ansys平面问题分析实例

1、第七章平面问题分析实例本章将介绍工程常见的一大类问题：平面问题。平面问题的模型上可以大大简化而又不失精度。平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。本章中将对平面应力问题举例进行介绍，平面应变问题的分析过程和要求与平面应力问题基本一致，所区别的只是单元的行为方式选项设置不同而已，平面应力要求选择的是PlaneStress，而平面应变问题选择PlaneStrain。本章中通过对高速旋转的光盘的应力分析来介绍ANSYS中关于平面应力问题分析的基本过程和注意事项。71问题描述标准光盘，置于52倍速的光驱中处于最大读取速度（约为10000转/分），计算其应力分布。标准光盘参数：外径：120mm内孔径：1

2、5mm厚度：1.2mm弹性模量1.6X104MPa密度：2.2X103Kg/m372建立模型虽然本实例模型比较简单，但是也包含了ANSYS分析的各个过程，其中包括设定分析作业名和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。下面就结合本实例进行介绍，本实例中的单位为应力单位MPa，力单位为N,长度为mm。721设定分析作业名和标题在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名，并在图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析

3、开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。（1）选取菜单路径UtilityMenuIFileIChangeJobname，将ChangeJobname（弹出修改文件名）对话框，如图7.1所示。；匸hangeJobnameiFILNAMEnternewjobridm已|CH072Newloganderrorfiles?厂p.j0OK3ICancelIHelp图F1设定分析文件名（2）在Enternewjobname（输入新文件名）文本框中输入文字“CH07”，为本分析实例的数据库文件名。（3）单击按钮，完成文件名的修改。（4）选取菜单路径UtilityMenu丨F

4、ile丨ChangeTitle，将弹出修改标题（ChangeTitle）对话框，如图7.2所示。5）在EnterrotatingCD”，为本分析实例的标题名。（6）单击按钮，完成对标题名的指定。（7）选取菜单路径UtilityMenu丨Plot丨Replot，指定的标题“staticanalysisofahigh-speedrotatingCD”将显示在图形窗口的左下角。（8）选取菜单路径MainMenu丨Preference，将弹出PreferenceofGUIFiltering（菜单过滤参数选择）对话框，选中Structural复选框，单击按钮确定。722定义单元类型在进行有限元分析时，首

5、先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本例中选用4节点四边形板单元PLANE42,PLANE42不仅可用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。Close9IHelp（1）选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete，将弹出ElementTypes（单元类型）对话框。（2）单击AdcL按钮，将弹出LibraryofElementTypes（单元类型库）对话框，如图7.3所示。；LibraryofElementTypesLibraryofElementTypes

6、StructuralMassLink已日1Qpip弓Juad斗1口日已42SolidShellHyperelasti匚Mooney-Rivlin4node182肩Snode183斗Snode82Triangl已6node2Axi-har4node25勺jOuaTTnode42Close9IHelpElementtypereferen匚巴number图7.3单元类型库对话框3)Help然后在左边的列表框中选择“Solid”，选择实体单元类型。佔（4）在右边的列表框中选择“Quad4node42”，选择4节点四边形板单元PLANE42。（5）单击ok按钮，将PLANE42单元添加，并关闭单元类型库

7、对话框，同时返回到第一步弹出的单元类型对话框，如图7.4所示。(6)单击Options按钮DefinedElementTypes:日印1亡就1卩亡呂，弹出如图d7,5所示的PLANE42elementtype卯杷血设置）对话框，对PLANE单元进行设置，使其可用于计算平面应力问题。单元选项元类型对话框。（9）单击Close按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。723定义实常数本实例中选用带有厚度的平面应力行为方式的PLANE42单元，需要设置其厚度实常数。(1)单击MainMenuIPreprocessorIRealConstantsIAdd/Edit/Delete，弹出如图7.6所E

8、lEmEntForRcbI匸on呂t日nt呂Choose已I已meritt*p已：Type1PLANE42图7.7选择单元类型(3)本例中只定义了一种单元类型，在已定义的单元类型列表中选择“Type1PLANE42”，将要为PLANE42单元类型定义实常数。单击ok按钮确定,关闭选择单元类型对话框，弹出RealConstantSet(实常数集)对话框，如图7.8所示。；RealConstantSetNumber1,forPLANE42ElementTypeR.eferen匚已No.1Close9IHelpClose9IHelpHelp如图7.9图7.8实常数定义对话框Cancel在Thickn

9、ess(厚度)文本框中输入“12”单击0K按钮，关闭实常数输入对话框，返回到实常数添加对话框,所示，显示已经定义了一组实常数。（7）单击皿e按钮，关闭实常数添加对话框。724定义材料属性考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下：（1）选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels，将弹出DefineMaterialModelBehavior（定义材料模型）对话框，如图7.10所示。ODefineMaterialModelBehaviorMaterialEditHelpMaterialModelsDefin

