ANSYS有限元分析第09讲_加载和求解.ppt

加载 & 求解,第 9 讲,2003年5月,加载 & 求解 概述,迄今为止, 我们已经知道了如何施加以下类型的荷载: 位移 (DOF 约束) 压力和对流荷载 (表面荷载) 重力(惯性荷载) “结构” 温度 (体荷载) 这些荷载占了五种荷载类型中的4种。在这一章中，我们将讲述剩下的一种荷载 集中荷载, 比如应力分析中的结点荷载。,2003年5月,加载 & 求解 概述,在这一章中我们将就以下问题进行讨论: A. 集中荷载 B. 结点坐标 C. 求解器 D. 多重荷载步 E. 练习,2003年5月,加载 & 求解 A. 力荷载,一个力就是可以在一个节点或关键点处施加的集中荷载(也可以叫 “点荷载”) 和力一样，点荷载适合于线状模型，如梁，桁架，弹簧等。 在实体单元或壳单元中, 点荷载往往引起应力异常，但当您忽略了附近的应力时，它仍然是可接受的。记住，您可以通过选择来忽略附近施加了点荷载的单元。,2003年5月,加载 & 求解 .力荷载,在左下角展示的二维实体单元中，我们注意到在加力位置出现最大应力 SMAX (23,854)。 当在力附近的结点和单元不被选中时，SMAX (12,755) 就会移到底部角点处，这是由于在该角点处约束引起的另一处应力异常。,2003年5月,加载 & 求解 .力荷载,通过不选底部角点附近的结点和单元，您就可以在上孔附近得到预期的应力 SMAX (8,098)。,2003年5月,加载 & 求解 .力荷载,注意，对于轴对称模型: 在全部 360范围内输入力的值。 同样在全部 360范围内输出力的值 (反力)。 例如, 设想一个半径为r的圆柱形壳体边缘施加有 P lb/in 的荷载。把这个荷载施加在二维轴对称壳体模形上(比如SHELL51单元), 您就要施加一 2prP的力。,r,P lb/in,2prP lb,2003年5月,加载 & 求解 .力荷载,施加一个力需要有以下信息: 结点号(您可以通过选取确定) 力的大小 (单位应与您正在使用的单位系统保持一致) 力的方向 FX, FY, 或 FZ 使用: Solution -Loads- Apply Force/Moment 或命令 FK 或 F 问题: 在哪一个坐标系中 FX, FY, 和FZ 有说明？,2003年5月,加载 & 求解 B.结点坐标系,所有的力，位移，和其它与方向有关的结点量都可以在结点坐标中说明。 输入量: 力和力矩 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ 位移约束 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 耦合和约束方程 其它 输出量: 计算出的位移 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 反力 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ 其它,2003年5月,加载 & 求解 .结点坐标系,结点坐标系和模型中的每个结点有关。 缺省时, 结点坐标系与总体笛卡尔坐标系一致，例如，所有施加的力和位移约束缺省时都是在笛卡尔坐标中。,2003年5月,加载 & 求解 .结点坐标系,必要时，您可以转换结点坐标的方向。 例如: 模拟一个斜的滚动支座。 施加径向力. 施加径向约束 (比如模拟一个承受压力的刚性销)。,2003年5月,加载 & 求解 .结点坐标系,旋转结点坐标分为四步: 1. 选择需要旋转的结点。 2. 激活您要旋转的结点所在的坐标系(或者生成一个局部坐标系)例如：CSYS,1。 3. 选择 Preprocessor Move/Modify -Rotate Node CS- To Active CS, 然后在拾取器中按 Pick All 或者使用NROTAT,ALL命令。 4. 激活所有结点。 注意: 当您在非对称边界条件下施加对称约束时，ANSYS 自动旋转边界上的所有结点。,2003年5月,加载 & 求解 .结点坐标系,演示: 恢复 rib.db文件。 把工作平面移至底圆圆心处 (使用关键点的中间位置)。 在工作平面上激活柱坐标系（或建立一个局部坐标系）。 选择半径在 r = 0.35 上的点并画出它们。 在当前激活的坐标系中旋转所有被选择结点的坐标系。 在所有选择的结点上施加一个 UX 位移约束 (或者施加一个 FX 的力)。注意极径方向。 激活笛卡尔坐标系(CSYS,0). 在当前激活的坐标系中旋转所有选择结点的坐标系。 重新画出结点，注意新荷载的方向。,2003年5月,加载 & 求解 C. 求解器,求解器的功能是求解代表结构自由度个数的线性联立方程。 求解的速度主要取决于模型的大小和您的计算机的速度，所用时间可以是几秒，也可以是几小时。 只有一个荷载步的线性静态分析只需一次求解，而非线性或瞬态分析可能需要几十个，几百个甚至几千次求解。 因此，选择求解器的类型是很重要的。,2003年5月,加载 & 求解 .求解器,ANSYS 中可用的求解器可以分为三类: 直接消元 求解器 波前求解器 稀疏求解器 (缺省) 迭代求解器 PCG (预制条件共轭梯度求解器) ICCG (不完全 Cholesky 共轭梯度求解器) JCG (Jacobi共轭梯度求解器) 并行求解器 (special license required) AMG (代数多极运算求解器) DDS (分布域求解器),2003年5月,加载 & 求解 .