ANSYS加载与求解.ppt

有限元及ANSYS,主讲：任继文,华东交通大学机制教研室,renjiwen,MP第五章加载与求解,加载求解实例分析,主要内容,A加载,A加载载荷定义,载荷(Loads)：包括边界条件和模型内部或外部的作用力。,不同学科中的载荷如下：结构分析：位移、力、弯矩、压力、温度和重力等。热力分析：温度、热流速率、对流和无限表面等。磁场分析：磁势、磁通量、磁流段、源电流密度和无限表面等。电场分析：电势(电压)、电流、电荷和电荷密度等。流场分析：速度和压力等。,ANSYS中的载荷可分为:,自由度约束（DOFconstraint）集中载荷（Force）面载荷（Surfaceloads）体载荷（Bodyloads）惯性载荷（Interialoads）耦合场载荷（Coupled-fieldloads）特殊载荷（如轴对称载荷）,A加载分类,1、载荷步、子步和平衡迭代,A加载加载方式,载荷步,分步施加的载荷,多个载荷步,载荷历程曲线,线性载荷,恒定载荷,卸载,A加载加载方式,子步：执行求解载荷步过程中的点,平衡迭代：在给定子步下为了收敛而计算的附加解（仅用于非线性分析）,A加载加载方式,（a）斜坡加载,（b）阶跃加载,2、载荷步选项,A加载加载方式,载荷步选项（Loadstepoptions）是用于表示控制载荷应用的选项（如时间、子步数、时间步长及载荷阶跃或斜坡递增等）的总称。,MainMenuSolutionLoadStepOpts,斜坡加载,阶跃加载,A加载加载方式,注：如果菜单没有出现Time/Frequenc，可以按上面操作,A加载加载方式,在关键点处约束,实体模型,沿线均布的压力,在节点处约束,FEA模型,沿单元边界均布的压力,在节点加集中力,可在实体模型或FEM模型(节点和单元)上加载.,无论采取何种加载方式，ANSYS求解时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,A加载加载方式,A加载加载方式,实体模型加载与FEM加载比较,DOF约束:给某个自由度(DOF)指定一已知数值(值不一定是零)。,结构分析中约束被指定为位移约束（平移、旋转或对称、反对称边界条件）；标识的方向均在节点坐标系中。热分析中约束被指定为温度。位移约束可施加于节点、关键点、线和面上，用来限制对象某一方向上的自由度。,A加载DOF约束,A加载位移约束,在关键点加载位移约束:（在定义单元类型前，位移约束的施加菜单不可见）,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnKeypoints,Expansionoption可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上,例：要固定一边，只要拾取关键点6、7，并设置allDOFs=0和KEXPND=yes。,A加载位移约束,在线和面上加载位移约束:,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnLinesorOnAreas,拾取lines,拾取areas,位移约束举例：位移,A加载位移约束,Y向和Z向约束,全约束,实例：ch04dataex1,A加载位移约束,1、对关键点5施加所有位移约束MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnKeypoints,A加载位移约束,2、对关键点6施加约束UY和UZ方向的自由度MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnKeypoints,在ANSYS分析中，可以利用模型的对称性。例如，只建立一半或四分之一的模型，而在对称面上需指定对称边界条件。,位移约束举例：边界条件,A加载位移约束,平面外移动和平面内旋转约束为0,平面内移动和平面外旋转为0,A加载位移约束,使用对称和反对称边界条件实例,A加载位移约束,对面施加对称约束,例如：对左侧端面施加对称约束MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementSymmetryB.C.OnAreas,对称边界上标有S标记,A加载位移约束,对左侧端面施加对称约束MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementSymmetryB.C.OnAreas,对称边界上标有S标记,A加载集中载荷,集中载荷就是作用在模型的一个点上的载荷。,在结构分析中，集中载荷主要包括力和力矩，相应的标识符为FX、FY、FZ、MX、MY、MZ。用户可以对节点和关键点施加集中载荷。