102ANSYS分析实例

1、§10-2 ANSYS分析实例在上面介绍了ANSYS分析的基本过程以后，本节通过一些简单的实例来介绍ANSYS的具体应用。除了这里介绍的计算实例，初学者也可在ANSYS程序内通过helpANSYS tutorials调用ANSYS内部实例教程的方法来对ANSYS的使用进行初步的认识。一、 平面应力问题有限元分析1 问题描述如图10-18所示片状拉伸式样，受载条件如图10-19所示，求拉伸式样的应力应变情况，设式样材料为45#钢。图10-18 片状拉伸式样的几何尺寸图10-19 片状拉伸式样的载荷条件2 模型建立（1） 模型规划首先，由于片状拉伸式样的应力应变状态符合平面应力（厚度方向

2、没有应力）问题的条件，因此仿真分析时可用平面模型来进行简化。另外由于片状拉伸式样在结构及载荷上均存在明显的对称特征，因此仿真分析可根据对称规律进行1/4简化。（2） 几何模型几何模型的建立如图10-20所示，详细过程如下。i. 建立关键点ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的对话框中分别填入1/4简化模型各关键点坐标值：（0,0,0）、（0.05,0,0）、（0.05,0.01,0）、（0.04,0.01,0）、（0.04,0.005,0）、（0,0.005,0）。ii. 连线ANSYS main m

3、enuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line两点一组依次点击相临的关键点形成连线。iii. 建立圆角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet选择要建立圆角位置的两相临线，以0.005为圆角半径建立圆角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口内用鼠标选择所有的线建立面。图10-20 片状拉伸式样仿真分析几何模型的建立过程（3） 材料模型ANSYS main

4、 menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic杨氏模量（EX）输入2.1e11，波松比（PRXY）输入0.3。（4） 有限元模型i. 选择单元类型选择42号二维平面四面形单元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。将单元的特性定义为二维平面应力：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeOptionsK3选择Plane stressO

5、k。ii. 网格划分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool弹出划分网格工具条。在Smart Size选项前打将滚动条等级调整为4点击mesh窗口内选择平面OK。可得模型网格如图10-21所示。存盘（SAVE_DB）。图10-21 片状拉伸式样仿真分析模型网格3 加载和求解（1） 施加位移边界条件本分析中，位移边界条件仅仅包括两条对称线上的对称位移边界条件。ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C. On Lines窗口内选择两条中心线Ok。（

6、2） 施加载荷边界条件在平面应力应变分析中，模型厚度为单位厚度，所以在施加集中力或均布力载荷时，载荷大小首先必须换算成单位厚度时的载荷大小。本分析中，式样端部力的大小为1kN，均匀作用于式样端部。计算时可按均布力来施加载荷。均布力大小为： （Pa）ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines窗口内选择端线Ok在VALUE Load PRES Value后面的方框内填入-5e7（press代表压力，负压力即为拉力）OK。如果这时用显示线的方法（下拉菜单PlotLines）来显示模型，则施加边界条件以后模型如图

7、10-22所示。图10-22 片状拉伸式样仿真分析模型载荷及边界条件（3） 求解ANSYS main menuSolutionSolveCurrent LSOK。4 查看分析结果ANSYS main menuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Mises SEQVOK。45#钢为塑性材料，其强度应按第四强度理论计算，因此在查看计算结果时一般查看其等效应力（Von Mises应力）的高低。模型等效应力计算结果如图10-23所示。图10-23 片状拉伸式样仿真分析等效应力计算结果二、 轴对称问题有限元分析1 问题描

8、述图10-24所示为某冷轧机压下油缸结构简图及受载条件，试求油缸（不包括活塞）的应力应变情况，设油缸材料为40Cr钢。2 模型建立（1） 模型规划首先，由于油缸在结构及载荷条件上均存在轴对称规律，因此仿真分析时可用轴对称模型来进行简化。其次，油缸在工作过程中其应力应变状态不但和载荷的大小有关，而且还和活塞的位置有关。如果想对油缸的应力应变状态进行全面的了解，则必须在油缸行程0100mm范围内变化活塞的位置来分析油缸的应力应变。在本例题中，我们仅取最危险工况来进行计算。显然，在载荷相同的条件下，活塞的位置越高，油缸的应力应变越大，因此这里取活塞位于最高位时来进行油缸的应力应变计算。为加载方便，几

