ANSYS有限元分析課件.ppt

1、2020/8/29,ANSYS,II. ANSYS軟件及其應用,2020/8/29,2,第1章 有限元基本理論 第2章 ANSYS功能簡介 第3章 ANSYS基本過程 第4章 ANSYS入門與準備 第5章 模型輸入及修復 第6章 坐標系 第7章 選擇、組件與部件 第8章 實體建模技術 第9章 布爾操作 第10章 單元屬性,第11章 網(wǎng)格劃分 第12章 加載求解技術 第13章 后處理技術 第14章 結(jié)構非線性分析 第15章 模態(tài)分析 第16章 耦合和約束方程 第17章 APDL基礎 第18章 子模型 第19章 熱分析 第20章 熱-應力耦合分析,第一章 有限元基本理論,平衡方程,幾何方程,物理方

2、程,邊界條件,物理系統(tǒng),有限元離散,單元的位移場,(假定單元內(nèi)位移函數(shù)),單元節(jié)點關系,求解區(qū)域的位移場、應力場,簡單化,1.1 有限元分析 (FEA),有限元分析 是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。它利用簡單而又相互作用的元素，即單元，用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。,定義,1.2 有限單元法的基本思想,將連續(xù)的結(jié)構離散成有限個單元，并在每一單元中設定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作只在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體。 選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設一近似插值函數(shù)，以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律。 利用力學中的某種變分原理去建立用以求節(jié)點

3、未知量的有限單元法方程，將一個連續(xù)域中有限自由度問題化為離散域中有限自由度問題。,1.3 物理系統(tǒng)舉例,幾何體 載荷 物理系統(tǒng),1.3.1 平衡方程,1.3.2 幾何方程,1.3.3 物理方程(本構方程),拉梅系數(shù),體積應變,剪切模量,1.3.4 邊界條件,應力邊界條件,位移邊界條件,1.4 有限元模型,真實系統(tǒng),有限元模型,有限元模型 是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學抽象。,定義,1.5 自由度(DOFs),自由度(DOFs) 用于描述一個物理場的響應特性。,結(jié)構 DOFs,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,定義,1.6 節(jié)點和單元,節(jié)點:空間中的坐標位置，具有一定自由度和存在相互物理作

4、用。,單元: 一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、面或?qū)嶓w以及二維或三維的單元等種類。,有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點連接，并承受一定載荷。,載荷,定義,1.6 節(jié)點和單元 (續(xù)),信息是通過單元之間的公共節(jié)點傳遞的。,.,.,.,A,B,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,.,.,.,2 nodes,1.6 節(jié)點和單元 (續(xù)),節(jié)點自由度是隨連接該節(jié)點 單元類型 變化的。,J,I,I,J,J,K,L,I,L,K,I,P,O,M,N,K,J,I,L,三維桿單元 (鉸接) UX, UY, UZ,三維梁單元 UX, UY, UZ, R

5、OTX, ROTY, ROTZ,二維或軸對稱實體單元 UX, UY,三維四邊形殼單元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ,三維實體熱單元 TEMP,J,P,O,M,N,K,J,I,L,三維實體結(jié)構單元 UX, UY, UZ,1.7 單元形函數(shù),FEA僅僅求解節(jié)點處的DOF值。 單元形函數(shù)是一種數(shù)學函數(shù)，規(guī)定了從節(jié)點DOF值到單元內(nèi)所有點處DOF值的計算方法。 因此，單元形函數(shù)提供出一種描述單元內(nèi)部結(jié)果的“形狀”。 單元形函數(shù)描述的是給定單元的一種假定的特性。 單元形函數(shù)與真實工作特性吻合好壞程度直接影響求解精度。,1.7 單元形函數(shù)(續(xù)),1.7 單元形函數(shù)(續(xù)),DOF

6、值可以精確或不太精確地等于在節(jié)點處的真實解，但單元內(nèi)的平均值與實際情況吻合得很好。 這些平均意義上的典型解是從單元DOFs推導出來的（如：結(jié)構應力、熱梯度）。,1.7 單元形函數(shù)(續(xù)),如果單元形函數(shù)不能精確描述單元內(nèi)部的DOFs，就不能很好地得到導出數(shù)據(jù)，因為這些導出數(shù)據(jù)是通過單元形函數(shù)推導出來的。 當選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并接受該種單元類型所假定的單元形函數(shù)。 在選定單元類型并隨之確定了形函數(shù)的情況下，必須確保分析時有足夠數(shù)量的單元和節(jié)點來精確描述所要求解的問題。,1.8 直桿受自重作用的拉伸問題,1.8 直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)),就整個直桿來說，位移函數(shù)U(x)是

7、未知的，但對每一單元可以近似地假設一位移函數(shù)，它在結(jié)點上等于結(jié)點位移。此處，假設單元中的位移按線性分布 ，即：,1.8 直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)),有了位移插值函數(shù)，就可以按材料力學公式求出應變和應力用節(jié)點位移表示的公式：,1.8 直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)),外載荷與結(jié)點的平衡方程,為第i個結(jié)點上承受的外載荷,1.8 直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)),假定將直桿分割成3個單元，每個單元長為a=L/3，則對結(jié)點2，3，4列出的平衡方程為：,1.8 直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)),1.8 直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)),聯(lián)立求解線性代數(shù)方程組得：,1.9 有限單元法解題的一般步驟,結(jié)構的離散

