ)。2．學(xué)習(xí)通用有限元軟件ANSYS的使用方法，了解有限元分析的前后處理、求解過程的步驟、方法、特點和理論。3．掌握用有限元法求解機械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)問題的方法和步驟。4.培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力、自學(xué)能力和工程意識。5.幫助學(xué)生掌握本學(xué)科的專業(yè)英語術(shù)語以及本專業(yè)的最新國際發(fā)展動態(tài)，開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生探索新知識的興趣，增強學(xué)生進行國際學(xué)術(shù)交流的能力。

ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)第1章ANSYS簡介第2章ANSYS的建模第3章結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析第4章結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析第5章ANSYSWorkbench簡介第6章非線性分析第7章其它應(yīng)用目錄ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)本章提示1.1

ANSYS的基礎(chǔ)知識1.2ANSYS的用戶界面1.3

ANSYS的使用方法1.4

ANSYS應(yīng)用實例-平面桁架第1章ANSYS簡介ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

本章提示掌握ANSYS界面的組成、特點及使用方法。掌握ANSYS軟件的基礎(chǔ)知識。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

1.1ANSYS的基礎(chǔ)知識（一）一、ANSYS的功能(一)結(jié)構(gòu)分析1.靜力分析：機械結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)用于分析在力載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和應(yīng)變和反力。載荷不隨時間變化時。是最常用、最基本的一種分析類型。2.動力學(xué)分析：模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。諧響應(yīng)分析用于分析結(jié)構(gòu)在正弦載荷作用下的響應(yīng)。瞬態(tài)動力學(xué)分析用于分析結(jié)構(gòu)在隨時間呈任意規(guī)律變化載荷作用下的響應(yīng)。譜分析用于確定結(jié)構(gòu)對隨機載荷或時間變化載荷（如地震載荷）的動力響應(yīng)。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

1.1ANSYS的基礎(chǔ)知識（一）(一)結(jié)構(gòu)分析3.其它結(jié)構(gòu)分析功能：隨機振動分析、結(jié)構(gòu)屈曲分析、

用ANSYS/LS-DYNA進行結(jié)構(gòu)顯式動力學(xué)分析。屈曲分析(二)熱分析(三)電磁場分析用于計算系統(tǒng)隨時間變化的溫度場和其他熱參數(shù)。(四)流體動力學(xué)分析熱分析ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

1.1ANSYS的基礎(chǔ)知識（二）二、ANSYS的特點1.具有強大的建模能力

，僅靠ANSYS本身即能創(chuàng)建出各種復(fù)雜的幾何模型。2.具有強大的求解能力

。3.具有強大的非線性分析功能。幾何非線性材料非線性狀態(tài)非線性4.可以進行單獨物理場分析，也可以耦合場分析。t1t2耦合場-熱應(yīng)力5.具有強大的網(wǎng)格劃分功能。6.具有強大的后處理功能。7.具有強大的二次開發(fā)功能。8.提供了常用CAD軟件的數(shù)據(jù)接口。9.可以在有限元分析的基礎(chǔ)上，進行優(yōu)化設(shè)計。10.集前后處理、求解功能于一體，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

1.1ANSYS的基礎(chǔ)知識（三）三、ANSYS的結(jié)構(gòu)1.處理器（即程序模塊，共9個）預(yù)處理器（PREP7）：求解器（SOLUTION）：創(chuàng)建有限元模型。普通后處理器（POST1）：施加約束、載荷，求解。時間歷程后處理器（POST26）：顯示在指定時間點上選定模型的計算結(jié)果。優(yōu)化處理器（OPT）：顯示模型上指定點在整個時間歷程上的結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計。2.ANSYS文件ANSYS執(zhí)行一個分析任務(wù)時，要使用大量的文件。這些文件以工作名（JOBNAME）為基礎(chǔ)。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

1.1ANSYS的基礎(chǔ)知識（三）文件類型擴

展

名存

儲文件格式數(shù)據(jù)庫文件.DB模型、載荷、約束、輸入輸出數(shù)據(jù)二進制記錄文件.LOG運行過程中的每一個命令A(yù)SCⅡ錯誤與警告文件.ERR運行過程中的所有錯誤和警告信息ASCⅡ結(jié)果文件：結(jié)構(gòu)和耦合場分析熱分析磁場分析流體力學(xué)分析.RST.RTH.RMG.RFL運算過程中所有結(jié)果數(shù)據(jù)二進制ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

1.1ANSYS的基礎(chǔ)知識（四）四、ANSYS主要產(chǎn)品1.