9、何建模时可在油缸内壁活塞底部对应位置建立辅助关键点。图10-24 液压油缸的几何尺寸及受载条件（2） 几何模型几何模型的建立如图10-25所示，详细过程如下。i. 建立关键点ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的对话框中分别填入轴对称简化模型各关键点坐标值：（0,0,0）、（0.5,0,0）、（0.5,0.43,0）、（0.36,0.43,0）、辅助关键点（0.36,0.25,0）、（0.36,0.145,0）、（0.31,0.145,0）、（0.28,0.15,0）、（0,0.15,0）。图10-2

10、5 油缸仿真分析几何模型的建立过程ii. 连线ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line两点一组依次点击相临的关键点形成连线。iii. 建立圆角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet选择要建立圆角位置的两相临线，以0.02为圆角半径建立圆角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口内用鼠标选择所有的线建立面。v. 建立内凹圆角由

11、于油缸内部根部的过渡圆角为特殊的内凹圆角（内凹量2mm），而圆角区一般为高应力区，其结构上的细微变化均有可能影响模型整体应力水平的高低，因此这里不能简化，而必须依照原结构详细建模。先建立辅助圆：ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasCircleSolid Circle在对话框中输入圆心坐标（0.342,0.163）及半径(0.02) OK。进行布尔运算建立内凹圆角：ANSYS main menuPreprocessorModelingOperateBooleansSubstructAreas在窗口内用鼠标选择油缸区域OK在窗口内用鼠标选择辅

12、助圆OK。（3） 材料模型ANSYS main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic杨氏模量（EX）输入2.1e11，波松比（PRXY）输入0.3。（4） 有限元模型i. 选择单元类型选择42号二维平面四面形单元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。将单元的特性定义为轴对称：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeOpti

13、onsK3选择AxisymmetricOk。ii. 网格划分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool弹出划分网格工具条。在Smart Size选项前打将滚动条等级调整为1点击mesh窗口内选择油缸平面OK。可得模型网格如图10-26所示。存盘（SAVE_DB）。3 加载和求解（1） 施加位移边界条件本分析中，位移边界条件仅仅包括油缸底线上Y方向的位移边界条件。ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines窗口内选择油缸底线对话框中选择UYOk。对于轴对称模型

14、来说，轴线是不可能发生偏移的，所以轴线不需要另外施加对称位移边界条件（Y方向的位移边界条件除外）。（2） 施加载荷边界条件油缸内表面所承受的载荷以均布载荷的方式作用于与液体接触区。压力的大小可用下式计算：（Pa）ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines窗口内选择与液体接触的各区域线段Ok在VALUE Load PRES Value后面的方框内填入3.684e7OK。施加载荷及边界条件以后模型如图10-27所示。（3） 求解ANSYS main menuSolutionSolveCurrent LSOK。

15、 图10-26 油缸仿真分析模型网格 图10-27 油缸仿真分析模型载荷及边界条件图10-28 油缸仿真分析等效应力计算结果4 查看分析结果ANSYS main menuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Mises SEQVOK。模型等效应力计算结果如图10-28所示。三、 三维问题有限元分析1 问题描述设有如图10-29所示减速机输入轴，其中200为齿轮节圆直径（本分析不涉及齿强度问题，所以在齿轮位置按节圆简化成圆柱）。其输入扭矩为kN.m，试求减速机输入轴的应力应变情况。设减速机输入轴材料为40Cr钢。2

16、 模型建立（1） 模型规划第一，减速机输入轴虽然在结构上存在轴对称规律，但是其载荷状态为弯扭组合载荷，载荷上不再具有对称性，因此仿真分析时必须用三维立体模型来进行。第二，ANSYS在对不规则空间实体进行网格划分时，往往只能采用金字塔（四面体）单元，不但会大大增加单元的个数，浪费资源，而且还会造成计算精度的下降，因此，在进行三维问题的仿真分析时，应在条件允许的情况下尽量采用六面体单元来建模。本分析中，由于减速机输入轴在结构上存在轴对称规律，可以考虑先建立平面剖分模型，然后将平面剖分模型关于轴线旋转的方法得到三维模型，即可实现用六面体单元来建模的目的。第三，由于轴类零件一般都需要施加径向或切向边界