8、化 選擇位移模式 建立平衡方程 求解節(jié)點位移 計算單元中的應力和應變,1.9.1 結(jié)構的離散化,將分析的結(jié)構物分割成有限個單元體，使相鄰的單元體僅在節(jié)點處相連接，而以如此單元的結(jié)合體去代替原來的結(jié)構。,1.9.2 選擇位移模式(形函數(shù)),首先對單元假設一個位移差值函數(shù)，或稱之為位移模式，得到用節(jié)點位移表示單元體內(nèi)任一點的唯一的關系式 有了位移模式，就可利用幾何關系和應力-應變關系表出用單元節(jié)點位移表示單元中應變和應力的表達式,1.9.3 三角形單元的形函數(shù),基本假定：假定單元內(nèi)的位移可以用一個比較簡單的函數(shù)來表示，如線性插值函數(shù)。這在單元劃分比較密的情況下是合理可行的。,1.9.3 三角形單元

9、的形函數(shù)(續(xù)),將三角形單元的3個頂點的2個方向位移代入位移函數(shù)可求出6個待定系數(shù)。即可用節(jié)點的位移表示內(nèi)部任意一點的位移：,1.9.4 建立平衡方程,可利用最小勢能原理建立結(jié)構的節(jié)點載荷和節(jié)點位移之間的關系式，即結(jié)構的平衡方程,1.9.5 求解結(jié)點位移,將邊界條件代入線性代數(shù)方程組 后，經(jīng)解算可求得所有未知的結(jié)點位移。,1.9.6 計算單元中的應變和應力,依據(jù)求得的結(jié)點位移，由 可求得單元中任一點的應變和應力。,平面問題的有限單元法,結(jié)構的離散化,用有限元法對結(jié)構進行應力分析時，首先要將結(jié)構進行離散化。即將一個連續(xù)體看成由有限個單元組成的體系。彈性力學平面問題中最常見的單元是三角形單元。 所

10、有作用在單元上的載荷都按靜力等效的原則移置到結(jié)點上，并在受幾何約束的結(jié)點處設置相應的鉸支座。這樣就得到了用以代替原來彈性體的有限單元計算模型。,位移模式,取一個典型的三角形單元進行力學分析。在有限單元位移法中，假設結(jié)點上的位移是基本未知量。為了能用單元的結(jié)點位移表示單元中的應變和應力分量，必須假定一個位移模式，也就是說根據(jù)單元的結(jié)點位移去構造單元上的位移插值函數(shù)。,位移模式（續(xù)）,位移插值函數(shù),采用線性插值，即假定單元上的位移分量是坐標的線性函數(shù)： 它們可以由結(jié)點位移確定如下：,位移模式(續(xù)),聯(lián)立求解上述方程，可得：,位移模式(續(xù)),其中： 而： 是三角形ijm的面積。,位移模式(續(xù)),于是

11、可以得到： 其中： 同理得：,位移模式(續(xù)),可以將位移模式改寫為矩陣模式：,單元中的應變和應力,有了單元的位移模式，就可以借助平面問題的幾何和物理方程，導出用單于的結(jié)點位移表示單元中的應變和應力分量的公式。 由：,單元中的應變和應力(續(xù)),得到： 或簡寫為：,單元中的應變和應力(續(xù)),將應變代入物理方程： 可得： 即為用單元中的結(jié)點位移表示單元中應力的關系式。,單元中的應變和應力(續(xù)),式中D為彈性矩陣，對于平面應力問題，矩陣為：,單元的總勢能,我們已經(jīng)知道由各個單元的位移模式就形成了整個結(jié)構的位移模式。按彈性力學最小勢能原理，結(jié)構中最接近于真實解的位移應該是使結(jié)構總勢能取得最小值的那組位移

12、函數(shù)。 由于在位移函數(shù)公式中，結(jié)點位移為自變量，這樣就使一個泛函的極值問題變?yōu)橐粋€多元函數(shù)的極值問題。為此我們來討論單元的總勢能關于結(jié)點位移的表達式。 每一個單元的總勢能由該單元的應變能以及此單元上所有外力的勢能組成。,單元的應變能,平面應力狀態(tài)下，設物體厚度為h，則單元中的應變能為：,單元的應變能（續(xù)）,將和Bi代入上式，應用矩陣相乘的轉(zhuǎn)置的逆序法則,注意到彈性矩陣D的對稱性,有：,單元的應變能（續(xù)）,因為矩陣B及D的元素都是常量，所以可記：,單元的應變能（續(xù)）,從而單元的應變能可寫為： 利用=Be，有：,單元的應變能（續(xù)）,注意到B=Bi Bj Bm，記子矩陣,單元上體積力的勢能,物體中常

