Ansys应用举例2

1、ANSYS ANSYS 分析实例分析实例方子帆 教授1、ANSYS 概述2、ANSYS 结构静力学分析。 2.1扳手的受力分析 2.2圆轴扭转分析 2.3疲劳分析 2.4可靠性分析3、ANSYS 结构动力学分析。 3.1梁的模态分析 3.2有预紧力的模态分析弦的横向振动 3.3谐响应分析单自由度系统的受迫振动4、非线性分析 4.1 稳定性分析屈曲分析 4.2预应力索结构受力分析 4.3非线性实例综合冲击5、ANSYS 优化分析 5.1桁架优化设计 5.2梁的拓扑优化主要内容6、ANSYS 热力学分析。 6.1瞬态热分析水箱 6.2直接加载温度载荷的热应力分析双金属簧片 6.3热应力分析(间接法

2、)液体管路 6.4热应力分析 (直接法)液体管路7、ANSYS 电磁学分析。 7.1正方形电流环中的磁场分析 7.2二维螺线管制动器静态磁场的分析 7.3载流导体的电磁力分析 7.4电路分析 7.4.1谐波电路分析 7.4.2 瞬态电路分析8、ANSYS 流体分析 8.1二维导流管的层流分析 8.2二维导流管的湍流分析 8.3机翼周围热流场分析 ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件，广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船水利、日用家电等一些工业及科学研究领域。1.1 ANSYS的发展历史 1

3、970年,在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡成立的ANSYS公司，是目前世界CAE行业中最大的公司，在同行业中一直处于领先地位。ANSYS最新的版本已经发展到了12.1。 ANSYS软件的通过了7000道标准考题测试，1995年在设计分析类软件中ANSYS第一个通过了ISO9001的质量体系认证。 ANSYS公司于1996年在北京开设了第一个驻华办事机构，目前在上海、成都、广州也有办事处 典型集团用户：铁路机车车辆工业总公司。在机车提速研制中，ANSYS起了重要的作用。一、 ANSYS 概述ANSYS软件功能 ANSYS提供的分析类型包括以下几种， 1.结构静力学分析：用于求解外载荷引起的位移、应力和

4、力，包括线性和非线性。 2.结构动力学分析：用于求解随时间变化的载荷对结构或者部件的影响，相对于静力学分析动力学分析要考虑随时间变化的力载荷以及阻尼和惯性的影响 3.结构屈曲分析：屈曲分析用来确定结构失稳的载荷大小与在特定的载荷下结构是否失稳的问题。 4.热力学分析：ANSYS对热力学问题可以进行稳态和瞬态、线性和非线性分析，以及模拟材料的固化和熔解过程的分析。 5.电磁场分析：一维、二维静态电磁场的分析，一维、二维随时间变化的低频电磁场的分析，三维高频电磁场的分析。 6.声场分析：主要用来研究在流体(气体、液体等)介质中声音的传播问题，以及在流体介质中固态结构的动态响应特性。 7.压电分析：

5、主要用于研究压电材料结构在随时间变化的电流或机械载荷作用下的响应特性。适用于谐振器、振荡器以及其他电子材料的结构动态分析。 8.流体动力分析：用于分析二维、三维流体动力场的问题。可以进行传热或绝热、层流或湍流、压缩或不可压缩等问题的研究。主要用于分析超音速喷管中的流场，使用混合流研究估计热冲击的可能性，以及研究解决弯管中流体的三维流动等问题。1.2 ANSYS软件的组成 ANSYS 软件主要包括3个部分：前处理模快、分析计算模块和后外理模块。 前处理模块 它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了100多种类型单元,用来模拟工程中的各种结构和材料。

6、 分析计算模块 具有多种方程求解器，能进行结构分析（可进行线性分析、非线性分析、高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析的能力。 求解器包括：波前求解器(FRONTAL)、预条件共轭梯度(PCG)求解器、雅可比共轭梯度(JCG)求解器、不完全乔列斯基共轭梯度(ICCG)求解器，以及其它一些特殊的求解器，可以求解各种大型矩阵，求解精度高。后处理模块 可获得任何节点、单元的数据。能够将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方

7、式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出、动画模拟等多种结果处理方式，除此外还具有时间历程分析功能，可叠加不同载荷工况以及进行各种数学计算功能。ANSYS开放性 它允许用户在系统上进行二次开发和扩展新的用户功能。包括在用户程序中调用ANSYS系统、开发新的用户单元、在ANSYS系统中调用用户子程序、建立用户蠕变准则等等。支持IGES、 STEP等通用图形标准，可以直接调入Pro/E、UG、Parasolid、Solidwork、AutoCAD等几何模型。状态栏ANSYS主菜单ANSYS工具栏标准工具栏ANSYS实用菜单ANSYS命令输入窗口ANSYS图标按钮ANSYS界面 ANSY

