ANSYS平面板壳的大变形及应力分析

1、1 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential平面板壳的大变形及应力分析算例来源：ANSYS非线性基础培训案例算例制作：孟志华算例校核：关 键 词：板壳单元、几何非线性、大变形、2 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential摘要本算例对一个平面圆盘结构的板壳件进行非线性大变形分析。在 ANSYS Mechanical软件中进行模型导入、网格划分、载荷约束施加，分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移和应力，校核板壳的位移是否满足要求。其中，Mechanical默认对板壳单元使用Shell1

2、81单元，适合模拟薄壳到中等厚度壳。由于板壳结构的厚度较薄，线性分析结果的位移达到49mm，结构变形的挠度约为1/40，变形量较大。因此，在本例题中，应打开几何大变形的开关，作为几何非线性问题来对待。本例适合于初学者快速了解非线性问题的基本分析过程，并了解几何非线性的设置操作。3 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential算例描述圆盘板壳结构如图，材料为ANSYS内置的钢材料，部分区域承受均布力荷载，板壳边沿有固定约束。由于结构对称、荷载对称，为减少求解消耗，仅使用1/4模型，并施加对称边界条件即可。分别计算线性小变形和非线性大变形的结构位移

3、和应力。4 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.1. 打开 ANSYS Workbench，导入已有文件首先启动ANSYS Workbench环境。（1）导入已有的Workbench文件包：在Workbench界面的顶部【File】菜单中，使用“Restore Archive”菜单，指定本算例文件“SNLWS01.1-shell-disk.wbpz”及路径，解压并打开文件。在系统提示保存时，选择“保存”。提示：.wbpz，是ANSYS Workbench的一种压缩文件格式，压缩文件内包含了所有的仿真项目及必要的过程文件。该文件不能直

4、接用“Open”打开，而是用“Restore Archive”解压打开。在解压打开时，必须接受“保存”为.wbpj文件和同名文件夹，以便继续完成操作。5 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential（2）检查确认导入的wbpz文件：在Workbench界面中，导入文件后，在GUI视窗中，可以看到已经创建了一个“静力分析”的项目及过程。6 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.2. 检查确认材料的力学属性提示：ANSYS Mechanical在Workbench环境中，提供了一些钢、铝等

5、常用材料库，在【Engineering Data】可以设置、修改、或创建材料。而且，ANSYS Mechanical默认将所有单元设置为低碳钢材料。（1） 在【Project Schematic】视窗栏目中，双击静力分析过程的【Engineering Data】栏目，则进入材料数据的设置和修改、创建页面。（2） 检查“structural steel”材料属性：点击默认的“structural steel”材料，可以看到下面的材料力学属性表格。结构有限元分析最基本的材料力学属性为杨氏模量、泊松比等，对于材料非线性分析，则需要添加和定制更多的材料本构关系。（3） 直接关闭【Engineering

6、 Data】页签，回到Workbench的起始页面（主页面）。7 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.3. 进入Mechanical，赋予材料及网格划分（1）打开ANSYS Mechanical模块： 在Workbench起始界面，找到项目流程【Project Schematic】窗口下的静力分析过程，双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYS Mechanical模块的界面。在本例题中，【Geometry】栏的几何模型，已经创建好，读者无需操作。8 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Conf

7、idential3.3. 进入Mechanical，赋予材料及网格划分（1）修改单位制：在Mechanical界面的顶部菜单栏，设置单位制【Units】为毫米、公斤、牛的单位制。9 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.3. 进入Mechanical，赋予材料及网格划分（2）检查确认板壳结构的材料和厚度：在Mechanical的左侧目录树【Outline】下，依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，左键点中“surface body”零件，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为该零件赋予材料或设

8、置其他属性。找到细节设置面板下的【Material】-【Assignment】，确认是系统默认材料structural steel。找到细节设置面板下【Thickness】栏，确认此处的板壳厚度为1mm。10 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.3. 进入Mechanical，赋予材料及网格划分（3）定义网格划分方法：在左侧目录树【Outline】下，右键点击【Mesh】，在弹出菜单中选择【Method】，即添加了一个网格划分方法。然后在网格划分方法对应的【Detail】细节设置面板中，在【Geometry】项上指定设置对象为板壳零

9、件，在【Method】项设置为“Multizone Quad/Tri”划分方法。本例题中，已经添加并设置了该网格划分方法，读者可以不做修改。提示：“Multizone Quad/Tri”网格划分方法，称之为多区域网格划分方法，是常用的四边形、六面体网格划分方法之一。11 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.3. 进入Mechanical，赋予材料及网格划分（4）定义网格划分尺寸：点击左侧目录树【Outline】的【Mesh】栏，对应的细节设置面板中，已经设置了总体的网格划分尺寸【Element Size】为5mm。无需修改。（5）生