,GUI,A加载集中载荷,对7和8关键点施加Y向力30,1、施加,A加载集中载荷,选择MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOnKeypoints命令,弹出图形选取对话框，用鼠标在图形视窗中选中关键点7和8，然后单击OK按钮，,A加载集中载荷,1、对实体模型划分网格，（Mapped，Globalsetting为4）2、选择MainMenuSolutionDefineLoadsOperateTransfertoFEForces命令,弹出图形选取对话框，然后单击OK按钮，,2、转换,A加载集中载荷,对7和8关键点施加Y向力30,A加载集中载荷,3、重置,1）缺省情况下【Replaceexisting】，在同一位置重新设置集中载荷，则新的设置将取代原来的设置。2）可以通过以下方式改变缺省设置为累加【addtoexisting】或忽略【beignored】选择MainMenuSolutionDefineLoadsSettingsReplacevsAddForce命令,弹出对话框.,注意：只有将载荷直接加到节点上或将载荷转换后，累加、忽略方式才起作用。,A加载集中载荷,4、缩放,选择MainMenuSolutionDefineLoadsOperateScaleFELoadsForces命令,弹出对话框。,注意：只有将载荷直接加到节点上或将载荷转换后，比例缩放才起作用。,表面载荷就是作用在单元表面上的分布载荷。,结构分析中的压力。热分析中的对流和热流密度。,表面载荷可以添加到线或面上(实体模型)以及节点或单元上（有限元模型）。可以施加均布载荷，也可以施加线性变化的梯度载荷，还可以施加按照一定函数关系变化的函数载荷。,A加载表面载荷,1、均布载荷,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnAreas,A加载表面载荷,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,拾取Line,A加载表面载荷,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。线的IJ方向显示，可选择Utilitymenu/plotctrl/symbols,弹出对话框设置ldiron如果需要表面压力呈多箭头显示，可选择Utilitymenu/plotctrl/symbols,弹出对话框设置如下,A加载表面载荷,梯度在面载荷中可能会使用到。你可以给一按线性变化的面载荷指定一个梯度，例如水工结构在深度方向上受到静水压。,2、梯度载荷,A加载表面载荷,实例：ch04dataex2,一、采用上述方法对直线加载，转化为有限元载荷后，删除相应节点载荷；二、直接对相应节点施加梯度载荷（见下页）,A加载表面载荷,1）MainMenuSolutionDefineLoadsSettingsForSurfaceLdGradient。弹出对话框2）MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnNodes。选择节点1、18、17、16。注意：指定斜率后，对随后的载荷施加都起作用。要去除指定斜率，在命令输入窗口输入“SFGRAD”即可。,随后加载的位置（SLZER）此处为y0,斜率：每单位长度下降25,方向：y,类型：结构分析,A加载表面载荷,圆柱梯度在圆柱坐标中给定梯度（单位以度来表示）。操作时注意两个规则：1、设置奇异点使得加载的表面不通过坐标奇异点。2、选择加载位置(SLZER)时，应在奇异点范围内。即：当奇异点在180时，SLZER应在180之间；当奇异点在0（360）时，SLZER应在0360之间。,实例：局部圆柱坐标11，建立半圆面，单元类型:plane82圆柱梯度加载cylinder.db,A加载表面载荷,操作11、使用局部圆柱坐标默认奇异点1802、选择SLZER为903、对外圆节点加载400操作21、使用局部圆柱坐标默认奇异点1802、选择SLZER为270（不在奇异点范围）3、对外圆节点加载400操作31、改变局部圆柱坐标默认奇异点0（360）2、选择SLZER为2703、对外圆节点加载400(载荷通过奇异点),操作1,操作2,操作3,A加载表面载荷,3、函数载荷,函数载荷：应用于当载荷按一定的函数关系非线性变化情况。实例：ch04dataex2节点函数加载步骤：1、定义并编辑载荷数据数组。UtilityMenuParametersArrayParametersDefine/Edit2、函数加载设置MainMenuSolutionDefineLoadsSettingsForSurfaceLdNodeFunction。3、加载MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnNodes。,A加载表面载荷,3、函数载荷,一般函数加载步骤：1、定义并编辑载荷数据表。