8、S实用菜单：包括文件操作、选择、图形控制以及参数设置等命令和选项，在分析过程的任意时刻都可以执行这些命令； 从ANSYS主菜单可以进入各种模块： PREP7(通用前处理模块); SOLUTION(求解模块); POST1(通用后处理模块); POST26(时间历程后处理模块)。 用户的指令可以通过鼠标点击菜单选取执行。主菜单按树形结构分类组织，可以展开、折叠。ANSYS主菜单 Ansys单位制： Ansys软件中并没有为分析指定固定的系统单位，除了磁场外，可以使用任意一种单位制，只要保证输入的所有数据都使用同一单位制的单位即可。 单元选择的注意事项： 1.应选择解决问题所要求的自由度最少的单元

9、。选择具有最少自由度的单元会显著缩短分析计算时间。 2.选定所使用的单元类型后，组成这些单元的节点有效自由度也即被确定，相应的载荷、约束、坐标系或材料性质也被单元类型所制约，它们如果对单元而言不是有效自由度，在计算时将不会被考虑，可能导计算结果错误。因些在选单元时应避免此类情况的发生。 除以上所述外，在具体应用中单元的选择要根据实际情况综合考虑。 1.3 ANSYS 工程应用基础 计算模型分类和选择原则 1.杆系结构模型全部由杆单元、梁单元组成的计算模型。一些桁架结构都归属于这类计算模型，如塔式起重机的塔身、臂架、塔帽、顶升套架，履带起重机的吊臂等。 2.板架结构模型结构都是由板组成，计算模型

10、主要由板单元组成。如汽车起重机的大梁和转台，挖掘机的回转平台，重型汽车的车架和货厢，轿车的车架等，都是用板焊接而成，计算时原则上应该把每一块板都取为板单元，最终组合为相应的计算模型。 3.板杆组合结构模型主要由梁单元和板单元混合组成。如推土机的工作装置，推土刀板大都为薄板组成，计算时应取为板单元，而顶推梁、支撑杆等均为细长结构，可取为梁单元。这样整个工作装置就成了梁、板单元的混合板杆组合计算模型。 建立各种结构的计算模型时，应考虑以下几个问题： 1.考虑结构的特点。如塔式起重机的塔身、臂架是由杆件组成的，根据其结构特点，总是选用杆结构计算模型。而汽车起重机的大梁、转台主要由钢板焊接而成，则可选

11、用板架计算模型或板杆组合计算模型。 2.考虑计算精度的要求。在初步设计阶段，计算精度要求较低时，可选取一个较简单、近似较大的模型。在完成设计对结构进行验算校核时，则选取一些与实际结构更为接近、简化较少的计算模型。如对于载重车的车架设计，在初步设计确定截面时，可以把车架简化为空间框架结构，纵横梁均取为梁单元。而最后校核时，则可按实际结构全部选用板单元，验算各连接点的局部强度等。 3.考虑计算机容量、速度限制。当计算机容量较大，速度较快时，可选用较复杂的计算模型。反之只能选用较简单、近似程度较大的计算模型。 总之，对同一种结构，它的计算模型并不是唯一的，可以有许多不同的计算模型，应综合考虑各种因素

12、的影响来决定。二、ANSYS 结构静力学分析 静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的反应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况，但它可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)。 固定不变的载荷和响应只是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括： 1.外部施加的作用力和压力； 2.稳态的惯性力； 3.位移载荷； 4.温度载荷。 绝大多数的Ansys单元类型可用于结构分析，从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元

13、和大应变实体单元。Ansys静力学分析的步骤如下： 1.建模 这一步对于线性和非线性分析都是必需的，尽管非线性分析在这一步中可能包括特殊的单元或非线性材料性质，如模型中包含大应变效应，应力-应变数据必须依据真实应力和真实应变表示。 2.加载和求解 在这一步中定义分析类型和选项，指定载荷步选项，开始有限元求解。 3.考察结果 静态分析的结果主要由位移、应力、应变，以及反作用力组成。可以用POST1(通用后处理器)或者POST26(时间历程后处理器)来考察这些结果。 2.1 扳手的受力分析 如图2.1所示，为一内六角螺栓扳手，其轴线形状和尺寸如图2.2所示，横截面为一外接圆半径为10mm的正六边形