經(jīng)典版ANSYS（MechanicalAPDL）ANSYS

Multiphysics包括工程學(xué)科的所有功能。ANSYS

Mechanical用于結(jié)構(gòu)及熱分析；ANSYS

Emag用于電磁場分析；ANSYS

FLOTRAN用于計算流體動力學(xué)分析。2.ANSYSWorkbench繼承了經(jīng)典版ANSYS的絕大多數(shù)功能，具有強大的模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分能力，使用和學(xué)習(xí)十分方便。3.ANSYSLS-DYNA為顯式動力學(xué)分析軟件，用于求解高度非線性問題。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)用于向用戶顯示提示信息，顯示當前單元屬性設(shè)置和當前激活坐標系等。用于快速執(zhí)行命令，常用的有TextToolbar、StandardToolbar、DisplayToolbar。用于顯示軟件運行過程的文本輸出。用于輸入ANSYS命令。用于顯示ANSYS的模型以及分析得到的圖形結(jié)果等。該菜單為下拉菜單結(jié)構(gòu)。為樹狀彈出式菜單結(jié)構(gòu)。1.2ANSYS的用戶界面MainMenu：包含了各個處理器下的基本命令。UtilityMenu：包含了ANSYS的全部公共命令。GraphicsWindow：CommandInputArea：OutputWindow：Toolbar：StatusandPromptArea：ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)1.3ANSYS的使用方法一、解題步驟1.前處理2.求解先指定任務(wù)名和分析標題，然后在PREP7預(yù)處理器下選擇單元類型、定義單元實常數(shù)和材料特性、創(chuàng)建有限元模型等。3.后處理在SOLUTION求解器下選擇分析類型，指定分析選項；然后施加載荷和約束，指定載荷步長并對有限元求解進行初始化并求解。使用POST1普通后處理器或POST26時間歷程后處理器對結(jié)果進行查看。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)該方法方便易用，適合初學(xué)者，但效率低，操作步驟較多時容易出錯且不便改正。1.3ANSYS的使用方法二、命令輸入方法

1.菜單法（GUI法）2.命令流法

通過拾取菜單或按鈕執(zhí)行命令。該方法可以克服菜單法的缺點，適合對ANSYS較熟悉者解決復(fù)雜問題時使用。通過在命令窗口輸入命令流執(zhí)行命令。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)1.4ANSYS應(yīng)用實例-平面桁架實例：用ANSYS軟件求解平面桁架問題。已知長度L=0.1m，各桿橫截面面積均為A=1×10-4m2，力P=2000N。試計算各桿的軸向力Fa、軸向應(yīng)力σa。求解步驟：過濾界面。選擇單元類型LINK180(3Dfinitstr180)。定義實常數(shù)，指定橫截面面積1E-4。定義材料模型。創(chuàng)建節(jié)點1(0,0,0)、2(0.1,0,0)、3(0.2,0,0)、4(0.1,0.1,0)。顯示節(jié)點號、單元號。創(chuàng)建單元。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)1.4ANSYS應(yīng)用實例-平面桁架習(xí)題：桿AD、CD為鋼制，橫截面面積為2.5cm2，E=2.02×1011Pa，μ=0.3。桿BD為銅制，E=1×1011Pa，μ=0.3，橫截面面積為3cm2，力F=-2000N。試計算各桿的軸向力、軸向應(yīng)力。施加約束；在節(jié)點1UX、UY=0，在節(jié)點3UY=0。在節(jié)點施加載荷，F(xiàn)Y=-2000。求解。定義單元表FA(SMISC,1)、SA(LS,1)。列表單元表數(shù)據(jù)。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)第2章ANSYS的建模本章提示2.1概述2.2關(guān)鍵點的創(chuàng)建2.3線的創(chuàng)建2.4面的創(chuàng)建2.5工作平面2.6體的創(chuàng)建2.7對話框及元素2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法2.9單元的劃分ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

本章提示掌握ANSYS軟件前處理時創(chuàng)建簡單實體的方法、特點和適用范圍。掌握由簡單實體形成復(fù)雜實體的方法、過程、特點及適用范圍。了解如何將實際中的物體轉(zhuǎn)化為ANSYS中用于模擬的實體模型。了解ANSYS軟件幾何模型以及有限元模型的使用、創(chuàng)建。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.1概述一、創(chuàng)建有限元模型的方法1.直接生成法2.實體建模法人工定義節(jié)點和單元，適合創(chuàng)建簡單模型。二、幾何實體的等級先人工創(chuàng)建幾何體，再劃分單元，形成有限元模型。適合創(chuàng)建大型模型。關(guān)鍵點線面體由關(guān)鍵點、線、面到體，等級依次提高。關(guān)鍵點與節(jié)點是不同性質(zhì)的點。不能單獨刪除依附于高級實體上的低級實體。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.1概述三、實體建模法1.自上而下法2.自下而上法用ANSYS命令直接創(chuàng)建高級實體，而依附的低級實體自然被創(chuàng)建。先創(chuàng)建低級實體，再創(chuàng)建高級實體。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.2關(guān)鍵點的創(chuàng)建1.在工作平面上2.在活躍坐標系上創(chuàng)建的關(guān)鍵點在工作平面上。3.在線上關(guān)鍵點的坐標與活躍坐標系有關(guān)。4.填充關(guān)鍵點填充關(guān)鍵點的方向與活躍坐標系有關(guān)。（Create>Keypoints>OnWorkingPlane）（Create>Keypoints>InActiveCS）（Create>Keypoints>OnLinew/Ratio）（Create>Keypoints>FillbetweenKPs）如何作三角形的中線AE？ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.3線的創(chuàng)建一、線的類型二、創(chuàng)建方法直線、圓弧、樣條曲線、其它曲線。1.創(chuàng)建直線2.在活躍坐標系上在任意情況下，均創(chuàng)建直線。3.垂線創(chuàng)建線的類型與活躍坐標系有關(guān)。（Create>Lines>Lines>StraightLine）（Create>Lines>Lines>InActiveCoord）4.角度線（Create>Lines>Lines>NormaltoLines）5.三點圓?。–reate>Lines>Lines>Atangletoline）（Create>Lines>Arcs>Through3KPs）拾取3個關(guān)鍵點創(chuàng)建圓弧。第1、2個關(guān)鍵點為圓弧的端點，第3個為中間點。圓弧的圓心角必須小于180°。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.3線的創(chuàng)建6.CR圓弧7.倒圓角通過指定圓心、圓弧上點、角度創(chuàng)建圓弧。（Create>Lines>Arcs>ByCent&Radius）該圓弧在工作平面上。（Create>Lines>LineFillet）要求兩線有公共關(guān)鍵點。三、實例-正弦曲線的創(chuàng)建（一）創(chuàng)建原理ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.3線的創(chuàng)建（二）創(chuàng)建步驟1.創(chuàng)建圓弧，Center(0，0)、R=1、α=90°。2.打開關(guān)鍵點號、線號。3.顯示多類型實體。4.創(chuàng)建圓弧的等分點。