13、見的體力為旋轉(zhuǎn)離心體力和重力。在平面問題中，體積力在z軸方向的分力為零，設單元體積中的體積力為： 單元上體積力具有的勢能為：,單元上表面力的勢能,設物體邊界上一單元某邊上受到表面力的作用，單位長度上所受到的表面力為： 則單元上表面力的勢能為：,單元節(jié)點上集中力的勢能,如果彈性物體受到集中力Re 的作用，通常劃分單元網(wǎng)格時都在集中力的作用點設置結(jié)點。設某單元3個結(jié)點上所受到的集中力為： 于是該單元上集中力的勢能是：,單元中的總勢能,綜合前面的幾種情況，可以得到單元中的總勢能為：,單元中的總勢能,分別引進單元體積力，表面力，集中力向量如下：,單元中的總勢能,則單元中的總勢能可以表示為：,物體中的總

14、勢能,把各單元的總勢能疊加起來，就可得到整個彈性體的總勢能。為了便于疊加和歸并，需將單元剛度矩陣表達式(2-18)作適當?shù)母膶憽?假設結(jié)構離散化后共有n個結(jié)點，將編號為 l的結(jié)點位移記為： 則結(jié)構的結(jié)點位移向量： 是一個2n維的列向量。,物體中的總勢能（續(xù)）,可將單元剛度矩陣式用補零的辦法由6X6的矩陣擴大到2nX2n的矩陣,物體中的總勢能（續(xù)）,如果在物體上劃分的單元總數(shù)是e0,再引進 結(jié)構的總剛度陣： 物體總勢能就可寫為：,物體中的總勢能（續(xù)）,代入約束條件后的彈性體總勢能可以寫為：,空間問題的有限單元法,空間問題的有限單元法,用有限單元法求解彈性力學空間問題，首先也要將連續(xù)的空間物體用一

15、系列的單元離散化。 空間問題中，最簡單的是四面體單元。離散的空間結(jié)構是這些單元只在節(jié)點處以空間鉸相互連接的集合體。,空間問題的有限單元法（續(xù)）,位移模式,空間問題中，每一個結(jié)點有3個位移分量，單元結(jié)點位移向量由12個分量組成，分別表示為：,位移模式（續(xù)）,假定單元內(nèi)的位移分量為坐標的線性函數(shù):,位移模式（續(xù)）,將上式中的第一式應用于4個結(jié)點，則有：,位移模式（續(xù)）,由上式可解出a1,a2,a3和a4再代回位移分量的表達式，可得： 式中： 為形函數(shù)，其中：,位移模式（續(xù)）,位移模式（續(xù)）,用同樣的方法，可以得到： 合并,的表達式，可以將單元內(nèi)任一點的位移寫為：,單元中的應變和應力,在空間問題中，

16、每點有6個應變分量，由幾何關系：,將,的表達式代入上式，得到: 式中：,單元中的應變和應力(續(xù)),單元中的應變和應力(續(xù)),可以看出，應變矩陣B中的元素都是常量，從而單元中的應變都是常量，故線性位移模式的四面體單元是常應變單元。 由應力-應變關系，得到單元中的應力為： 式中D為一般空間問題的彈性矩陣 從下面D的表達式可以看出，單元中的應力都是常數(shù)。,單元中的應變和應力(續(xù)),單元剛度矩陣和結(jié)點載荷向量,仿照平面問題的推導，可以得到四面體單元的剛度矩陣： 分塊形式：,單元剛度矩陣和結(jié)點載荷向量（續(xù)）,式中子矩陣可以表達為： 其中：,單元剛度矩陣和結(jié)點載荷向量（續(xù)）,經(jīng)過與平面問題中同樣的推導，單

17、元的體積力向量和表面力向量可以用下列公式計算： 經(jīng)疊加，組合，得有限元支配方程： 代入約束條件，可解出結(jié)點位移向量，從而就可以求出各單元的應變和應力。,第二章 ANSYS軟件的功能簡介,ANSYS在部分工業(yè)領域中的應用如下： 航空航天 汽車工業(yè) 生物醫(yī)學 橋梁、建筑 電子產(chǎn)品 重型機械 微機電系統(tǒng) 運動器械,ANSYS/Multiphysics 包括所有工程學科的所有性能 ANSYS/Multiphysics有三個主要的組成產(chǎn)品 ANSYS/Mechanical - ANSYS/機械-結(jié)構及熱 ANSYS/Emag -ANSYS電磁學 ANSYS/FLOTRAN - ANSYS計算流體動力學

18、其它產(chǎn)品: ANSYS/LS-DYNA -高度非線性結(jié)構問題 DesignSpace CAD環(huán)境下，適合快速分析容易使用的設計和分析工具 ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的ANSYS 分析接口。,DesignSpace,2.1 前處理模塊PREP7,實體建模方式之一 ：自頂向下,問題：如何保證各實體的連接、交叉等關系？布爾操作,2.1 前處理模塊PREP7(續(xù)),實體建模方式之二 ：自底向上,2.1 前處理模塊PREP7(續(xù)),實體建模方式的選擇： 自頂向下建模可以提高建模的效率，但在需要利用布爾操作時比較難以掌握； 自底向上建?？梢詼p少出錯的機會，但效率較低。 建議：先學習