14、，拧紧力为100N，计算扳手拧紧时的应力分布。图2.1六角螺栓扳手图2.2 六角螺栓扳手尺寸 分析步骤： 1.改工作名 拾取菜单 Utility Menu File Change Jobname。弹出如图所示的对话框，在文本框中输入工作名“banshou”单击“OK”按钮。 2.过滤界面 拾取菜单 Main Menu Preferences。弹出如图2.4所示的对话框，选中“Structural”项，单击“OK”按钮。图2.3 改变工作名称对话框图2.4 过滤界面对话框 3.创建单元类型 拾取菜单 Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Del

15、ete。弹出如图2.5所示的对话框，单击“Add”按钮；弹出如图2.6所示的对话框，在式侧列表中选“Structural Solid”,在右侧列表中选“Quad 4node 42”,单击“Apply”按钮；再在右侧选“Brick 8node 45”,单击“OK”按钮；单击“Close”按钮。图2.5 单元类型对话框图2.6 单元类型库对话框图2.5 单元类型对话框图2.6 单元类型库对话框图2.5 单元类型对话框 4.定义材料特性 拾取菜单 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models。弹出如图2.7所示的对话框，在右侧列表中依次双

16、击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”,弹出如图2.8所示的对话框，在“EX”和“PRXY”文本框中输入弹性模量2e11和泊松比0.3，单击“OK”按钮，单击“Close”按钮。 图2.8 材料特性对话框图2.7 材料模型对话框图2.8 材料特性对话框图2.7 材料模型对话框 5.创建正六边形面 拾取菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Polygon Hexagon。在“WP X”、“WP Y”和“Radius”文本框中分别输入0、0和0.01，单击“OK”按钮。图2.9 拾取窗口 6.

17、显示关键点、线号 拾取菜单Unility Menu PlotCtrls Numbering。在弹出的对话框中，将关键点号和线号打开，单击“OK”按钮。 7.创建关键点 拾取菜单Main Menu Preprocessor Create Keypoints In Active CS。弹如图2.10所示的对话框，在“NPT”文本框中输入7，在“X,Y,Z”文本框中分别输入 0,0,0,单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入8，在“X,Y,Z”文本框中分别输入0,0,0.05，单击“Apply”按钮；在“NPT”文本框中输入9，在“X,Y,Z”文本框中分别输入0,0.1,0.05，单击“O

18、K”按钮。图2.10 创建关键点的对话框 8.创建直线 拾取菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Straight Line。 弹出拾取窗口，分别拾取关键点7和8、8和9，创建两条直线，单击“OK”按钮。 9.创建圆角 拾取菜单拾取菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Line Fillet。弹出拾取窗口，分别拾取直线7、8，单击 “OK”按钮，弹出如图2.11所示的对话框，在“RAD”文本框中输入0.015，单击“OK”按钮。图2.11 圆角对话框 10.创建直线 拾取菜单Main

19、 Menu Preprocessor Modeling Create Lines Straight Line。 弹出拾取窗口，分别拾取关键点1和4，单击“OK”按钮。 11.将六边形划分成两部分 拾取菜单Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide Area by Line。弹出拾取窗口，拾取六边形面，单击“OK”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取上一步在关键点1和4间创建的直线，单击“OK”按钮。 12.划分单元 拾取菜单Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool。弹出如图2.12所示的对话框，单

20、击“Size Controls”区域中“Lines”后“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取直线2,3,4，单击“OK”按钮，弹出如图2.13所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入3，单击“Apply”按钮再次弹出拾取窗口，拾取直线7、9、 8.单击“OK”按钮，删除“NDIV”文本框中的3，在“SIZE”文本框中输入0.01，单击“OK”按钮。 图2.13 单元尺寸对话框图2.12 划分单元工具对话框 在“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”(四边形)，选择划分单元的方法为“Mapped”(映射)。单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取六边形面的两部分，单击“OK”按钮。 13.显示直

21、线 拾取菜单Utility Menu Plot Lines。 14.由面沿直线拉伸出体 拾取菜单Manin Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas Along Lines。弹出拾取窗口，拾取六边形面的两部分，单击“OK”按钮，再次弹出拾取窗口，依次拾取直线7、8、9，单击“OK”按钮。 15.清除面单元 拾取菜单Main Menu Preprocessor Meshing Clear Area。弹出拾取窗口，拾取z=0的两个平面，单击“OK”按钮。 面单元模拟着一个平面结构，如果不清除掉的话，分析模型实际是两个结构 16.显示单元 搭取

