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结构分析 第 11 章 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 本章将详细讲述结构分析 主要有两个目的: 重申一般分析过程。 介绍结构分析的荷载及边界条件。 第11章 结构分析 概述 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 几何模型 可以在 ANSYS 中建立实体模型或输入实体模型。 包含改善模型的细节： 目的是充分模拟结构的刚度 增加细节，避免应力奇异 (例如倒角填充) 除去不感兴趣的细节 (例如去掉孔) 增加细节改善边界条件 (例如，在面上施加压力而不是集中荷载) 第11章 A. 前处理 几何模型 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 单元类型 下表列出了一 般常用的结构单元类型。 节点自由度包 含： UX, UY, UZ, ROTX, ROTY,和 ROTZ 。 一般常用结构单元类型 第11章 A. 前处理 网格化 材料特性 至少需要杨氏弹性模量， EX. 在优先设置中，设置 “Structural” 限制，则GUI 方式只显示结构材料特性。 实常数 主要是壳和线单元需要。 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 结构荷载条件是： 自由度约束模型在这一范围的位移是已知的。 集中力外力可以是节点荷载。 压力表面上压力已知。 均匀温度根据参考温度产生热应变体力而施加的温度。 重力按惯性边界条件施加加速度。 第11章 B. 求解 定义荷载 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 结构荷载条件是 用来指定模型的固定位置（零位移处)。 也可以是非零位移，模仿已知偏移。 施加位移约束： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement 选 择在什么 位置施加 约束。 在 图形窗口 上拾取实 体。 然 后选择约 束方向， 约束值缺 省为零。 或用 D 系列命令： DK, DL, DA, D. 问题：UX, UY, UZ 按什么坐标系说明? 第11章 B. 求解 位移约束 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 施加一个力，必须包含以下信息： 节点或关键点 (可以用拾取指定) 力的大小 (单位必须与所用单位制统一) 力的方向 FX, FY, 或 FZ 使用： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment 或使用命令 FK 或 F 问题： FX, FY, 和 FZ 按什么坐标系说明? 第11章 B. 求解 集中荷载 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 压力 施加压力： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure 选 择施加压力的位 置 在 2-D 模型中通常选线 ，在 3-D模型中 通常选面。 在 图形窗口拾取所 要实体。 然 后键入压力值， 正值表示压力（ 指向单元表面） 。 或使用 SF 系列命令： SFL, SFA, SFE, SF。 第11章 B. 求解 压力 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 对 2-D 模型，压力通常加在线上， 可以在 I ，J 端输入同一个值，定义 均布荷载。 I 、 J 端是由线的方向定义的。如果 发现斜坡方向有误，只要将两个压力 数值颠倒即可。 VALI = 500 500 L3 500 VALI = 500 VALJ = 1000 L3 1000 500 VALI = 1000 VALJ = 500 L3 1000 500 第11章 B. 求解 压力 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 均匀温度 施加均匀温度 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature Uniform Temp 或使用 TUNIF 命令。 第11章 B. 求解 温度荷载 定义参考温度 Main Menu Solution Load Step Opts Other Reference Temp 或使用 TREF 、MP、REFT命令。 记住, INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 重力 施加重力加速度： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Inertia Gravity 或使用 ACEL 命令。 注意： 正向重力加速度引起负方向的重力。如果 Y 指向上，正 的 ACELY 值引起向下的重力。 重力和其它惯性荷载必须定义密度（或其它形式的质量 ）。 第11章 B. 求解 重力 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 修改和删除载荷 修改载荷值，只要用新值代替旧值即可。 删除载荷： Main Menu Solution Define Loads Delete 当删除实体模型的载荷时，ANSYS 自动删除有限单元载荷。 第11章 B. 求解 修改和删除载荷 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 静力与动力分析的区别 静力分析假设只有刚度力有效。 动力分析考虑所有三种类型的力。 