10、edMaterialModelsAvailableMaterialModelNumber1图7.10定义材料属性对话（2）依次双击Structural丨LinearIElastic丨Isotropic出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框Structural渗Linear渗ElasticesnLinE日I号otropi匸PropEFtiE号ForM日日INumber12食OrthotropicAnisotropicNonlinear&DensityTh已rmalExpansionCoef展开材料属性i的树形结构。将弹如图7.11所示。FF轴t因Close9IHelpClose9I

11、HelpLii已可Isotropi匚MaterialPropertiesForMaterialNumber1T1TemperaturesEXPRXY(3)为0.3。(4)图7%线性各向同性材料的弹性模量和泊松比在对话框的EX文本框中输入弹性模量为1.6e4,在PRXYok4ICancelHelp入泊松比OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料属性对话框，在定单击会话框的左边一栏出现刚刚定义的参考号为1的材料属性。（5）依次双击Structural|Density，弹出定义密度对话框，如图7.12所示。材料属性Close9IHelp呂it*ForM日Number1甌12定义材料密度度数值“2.2e

12、-9”，单位为吨/立方毫米。竺按钮,关闭对话框，并返回到定义材料属性对话框，在定义itureGraphAddTem在DENS文本框中输入密度数4单击会话框的左边一栏参考号为1的材料属性下方出现密度项。一在DefineMaterialModelBehavior对话框中，单击菜单项MaterialIExit，或者单击对话框右上角的x按钮退出材料模型定义对话框，完成对材料模型的定义。.材料属性DensityforMaterialNumber1T1TemperaturesDENS2.2e-96Close9IHelpClose9IHelp725建立盘面模型本实例的模型比较简单，仅有一个平面。需要注意的是

13、使用PLANE系列单元时，要求模型必须位于全局XY平面内。默认的工作平面即位于全局XY平面内，因此可以直接在默认的工作平面内创建圆环面，为了对圆环面划分有限元网格还需要将圆环面切开分成两半。(1)单击MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas|Circle|Annulus，弹出AnnularCircularArea(圆环面)对话框，如图7.13所示。文本框中输入圆环面圆心的Y坐标“0”；在Rad-1文本框中输入内孔半径“7.5”；在Rad-2文本框中输入外环半径“60”。（3）单击按钮确认，关闭对话框，同时ANSYS在当前工作平面的原点位置创建内径为

14、7.5，外径为60的圆环面。（4）单击菜单路径UtilityMenu|PlotCtrls|Numbering，弹出PlotNumberingControls（显示图元编号控制），如图7.14所示。键点选择对话框，要求选择要创建的直线的两个端点。用鼠标在图形窗口中点取关键点1和3(或者在选择对话框的输入框中输入“1,3”然后回车)，创建出端点为关键点1，3的直线。单击单击UtilityMenu按钮，关闭选择对话框。IPlotIMulti-Plots，在图形窗口显示所有图元，如图7.16所示。1A-L-K(11)Line，弹出(12)要求选择分(13)尔运算，将DECOK按钮，又弹选择对话框,图7

15、.16创建的盘面和切割盘面的线单击MainMenu|Preprocessg|Modeling|Operate|Booleans|Divide|Areaby面选择对话框，要求选择欲被分割的面。选择创建的圆环面，并单击选择对话框的割面的线。选择在第8步中创建的线，并单击选择对话框的_选定的面分割菇来成为两个面。如图和7所示。Gok按钮，ANSYS将进行布Close9IHelpMeshToolElementAttributes:|GlobalSet厂SmartSizedFine6CoarseSizeControls:GlobalSetear|ear|AreasSetLines躺2|Clear1Fli

16、pLayerSetear|KeyptsSetear|Mesh:.AreasdShape:rTr,QuadcFree柠MappedSweepClose9IHelpClose9IHelp图7.18网格工具s岀线选择对话框，要求(2)单击Lines域罪按钮，弹按钮，选择所有的线，弹岀EiemehtfeizesofPicked单击$设定对话框，如图7.19所示。iPick选择Lin欲定义单元分划数的线。es(选定线上单元分划数)Close9IHelp（3）在对话框中的No.ofelementdivisions（单元分划数）文本框中输入“10”，然后单击按钮，结束设定，关闭对话框。（4）在网格工具中选择