17、或载荷条件，在柱坐标下操作更加方便，而ANSYS系统的柱坐标轴线与Z轴重合，因此，在进行轴类零件的三维仿真分析时，建模时让轴线与Z轴重合会比较方便。第四，轴承作用中线处在结构上虽然没有线，但是为了便于边界条件的施加，必须建立辅助线。图10-29 减速机输入轴的几何尺寸图10-30 减速机输入轴的载荷条件（2） 平面剖分几何模型的建立平面剖分几何模型的建立如图10-31所示，详细过程如下。i. 建立关键点ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的对话框中分别填入轴对称简化模型各关键点坐标值：（0,0,0）、

18、（0,0,0.05）、辅助关键点（0,0.05,0.05）、（0,0.1,0.05）、（0,0.1,0.06）、（0,0.32,0.06）、（0,0.32,0.1）、（0,0.48,0.1）、（0,0.48,0.06）、（0,0.6,0.06）、（0,0.6,0.05）、辅助关键点（0,0.65,0.05）、（0,0.7,0.05）、（0,0.7,0.04）、（0,0.82,0.04）、（0,0.82,0）。ii. 连线ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line两点一组依次点击相临的关键点形成连线。iii.

19、建立圆角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet选择要建立圆角位置的两相临线，以0.005为圆角半径建立圆角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口内用鼠标选择所有的线建立面。图10-31 减速机输入轴仿真分析平面剖分几何模型的建立过程（3） 材料模型ANSYS main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIso

20、tropic杨氏模量（EX）输入2.1e11，波松比（PRXY）输入0.3。（4） 平面剖分有限元模型i. 选择单元类型选择42号二维平面四面形单元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。ii. 网格划分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool弹出划分网格工具条。在Smart Size选项前打将滚动条等级调整为4点击mesh窗口内选择减速机输入轴平面OK。可得模型网格如图10-32所示。图10-32 减速机输入轴平面剖分模型网格（5）

21、 三维有限元模型i. 选择单元类型选择45号三维六面体单元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidBrick 8node 45Ok。ii. 将二维模型旋转得到三维模型首先进行选择参数设定：ANSYS main menuPreprocessorModelingOperateExtrudeElem Ext Opts在弹出对话框中选择并填写：在Element Type Number栏选择2 Solid45、在VAL1 No. Elem Divs栏填入6、对ACLEAR栏进行选。然后进行旋转操作：ANSYS main

22、 menuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis在主窗口内用鼠标选择平面OK在主窗口内用鼠标选择轴线的两个端点OKOK。得到立体模型网格如图10-33所示，模型共有单元数11321，节点数10656。存盘（SAVE_DB）。图10-33 减速机输入轴立体模型网格3 加载和求解（1） 施加位移边界条件首先，最主要的位移边界条件是轴承对轴径处的径向约束作用。为了施加径向位移约束，首先必须将被约束节点的坐标系统改成柱坐标，然后再施加径向位移边界条件。具体操作过程如下：第一步：选择轴径区辅助线，下拉菜单SelectEntities在选择对话框

23、中选择Lines和By NUM/PickOK窗口内选择辅助线Ok。下拉菜单PlotLines。第二步：选择受约束的节点，下拉菜单SelectEntities在选择对话框中选择Nodes、Attached To和Lines AllOK。下拉菜单PlotNodes。第三步：将系统坐标系改为柱坐标，下拉菜单WorPlaneChange Active CS toGlobal Cylindrical。第四步：将前面选出来的节点坐标系改成当前坐标系，ANSYS main menuPreprocessorModelingMove/modifyRotate Node CSTo Active CSPick al

24、l。第五步：在选定节点上施加径向位移边界条件，ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick AllUxOK。节点径向位移约束施加完成以后效果如图10-34所示。第六步：选择所有组元，下拉菜单SelectEverything。10-34 在轴承中线位置节点上施加径向位移边界条件后的效果其次，为了防止模型沿轴线方向的刚体位移，可以在轴径处某个节点上施加Z方向的位移边界条件，ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes在主窗口内用鼠标选择非传动端轴径辅助线上的一个节点OK。另外，考虑到本分析载荷的施加以节点作用力的方式施加于齿轮区外表面比较合理，因此扭矩输入端可以施加周向约束来限制模型的转动。而周向约束的施加方法与径向约束的施加原理一致：先将要约束的节点的坐标系统改成柱坐标，然后再施加周向位移边界条件。具体操作过程如下：第一步：选择要约束的节点，下拉菜单SelectEntities在选择对话框中选择Nodes、和By NUM/PickOK在主窗口内用鼠标对输入侧端面节点进行框选