（table）UtilityMenuParametersArrayParametersDefine/Edit2、定义函数(文件放入西文目录)UtilityMenuParametersFunctionsDefine/Edit3、加载函数（输入定义文件后，再输入前面定义的table名）UtilityMenuParametersFunctionsReadFromFile4、加载MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructural,梁单元是一种线性单元，可以在其上施加侧向的压力载荷，其大小为每单位长度的力，压力可以沿长度线性变化。,4、梁单元上的压力载荷,A加载表面载荷,实例：ch04dataex4,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnBeams,A加载表面载荷,A加载表面载荷,体载荷是作用于模型体积上的载荷。,结构分析中的体载荷主要有温度和惯性载荷。热分析中生热率。电磁场分析中电流密度。体载荷可以添加到关键点或节点上。(关键点上的体载荷最终将转化成各个节点上的一组组体载荷。),A加载体载荷,体载荷施加菜单,A加载体载荷,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralTemperatureOnNodes,对于节点施加体载荷,A加载体载荷,UtilityMenuListLoadsBodyOnAllNodes,A加载体载荷,A加载惯性载荷,重力加速度,角加速度,角速度,惯性载荷重力载荷（方法一）,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal,注意:方向和单位的一致性方向：与重力方向相反；单位：如果是mmNs，应为9800此外：在材料属性里要设定材料密度，由于Gravity施加的是全局重力加速度，只要有密度的材料都能形成重力效应，故不需要考虑重心问题。,A加载惯性载荷,A加载惯性载荷,惯性载荷重力载荷（方法二）：使用质量单元，如MASS21,1、定义3D质量单元mass21，定义实常数，如MASSZ=100kg；2、创建keypoint，并利用mass21创建主节点80；3、指定钢化区域：MainMenuPreprocessorCoupling/CeqnRigidRegion，在主节点附近选择72、74、86、88节点。,耦合场载荷：指从一种分析得到的结果用作另一种分析的载荷。,例如：将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷；将热力分析中计算得到的节点温度作为结构分析中的体载荷。,A加载特殊载荷,MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralTemperatureFromThermAnaly,A加载特殊载荷,轴对称载荷：对于轴对称的协调单元（如PLANE25、SHELL61、PLANE75等），程序要求将载荷以傅立叶级数的形式施加。,A加载特殊载荷,在360范围内定义集中轴对称载荷,(1500*2*5=47,124),A加载特殊载荷,MainMenuSolutionLoadStepOptsOtherForHarmonicEle,B求解,B求解,载荷施加完成后，即可进行有限元的求解。通常有限元求解的结果为：,节点的自由度值基本解原始解的导出解单元解,B求解,单元解通常是在单元的积分点(质心)上计算的。ANSYS程序将求解结果保存在数据库中并输出到结果文件(.RST,.RTH,.RMG,.RFL文件)中,B求解,ANSYS中可用的求解器可以分为三类:,1、直接求解器稀疏矩阵法波前求解器（默认）2、迭代求解器PCG(条件共轭梯度)求解器ICCG(不完全乔利斯基共轭梯度)求解器JCG(雅可比共轭梯度)求解器3、并行求解器(需要特殊的授权文件)AMG(AlgebraicMultigrid代数多网格)求解器DDS(分布区域)求解器,B求解,求解器的选择,B求解,MainMenuSolutionAnalysisTypeSolnControl,选择求解器:,B求解,1、选择MainMenuSolutionUnabridgedMenu命令展开求解模块的隐藏菜单。2、选择MainMenuSolutionAnalysisTypeAnalysisOptions命令，弹出【StaticorSteady-StateAnalysis】对话框。在【EquationSolver】下拉列表框中选择适当的求解器，单击ok按钮即可。,选择求解器:,B求解,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,B求解,求解的实施求解的实施比较简单，单步求解只需要了解当前步，多步求解先把各步写入步骤文件中，对这些文件的内容进行求解。