(1)切換活躍坐標系為全球圓柱坐標系。(2)填充關(guān)鍵點，數(shù)量4個、起始編號3、編號增量1。5.創(chuàng)建關(guān)鍵點，x=1+π/2、y=0、z=0。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.3線的創(chuàng)建6.創(chuàng)建直線的等分點。

(1)切換活躍坐標系為全球直角坐標系。(2)填充關(guān)鍵點，數(shù)量4個、起始編號8、編號增量1。7.創(chuàng)建鉛垂線。

(1)復(fù)制關(guān)鍵點，Δx=0、Δy=1、Δz=0。

(2)創(chuàng)建直線。8.創(chuàng)建投影線。9.創(chuàng)建樣條曲線并刪除其余線。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.3線的創(chuàng)建

(1)偏移工作平面到關(guān)鍵點。

(2)切換活躍坐標系為工作平面坐標系。(3)鏡像樣條曲線，鏡面為Y-Zplane。11.對樣條曲線求和。

(1)合并關(guān)鍵點。

(2)布爾add運算。10.鏡像樣條曲線。如何創(chuàng)建其余部分正弦曲線？ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)各個邊分別與wx和wy軸平行。

2.4面的創(chuàng)建一、任意形狀的面1.通過關(guān)鍵點創(chuàng)建（Create>Areas>Arbitrary>ThroughKPs）所創(chuàng)建面可能是平面或曲面，與關(guān)鍵點的位置有關(guān)。2.通過線創(chuàng)建（Create>Areas>Arbitrary>ByLines）二、矩形面1.通過兩個角點（Create>Areas>Rectangle>By2Corners）創(chuàng)建的矩形面為平面，且在工作平面上，2.通過中心、角點（Create>Areas>Rectangle>ByCentr&Cornr）3.通過尺寸（Create>Areas>Rectangle>ByDimensions）

X1、X2、Y1、Y2分別確定4條邊的位置。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.4面的創(chuàng)建三、圓形面1.實心的圓形面（Create>Areas>Circle>SolidCircle）2.空心的圓形面（Create>Areas>Circle>Annulus）3.局部空心的圓形面（Create>Areas>Circle>PartialAnnulus）4.通過尺寸（Create>Areas>Circle>ByDimensions）輸入圓形面的內(nèi)外半徑和起始、中止角度，圓心被缺省指定在工作平面的原點上。輸入圓形面的圓心和半徑。輸入圓形面的圓心和內(nèi)外半徑。輸入圓形面的圓心、內(nèi)外半徑和起始、中止角度。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)工作平面上二維坐標系類型有笛卡爾坐標系（Cartesian，直角坐標系）和極坐標系（Polar）兩種，

2.5工作平面的應(yīng)用一、工作平面的作用二、工作平面的設(shè)置1.創(chuàng)建實體時定位和定向；2.作為工具平面使用；3.作為坐標系使用。三、工作平面的操作（UtilityMenu>WorkPlane>WPSettings）相對應(yīng)三維的工作平面坐標系為直角坐標系和圓柱坐標系。Snap被ANSYS作為長度單位使用，缺省值為0.05。偏移工作平面原點到新位置。

令工作平面坐標系的某坐標平面繞垂直坐標軸旋轉(zhuǎn)。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.5工作平面的應(yīng)用1.通過增量偏移、旋轉(zhuǎn)工作平面（OffsetWPbyIncrement）2.偏移原點到關(guān)鍵點（節(jié)點/原點）（Offset