10、成网格：在目录树【Outline】下，找到-【Mesh】，鼠标右键，在弹出菜单中选择【Generate Mesh】，即可完成网格划分。划分网格后的网格数量、质量等信息，可以在选中-【Mesh】下的细节设置面板中查看。12 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.4. 施加载荷和边界条件本案例需要添加两类边界条件，一类为均布压力载荷，一类为固定约束。（1）施加均布压力载荷：例题中的目录树中，已经添加并定义了【Pressure】均布力载荷，并定义了作用区域和数值。如下图，无需修改。13 2018 ANSYS, Inc.March 8, 20

11、22ANSYS Confidential（2）施加固定约束：例题中的目录树中，已经添加并定义了【Fixed Support】固定约束，并定义了约束作用的区域和数值。如下图，无需修改。14 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential（3）检查结构对称条件：例题中的目录树中，已经添加并定义了【Symmetry】对称条件，作用于1/4板壳的边界上，从而可以用1/4模型等效整体模型进行分析。如下图，无需修改。15 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.5. 静力分析求解第一次的求解，为常规的

12、静力、线性问题，因此无需进行更多的求解控制。直接在左边目录树【Outlines】中找到需要求解的静力分析工况，即-【Static Structural】，在【Solution】栏上鼠标右键，弹出菜单选Solve，进行求解。16 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.6. 线性分析结果查看计算完成后，（1）添加并查看Vonmises应力结果：继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，点鼠标右键，在弹出菜单选择-【insert】-【stress】-【Equivalent stress/Von-mises】，即可在Solu

13、tion栏下插入一个Von-mises应力的查看选项。然后在目录树中新插入的Equivalent Stress应力上点击鼠标右键，使用“Evaluate All Results”，即可看到应力云图的显示。在本例题中，Von-miese应力最大值为800Mpa，最大值在板壳零件圆心位置17 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.6. 线性分析结果查看（2）添加并查看整体变形应力结果：继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，点鼠标右键，在弹出菜单选择-【insert】-【deformation】-【total】，即可在

14、Solution栏下插入一个结构总变形量的查看选项。然后在目录树中新插入的“total deformation”上点击鼠标右键，使用“Evaluate All Results”，即可看到结构总体位移云图的显示。对于本例题，最大位移点在板壳的圆心部位，此外，可以看到结构的变形满足对称条件，符合用1/4模型模拟整体模型的预期。18 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.7. 改为几何非线性求解由于板壳结构的厚度较薄，线性分析结果的位移达到49mm，结构变形的挠度约为1/40，变形量较大。因此，在本例题中，应打开几何大变形的开关，作为几何非

15、线性问题来对待。（1）打开几何大变形开关：在Mechanical目录树中，在该静力分析工况【Static structural】栏下，点击【Analysis Setting】栏，相应的细节设置面板中，可以设置各种线性、非线性、动力学的求解参数和选型。此处，将【Auto time stepping】保持“program controlled”，即非线性求解的时间步长由系统自动调整。并将“Large Deflection”改为“on”，即打开几何非线性开关，求解时作为几何非线性问题来求解。（2）重新求解：在目录树的【Static Structural】-【Solution】栏上鼠标右键，弹出菜单选

16、Solve，进行重新求解。19 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential（3）监控求解过程的收敛曲线：非线性求解过程中，迭代和收敛是重要的问题。在目录树找到【Solution】下的【Solution Information】，点击，可以在视窗中看到收敛曲线和求解进度。20 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.8. 非线性分析结果查看由于是非线性问题，求解一般需要多次迭代才能收敛，所以求解时间长于线性问题。计算完成后，（1）查看Vonmises应力结果：再次查看Von-miese应

17、力，最大值为213Mpa，最大值在板壳零件圆心位置。远低于没有打开大变形开关时800Mpa的结果。21 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential3.8. 非线性分析结果查看（2）查看整体变形应力结果：点击目录树的 “total deformation”，即可看到结构总体位移云图的显示。最大位移原为49mm，当打开大变形开关后，位移变为4.2mm。22 2018 ANSYS, Inc.March 8, 2022ANSYS Confidential分析小结本算例对一个平面圆盘结构的板壳件进行非线性大变形分析。在 ANSYS Mechanical软件中分别计算线性小变形和非线性大变