其中单步求解过程如下：,1.求解前保存数据库。2.选择MainMenuSolutionSolveCurrentLS3.这时ANSYS会给出Output窗口确认求解信息的正误，将该窗口提到最前面观看求解信息，确认信息无误后，选择ok按钮。4.接下来ANSYS将进入求解过程，求解完成后，出现“Solutionisdone！”提示，选择ok关闭此窗口。,B求解,B求解,B求解,多步求解过程如下：,1.施加载荷步1。2.写载荷步文件Jobname.s01。选择MainMenuSolutionWriteLSFile。3.施加载荷步2。写载荷步文件Jobname.s02。选择MainMenuSolutionWriteLSFile。读取载荷步1。选择MainMenuSolutionReadLSFile。求解当前该载荷步。选择MainMenuSolutionSolveCurrentLS7.读取载荷步2。选择MainMenuSolutionReadLSFile。8.求解当前该载荷步。选择MainMenuSolutionSolveCurrentLS,B求解,求解过程中会碰到的问题：,求解往往会得不到结果，其原因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。,C实例分析,使用ANSYS分析一个工字悬壁梁，如图所示.,P,PointA,L,H,求解在力P作用下点A处的变形，已知条件如下：端部压力：P=4000lb梁的长度：L=72in梁的高度：H=12.71in截面惯性矩：I=833in4横截面积：A=28.2in2杨氏模量：E=2.9+E007psi,C实例分析1悬臂梁,交互操作,1.施加载荷及约束.a.MainMenuSolutionLoadsApplyStructuralDisplacementOnNodesb.拾取最左边的节点.c.在拾取菜单中选择OK.d.选择AllDOF.e.选择OK.（如果不输入任何值，位移约束默认为0）,解释,现在要施加载荷及约束，默认为一个新的静力的分析，因此不必设定分析类型及分析选项.,交互操作,f.MainMenu:SolutionLoadsApplyStructuralForce/MomentOnNodesg.拾取最右边的节点.h.在选取对话框中选择OK.i.选择FY.j.在VALUE框中输入-4000.k.选择OK.,解释,交互操作,解释,2.保存数据库文件到beamload.db.a.UtilityMenu:FileSaveasb.输入文件名beamload.db.c.选择OK保存文件并关闭对话框.,建议再以beamload.db文件名保存数据库。,3.求解.a.MainMenu:SolutionSolveCurrentLSb.查看状态窗口中的信息,然后选择FileClosec.选择OK开始计算.d.当出现“Solutionisdone!”提示后，选择OK关闭此窗口.,将对一端固支，另一端施加向下力的悬壁梁问题进行求解。由于这个问题规模很小，使用任何求解器都能很快得到结果，这里使用默认的波前求解器进行求解.,交互操作,解释,C实例分析2带孔矩形板,使用ANSYS分析受拉的带孔矩形板，如图所示.,P,L,求解在力P作用下板的变形与应力分布，已知条件如下：L=200mmB=100mmD=40mmTHK=20mmP=20N/mmE=2+E005psiMiu=0.3,D,交互操作,1.施加载荷及约束.a.MainMenu:PreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnLinesb.拾取矩形左边,OK.c.选择AllDOF.d.选择OK.（如果不输入任何值，位移约束默认为0）,解释,交互操作,e.MainMenu:PreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralPressureOnLinesf.拾取矩形右边,OKg.输入均布载荷LoadPRESvalue值-1k.选择OK.,解释,交互操作,解释,2.保存数据库文件到planeload.db.a.UtilityMenu:FileSaveasb.输入文件名planeload.db.c.选择OK保存文件并关闭对话框.,建议再以planeload.db文件名保存数据库。,13.求解.a.MainMenu:SolutionSolveCurrentLSb.查看状态窗口中的信息,然后选择FileClosec.选择OK开始计算.d.当出现“Solutionisdone!”提示后，选择OK关闭此窗口.,交互操作,解释,C实例分析3汽车连杆,说明：在下图所示的连杆模型上施加载荷(对称的一半)