例如，考虑跳水板的分析。 如果跳水者静静地站在跳水板上,只进行 静态分析就足够了。 但是如果跳水者在跳水板上上下跳动， 必须进行动力分析。 第11章 B. 求解 求解选择 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 如果施加的荷载随时间快速变化，则惯性力和阻尼力通常很重要。 因此，可以通过判断载荷是否与时间相关，选择静力分析还是动力分析 。 如果在相对较长的时间内载荷是一个常数，选择静力分析。 否则，选择动力分析。 总之，如果激励频率小于结构最低价固有频率的 1/3，则可以进行静力分 析。 第11章 B. 求解 求解选择 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型特征是： 小变形 应力、应变在线性弹性范围内 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变 应变 应力 弹性模量 (EX) 第11章 B. 求解 求解选择 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 如果加载引起结构刚度显著变化，必须进行非线性分析。引起结构刚度 显著变化的典型原因： 应变超过弹性范围 (塑性) 大变形，例如承载的钓鱼竿 两物体之间的接触 应变 应力 第11章 B. 求解 求解选择 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 检查应力分析的结果一般包括： 变形 应力 支反力 变形 能够迅速判断加载方向是否正确。 图例栏显示出最大位移，DMX。 对变形制作动画。 第11章 C. 后处理 观察结果 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 画变形图： General Postproc Plot Results Deformed Shape 或使用 PLDISP 命 令。 制作动画 Utility Menu PlotCtrls Animate Deformed Shape 或使用 ANDISP 命 令。 第11章 C. 后处理 观察结果 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 应力 下面应力可用于三维实体模型： 应力分量 SX, SY, SZ, SXY, SYZ, SXZ (缺省为整体直角坐标方向) 主应力 S1, S2, S3, SEQV (冯- 米塞斯应力 ), SINT (应力强度) 最好观察等值图，能够快速定位“热点”或有问题的区域。 节点解：应力是节点处的平均值，光滑而且连续。 单元解：不是平均值，结果不再是连续的。 第11章 C. 后处理 观察结果 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 画应力等值线图： General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu或用 PLNSOL 命令 General Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu或用 PLESOL命令 也可以作应力等值线图的动画： Utility Menu PlotCtrls Animate Deformed Results.或用 ANCNTR 命令 第11章 C. 后处理 观察结果 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual PowerGraphics 注意事项： 它是缺省绘图设置 (/GRAPH,POWER)。 只绘出可见表面，忽略“表面下”的东西。 优点： 快速重画，图形轮廓分明。 模型显示光滑，有照片的真实感。 防止应力对材料和实常数进行平均。 激活 PowerGraphics (或激活 “full graphics”): Toolbar POWRGRPH 或用命令 /GRAPH,FULL 或者用交互方式 Utility MenuPlotCtrlsStyle HiddenLineOptions Graphics Display Method is.Full Model 第11章 C. 后处理 观察结果 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 反力 每个方向上的反力，必须与加在该方向上的外荷载保持平衡。 最好列表检查： General Postprocessor List Results Reaction Solution或用 PRRSOL 命 令 第11章 C. 后处理 观察结果 本例中10” x 10 ”的面上承受Y 方向 1000psi的压力，这引起约束点的反 力。注意X 和 Z方向的合力为零， Y方向的合力为1000*(10x10) = 0.1e6 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 有必要通过判断检查来确信结果可用。 根据求解问题的类型，确定要检查的内容，但有几个典型问题要注意： 有限元结果与手工计算或实验数据是否一致？ 位移解是否正确？首先检查 FEA 位移解，因为 FEA 应力是二次结果。 反力是否与施加的荷载平衡？ 最大应力位置在哪儿？ 如果在一个奇异位置，例如，在一个点荷载或凹角处，结果通常没有意义。 应力是否超过弹性范围？ 如果这样，则荷载值可能是错误的，或需要做非线性分析。 第11章 C. 后处理 检查结果 INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1 Training Manual 网格精度是否足够？ 这始终是有争议的，但可以通过误差检查来确定网格划分是否足够精细。 其它检查网格精度的方法： 画单元结果（非平均应力），若