22、菜单Utility Menu Plot Element。如图2.14所示图2.14 拉伸后的单元图 17.施加约束 拾取菜单Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Areas。弹出拾取窗口，拾取z=0的两个平面，单击“OK”按钮，弹出如图2.15所示的对话框，在列表中选择“All DOF”，单击“OK”按钮。 图2.15 在面上施加约束对话框 18.施加载荷 拾取菜单Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Keypo

23、ints。弹出拾取窗口，拾取扳手长臂端面的六个顶点，单击“OK”按钮，弹出如图2.16所示的对话框，选择“Lab”为“FX”，在“VALUE”文本框中输入100，单击“OK”按钮。 图2.16 在关键点上施加力载荷对话框 19.求解 拾取菜单Main Menu Solution Solve Current LS。单击“Solve Current Load Step”对话框的“OK”按钮。出现“Solution is done”提示时，求解结束，即可查看结果。 20.查看结果，显示变形 拾取菜单Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Sh

24、ape。弹出图2.17所示的对话框，选中“Def+un -def edge”(变形+未变形的模型边界)，单击“OK”按钮。结果如图2.18所示。图2.17 显示变形对话框图2.18 扳手的变形 21.查看结果，用等高线显示Von Mises应力 拾取菜单Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu。弹出图 2.19所示的对话框，在列表中依次选择“Nodal Solution Stress Von Mises SEQV”，单击“OK”按钮。 图2.19 用等高线显示节点结果对话框 结果图如2.20所示，可以看出，V

25、on Mises应力的最大值为0.149X109Pa.即149MPa图2.20 扳手的Von Mises应力 22.选择结果图形类型，作切片图 拾取菜单Utility Menu PlotCtrls Style Hidden Line Option。弹出如图2.21所示的对话框，选择“/TYPE Type of plot”为“Section”,选择“/CPLANE”为“Working plane”单击“OK”按钮。图2.21 结果图形类型对话框 图2.22即为工作平面所在位置模型的切片图。利用步骤21显示图形是模型外表面各点的结果，利用切片图可以显示模型内部各点的结果。图2.22 切片 23.保

26、存结果：拾取Utility Menu File Save as Jobname.db. /CLEAR !清理目前所有database资料/FILNAME, banshou !定义文件名/PREP7 !进入前处理器ET,1,PLANE42 !定义单元类型ET,2,SOLID45 MP,EX,1,2E11 !定义材料(弹性模量)MP,PRXY,1,0.3 !定义材料(泊松比)RPR4, 6, 0, 0, 0.01 !创建正六边形K,7,0,0,0 !创建关键点K,8, 0,0,0.05 K,9, 0,0.1,0.05 LSTR,7,8 !创建线LSTR,8,9LFILLT, 7, 8, 0.015

27、 !倒圆角LSTR,1,4 !创建线ASBL, 1, 10 !分割面LESIZE,2,3 !指定单元尺寸LESIZE,3,3LESIZE,4,3命令流LESIZE,7,0.01LESIZE,8,0.01LESIZE,9,0.01MSHAPE,0 !指定单元形状MSHKEY,1 !指定网格划分方式AMESH,ALL !划分网格VDRAG, ALL,7,9,8 !沿线拉伸ACLEAR, 2,3,1 !清除面单元网格FINISH/SOLU !进入求解器DA,2,ALL !设定面约束DA,3,ALLKSEL,S,24,29,1 !选择关键点FK,ALL,FX,100 !施加力载荷KSEL,ALL !选

28、择所有关键点SOLVE !求解SAVE !保存数据FINISH/POST1 !进入后处理器/VIEW,1,1,1,1 !调整视角PLDISP, 2 !显示变表前后的结构PLNSOL,S,EQV,0,1 !显示应力分布NWPAVE,159 !设定工作平面/TYPE,1, SECT !作切片图/CPLANE,1/REPLOTFINISH2.2 圆轴扭转分析 有一等直径圆轴如图2.23所示，其圆截面直径D=50mm，长度L=120mm，作用在圆轴上的转矩Mn=1.5x103Nm，求其位移和剪应力。 图2.23 圆轴2.3.1 理论计算： 474410136. 63205. 032mDIpMPaWMn

29、n1 .6110454. 2105 . 153max453310454. 21605. 016mDWnradGILMpn379310375. 110136. 61080045. 0105 . 1圆截面对圆心的极惯性矩为： 圆截面上任意一点的剪应力与该点半径成正比，在圆截面的边缘上有最大值： 等直圆轴矩离为0.045m的两截面间的相对转角： 圆截面的抗扭截面模量为： 分析步骤： 1.改工作名 拾取菜单 Utility Menu File Change Jobname。弹出如图所示的对话框，在文本框中输入工作名“zhou”单击“OK”按钮。图2.24 改变工作名称对话框 2.创建单元类型 拾取菜单

