利用ansys分析结构静力.ppt

8.结构静力分析,2,本章的目标是，假如已将几何模型划分网格,应如何加载、求解.,LessonObjectives,目标,第1课.载荷6-1.列表和分类载荷。6-2.在实体模型上完成下列操作:a.加载.b.校验载荷.c.删除载荷.第2课.求解6-3.描述求解过程.第3课.结果后处理6-4.描述ANSYS后处理中观看结果的各种功能.6-5.描述静力分析结果后处理的五个步骤.6-6实例,3,第1课加载,4,载荷分类,Objective,6-1.列表和分类载荷,ANSYS中的载荷可分为:自由度DOF-定义节点的自由度（DOF）值(结构分析_位移、热分析_温度、电磁分析_磁势等)集中载荷-点载荷(结构分析_力、热分析_热导率、电磁分析_magneticcurrentsegments)面载荷-作用在表面的分布载荷(结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析_magneticMaxwellsurfaces等)体积载荷-作用在体积或场域内(热分析_体积膨胀、内生成热、电磁分析_magneticcurrentdensity等)惯性载荷-结构质量或惯性引起的载荷(重力、角速度等),5,加载,Objective,6-2a.加载.,可在实体模型或FEA模型(节点和单元)上加载.,在关键点处约束,实体模型,沿线均布的压力,在节点处约束,在节点加集中力,6,加载(续),几何模型加载独立于有限元网格.重新划分网格或局部网格修改不影响载荷.加载的操作更加容易,尤其是在图形中直接拾取时.,直接在实体模型加载的优点:,Guidelines,7,加载(续),无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型.因此,加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。,加载到实体的载荷自动转化到其所属的节点或单元上,沿线均布的压力,均布压力转化到以线为边界的各单元上,8,加载(续),注意到这是很长的菜单,对于结构分析，部分菜单呈暗淡灰色，表示不属于结构分析的范畴。(ANSYS可由模型中的单元类型识别分析类型),实体模型加载:MainMenu:Solution-Loads-Apply,说明:可通过在preferences中选择适当的分析类型过滤菜单中的选项。,9,加载(续),输入一个压力值即为均布载荷,两个数值定义坡度压力,说明：压力数值为正表示其方向指向表面,MainMenu:Solution-Loads-ApplyPressureOnLines,加载面力载荷,拾取Line,10,加载(续),VALI=500,VALI=500VALJ=1000,VALI=1000VALJ=500,L3,1000,500,500,坡度压力载荷沿起始关键点(I)线性变化到第二个关键点(J)。如果加载后坡度的方向相反,将两个压力数值颠倒即可。,加载面力载荷（续）,机械工程学院王开松,11,加载(续),轴对称载荷可加载到具有对称轴的3-D结构上。3-D轴对称结构可用一2-D轴对称模型描述。,加载轴对称载荷,10”直径,5”半径,轴对称模型,3-D结构,对称轴,12,加载(续),加载轴对称载荷,注意以下方面:载荷数值(包括输出的反力)基于360度转角的3-D结构。在右图中，轴对称模型中的载荷是3-D结构均布面力载荷的总量。,TotalForce=2pr=47,124lb.,准则,3-D结构,2-D有限元模型,Axisofsymmetry,13,加载(续),在关键点加载位移约束:,加载约束载荷,MainMenu:Solution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnKeypoints+,Expansionoption可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上,拾取keypoints,例要固定一边，只要拾取关键点6、7,并设置allDOFs=0和KEXPND=yes.,14,加载(续),加载约束载荷（续）,在线和面上加载位移约束:,MainMenu:Solution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnLines+OROnAreas+,拾取lines,拾取areas,15,校验载荷,实体模型载荷显示在几何模型上(体、面、线或关键点)有限元模型载荷在画节点或单元时显示,通过plotting画出载荷:UtilityMenu:PlotCtrlsSymbols.,或通过listing列表载荷:UtilityMenu:ListLoads,Objective,6-2b.校验载荷,16,将载荷转化到有限元模型上,说明:只有到求解初始化时，才将模型中的载荷自动转化到有限元模型中的节点和单元上。,下面将载荷转化到节点和单元上，不进行求解:MainMenu:Solution-Loads-Operate,这些选项出现的信息大致相同,17,删除载荷,MainMenu:Solution-Loads-Delete,AllLoadData选项可同时删除模型中的任一类载荷。,individualentitiesbypicking选项只删除模型选定的载荷。,而.,6-2c.删除载荷,Objective,18,删除载荷（续）,当删除实体模型时,ANSYS将自动删除其上所有的载荷,删除线上的均布压力,自动删除以线为边界的各单元均布压力,19,删除载荷（续）,两关键点的扩展位移约束载荷例外：,删除两点的约束,只删除了两角点（CORNER）约束，而加载时扩展的（inside）节点约束必须手工删除.,20,第2课求解,21,求解,求解结果保存在数据库中并输出到结果文件(Jobname.RST,Jobname.RTH,Jobname.RMG,orJobname.RFL),结果文件,结果数据,数据库,求解器,结果,输入数据,2019/11/20,22,模态分析,谐波分析,瞬态分析,频谱分析,子结构分析,求解前使用该对话框将各个控制项设置好，就可以求解了。