17、分网对象为Area，网格形状为Quad（四边形），选择分网形式为Mapped（映射）。附加选项中选择“Pickcorners”。（5）单击按钮，弹出面选择对话框，要求选择欲划分网格的面。选择一个面后单击按钮，弹出点选择对话框，要求选择所选面的四个顶点（参见2.11.5.1节相关内容）。（6）依次点取图7.17中的四个关键点3，7,6，1（也可在点选择对话框的输入文本框中输入“3,7,6,1”，然后回车），当选择完四个顶点后单击按钮ANSYS将对选择的面进行网格划分并返回到面选择对话框，要求继续选择欲划分网格的面。（7）选择另外一个面，选定后单击面选择对话框的皿按钮，弹出点选择对话框。（8）依次

18、点取图7.17中的四个关键点3，7,6，1（也可在点选择对话框的输入文本框中输入“3,7,6,1”，然后回车），当选择完四个顶点后单击朋按钮ANSYS将对选择的面进行网格划分。9）单击菜单路径UtilityMenu|Plot|Elements，图形窗口中将只显示刚刚生成的单元。如图7.20所示。对7.3定义边条ELEMEWTSDEC.110)图7单击5AVE_按钮，保存数据库例中载荷为10000转的转速形成的离心力，位移边界为将内孔边缘节点的周向位移固定。731施加位移边界本实例的位移边界条件为将内孔边缘节点的周向位移固定，为施加周向位移，需要将节点坐标系旋转到柱坐标系下（参看2.9.4节相关

19、内容）。具体步骤如下：（1）单击UtilityMenuIWorkPlaneIChangeActiveCStoIGlobalCylindrical,将激活坐标系切换到总体柱坐标系下。（2）单击MainMenuIPreprocessorIModelingIMove/ModifyIRotateNodeCSIToActiveCS,弹出节点选择对话框，要求选择欲旋转坐标系的节点。（3）单击匝亟空按钮，选择所有节点，所有节点的节点坐标系都将被旋转到当前激活坐标系下即总体柱坐标系。（4）单击菜单路径UtilityMenuISelectIEntities，弹出SelectEntities（实体选择）对话框。如

20、图7.21所示。MSelectEntities|Nodes5|ByLocation6Xcoordinates7YcoordinatesZcoordinatesMinMax8金FromFullReselectAlsoSelect图7.211实体选择对话框（5）然后在第一个下拉列表中选择Nodes（节点），如图7.21所示。选取。（7）在位置选项中列出了位置属性的三个可用项（即标识位置的三个坐标分量），单:坐标来进行选取，注意此时（6）在下面的下拉列表中选择ByLocationl（通过位置）击Xcoordinates（X坐标）单选按钮使其选中，表示要通过X激活坐标系为柱坐标系，X代表的是径向el|

21、Help（8）在文本框中输入用最大值和最小值构成的范围，输入“7.5”，表示选择径向坐标为7.5的节点，即内孔边上的节点。（9）单击匚邑按钮，将符合要求的节点添入选择集中。（10）单击菜单路径MainMenuISolutionIDefineLoadsIApplyIStructuralIDisplacementIOnNod弹出节点选择对话框，要求选择欲施加位移约束的节点。（11）单击込按钮，选择当前选择集中的所有节点（当前选择集中的节点为第4Close9IHelp14）7321NODES9步中选择的内孔边上的节点），弹出ApplyU,RotonNodes（在节点上施加位移约束）对话框，如图7.2

22、2所示。（12）选择UY周向位移约束。（13）单击DEC1：图7.23施加的周向位移约束单击UtilityMenuISelectIEverything，选取所有图元、单元和节点。A施加转速惯性载荷并求解本小节（1）单MainMenuISolutionIDefineLoadsIApplyIOtherIAngularVelocity,弹出中，要施加盘片高速旋转引起的惯性载荷。呦cDApplyAngularVelocity（施加角速度）施加对话框，如图7.24所示。Close9IHelpNomodifi匚3tioiD已creasestiffn；ApplyAngularVelocityOMEGAApp

23、lyAngularVelocityOMEGXGlobdlCartesianX-compOMEGYGlobdlCartesianY-compOMEGZGlobalCartesianZ-compK5PINSpinsoft已lingkeyClose9IHelpClose9IHelp6)7)8)图7.24施加角速度对话框Help在GlobalCartesianZ-comp(总体Z轴角速度分量)文本框中输入“1047.2”，需要注意的是转速是相对于总体笛卡丿儿坐标系施加的，单位是弧度/秒。单击，施加转速引起的惯性载荷。单击按钮，保存数据库。单击MainMenu|Solution|Solve|Curren

24、tLS，弹出一个确认对话框和状态列表,如图7.25所示。要求查看列出的求解选项。:Solve匸urrentLoadStepSOLVEBeginSolutionofCurrentLoadStepReviewthesummaryinformationinthelisterwindow(entitled/5TATCornrridridthenpressOKtostartthesolution.图求解当前载荷步确认对话框也IHelp|查看列表中的信息确认无误后，单击按钮，开始求解。求解完成后会弹出如图7.26所示的求解结束对话框。74查看结果求解完成后，就可以利用ANSYS程序生成的结果文件(对于静力