30、 Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete。弹出如图2.25所示的对话框，单击“Add”按钮；弹出如图2.26所示的对话框，在式侧列表中选“Structural Solid”,在右侧列表中选“Quad 8node 183”,单击“Apply”按钮；再在右侧选“Brick 20node 186”,单击“OK”按钮；单击“Close”按钮。图2.25 单元类型对话框图2.26 单元类型库对话框 3.定义材料特性 拾取菜单 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models。弹出如图

31、2.27所示的对话框，在右侧列表中依次双击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”,弹出如图2.28所示的对话框，在“EX”和“PRXY”文本框中输入弹性模量2.08e11和泊松比0.3，单击“OK”按钮，单击“Close”按钮。 图2.28 材料特性对话框图2.27 材料模型对话框 4.创建矩形面 拾取菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions。在“X1，X2” 文本框中分别输入0，0.025，在“Y1，Y2” 文本框中分别输入0，0.012，单击“

32、OK”按钮，如图2.29所示。图2.29 创建矩形面对话框 5.划分单元 拾取菜单Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool。弹出如图2.30所示的对话框，单击“Size Controls”区域中“Lines”后“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取矩形的任意一短边，单击“OK”按钮，弹出如图2.31所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入5，单击“Apply”按钮再次弹出拾取窗口，拾取长边，在“NDIV”文本框中输入8，单击“OK”按钮。在“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”(四边形)，选择划分单元的方法为“Mapped”(映射)。单击“Mesh”按钮

33、，弹出拾取窗口，拾取面，单击“OK”按钮。 图2.30 划分单元工具对话框图2.31 单元尺寸对话框 6. 拉伸选项 拾取菜单Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Elem Ext Opts。弹出图2.32所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入5，选定ACLEAR为“Yes”(清除矩形面上单元)，单击“OK”按钮。图2.32 单元拉伸选项对话框 7.由面旋转出体 拾取菜单Manin Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas About Axis。弹出拾取窗口，拾取矩形面，单击“O

34、k”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取矩形面在Y轴上的两个关键点，单击“Ok”按钮；随后弹出如图2.33所示的对话框在“ARC”文本框中输入360，单击“Ok”按钮。图2.33 由面旋转出体对话框 8.显示单元 拾取菜单Utility Menu Plot Element。 9.改变视点 拾取菜单Utility Menu PlotCtrls Pan Zoom Rotate。在弹出的对话框中，依次单出“ISO”，“Fit”按钮。 10.旋转工作平面 拾取菜单Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increment。弹出如图2.34所示的对话框，在“XY,YZ,ZX An

35、gles”文本框中输入0，-90，单击“OK”按钮。 11.创建局部坐标系 拾取菜单Utility Menu WorkPlane图2.34 平移工作平面对话框 Local Coordinate System Create Local CS At WP Origin。弹出如图2.35所示的对话框，在“KCN”文本框中输入11，选择“KCS”为“Cylindrical 1”，单击“OK”按钮。即创建一个代号为11、类型为圆柱坐标系的局部坐标系，并激活之成为当前坐标系。图2.35 创建部坐标系对话框 12.选择圆柱面上的所有节点 拾取菜单Utility Menu Select Entity。弹出如图

36、2.36所示的对话框，在各下列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、 “By Location”、 “X coor -dinates” 、 “0.025”、 “From Full”，单击“Apply”按钮。 13.旋转节点坐标系到当前坐标系 拾取菜单Utility Menu Preprocessor Modeling Move/Modify Rotate No -de CS To Active CS。弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。图2.36 选择实体对话框 14.施加约束 拾取菜单Main Menu Solution Define Loads Apply Stru

37、ctural Displacement On Nodes。弹出拾取窗口，拾取z=0的两个平面，单击“OK”按钮，弹出如图2.37所示的对话框，在列表中选择“UX”，单击“OK”按钮。 图2.37 在节点上施加约束对话框 15.选中圆柱面最上端的所有节点 激活如图2.36所示“选择实体对话框”，在各下拉列表框、 文本框、单击按钮依次选择或输入“Nodes”、 “By Location”、 “Z coordinates” 、 “0.12”、 “Reselect”，单击“Apply”按钮。 16.施加载荷 拾取菜单Main Menu Solution Define Loads Apply Struc

38、tural Force/Moment On Node。弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮，单击“OK”按钮，弹出如图2.38所示的对话框，选择“Lab”为“FY”，在“VALUE”文本框中输入1500，单击“OK”按钮。这样，在结构上一共施加了40个大小为1500N的集中力，它们对圆心力矩的和为1500Nm。如后图所示 17.选择所有 拾取菜单Utility Menu Select Everything。施加载荷后的模型图 18.显示体 拾取菜单Utility Menu Plot Volumes。 19.施加约束 拾取菜单Main Menu Solution Define Loads