命令：SOLCONTROL，Key1，Key2，Key3，VtolGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSolutionCtrl,23,求解时模型是否准备就绪?,在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容:统一的单位单元类型和选项材料性质参数考虑惯性时应输入材料密度热应力分析时应输入材料的热膨胀系数实常数(单元特性)单元实常数和材料类型的设置实体模型的质量特性(PreprocessorOperateCalcGeomItems)模型中不应存在的缝隙壳单元的法向节点坐标系集中、体积载荷面力方向温度场的分布和范围热膨胀分析的参考温度(与ALPX材料特性协调?),24,求解过程:1.求解前保存数据库2.将Output窗口提到最前面观看求解信息3.MainMenu:Solution-Solve-CurrentLS.,进行求解,Objective,6-3.描述求解过程,机械工程学院王开松,25,进行求解(续),在求解过程中，应将OUTPUT窗口提到最前面。ANSYS求解过程中的一系列信息都将显示在此窗口中，主要信息包括:模型的质量特性-模型质量是精确的-质心和质量矩的值有一定误差。单元矩阵系数-当单元矩阵系数最大/最小值的比率1.0E8时将预示模型中的材料性质、实常数或几何模型可能存在问题。当比值过高时，求解可能中途退出。模型尺寸和求解统计信息。汇总文件和大小。,机械工程学院王开松,26,进行求解(续),没有获得结果的原因是什么?往往是求解输入的模型不完整或存在错误，典型原因有:约束不够!(通常出现的问题)。当模型中有非线性单元(如缝隙gaps、滑块sliders、铰hinges、索cables等），整体或部分结构出现崩溃或“松脱”。材料性质参数有负值,如密度或瞬态热分析时的比热值。未约束铰接结构，如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。屈曲-当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲。,27,第3课结果后处理,28,结果的绘图和列表,ANSYS有两个后处理器:通用后处理器(即“POST1”)只能观看整个模型在某一时刻的结果(如：结果的照相“snapshot”).时间历程后处理器(即“POST26”)可观看模型在不同时间的结果。但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。在这一课只讨论通用后处理器,Objective,6-4.介绍ANSYS后处理功能,机械工程学院王开松,29,结果的绘图和列表(续),静力分析结果后处理的步骤主要包括:1.绘变形图2.变形动画3.支反力列表4.应力等值线图5.网格密度检查,Guidelines,Objective,6-5.介绍静力分析结果后处理的五个步骤,机械工程学院王开松,30,绘变形图,绘出结构在静力作用下的变形结果:MainMenu:GeneralPostprocessorPlotResultsDeformedShape.,机械工程学院王开松,31,变形动画,以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程:UtilityMenu:PlotCtrlsAnimateDeformedShape.,机械工程学院王开松,32,支反力,在任一方向，支反力总和必等于在此方向的载荷总和。节点反力列表:MainMenu:GeneralPostprocessorListResultsReactionSolution.,机械工程学院王开松,33,应力等值线,应力等值线方法可清晰描述一种结果在整个模型中的变化，可以快速确定模型中的“危险区域”。显示应力等值线:MainMenu:GeneralPostprocessorPlotResults-ContourPlot-NodalSolution.,机械工程学院王开松,34,应力等值线动画,结果动画:UtilityMenu:PlotCtrlsAnimateDeformedResults,机械工程学院王开松,35,关于PowerGraphics的说明,PowerGraphics特点:快速重画、图形轮廓分明。模型显示光滑、具有相片的真实感。支持单元类型（lines、pipes、elbows、contact等单元）和几何实体（lines、areas、volumes等）。,PowerGraphics打开(缺省),PowerGraphics关闭,机械工程学院王开松,36,检查网格精度,由于网格密度影响分析结果的精度，因此有必要验证网格的精度是否足够。有三种方法进行网格精度检查：1.观察（Visualinspection）2.误差估计3.将网格加密一倍，重新求解并比较两者结果。注意:有些情况下这种做法不适用。,机械工程学院王开松,37,观察,画出非平均（unaveraged）应力等值线，例如，画出单元应力而不是节点应力。显示每个单元的应力寻找单元应力变化大的区域，这些区域应进行网格加密。（在MeshTool中对网格加密非常方便，MeshTool将在后面的内容介绍。）,Averagedstresscontours,Unaveragedstresscontours,机械工程学院王开松,38,误差估计,ANSYS对平均应力和非平均应力采用几种不同的误差计算方法，误差估计只在进入后处理前PowerGraphics被关闭的情况下进行。(如果进入后处理后关闭PowerGraphics则ANSYS将重新计算误差因子。),关闭PowerGraphics，应力等值线图可显示应力分布和最大最小值范围，这可表明误差的大小。通过画出结构能误差的等值线图，可显示误差较大的区域-这些区域需要网格加密。画出所有单元的应力偏差图，可给出每个单元的应力误差值。