25、分析来说就是Jobname.RST)进行后处理，静力分析中通常通过POST1后处理器已经可以处理和显示大多感兴趣的结果数据。741旋转结果坐标系本例模型为旋转件，在柱坐标系下查看结果将会比较方便。因此在查看变形和应力分布之前，首先将结果坐标系旋转到柱坐标系下。（1）单击MainMenu|GeneralPostproc|OptionsforOutp果输出选项）对话框。如图7.27所示。，弹出OptionsforOutput（结L匚引systemreFeren匚e：no.AVRE51Avgrslts（pwrg中h）ForDEFAULT-rMaxfailurecrit（*Specifiedlayer

26、Ep巳匚ibiedlayernumberRSYSlResults匚oordsystemAscacuatedL匚日1system1facetjed口已CartesianOptionsForOutput|GlubalcylindricGlobalGlobalspnericaliEFACETFacets/elementedgerSHELLJShellresultsareIromLAYERLayerresultsareIromFORCEForceresultsare图7.27结果输出选项对话框（2）在Resultscoordsystem（结果坐标系）下拉列表中选择Globalcylindric（总体柱

27、坐标系）（3）单击OK按钮，接受设定，关闭对话框。7.4.2查看变形OK3CancelHelp本例关键的变形为径向变形，在高速旋转时，径向变形过大，可能导致边缘部位与其他部件发生摩擦。（1）单击菜单路径MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu,弹出ContourNodalSolutionData（等值线显示节点解数据）对话框，如图7.28所示。.00323:ContourNodalSolutionDataPLN5OLContourNodalSolutionDataDOFsolutionTransldtionUXItem

28、jCompItemtobecontouredStressqStrain-total忆EnergyStrainenerdensStrain-elasticStrain-thermalStrain-plasticUVUZU5UMRotationROTXROTYZJ|TransidtionUXKUND1氓殆tobe：plottedC；D已Fshap已onlyC；D已f+und已formEcI(peF+undeFedgej4.00323.00323/EFACETInterpolationNodesFactOptionalscalefactor图7.28等值线显示节点解数据对话框灯第川（2）在Itemt

29、obecontoured（等值线显示结果项）域的左边的列表框中选择DOFsolution/宀亠心厶”、CCorI已r+rnidside（自由度解）。（3）在右边的列表框中选择TranslationUX（X向位移），此时结果坐标系为柱坐标系，X向位移即为径向位移。（4）单击Der+WdfdgeQ（变形后和未变形轮廓线）单选按钮，使其选中。（5）单击按钮，在图行窗口中显示出变形图，包含变形前的轮廓线。如图7.29所示。图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值（带符号）。.003556.004208.486.005513743查看应力盘片在高速旋转时的主要应力也是径向应力。（1）单击MainMenu|

30、GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu，弹出ContourNodalSolutionData（等值线显示节点解数据）对话框，如图7.30所示。:ContourNodalSolutionDataPLN5OLContourNodalSolutionDataItemCompItemtobe匚ontouredIDOFsolutionX-direction5XStressY-direction5V35ZJStrain-totalZ-directionEnergyXY-shear5XYStrainenerdensYZ-shear5YZStrain

31、-elasticXZ-shear5XZStrain-thermalStrain-plastic二|X-directionSXKUND12而to匕已plotted店DeFshapeonly4DeF+undeFormedC；D已F+und已FedgeFactOptionalscaleFactor/EFACETInterpolationNodesf*-CorneronlyUCorner+midside图7.30等值线显示节点解数据对话框1applicableAVPRINEFFNUforEQVstrain（3）在右边的列表框中选择X-directionSX（X方向）应力。（4）单击Defshapeon

32、ly（仅显示变形后模型）单选按钮，使其选中。（5）单击0K按钮（2）在Itemtobecontoured（等值线显示结果项）域的左边的列表框中选择Stress（应力）。Help，图形窗口中显示出X方向（径向）应力分布图，如图7.31所示。1.00323NODALSOLUTION5TEP=1SUB=1TIME=15X(A7G)RSYS=1DMXSUNSMX=.006165=.301018=2.704DECIE1.3691.9031.6362.17中选择Stresso图731径向应力分布图(6)单击MainMenuIGeneralPostprocIPlotResultsIContourPlotINodalSol,弹出ContourNodalSolutionData对话框。(7)在Itemtobecontoured域的左边的列在右边的列表框中选择vonMisesSEQV。单击Defshapeonly单选按钮，使其选中。单击OK按钮，图形窗口中显示出轟nMises等效应力分布图，如图7.32所示。2.437通过以1NOD