19、自底向上后學習自頂向下,網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分與映射劃分,2.1 前處理模塊PREP7(續(xù)),網(wǎng)格劃分方法：自由劃分和自適應劃分,2.1 前處理模塊PREP7(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION,2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),結(jié)構動力分析的類型： 模態(tài)分析：計算線性結(jié)構的自振頻率及振型。 譜分析：是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構應力和應變(也叫作響應譜或PSD)。 諧響應分析：確定線性結(jié)構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。 瞬態(tài)動力學分析：確定結(jié)構 對隨時間任意變化的載荷的響應， 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構 非線性行為。

20、,2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),顯式動力學分析的特點： 用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。 它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。,熱分析之后往往進行結(jié)構分析，計算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應力。 ANSYS熱分析功能: 相變(熔化及凝固) 內(nèi)熱源(如電阻發(fā)熱等) 三種熱傳遞方式(熱傳導、熱對流、熱輻射),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解

21、模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),磁場分析的類型: 靜磁場分析：計算直流電(DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場。 交變磁場分析：計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場。 瞬態(tài)磁場分析：計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場。,2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),同軸電纜中的電場 (EFSUM),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),流體分析的分類： CFD -ANSYS/FLOTRAN 提供強大的計算流體動力學分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等。應用于：航空航天，電子元件封裝，汽車設計。,聲學分析 -

22、 考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用, 進行聲波傳遞或水下結(jié)構的動力學分析等。例如：揚聲器、汽車內(nèi)部、聲納。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。 容器內(nèi)流體 分析 - 考慮容器內(nèi)的非流動流體的影響?？梢源_定由于晃動引起的靜水壓力。例如：油罐，其它液體容器。 流體動力學耦合分析 - 在考慮流體約束質(zhì)量的動力響應基礎上，在結(jié)構動力學分析中使用流體耦合單元。,2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),典型耦合場分析： 熱應力分析 流體結(jié)構相互作用 感應加熱（電磁熱） 壓電分析（電場和結(jié)構） 聲學分析（流體和結(jié)構） 熱-電分析 靜電-結(jié)構分析,兩根熱膨脹系數(shù)不

23、同的棒焊接在一起，圖示為加熱后的變形。,2.2 求解模塊SOLUTION(續(xù)),2.3 后處理模塊POST1和POST26,這個模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果（如應力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色代表了不同的值（如應力值） 。,POST1,這個模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。,POST26,第三章 ANSYS的基本過程,一個典型的ANSYS分析過程可分為以下3個步驟：,3.1 前處理,前處理,指定工程

24、名稱和分析標題,定義單位,定義單元類型,定義單元常數(shù),創(chuàng)建橫截面,定義材料特性,創(chuàng)建有限元模型,定義分析類型求解控制,加載,3.1.1 指定工程名稱和分析標題,更改工程名,定義分析標題,3.1.2 定義單位,除電磁分析以外，你不必為ANSYS設置單位系統(tǒng)。簡單地確定你將采用的單位制，然后保證所有輸入數(shù)據(jù)均采用該種單位制就可以。 你確定的單位制將影響尺寸、實常數(shù)、材料特性和載荷等的輸入值。 ANSYS 不進行單位換算! 它只是簡單地接受所輸入的數(shù)據(jù)而不會懷疑它們的合法性。 命令/UNITS允許你指定單位制, 但它只是一個紀錄設計，從而讓使用你模型的用戶知道你所用的單位。,3.1.2 定義單位(續(xù)

25、),使用/UNITS命令可以設置系統(tǒng)單位，沒有相應的GUI。 USER：用戶自定義單位，是缺省設置 SI：國際單位制，m, kg, s, BFT：以英尺為基礎的單位制，ft, slug, s, F CGS：cm, g, s, MPA：mm, mg, s, BIN：以英寸為基礎的單位制in, lbm, s, F,3.1.3 定義單元類型,3.1.4 定義單元常數(shù),單元實常數(shù)是由單元類型的特性決定的，如梁單元的橫截面特性。并不是所有的單元類型都需要實常數(shù)，同類型的不同單元也可以有不同的實常數(shù)。,指定單元的實常數(shù)號,3.1.5 創(chuàng)建橫截面,創(chuàng)建梁的橫截面,3.1.6 定義材料特性,定義材料特性,指定

26、單元材料號,3.1.7 定義分析類型求解控制,定義分析類型,求解控制,基本設置,瞬態(tài)設置,求解選項,非線性設置,求解終止的高級控制,包括：自由度約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷 載荷步：僅指可求得解的載荷設置。 子步：是指在一個載荷步中每次增加的步長，主要是為了在瞬態(tài)分析和非線性分析中提高分析精度和收斂性。子步也稱作時間步，代表一段時間。,3.1.8 加載,3.2 求解,求解當前載荷步,求解某載荷步,3.3 通用后處理器,畫出分析的結(jié)果 用列表的形式列出分析的結(jié)果 查詢某些結(jié)點或者單元處的應力值以及其它分析選項,Deformed Shape表示畫出變形后的形狀。有如下選項