WPtoKeypoints）3.對齊工作平面到關(guān)鍵點（AlignWPwithKeypoints）操作中指定3個關(guān)鍵點時，第一個關(guān)鍵點被作為工作平面的原點，第二個關(guān)鍵點在+wx軸上，第三個關(guān)鍵點定義工作平面和+wy軸。4.對齊工作平面到全球直角坐標系（AlignWPwithGlobalCartesian）工作平面恢復(fù)到回初始位置和方向。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.6體的創(chuàng)建一、常見體的創(chuàng)建1.塊（Create>Volumes>Block>ByDimension）塊的方向和位置由工作平面決定。2.圓柱體（Create>Volumes>Cylinder>ByDimension）圓柱體的軸線在wz軸上，底面與工作平面平行。二、工作平面及體的創(chuàng)建應(yīng)用實例-相交圓柱體ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.6體的創(chuàng)建1.創(chuàng)建兩個圓柱體，半徑分別為0.03和0.015，長度0.08。2.改變視點。3.顯示體號。4.偏移工作平面Δy=0.05、Δz=0.03，wywz面繞wx軸旋轉(zhuǎn)60°。5.創(chuàng)建兩個圓柱體，半徑分別為0.012和0.006，長度0.045。6.做布爾減運算，形成內(nèi)孔。7.重畫圖形。8.創(chuàng)建塊，x1,x2=-0.002,0.002，y1,y2=-0.013,-0.009，z1,z2=-0,0.008。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.6體的創(chuàng)建9.改變工作平面的坐標系為極坐標系。10.激活工作平面坐標系。11.環(huán)形復(fù)制塊。12.做布爾減運算，形成矩形槽。13.重畫圖形。14.wzwx面繞wy軸旋轉(zhuǎn)90°。15.從對稱面劃分模型。16.重畫圖形。17.刪除實體。18.做布爾加運算。19.觀察模型。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)有直接拾取和輸入實體編號兩種方法。

2.7對話框及元素一、拾取窗口1.坐標定位拾取窗口用于在工作平面定位點，有直接拾取和輸入坐標兩種方法。2.實體拾取窗口用于選擇命令操作對象，二、作用按鈕“OK”:應(yīng)用對話框內(nèi)的改變，并關(guān)閉對話框?！癆PPLY”：應(yīng)用對話框內(nèi)的改變，但不關(guān)閉對話框。“RESET”：重置對話框，恢復(fù)其默認值，不關(guān)閉對話框?！癈ANCEL”：取消在對話框中的操作，并關(guān)閉對話框。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)不保留各實體內(nèi)部邊界。一、布爾運算

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法1.交（Modeling>Operate>Booleans>Intersect）計算結(jié)果為所選擇實體的公共部分，有公共交集（Common）和兩兩交集（Pairwise）兩種。2.和（Modeling>Operate>Booleans>Add）計算結(jié)果為所選擇實體的和，3.差（Modeling>Operate>Booleans>Subtract）減和被減實體的交集被從被減實體中減掉。AB交A+BA-BANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)一、布爾運算

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法4.劃分（Divide）5.粘接（Glue）所操作實體在邊界上相交。粘接

單元

6.搭接（Overlap）所操作實體在內(nèi)部相交。搭接

單元

ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)二、擠出

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法三、復(fù)制（Modeling>Operate>Extrude）關(guān)鍵點擠出得到線，線擠出得到面，面擠出得到體。包括沿法線、通過偏移、關(guān)于軸、關(guān)于線等擠出方法。四、鏡像復(fù)制數(shù)目包括源實體，復(fù)制增量與活躍坐標系有關(guān)。（Modeling>Copy）五、刪除（Modeling>Reflect）鏡像平面是當前活躍坐標系的坐標平面，且當前活躍坐標系是直角坐標系。（Modeling>Delete）刪除命令包括只刪除實體本身、刪除實體及所屬低級實體兩類。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)六、實例-螺栓的創(chuàng)建

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法1.創(chuàng)建原理-交ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法2.創(chuàng)建步驟(1)激活全球圓柱坐標系。(2)創(chuàng)建關(guān)鍵點1(0.008,0,0)、2(0.008,90,0.0005)、3(0.008,180,0.001)、4(0.008,270,0.0015)、5(0.008,0,0.002)。(3)改變視點。(4)創(chuàng)建1個螺距的螺旋線。(5)復(fù)制5個螺距的螺旋線。(6)合并關(guān)鍵點。(7)作布爾加運算。(8)激活全球直角坐標系。(9)創(chuàng)建關(guān)鍵點90(0.008,0,0.00175)、91(0.006918,0,0)、92(0.006918,0,0.002)。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法2.創(chuàng)建步驟(10)顯示關(guān)鍵點、線號。(11)同時顯示點和線。(12)創(chuàng)建直線。(13)創(chuàng)建60°角度線。(14)由線創(chuàng)建面。(15)由面擠出螺旋體。(16)打開體號，關(guān)閉關(guān)鍵點、線號。(17)創(chuàng)建圓柱體。半徑分別為0.008，長度0.04。(18)作布爾減運算。(19)重畫圖形。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法2.創(chuàng)建步驟(20)創(chuàng)建關(guān)鍵點93(0.0065,0,0)、94(0.0095,0,0.003)、95(0,0,0)、96(0,0,0.03)。(21)創(chuàng)建直線。(22)由線擠出形成圓錐面。。(23)用面劃分體。(24)刪除體。(25)創(chuàng)建棱柱體（Prism>ByCircumscrRad），Z1,Z2為0.04,0.05，邊數(shù)為6，半徑為0.0131。(26)創(chuàng)建圓錐體（Cone>ByDimension），底半徑為0.03477，頂半徑為0.00549，Z1,Z2為0.03,0.055。(27)對棱錐體和圓錐體進行交運算，形成倒角。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.8復(fù)雜實體的創(chuàng)建方法2.創(chuàng)建步驟(28)觀察模型。如何創(chuàng)建斜齒圓柱齒輪？ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