求解器,直接消元 求解器求解以下内容: 1. 计算单元刚度矩阵。 2. 读取第一个单元的自由度。 3. 删除所有已知自由度或通过其它自由度可以表示的自由度, 然后把方程写入 .tri 文件。保留的自由度组成波阵面。 4. 对所有单元重复2，3步骤直到所有的自由度都被消元。现在的 .tri 就包含了一个三角化的矩阵。 5. 回代求解自由度,然后使用单元矩阵计算单元解。,2003年5月,加载 & 求解 .求解器,由于自由度仍不能被排除，所以波阵面是对角化过程中保留在求解器中的自由度数。它随着求解的进行增大或缩小，当最后自由度消元完成后，波阵面变为零。 波阵面直接影响到计算的速度：值越大，速度越慢。 重新排列单元 为求解器选择一个合适的单元编号顺序 可以减小波阵面。 ANSYS 在一开始就自动对单元重新编号。,2003年5月,加载 & 求解 .求解器,迭代 求解器通过以下步骤求解: 1. 计算单元刚度矩阵。 2. 组集总体刚度矩阵。 3. 开始时把所有自由度的值设为零，然后一直迭代到收敛(基于输入的残余力的容许值)。 4. 用单元刚度矩阵计算单元解。 在 ANSYS 中迭代求解器和 PCG, JCG, ICCG 的主要区别是所使用的预制控制不同。,2003年5月,加载 & 求解 .求解器,2003年5月,加载 & 求解 .求解器,并行求解器 (需特殊许可) AMG (代数多极运算求解器) 迭代求解器可以在单处理器或多处理器环境下使用。 DDS (分布域求解器) 把大模型分解为小的域，然后把这些小的域送到多处理器中处理。,2003年5月,加载 & 求解 .求解器,选择求解器: Solution -Analysis Type- Soln Control, 然后选择 Soln Options 标号 或者使用 EQSLV 命令 缺省是“程序选择” 求解器 eqslv,-1, 它常常是稀疏矩阵直接求解器。,2003年5月,加载 & 求解 D. 多荷载步求解,到现在为止, 我们已经学会了如何在一组荷载条件下求解，例如，单荷载步求解。 输入或生成模型 网格化 施加荷载 求解 (单荷载步) 观察结果,2003年5月,加载 & 求解 多荷载步求解,如果您是在多组荷载条件下求解，可以选择下面两种方法中的一种: 把所有荷载放在一起求解 或者分别施加荷载作为多组荷载求解。,2003年5月,加载 & 求解 多荷载步求解,单荷载步 可以被定义为能够得到一个确定解的一组载荷条件。 应用多载荷步可以: 独立地求出结构对于任一载荷条件的响应。 在后处理过程中，以任意的方式对这些响应进行组合 (这被称作荷载工况组合，这种操作仅对现行分析有效) 有两种方式定义和求解多载荷步问题: 多重载荷求解法 载荷步文件法,2003年5月,加载 & 求解 多重荷载求解步骤,多重载荷求解法 这是单载荷步求解的一种扩展，不用退出求解处理器即可顺序求解每一个单一载荷步。 最适合于批处理方式。 当应用界面模式时，该方式仅对可以快速求解的模型是有用的。,输入或生成模型 划分网格 加载 求解 (load step 1) 施加不同的载荷 求解 (load step 2) 施加不同的载荷 求解 (load step 3) Etc. 观察结果,2003年5月,加载 & 求解 多重荷载求解步骤,载荷步文件法 在这种方法中，用将载荷步信息写入文件（载荷步文件）的方法代替求解各个不同的载荷步: Solution -Load Step Opts- Write LS File Or use LSWRITE command. 载荷步文件的命名为 jobname.s01, .s02, .s03, etc. 在写好所有的载荷步文件后，可以应用一个命令 LSSOLVE or Solution -Solve- From LS Files 依次读进各个文件并进行求解。,输入或创建模型 划分网格 施加载荷 写载荷步文件 (.s01) 施加其他载荷 写载荷步文件(.s02) 施加其他载荷 写载荷步文件(.s03) Etc. 应用载荷步文件求解。 查看结果,2003年5月,加载 & 求解 多重荷载求解步骤,载荷步法的优点是可以首先施加所有的载荷步，然后当离开计算机时再进行求解。 注意: 即使将载荷施加到实体模型，在载荷步中的加载命令也总是将载荷施加到节点或单元。,2003年5月,加载 & 求解 多重荷载求解步骤,在以上两种方法中: 施加到载荷步中的载荷在被删除以前将一直存在数据库中，因此要删除当前载荷步所不需要的所有载荷。 每一个载荷步的结果都被追加到结果文件中，并以load step 1, load step 2, etc 作为区别。 在后处理中，首先要读入所需的载荷步结果，然后进行操作。 数据库中包含求解的最后一个载荷步的载荷和结果。,2003年5月,加载 & 求解 多重荷载求解步骤,演示: 恢复 rib.db 文件 Fix left line in UX and bottom line in UY Apply pressure = 100 on top line Write LS file 1, then list it and show F.E. load commands Apply pressure = 50