27、：,3.3.1 畫出分析的結(jié)果,3.3.2 畫出節(jié)點的結(jié)果,位移,轉(zhuǎn)角,3.3.3 求解自由度結(jié)果,正應力和剪應力,主應力,應力強度,平均等效應力,3.3.4 求解應力結(jié)果,正應變和剪應變,主應變,應變強度,平均等效應變,3.3.5 求解總應變結(jié)果,求解能量,彈性應變,蠕變,其它應變,正應變和剪應變,主應變,應變強度,平均等效應變,3.3.6 其它求解結(jié)果,3.3.7 圖形輸出選項,只畫出變形后的圖形,畫出變形前后的圖形,畫出變形后的圖形和變形前的邊界圖,3.4 時間歷程后處理器,適用于：瞬態(tài)分析的后處理。,3.5 懸壁梁算例,使用ANSYS分析一個工字懸壁梁，如圖所示。,P,Point A,

28、L,H,求解在力P作用下點A處的變形，已知條件如下： P = 4000 lb L = 72 in I = 833 in4 E = 29 E6 psi 橫截面積 (A) = 28.2 in2 H = 12.71 in,見beam.txt,1.啟動 ANSYS：以交互模式進入ANSYS，工作文件名為beam。 2.創(chuàng)建基本模型：(使用帶有兩個關鍵點的線模擬梁，梁的高度及橫截面積將在單元的實常數(shù)中設置) a.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints In Active CS. b.輸入關鍵點編號 1，輸入x,y,z坐標 0,0,0，選擇

29、Apply c.輸入關鍵點編號 2，輸入x,y,z坐標72,0,0，選擇 OK d.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create -Lines- Lines Straight Line e.選取兩個關鍵點，在拾取菜單中選擇OK,3.存儲ANSYS數(shù)據(jù)庫：Toolbar: SAVE_DB 4.設定分析模塊： a.Main Menu: Preferences b.選擇 Structural. c. 選擇 OK. 5.設定單元類型相應選項： a.Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete b.選擇 Add

30、. . . c.左邊單元庫列表中選擇 Beam. d.在右邊單元列表中選擇 2D elastic (BEAM3). e.選擇 OK 接受單元類型并關閉對話框. f.選擇 Close 關閉單元類型對話框.,6.定義實常數(shù)： a.Main Menu: Preprocessor Real Constants b.選擇 Add . . . c.選擇 OK 定義BEAM3的實常數(shù). d.選擇 Help 得到有關單元 BEAM3的幫助. e.查閱單元描述. f.File Exit 退出幫助系統(tǒng). g.在AREA框中輸入 28.2 （橫截面積）. h.在IZZ框中輸入 833 （慣性矩）. i.在HEIGH

31、T框中輸入 12.71 （梁的高度）. j.選擇 OK 定義實常數(shù)并關閉對話框. k.選擇 Close 關閉實常數(shù)對話框.,7.定義材料屬性： a.Preprocessor Material Props -Constant- Isotropic b.選擇 OK to 定義材料 1. c.在EX框中輸入29e6（彈性模量）. d.選擇OK 定義材料屬性并關閉對話框. 8.保存ANSYS數(shù)據(jù)庫文件 beamgeom.db： a.Utility Menu: File Save as b.輸入文件名 beamgeom.db. c.選擇 OK 保存文件并退出對話框.,9.對幾何模型劃分網(wǎng)格： a.Mai

32、n Menu: Preprocessor MeshTool b.選擇 Mesh. c.拾取 line. d.在拾取對話框中選擇 OK. e.(可選) 在MeshTool對話框中選擇 Close. 10.保存ANSYS數(shù)據(jù)庫到文件 beammesh.db： a.Utility Menu: File Save as b.輸入文件名： beammesh.db. c.選擇 OK 保存文件并退出對話框.,11.施加載荷及約束： a.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodes b.拾取最左邊的節(jié)點，在拾取菜單中選

33、擇 OK. c. 選擇All DOF. d. 選擇 OK. （如果不輸入任何值，位移約束默認為0） e.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Force/Moment On Nodes f.拾取最右邊的節(jié)點，在選取對話框中選擇OK. g.選擇 FY. h.在 VALUE框中輸入 -4000，選擇 OK.,12.保存數(shù)據(jù)庫文件到 beamload.db： a.Utility Menu: File Save as b.輸入文件名 beamload.db. c.選擇OK保存文件并關閉對話框. 13.進行求解： a.Main Menu: Solu

34、tion -Solve- Current LS b.查看狀態(tài)窗口中的信息, 然后選擇 File Close c.選擇 OK開始計算. d.當出現(xiàn) “Solution is done!” 提示后，選擇OK關閉此窗口. 14.進入通用后處理讀取分析結(jié)果: Main Menu: General Postproc -Read Results- First Set,15.圖形顯示變形： a.Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape b.在對話中選擇 deformed and undeformed. c.選擇 OK. 16.(可選) 列

35、出反作用力： a.Main Menu: General Postproc List Results Reaction Solu b.選擇 OK 列出所有項目，并關閉對話框. c.看完結(jié)果后，選擇File Close 關閉窗口. 17.退出ANSYS： a.工具條: Quit b.選擇Quit - No Save! c.選擇 OK. 18.與彈性梁理論計算對比： ya = (PL3)/(3EI) = 0.0206 in.兩個結(jié)果一致.,3.6 車床刀具算例,說明 下面求解一個車床刀具模型的 3-D應力分析。通過下列步驟在通用后處理器中查看結(jié)果： 1) 畫位侈 2) 列反力 3) 畫von Mis