2.9單元的劃分一、劃分步驟選擇單元類型，指定選項。定義實常數(shù)、梁的橫截面。定義材料模型。指定單元屬性。指定單元尺寸控制。選擇單元形狀。選擇劃分方法。劃分。重定義。二、實例-相交矩形面ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)第3章結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析本章提示3.1桿系結(jié)構(gòu)實例——懸臂梁3.2平面問題實例—厚壁圓筒問題3.3空間問題實例—扳手的受力分析3.4結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的特點3.5選擇操作3.6命令流3.7坐標系A(chǔ)NSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

本章提示掌握利用有限元軟件求解結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題時在前處理、求解、后處理三個階段的特點、處理方法。利用ANSYS軟件進行有限元分析的過程。掌握將空間結(jié)構(gòu)簡化為桁架結(jié)構(gòu)、平面問題應(yīng)滿足的條件、方法，以及ANSYS創(chuàng)建簡化結(jié)構(gòu)有限元模型的方法、特點。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.1桿系結(jié)構(gòu)實例—懸臂梁一、桿系結(jié)構(gòu)指的是由長度遠遠大于其他方向尺寸（10:1）的構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，如連續(xù)梁、桁架、剛架等。二、靜力學(xué)分析當結(jié)構(gòu)承受不隨時間變化的載荷作用時，分析其位移、應(yīng)變、應(yīng)力和支反力，需要進行靜力學(xué)分析。三、懸臂梁問題及求解分析鋼制工字懸臂梁在集中力P作用下自由端的變形。已知梁橫截面面積A=14.345cm2，截面高度H=100mm，慣性矩Ixx=245cm4。梁長度L=1m，集中力P=10000N。（一）問題描述ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)4.定義I字梁的橫截面，輸入W1、W2、W3、t1、t2、t3分別為0.035、0.035、0.05、0.0035、0.0035、0.003。

3.1桿系結(jié)構(gòu)實例—懸臂梁（二）求解步驟1.改變?nèi)蝿?wù)名為E7。2.過濾界面。3.選擇單元類型為BEAM188。5.定義材料模型，EX=2e11、PRXY=0.3。6.創(chuàng)建關(guān)鍵點1(0,0,0)、2(1,0,0)

。7.顯示關(guān)鍵點號。8.在關(guān)鍵點1和2間創(chuàng)建直線。9.劃分單元，指定直線被劃分為50段。10.在關(guān)鍵點1處施加全約束。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.1桿系結(jié)構(gòu)實例—懸臂梁（二）求解步驟11.在關(guān)鍵點2處施加集中力載荷，F(xiàn)Y=-1000N。12.求解。13.查看結(jié)果，顯示變形。（三）思考題懸臂梁用桿CD支撐，分析在集中力P作用下自由端的變形。已知梁橫截面面積A=14.345cm2，截面高度H=100mm，慣性矩Ixx=245cm4。桿CD的橫截面面積A=8cm2，梁長度L=1m，集中力P=10000N。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)設(shè)有無限長的柱狀體，在柱狀體上作用的面力和體力的方向與橫截面平行，而且不沿長度而發(fā)生變化。作用在板上的所有面力和體力的方向均平行于板面，而且不沿厚度方向發(fā)生變化。

3.2平面問題實例—厚壁圓筒問題一、平面問題1.平面應(yīng)力問題當結(jié)構(gòu)為均勻薄板，2.平面應(yīng)變問題分析取板面進行。分析取橫截面進行。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.2平面問題實例—厚壁圓筒問題二、對稱性當結(jié)構(gòu)具有對稱面而載荷也對稱于該對稱面時，則結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變也對稱于該對稱面。此時，可取結(jié)構(gòu)的一半進行分析，并且約束掉對稱面上垂直方向的位移。三、問題描述圖示厚壁圓筒的內(nèi)半徑r1=50mm，外半徑r2=100mm，作用在內(nèi)孔上的壓力p=10MPa，無軸向壓力，軸向長度很大可視為無窮。試計算厚壁圓筒的徑向應(yīng)力

r和切向應(yīng)力

t沿半徑r方向的分布。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.2平面問題實例—厚壁圓筒問題四、求解步驟1.改變?nèi)蝿?wù)名為E8。2.過濾界面。3.選擇單元類型為PLANE183，單元選項K3為平面應(yīng)變。4.定義材料模型。5.創(chuàng)建圓形面，內(nèi)外半徑及角度分別為0.1、0.05和90°。6.劃分單元。指定各邊劃分段數(shù)為6和8，形狀為四邊形，映射網(wǎng)格。7.在直線邊上施加垂直方向約束。8.在內(nèi)孔施加壓力載荷。9.求解。10.顯示節(jié)點。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.2平面問題實例—厚壁圓筒問題四、求解步驟11.在水平直線邊上定義路徑p1。12.將數(shù)據(jù)映射到路徑上。13.作路徑圖。五