(平均应力和非平均应力不同),机械工程学院王开松,39,应力平均,FEA的计算结果包括通过计算直接得到的初始量和导出量。任一节点处的DOF结果(UX、UY、TEMP等)是初始量。它们只是在每个节点计算出来的初始值。其它量，如应力应变，是由DOF结果通过单元计算导出而得到的。因此，在给定节点处，可能存在不同的应力值。这是由以与此节点相连的不同单元计算而产生的。“节点结果”（nodalsolution）画出的是在节点处导出量的平均值，而“单元结果”（elementsolution）画出非平均量。,在同一个节点处，相临单元计算出的结果不同。,40,应力平均(续),在弹性模量不同的材料交界处，应力分量会不连续。(PowerGraphics自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。),在多数情况下，画出平均应力图，但有时要画出：,非平均单元应力显示不连续的应力,平均的节点应力显示连续的应力,41,应力平均(续),在不同厚度的壳单元的交界处，大多数应力会不连续。(PowerGraphics自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。),非平均单元应力显示不连续的应力,平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性,42,应力平均(续),在壳单元构成的尖角或连接处，某些应力分量不连续。,非平均单元应力显示不连续的应力,平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性,2019/11/20,43,6-6简单实例,6.6.1平面问题：板中圆孔的应力集中实例1：如图所示为承受双向拉伸的板件，其中心位置有一个小圆孔，尺寸(mm)如图所示。,弹性模量E2105N/mm2，泊松比v=0.3拉伸载荷:q=20N/mm平板的厚度：t=20mm,解题思路分析：1.属于平面应力问题2.中心带孔，应使用8节点四边形单元或三角形单元3.注意单位：尺寸mm，力N，故应力N/mm24.最大变形约为0.001mm（忽略孔的影响）,最大应力在孔的顶部和底部，大小约为3.9N/mm2，即3.9MPa。依次检验有限元的分析结果。,2019/11/20,44,一.相关设置设置jobname为bracket、Title为”aExampleforBracket”，且过滤参数为Structural;二.建立网格模型1.创建几何模型：在XY平面内建立一个矩形和圆，并用布尔subtract得到几何模型；2.定义单元类型：选择StructuralSolid选项下的Quad8node82单元，确定返回最后自动得到单元类型为PLANE82。它是8节点的四边形单元，是平面4节点单元PLANE42的高阶形式，更适合有曲线边界的模型。对于本问题，我们需要有厚度的平面应力单元，只需单击单元类型表中的options按钮，弹出PLANE82选项设置窗口，如图所示，在K3对应的方框中选择”Planestrsw/thk“，使得可以设置板的厚度。,2019/11/20,45,3.定义实常数：PreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete。弹出如下对话框,输入板的厚度20,4.定义材料特性：EX200000，PRXY0.35.定义网格尺寸：网格边长25，划自由网格。如下页所示PreprocessorMeshingSizeCntrlsManualSizeAllAreasPreprocessorMeshingMeshAreasFree或用MeshTool6.保存工作,2019/11/20,46,三.加载和求解1.定义分析类型：SolutionAnalysisTypeNewAnalysis，设为Static，即结构静态分析；2.施加约束：SolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementonLines，用鼠标点选模型最左侧边，并全部约束(AllDOF)3.施加载荷：板右侧边缘上有一个背离平板的20N/mm的均布线载荷，则均布压力线载荷除以板厚20mm1N/mm2。对对模型右侧边施加1的均布表面压力。SolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnLines4.求解：SolutionSolveCurrentLS,网格模型图,约束、载荷模型图,2019/11/20,47,三.检查计算结果，观察收敛情况,决定是否修改网格模型1.节点最大应力检查由于最大应力点的应力值有解析解，因此可以检查该点的应力值。首先显示节点编号，找出孔部对应的节点：UtilityMenuPlotNodes（如果没有显示节点编号，则UtilityMenuPlotCtrlsNumbering，打开节点编号），记下与圆顶部对应的节点编号。如图所示列出应力值：GeneralPostprocListResultsNodalSolutionStress，检查所要考察节点的SEQV值（等效应力值），查结果可知其大小为2.67N/mm2，与手工计算的结果3.9Mpa有较大的差别，因此需要在孔的周围采用更小的网格尺寸才能获得更为精确的解。,2019/11/20,48,2.修改网格模型：网格模型的修改方式很多，这里选择将孔周围的单元进行网格细化。运用MeshTool的Refine完成，细化级别1（稍作细化）。,结果如下页图所示。,2019/11/20,49,孔周围要细化的单元,细化后的网格,3.重新计算：这时检查孔顶部最大等效应力（编号可能会改变）3.39N/mm2四.后处理1.绘制变形图：GeneralPostprocPlotResultsDeformedShapeDef+undeformed从图中可以看出孔的变形情况、整体变形情况，并且从图中左上角说明得知，最大位移0.00124mm2.绘制等效应力云图：GeneralPostpro