36、es 應力 4) 動態(tài)顯示von Mises應力 施加不同的約束重新求解，并與第一次的結(jié)果進行比較。,第一次求解載荷及材料特性:,第二次求解時的荷載及材料特性：,1.用“cutter”作為作業(yè)名，進入ANSYS。 2. 設置 GUI 優(yōu)先選擇 為“結(jié)構”: Main Menu Preferences 選擇 “Structural”, 然后按OK,3.選擇 “No defeaturing”，輸入 “cutter.igs” IGES 文件: Utility Menu File Import IGES 選擇 “No defeaturing”,然后按 OK 選擇“cutter.igs,然后按OK 或用

37、命令: /AUX15 IOPTN,IGES,NODEFEAT IGESIN,cutter,igs,4.按一定比例轉(zhuǎn)換模型，把厘米單位轉(zhuǎn)換英寸： Main Menu Preprocessor Operate Scale Volumes + 按Pick All 對RX, RY,和 RZ輸入 1/2.54 設置 IMOVE為“Moved”, 然后按 OK 或用命令: VLSCAL, ALL, , , 1/2.54, 1/2.54, 1/2.54, , 0, 1 Utility Menu Plot Volumes 或用命令: VPLOT,5.讀入文件“cutter-area.inp” ，建立一個小的面

38、，在面上施加荷載: Utility Menu File Read Input from 選擇 “cutter-area.inp”, 然后按 OK 或用命令: /INPUT,cutter-area,inp,6.確定單元類型： Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 按Add . 選擇 “Structural Solid” 和 “Tet 10node 92”, 然后按 OK 按Close 或用命令: ET,1,SOLID92,7.定義第一組材料的彈性模量為 10e6 (鋁): Main Menu Preprocessor Materi

39、al Props Material Models Structural - Linear - Elastic - Isotropic 輸入 EX = 10e6 (鋁的彈性模量，以psi為單位) 輸入PRXY = .32 按OK Select Material Exit 或用命令: MP,EX,1,10e6 MP,PRXY,1,.32,8.激活智能網(wǎng)格，用四面體單元劃分實體： Main Menu Preprocessor MeshTool 激活“Smart Size” 設置 Smart Size為4 按Mesh 拾取Pick All 按Close 或用命令: SMRT,4 MSHAPE,1,3D

40、 MSHKEY,0 VMESH,9.在面上施加對稱約束，約束附加區(qū)域： Utility Menu Plot Areas Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement -Symmetry B.C.- On Areas + 拾取面 18, 19, 25, 和 26, 然后按 OK 或用命令: DA,18,SYMM DA,19,SYMM DA,25,SYMM DA,26,SYMM,10. 在頂端施加壓力: Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Pressure On Area

41、s + 拾取面 1, 然后按OK VALUE = 10000 按OK 或用命令: SFA,1,1,PRES,10000,11. 保存數(shù)據(jù)庫并求解: Click the “SAVE_DB” button in the Toolbar (or select: Utility Menu File Save as Jobname.db) Main Menu Solution -Solve- Current LS 觀察 “/STATUS Command” 窗口，然后關閉它 按OK 按Close - 求解完成后關閉黃色信息窗口 或用命令: /SOLU SOLVE,12.觀察結(jié)果： 12a. 畫出位侈： M

42、ain Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu . 選擇 “DOF solution” 和 “Translation USUM”, 選擇 “Def + undef edge”,然后按 OK 或用命令: /POST1 PLNSOL,U,SUM,2,1,12b. 列出反力: Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu . 選擇 “All items”,然后按 OK 或用命令: PRRSOL,12c. 畫出von Mises 應力: Main Menu G

43、eneral Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu . 選擇“Stress” 和 “von Mises SEQV”, 然后按 OK 或用命令: PLNSOL,S,EQV,12d. 對模型進行“捕捉”并將其最小化： Utility Menu Plot Cntrls Capture Image 在以后的比較中把窗口最小化,12e. 動畫顯示 von Mises 應力： Utility Menu PlotCtrls Animate Deformed Results . 選擇 “Stress” 和 “von Mises SEQV”, 然后按 O

44、K 或用命令: PLNSOL,S,EQV ANCNTR,10,0.5,13. 關閉動畫顯示，刪除面對稱約束： 按Close Utility Menu Plot Areas Main Menu Solution -Loads- Delete -Structural- Displacement On Areas + 拾取面 18, 19, 25, 和26, 然后按 OK 按OK 或用命令: DADELE,18,ALL DADELE,19,ALL DADELE,25,ALL DADELE,26,ALL,14.對面18, 19,和26施加 全部自由度 約束 : Main Menu Solution -

45、Loads- Apply -Structural- Displacement On Areas + 拾取面18, 19, 和 26,然后按OK 選擇 “All DOF” ,然后按OK 或用命令: DA,18,ALL DA,19,ALL DA,26,ALL,15.改變標題: Utility Menu File Change Title 鍵入標題: Lathe Cutter - with ALL DOF constraint on areas at hole 按OK,16. 保存數(shù)據(jù)庫并求解: 在工具條上拾取 “SAVE_DB” (或選擇: Utility Menu File Save as Jo