、思考題一均勻薄板的尺寸和所承受的載荷如圖所示，P=3000N，所使用材料為45鋼。求作a-a截面的路徑圖，顯示其拉應(yīng)力。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)3.3空間問題實例—扳手的受力分析一、問題描述已知內(nèi)六角螺栓扳手軸線形狀和尺寸，橫截面為一外接圓半徑為10mm的正六邊形，擰緊力F為600N，計算扳手擰緊時的應(yīng)力分布。F二、求解步驟改變?nèi)蝿?wù)名為E9。過濾界面。選擇單元類型PLANE182和SOLID185。定義材料模型。創(chuàng)建正六邊形面，圓心在原點，半徑為0.01。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)3.3空間問題實例—扳手的受力分析二、求解步驟改變視點。顯示關(guān)鍵點、線號。創(chuàng)建關(guān)鍵點7(0,0,0)、8(0,0,0.05)、9(0,0.1,0.05)。創(chuàng)建直線。創(chuàng)建圓角，半徑為0.015。創(chuàng)建直線。用直線將六邊形面劃分成兩部分。F為面劃分單元。指定面各邊劃分為3段，形狀為四邊形，映射網(wǎng)格。指定軸線上單元邊長度為0.01。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)3.3空間問題實例—扳手的受力分析二、求解步驟顯示直線。由面沿直線擠出體，由2D單元生成3D單元。清除面單元。顯示單元。在短臂端面施加全約束。F在長臂端面頂點上施加力載荷，大小為100N。求解。查看結(jié)果，顯示變形。用應(yīng)力云圖顯示VonMises應(yīng)力。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)3.3空間問題實例—扳手的受力分析二、求解步驟偏移工作平面到節(jié)點159。選擇圖形類型Section，作切片圖。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)普通后處理器POST1。應(yīng)力云圖、變形云圖、列表、單元表、路徑圖、切片。彈性模量EX、泊松比PRXY。一、前處理單元類型：結(jié)構(gòu)（Structural）單元。材料模型：實常數(shù)：根據(jù)單元類型。二、求解載荷類型：集中力、壓力、加速度、角速度、轉(zhuǎn)矩、溫度

。約束：位移（線性位移和角位移）。三、后處理當施加有角速度、加速度載荷時，還需要定義密度（DENS）。

3.4結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的特點當施加溫度載荷時，還需要定義線膨脹系數(shù)（ALPX）。橫截面：梁單元類型需要。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.5選擇操作一、選擇操作用于構(gòu)造實體選擇集。二

、選擇實體命令（UtilityMenu→Select→Entities）1.選擇實體類型2.選擇方式ByNum/Pick：通過輸入實體編號或在圖形窗口直接拾取選擇。Attachedto：通過與其他類型的實體相關(guān)聯(lián)進行選擇。ByLocation：通過由定位設(shè)置定義的選擇區(qū)域進行選擇。ByAttribute：通過單元類型、實常數(shù)號、材料號等屬性進行選擇。Exterior：選擇實體的邊界。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.5選擇操作3.定位設(shè)置4.選擇功能設(shè)置FromFull：從全部模型中構(gòu)造一個新的實體選擇集。Reselect：從當前實體選擇集中再次選擇。AlsoSelect：把新選擇的實體添加到當前實體選擇集中。Unselect：把新選擇的實體從當前實體選擇集中去掉。FromFullReselectAlsoSelectUnselectANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.5選擇操作5.動作按鈕SeleAll：全部選擇該類型的實體。Invert：反向選擇，全部模型中除當前實體選擇集以外的實體被選擇。SeleBelo：選擇已選擇實體以下的實體。SeleNone：撤消對該類型所有實體的選擇。Invert三、實體選擇實例--扳手的受力分析(1)選擇扳手表面上z=0.01～0.02的所有節(jié)點。(2)選擇兩個端面上的所有節(jié)點。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.6命令流一、命令格式K，100，1，2，3效率高，容易發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，適合對ANSYS較熟悉者解決復(fù)雜問題時使用。通過在命令窗口輸入命令流執(zhí)行命令,二、命令流法執(zhí)行命令的特點三、命令流文件的形成1.使用ANSYS的記錄文件。2.使用命令對話框的HELP按鈕。四、命令流文件實例—正弦曲線的創(chuàng)建ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)3.6命令流命令流/PREP7K,100,0,0,0CIRCLE,100,1,,,90CSYS,1KFILL,2,1,4,3,1K,7,1+3.1415926/2,0,0CSYS,0KFILL,7,1,4,8,1KGEN,2,7,11,1,,1LSTR,8,13LSTR,9,14LSTR,10,15

!進入前處理器!創(chuàng)建關(guān)鍵點!創(chuàng)建圓弧!切換活躍坐標系!填充關(guān)鍵點!復(fù)制關(guān)鍵點!創(chuàng)建直線ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)命令流LSTR,11,16LANG,5,6,90,,0LANG,4,5,90,,0LANG,3,4,90,,0LANG,2,3,90,,0BSPLIN,1,17,18,19,20,12LSEL,U,,,14LDELE,ALLLSEL,ALLKWPAVE,12CSYS,4LSYMM,X,14NUMMRG,KP,,,,LOWLCOMB,ALL,,0

!創(chuàng)建投影線!創(chuàng)建樣條曲線!不選擇線14!刪除線選擇集中所有線!選擇所有線!偏移工作平面到關(guān)鍵點12!鏡像線!合并關(guān)鍵點!布爾和運算3.6命令流ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系一、全球坐標系GlobalCartesianCSYS=0