39、Apply Structural Displacement On Areas。弹出拾取窗口，拾取圆柱体下侧底面(由4部分组成)，单击“OK”按钮，弹出一个与如图2.37相似的对话框，在列表中选择“All DOF”，单击“OK”按钮。 图2.38 在节点上施加载荷对话框 20.求解 拾取菜单Main Menu Solution Solve Current LS。单击“Solve Current Load Step”对话框的“OK”按钮，出现“Solution is done”提示时，求解结束，即可查看结果。 20.查看结果，显示变形 拾取菜单Main Menu General Postproc

40、Plot Results Deformed Shape。弹出图2.17所示的对话框，选中“Def+un -deformed”(变形+未变形的模型边界)，单击“OK”按钮。结果如图2.39所示。 21.改变结果坐标系为局部坐标系 拾取菜单Main Menu General Postproc Options for Oupt。弹出如图2.40所示的对话框，在“RSYS”下拉列表框中选择“Local system reference no”文本框中输入11，单击“OK”按钮。图2.39 圆轴的变形图2.40 输出选项对话框 22.选择z=0.045m的所有节点 在如图2.36所示的“选择实体对话框”

41、中，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入 “Nodes”、 “By Location”、 “Z coordinates” 、 “0.045”、 “From Full”，单击“Apply”按钮；再在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、 “By Location”、 “X coordinates” 、 “0”、 “Resele -ct”，然后单击“Apply”按钮。 23.列表显示节点位移 拾取菜单Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution。弹出如图3.41所示的对话框，在列表中依次选择“Nod

42、al Solution DOF Solution Y-Component of displacement”，单击“Ok”按钮。列表结果如下：图2.41 列表节点结果对话框 表明在18号节点上有最大的切向位移3.4383X10-5m，对应的转角=3.4383X10-5/0.025=1.375X10-3rad，与理论结果完全一致。 24.选择单元 在“选择实体对话框”中，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入 “Nodes”、 “By Location”、 “Z coordin -ates” 、 “0,0.045”、 “From Full”，单击“Apply”按钮；再在各下拉列表框、文本

43、框、单选按钮中依次选择或输入“Elements”、 “Attached to”、 “Nodes all” 、 “Reselect”，然后单击“Apply”按钮。这样可以使在下一步显示应力时，不包含集中力作用点附近的单元，以得到更好的计算结果。 25.查看结果，用等高线显示剪应力 拾取菜单Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Elements Solu。弹出图 2.19所示的对话框，在列表中依次选择“Elements Solution Stress YZ shear Stress”，单击“OK”按钮。结果如图2.42所示，可以看

44、出，剪应力的最大值为61.7MPa，与理认结果比较相符 图2.42 剪应力的计算结果/CLEAR/FILNAME, zhou!定义工作名/PREP7ET,1,PLANE183 !设定单元类型ET,2,SOLID186MP,EX,1,2.08E11 !定义材料参数MP,PRXY,1,0.3RECTNG,0,0.025, 0,0.12 !创建几何模型LESIZE,1,5 !设定单元尺寸LESIZE,2,8MSHAPE,0 !设定单元划分方式MSHKEY,1AMESH,1EXTOPT,ESIZE,5 !设定拉伸单元类型 EXTOPT,ACLEAR,1VROTAT,1,1,4,360 !旋转拉伸/VI

45、EW,1,1,1,1WPROT,0,-90 !变换工作平面CSWPLA,11,1,1,1 !创建局部坐标系NSEL,S,LOC,X,0.025 !选择节点命令流NROTAT,ALL!旋转节点坐标系 FINISH/SOLUD,ALL,UX !施加约束NSEL,R,LOC,Z,0.12F,ALL,FY,1500 !施加载荷ALLSEL,ALLDA,2,ALL !施加约束DA,6,ALLDA,10,ALLDA,14,ALLSOLVE !求解SAVEFINISH/POST1PLDISP,1 !查看变形结果RSYS,11NSEL,S,LOC,Z,0.045NSEL,R,LOC,Y,0PRNSOL,U,Y