46、bname.db) Main Menu Solution -Solve- Current LS 按OK 按Close 或用命令: SAVE /SOLU SOLVE,17. 觀察結(jié)果: Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu . 選擇 “Stress” 和 “von Mises SEQV” 按OK 或用命令: PLNSOL,S,EQV,打開前面分析最小化的結(jié)果以比較結(jié)果,18.存儲并退出ANSYS: 在工具條上拾取“QUIT” (或選擇: Utility Menu File Exit.) 選擇 “Save

47、 Everything” 按OK 或用命令: FINISH /EXIT,ALL,3.7 2-D角型支架分析指南,說明 本練習向你逐步介紹有關ANSYS指南一步一步求解的例子，它們以HTML格式顯示。這個問題是一個用二維平面應力單元模擬的角型支架的靜力分析。,3.7 2-D角型支架分析指南(續(xù)),用“bracket”作為作業(yè)名，進入ANSYS。 進入ANSYS在線幫助指南： Utility Menu Help ANSYS Tutorials 打開“Structural Tutorial”文件夾 選擇 “Static Analysis of a Corner Bracket” 文件架 執(zhí)行 步驟1

48、 至 26,3.8 練習:軸承座,創(chuàng)建軸承座 的幾何模型(下圖是軸承系統(tǒng)示意圖)，建模的步驟是：創(chuàng)建體素、平移并旋轉(zhuǎn)工作平面、進行體素間的布爾操作。幾何模型劃分網(wǎng)格、加載、進行求解。,軸承系統(tǒng) (分解圖),3.8 練習:軸承座(續(xù)),Arch of bushing bracket,Base of bushing bracket,Webs (2),Mounting holes (4),Base of pillow block,軸承座的各部分名稱,0.85” Bushing radius 1.0” Counterbore radius 0.1875” deep,3.8 練習:軸承座(續(xù)),Base

49、 6” x 3” x 1”,1.5”,.75”,.75”,Web .15”thick,尺寸,1.75”,.75”,.75”,1.5”,0.85”,1”,Bushing,C,L,Bracket 0.75” thick,Four .75” dia. holes,3.8 練習:軸承座(續(xù)),四個安裝孔徑向約束 (對稱),軸承座底部約束 (UY=0),載荷,counterbore 上的推力 (1000 psi.),向下作用力 (5000 psi.),1. 由IGES接口讀入基座的幾何模型 base.igs Utility Menu: File - Import - IGES . 1.設置 “Alte

50、No defeatur” 不要使用 “Default defeatur”選項 2.確認 “Merge”、“Solid” 和 “Small” 為 “Yes” 3.選擇OK 4.選擇文件 base.igs 5.OK, 然后選擇 Yes確認。,3.8 練習:軸承座(續(xù)),2. 打開shaded image并畫出基座實體模型 Utility Menu: PlotCtrls - Style - Solid Model Facets 1.選擇 “Normal Faceting” 2.OK Utility Menu: Plot - Volumes 3.用 Pan, Zoom, Rotate 將模型置于等參位

51、置，并由Fit使模型充滿圖形區(qū) Toolbar: SAVE_DB 保存數(shù)據(jù)庫,3.8 練習:軸承座(續(xù)),3. 創(chuàng)建支撐部分 Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle on) Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners 不須將復雜形狀的體分解為規(guī)則形狀的體 體單元僅包含四面體網(wǎng)格, 致使單元數(shù)量較多 僅高階(10-節(jié)點) 四面體單元較滿意, 因此DOF(自由度)數(shù)目可能很多,映射網(wǎng)格 通常包含較少的單元數(shù)量 低階單元也可

52、能得到滿意的結(jié)果,因此DOF(自由度)數(shù)目較少 面和體必須形狀 “規(guī)則”, 劃分的網(wǎng)格必須滿足一定的準則 難于實現(xiàn), 尤其是對形狀復雜的體,11.6.2 生成自由網(wǎng)格,自由網(wǎng)格是面和體網(wǎng)格劃分時的缺省設置 生成自由網(wǎng)格比較容易： 導出 MeshTool 工具, 劃分方式設為自由劃分 推薦使用智能網(wǎng)格劃分進行自由網(wǎng)格劃分，激活它并指定一個尺寸級別 按 Mesh 按鈕開始劃分網(wǎng)格 按拾取器中 Pick All 選擇所有實體 (推薦) 或使用命令VMESH,ALL或 AMESH,ALL,11.6.3 生成映射網(wǎng)格的步驟,三個步驟： 1、保證 “規(guī)則的”形狀, 即, 面有 3 或4 條邊, 或 體有