全球坐標系是一個絕對的參考系，主要用于定位幾何實體的位置。全球坐標系有三種：全球直角坐標系、全球圓柱坐標系、全球球坐標系。GlobalCylindrical(Y)CSYS=1或5

GlobalSphericalCSYS=2

三種坐標系都是右手系，它們有共同的原點—全球原點。（GlobalCoordinateSystem）ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系用戶可以根據(jù)需要，建立自己的坐標系，稱為局部坐標系。也用于定位幾何實體。局部坐標系的種類有直角坐標系、圓柱坐標系、球坐標系和環(huán)坐標系。局部坐標系的坐標系號大于10，一旦某個局部坐標系被定義，它立即成為活躍坐標系。盡管定義了多種坐標系，但任一時刻只能有一個是活躍的。把某一個坐標系激活為活躍坐標系，可使用UtilityMenu→WorkPlane→ChangeActiveCSto命令。二、局部坐標系三、活躍坐標系

UtilityMenu→WorkPlane→LocalCoordinateSystem→CreateLocalCS。（LocalCoordinateSystem）ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系

ANSYS列表顯示節(jié)點和關(guān)鍵點坐標時，使用的坐標系。用于定義每個節(jié)點的自由度和節(jié)點載荷的方向。四、顯示坐標系（DisplayCoordinateSystem）顯示坐標系為GlobalCartesian

顯示坐標系為GlobalCylindrical

五、節(jié)點坐標系默認時，節(jié)點坐標系與GlobalCartesian方向一致。（NodalCoordinateSystem）ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系單元坐標系用于定義各向異性材料的特性的方向、施加表面載荷的方向、單元結(jié)果的輸出方向等。六、單元坐標系（ElementCoordinateSystem）結(jié)果數(shù)據(jù)總是旋轉(zhuǎn)到結(jié)果坐標系上顯示，默認的結(jié)果坐標系為全球直角坐標系。七、結(jié)果坐標系（ResultCoordinateSystem）結(jié)果坐標系為GlobalCartesian時，σx為x方向應(yīng)力。結(jié)果坐標系為GlobalCylindrical時，σx為徑向應(yīng)力。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系八、坐標系的應(yīng)用實例——圓軸扭轉(zhuǎn)分析1.問題描述設(shè)等直圓軸的圓截面直徑D=50mm，長度L=120mm，作用在圓軸兩端上的轉(zhuǎn)矩Mn=1.5×103N·m。2.求解步驟(1)改變?nèi)蝿?wù)名為E10。(2)選擇單元類型PLANE183和SOLID186。(3)定義材料模型。(4)創(chuàng)建矩形面。x1,x2=0,0.05，y1,y2=0,0.12。(5)劃分單元。短邊5段，長邊8段。(6)設(shè)定擠出選項。指定擠出5段，清除面單元。(7)由面旋轉(zhuǎn)擠出體。(8)顯示單元。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系2.求解步驟(9)改變視點。(10)旋轉(zhuǎn)工作平面，wywz面繞wx軸旋轉(zhuǎn)-90°。(11)創(chuàng)建局部坐標系。編號為11，類型為圓柱坐標系，原點在全球原點，rθ平面在工作平面上。(12)選中圓柱面上的所有節(jié)點，r=0.025。(13)旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系到當前坐標系。(14)施加徑向約束。(15)選中圓柱面最上端的所有節(jié)點，z=0.12。(16)施加切向載荷模擬扭矩，大小為1500。(17)選擇所有。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

3.7坐標系2.求解步驟(18)顯示體。(19)在圓柱體的底面上施加全約束。(20)求解。(21)顯示變形。(22)改變結(jié)果坐標系為局部坐標系11。(23)選擇z≤0.045m的所有單元。(24)用等高線顯示剪應(yīng)力τyz。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)第4章結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析本章提示4.1模態(tài)分析實例—均勻直桿的固有頻率分析4.2諧響應(yīng)分析實例—單自由度系統(tǒng)的強迫振動分析4.3

瞬態(tài)分析實例一—凸輪從動件運動分析

瞬態(tài)分析實例二—連桿機構(gòu)運動分析4.4結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的特點ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

本章提示了解利用有限元軟件求解結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題時在前處理、求解、后處理三個階段的特點、處理方法。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)一、問題描述圖示為一根長度為L的等截面直桿，一端固定，一端自由。已知桿材料的彈性模量E=2×1011N/m2，密度

=7850kg/m3，桿長L=0.1m。要求計算直桿縱向振動的固有頻率。

4.1模態(tài)分析實例—均勻直桿的固有頻率分析二

、分析步驟(1)改變?nèi)蝿?wù)名為E11。(2)選擇單元類型SOLID186。(3)定義材料模型。(4)創(chuàng)建塊。x1,x2=0,0.01，y1,y2=0,0.01，z1,z2=0,0.1。(5)改變視點。(6)劃分單元。短邊3段，長邊15段。(7)施加約束。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

4.1模態(tài)分析實例—均勻直桿的固有頻率分析二

、分析步驟(8)指定分析類型Modal。(9)指定分析選項，指定擠出模態(tài)數(shù)5。(10)指定要擴展的模態(tài)數(shù)5，計算振型。(11)求解。(12)列表固有頻率。(13)用云圖和動畫觀察各階模態(tài)。三