46、 !查看位移分布!NSEL,S,LOC,Z,0,0.045 !ESLN,R,1 !PLESOL,S,YZ !查看应力分布FINISH2.3疲劳分析 一、疲劳分析概述 疲劳是指结构在低于静态强度极限的载荷重复作用下出现疲劳断裂的现象。如一根能够承受300KN拉力的杆，在100KN循不载荷下，经历1000000次循环后可能出现破坏。 二、疲劳破坏的主要因素： 1.载荷的循环次数 2.每一个循环的应力幅值和平均应力 3.局部应力集中 ANSYS疲劳计算，是基于线性静力分析，疲劳分析是在线性静力分析之后，通过设计仿真自动执行的。尽管疲劳与循环或重复载荷有关，但使用的结果却基于线性静力分析的，而不是谐分

47、析。因此当模型中存在非线性时，需要谨慎处理。 三、基本术语 位置：在模型上存储疲劳应力的节点 事件：在特定的应力循环过程中，不同时刻的一系列应力状态。 载荷：事件的一部分，是其中的一个应力状态 应力幅：两个载荷之间应力状态之差的一半，软件不考虑平均应力的影响。 四、ANSYS疲劳计算功能 对现有的应力结果进行后处理，以确定体单元或壳单元模型的疲劳寿命耗用系数； 可以在一系列预先选定的位置上，确定一定数目的事件及组成这些事件的载荷，然后把这些位置上的应力储存起来； 可以在每一个位置上定义应力集中系数和给每一个事件定义比例系数。 五、疲劳分析示例 1.问题描述 如下图所示 一个中间带有小圆孔的板(

48、板尺寸200mmX100mm，孔直径为50mm)，一端固定，一端承受0-62MPa的压力，试计算指定位置的疲劳寿命使用系数。已知材料的弹性模量E=2.0X105MPa；泊松比为0.3；材料的S-N特性曲线如后图所示。材料的S-N特性曲线2.命令流：/filname,pilao/prep7et,1,plane82 ! 设定单元类型 mp,ex,1,2.0e+11 ! 定义材料弹性模量mp,prxy,1,0.3 ! 定义材料泊松比rectng,0,200,0,100 !生成矩形面cyl4,100,50,25 !生成圆面asba,1,2 !面相减操作smrtsize,3 !指定智能化划分网格等级am

49、esh,all !划分网格!施加约束载荷/solunsel,s,loc,x,0 !选择x=0的所有节点 d,all,ux !对所选节点施加UX约束 allseld,node(0,0,0),uy !在（0，0，0）节点上施加UY约束 sfgrad,pres,0,y,0,0.31 !施加均布载荷nsel,s,loc,x,200sf,all,pres,0Allsel,all !选择所有实体solve !求解saveFinish/post1plnsol,s,EQV,0,1 !显示节点的VON Mises应力值FP,1,100,200,500,1000,1500,2000 !输入S-N曲线FP,7,10

50、000,100000,1000000,2000000,3000000,5000000FP,13,6000000,7000000,8000000,9000000,10000000,11000000FP,19,12000000,15000000FP,21,150,120,110,100,95,90 FP,27,85,80,75,70,65,60 FP,33,55,50,45,40,35,30FP,39,29,25SAVE *SET,N_NUM1,node(100,75,0) !取出节点号FL,1,N_NUM1 !指定应力位置FSNODE,N_NUM1,1,1, !取出指定应力位置的应力值 FS,N

51、_NUM1,1,2,1,0,0,0,0,0,0, !人工储存应力FE,1,10000,2,evel !指定循环应力、循环次数FTCALC,1 !进行疲劳寿命使用系数应力分布3.查看结果：疲劳计算结果汇总 可见已使用寿命为10000，允许寿命为14260，累积疲劳系数为0.70102。2.4 可靠性分析 一、可靠性分析概述 在结构设计过程中，会遇到许多不确定性或随机因素。传统的确定性分析中，随机因素的影响被忽略或通过使用比较保守的假定来考虑，如引入意义不明确的安全系数，这些不确定因素有时会导致不经济的设计。 可靠性分析技术可以用来评估模型中的不确定因素对分析结果的影响程度。在可靠性分析中，这些不

52、确定因素是通过统计分布函进行描述的。常见的分布函数包括正态分布、指数分布、三角分布、均匀分布等。可靠性分析可以得到结构发生失效的概率，甚至可以定量地研究构件的安全性，从而可以在保证安全性的基础上，避免不经济的设计。 二、可靠性分析示例 1.问题描述 长度为2m的悬臂梁，自由端受正态分布的集中力F(50,10) (单位为kN)的作用。弹性模量服从正态分布(3.0X107,1X105) (单位kPa)，泊松比为0.17。悬臂梁截面面积A=0.04m2，截面惯性矩I=0.003m4，高H=0.2m。试对其进行可靠性分析。2.命令流：*CREATE, pds3bar !生成宏pds3bar作为可靠性性