53、4, 5, 或6個面。在許多情況下，模型的幾何形狀上有多于4條邊的面，有多于6個面的體，為了將它們轉(zhuǎn)換成規(guī)則的形狀, 您可能進行如下的一項或兩項操作：把面(或體)切割成小的, 簡單的形狀；相加或連接兩條或多條線 (或面) 以減少總的邊數(shù)。 2、指定尺寸和形狀控制 3、生成網(wǎng)格,11.6.3.1 切割,切割 可以通過布爾減運算實現(xiàn) 您可以使用工作平面, 一個面, 或一條線作為切割工具 有時, 生成一條新的線或面會比移動或定向工作平面到正確的方向容易得多,11.6.3.2 相加,無論什么時候總可以采用相加的操作(也就是說，當幾條線是相切的，并且附在相同的面上時)。一般來說，相加優(yōu)于連接。 當線不相

54、切時，也可以使用相加的操作，但在線的彎折處不一定有節(jié)點生成。,11.6.3.3 連接,連接操作：將幾條線或幾個面連接成一條線或一個面，以減少線或面的總數(shù)，便于采用映射網(wǎng)格劃分。線或面被連接后，原始線或面仍然存在!創(chuàng)建的新線或新面僅僅是為了劃分網(wǎng)格，對任何實體建模操作都是無效的!,11.6.3.3 連接(續(xù)),刪除連接生成的圖元： 刪除連接所生成的圖元是最后一個步驟，即不再需要它作其它的任何操作 一旦單擊“Del concats-area(或line)”，在模型中所有連接所生成的面(或線)將被刪除 在進行此操作前確保先存數(shù)據(jù)庫文件,11.6.3.3 連接(續(xù)),選擇連接所生成的圖元,Areas

55、Concatenated,Lines Concatenated,11.6.3.4 相加或連接的注意事項,應該在所有的建模操作完成后再進行連接操作 連接應該是給模型劃分網(wǎng)格前的最后一步操作，因為從連接操作中得到的圖元不能用于以后的任何實體建模操作，用戶可以通過刪除連接產(chǎn)生的線或面來“undo”(刪除)連接操作 在建模操作中，如果覺得連接操作有太多限制，通?？梢圆捎闷渌姆椒ǐ@得映射網(wǎng)格(例如網(wǎng)格拖拉) 在有些情況下，應考慮用工作平面去分面或體，一個面或體能被分成一系列適用于映射網(wǎng)格劃分的圖元,11.6.3.5 指定尺寸和形狀控制,這是映射網(wǎng)格劃分3個步驟中的第2步 選擇單元形狀非常簡單。在Mes

56、hTool中,對面的網(wǎng)格劃分選擇Quad，對體的網(wǎng)格劃分選擇 Hex，點擊 Map（映射） 其中通常采用的尺寸控制和級別如下: 線尺寸 LESIZE 級別較高 若指定了總體單元尺寸, 它將用于 “未給定尺寸的” 線 缺省的單元尺寸DESIZE僅在未指定ESIZE時用于 “未給定尺寸的” 線上 智能網(wǎng)格劃分無效,11.6.3.5 指定尺寸和形狀控制(續(xù)),若您指定線的分割數(shù), 切記: 相對的邊的分割數(shù)必須匹配, 但您只須指定一邊的分割數(shù)。映射網(wǎng)格劃分器將把分割數(shù)自動傳送到它的對邊。 如果模型中有連接線，只能在原始(輸入)線上指定分割數(shù)，而不能在合成線上指定分割數(shù)。,每條初始線上指定6份分割 此線

57、上將自動使用12份分割 (合成線的對邊) 其它兩條線上會采用幾份分割呢? (后面的演示將會回答這一問題),11.6.3.6 生成映射網(wǎng)格,只要保證了規(guī)則的形狀，并指定了合適的份數(shù)，生成網(wǎng)格將非常簡單。只須按MeshTool中的Mesh鍵， 然后按拾取器中的Pick All或選擇需要的實體即可,11.6.3.6 生成映射網(wǎng)格(續(xù)),問題：為劃分映射網(wǎng)格您將如何切割這個模型?,11.6.4 生成面的映射網(wǎng)格,生成映射網(wǎng)格的面必須滿足一定的要求： 面由3-4條線圍成(三角形或四邊形) 對應邊的單元數(shù)目必須相同(4邊過渡網(wǎng)格除外) 對于由3邊圍成的面，每邊單元數(shù)必須為偶數(shù),11.6.4 生成面的映射網(wǎng)

58、格(續(xù)),如果一個面由多于4條的線圍成，則它不能直接采用映射網(wǎng)格進行劃分，然而，為了將總的線數(shù)減少到4，其中的某些線可以被加起來(add：一種建模操作)或連接起來(concatenated：一種進行網(wǎng)格劃分時采用的操作)。 代替進行連接操作(concatenation)，可以用拾取一個面的3個或4個角點來進行面映射網(wǎng)格劃分，這種簡化的映射網(wǎng)格劃分方法將兩個關鍵點之間的多條線內(nèi)部連接起來。,11.6.4 生成面的映射網(wǎng)格(續(xù)),ANSYS處理線的劃分 為了得到映射網(wǎng)格，面的對邊須指定相等的劃分數(shù)(或者定義線的劃分數(shù)對應于某種傳遞方式) 不需要在所有的線上指定劃分數(shù)，只要是采用映射網(wǎng)格劃分，程序會將線的劃分數(shù)由一條邊