、模態(tài)分析步驟(1)建模。必須指定材料密度。(2)指定分析類型為Modal。(3)指定擠出模態(tài)數(shù)、擴展模態(tài)數(shù)等分析選項。(4)施加約束。(5)求解。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)

4.1模態(tài)分析實例—均勻直桿的固有頻率分析三

、模態(tài)分析步驟(6)在POST1查看頻率結(jié)果。(7)查看振型結(jié)果。m=1kg、k=10000N/m，系統(tǒng)的頻率是多少

？ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)諧響應(yīng)分析施加的載荷均按正弦規(guī)律變化，

4.2諧響應(yīng)分析實例—單自由度系統(tǒng)的強迫振動

一、問題描述在圖示單自由度系統(tǒng)中

，已知質(zhì)量m=1kg，彈簧剛度k=10000N/m，阻尼系數(shù)c=63N·s/m，作用在系統(tǒng)上的激振力f(t)=F0sin

t，F(xiàn)0=2000N，

為激振頻率。二

、正弦載荷在加載命令中指定載荷的實部和虛部。定義一個載荷需要三個參數(shù)：幅值（Amplitude）、相位角（Phaseangle）和強制頻率范圍（Forcingfrequencyrange）。幅值相位角實部（Real）虛部（Image）ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)(1)改變?nèi)蝿?wù)名為E15。(2)選擇單元類型MASS21和COMBIN14。(3)定義實常數(shù)，質(zhì)量為1，剛度為10000，阻尼系數(shù)為63。(4)創(chuàng)建節(jié)點1(0,0,0)和2(1,0,0)。(5)設(shè)置要創(chuàng)建單元的屬性TYPE=2，REAL=2。(6)由節(jié)點1、2創(chuàng)建彈簧阻尼單元。(7)設(shè)置要創(chuàng)建單元的屬性TYPE=1，REAL=1。(8)由節(jié)點2創(chuàng)建質(zhì)量單元。(9)顯示節(jié)點和單元號。(10)在節(jié)點1施加全約束，在節(jié)點2施加約束、UX自由。(11)指定分析類型為Harmonic。(12)指定激振頻率范圍(0,50)，計算25個點。二

、分析步驟

4.2諧響應(yīng)分析實例—單自由度系統(tǒng)的強迫振動

ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)(13)在節(jié)點2施加載荷FX，實部為2000，虛部為0。(14)求解。(15)定義變量Dispx，存儲節(jié)點2的x方向位移。(16)用曲線圖顯示變量Dispx的幅值和相位角，即幅頻曲線和相頻曲線。

4.2諧響應(yīng)分析實例—單自由度系統(tǒng)的強迫振動

二

、分析步驟三

、諧響應(yīng)分析步驟(1)建模。必須指定材料密度。(2)指定分析類型為Harmonic。(3)施加約束。(4)指定激振頻率范圍。(5)按實部/虛部或者幅值/相位角方式定義載荷。(6)求解。(7)在POST26用結(jié)果-頻率對應(yīng)關(guān)系表即變量查看結(jié)果。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)4.3瞬態(tài)分析實例一—凸輪從動件運動分析一、問題描述對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)的從動件位移s隨時間的變化情況如圖所示，試分析從動件速度v、加速度a的變化情況。二、瞬態(tài)載荷載荷的每次變化都要定義一個載荷步。斜坡載荷（KBC=1）階躍載荷（KBC=0）①②③④⑤需要指定載荷步末點的時間、載荷的大小。①穩(wěn)態(tài)分析第一個載荷步通常用于指定初始條件。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)4.3瞬態(tài)分析實例一—凸輪從動件運動分析(1)改變?nèi)蝿?wù)名為E16。(2)選擇單元類型PLANE182和SOLID185(3)定義材料模型EX=2e11、PRXY=0.3、DENS=7800。(4)顯示關(guān)鍵點、線號。(5)創(chuàng)建關(guān)鍵點1(0,0,0)、2(0.015,0.015,0)、3(0.015,0.1,0)、4(0,0.1,0)。(6)創(chuàng)建直線。(7)由線創(chuàng)建面。(8)劃分單元。短邊2段，長邊10段。(9)設(shè)定擠出選項，擠出4段。(10)由面繞軸擠出回轉(zhuǎn)體。三

、分析步驟ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)(11)顯示單元。(12)改變視點。(13)旋轉(zhuǎn)工作平面，WYWZ平面繞WX軸旋轉(zhuǎn)-90°。4.3瞬態(tài)分析實例一—凸輪從動件運動分析(14)創(chuàng)建局部坐標系，編號為11，類型為圓柱坐標系，原點在全球原點，rθ平面在工作平面上。(15)顯示面號。(16)顯示面。(17)創(chuàng)建選擇集，選擇圓柱面及圓柱面上節(jié)點。(18)顯示節(jié)點。(19)旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系對齊于局部坐標系11。(20)施加徑向約束。ANSYS機械工程應(yīng)用(第4版)(21)選擇所有實體。(22)顯示單元。(23)指定分析類型為Transient。(24)確定數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件中包含所有子步的所有項目。(25)在頂面中心施加集中力載荷，F(xiàn)Y=-1000。(26)確定第一個載荷步時間10s和時間