53、分析文件*SET,F,50 !初始化设计变量*SET,E,3.0e7/Prep7et,1,3 !定义单元r,1,0.04,0.0003,0.2 !定义实常数mp,prxy,1,0.17k,1,0,0,0 !建立模型k,2,2,0,0l,1,2esize,10mp,ex,1,e !定义材料 建立有限元模型lmesh,1/solu !进入求解器ANTYPE,0 !定义分析类型d,1,all !施加约束和载荷f,2,fy,-fsolve !求解/POST1 !进入后处理器etable,SMIN_I,NMISC,2 !定义单元应力数据表etable,SMIN_J,NMISC,4ESORT,ETAB,S

54、MIN_I,0,1, ,*GET,SMINI,ELEM,1,ETAB,SMIN_I !提取单元应力ESORT,ETAB,SMIN_J,0,1, , *GET,SMINJ,ELEM,1,ETAB,SMIN_J *SET,SMIN,ABS(SMINI)-ABS(SMINJ) !定义应力极值finish*end *use, pds3bar !执行宏操作/PDS !进入可靠性分析模块pdanl, pds3bar !指定分析文件PDVAR,E,GAUS,3.0e7,100000,0,0 !定义输入变量PDVAR,F,GAUS,50,10,0,0 PDVAR,SMIN,RESP !定义输出变量PDMETH

55、,MCS,LHS !指定分析方法PDLHS,30,1,RAND, ,ALL , , , ,CONT !设定分析循环次数PDEXE, mcs3bar !执行分析PDPROB,MCS3BAR,E,LT,30000000, ,0.95, !列表显示E小于30MPa的概率应力极值小于30MPa的概率3.查看结果：三、结构动力学分析 动力学分析原理： 实际机械结构中常作用有动载荷，它与静载荷的区别在于动载荷是与时间有关的载荷，如车辆起动、制动、惯性力的作用。动载荷作用下，结构上相应的位移、应力和应变不随空间位置变化，而且随时间变化。动力学要解决的问题主要有两点： 1.寻求结构的固有频率和主振型，从而了解

56、结构的振动特性，以便更好地利用或减小振动。 2.分析结构的动力响应特性，以计算结构振动时的动力响应和动位移的大小及其变化规律。 与静力学分析相似，进行动力学有限元分析时，首先将连续的弹性离散成有限多个单元后，然后进行单元分析，建立节点位移与节点速度、加速度和节点力之间的关系，最后，利用各节点处的变形协调条件和动力学达朗贝尔原理，建立整体刚度方程并进行求解。 模态分析用于分析结构的振动特性，即确定结构的固有频率和振型，它也是谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等其他动力学分析的基础。 ANSYS提供的模态提取方法有：子空间法(subspace)、分块法(block lanczos)、缩减法(re

57、duced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric)、阻尼法(damped)、QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可便用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 模态分析的步骤： 模态分析包括建模、施加载荷和求解、扩展模态和查看结果等几个步骤。 模态分析： 1.建模 模态分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性(必须定义材料的弹性模量和密度)、建立几何模型和划分网格。 2.施加载荷和求解 包括指定分析类

58、型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。 指定分析类型：Main Menu Solution Analysis Type New Analysis，选择Modal。 指定分析选项：Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法)，设置模态提取数量MXPAND。 施加约束：Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement。 求解：Main Menu Solution Solve Current LS。 3.扩展模态

59、 如果要在POST1中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入到结果文件。过程包括重新进入求解器、激活扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。 扩展处理及其选项：Main Menu Solution Load Step Opts Expansionpass Single Expand Expand modes。 扩展处理：Main Menu Solution Solve Current LS。 4.查看结果 模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等。3.1 匀直杆的模态分析 3.1.1问题描述：如图3.1所示为一根长度为L的等截面直杆，一端固定，一端自由。已知杆材料的弹性模量为E

60、=2X1011N/m2，密度=7800kg/m3，杆长L=0.1m，宽、高均为0.01m。要求计算直杆纵向振动的固有频率。sradELii/2) 12(图3.1 均匀直杆的固有频率分析 根据振动学理论，假设杆均匀伸缩，图3.1所示杆的纵向振动第i阶固有频率为：(i=1,2,3) 将角频率i转化为频率为fi，并将已知参数代入，可得：HziiEfii) 12(1265978001021 . 0412211按上式可计算出杆的前5阶频率，列表如下：阶 次12345频率(Hz)12659379786329688615113933表3.1 均匀直杆的固有频率 3.1.2 分析步骤1. 改变工作名 拾取菜单