ANSYS应力分析讲义（63页清楚明了）

1、应力分析 第三讲(A)应力分析概述应力分析 它是用来描述结果中含有应力和应变的通用选项。在结构分析中是经常用到的。如第二章所讲的一样, ANSYS允许以下几种形式的应力分析:静力瞬态动力模态频谱谐响应 显式动力学在本章中, 我们将用一个线性的静力问题来演示其分析步骤。掌握了这些步骤，您将很快学会其它的分析。2003年5月应力分析概述主题包括:A.分析步骤B. 建模C. 剖分网格D. 加载E. 求解F. 校核结果G. 检查求解的有效性H. 练习2003年5月应力分析A. 分析步骤每一个分析包括三个主要步骤:前处理创建或输入几何模型对几何模型剖分网格求解施加荷载求解后处理检查结果检查求解的有效性前

2、处理求解后处理2003年5月应力分析分析步骤注意到 ANSYS 的主菜单也是按前处理,求解和后处理。2003年5月应力分析分析步骤前处理 (在ANSYS中称 PREP7 )是您的主要输入窗口。它的主要用途是生成有限元模型，它包括主要的节点,单元和材料特性。您也可以用 PREP7 来加载。通常从有限元模型开始。用一个实体模型来代表几何模型。用一个CAD模式的数学模型代替结构的几何有限元模型。作为模型，可能只包含实体或面。2003年5月一个典型的实体模型是有体,面,线和点定义而成的。体是由面围成的。 它们代表三维实体。面是由线围成的。 它们代表实体的表面 也可以是平面或三维面。线是由关键点连接而成

3、的。它们代表物体的边。关键点位于三维空间中。 它们代表物体的角点。体面线和关键点应力分析 -前处理B. 几何模型2003年5月应力分析 - 前处理几何模型实体模型中图元有一个层次关系。关键点是最低阶的图元，线在关键点上, 面在线之上,体在面之上。无论实体是怎样建立的，这种层次总是成立的。KeypointsLinesAreasVolumesIll justchangethis lineLinesKeypointsAreasVolumesOOPs!ANSYS 不允许您将连接在高阶图元上的低阶图元修改或删除。(某些类型的修改是允许的 后面讨论)关键点线面体2003年5月应力分析 - 前处理几何模型您

4、可以在 ANSYS中创建实体模型也可以从其它软件中输入。两种方式的详细内容将在后面讲解。现在, 我们将简要的讨论如何读取一个 IGES文件以及在需要的情况下改变几何模型的比例。IGES (Initial Graphics Exchange Specification)是一种将实体模型从一种软件包输入到另一种软件包的途径。一个 IGES 文件是 由ASCII码写成的, 可以在计算机系统中任意转换。大多数软件包，包括 ANSYS, 允许您读取IGES 文件。2003年5月应力分析 - 前处理几何模型读入IGES 模型:Utility Menu File Import IGES.在这个合成对话框中,

5、 选择 No defeaturing * (缺省) 然后按 OK (接受其它所有选项)。在第二个对话框中, 选择想要的文件然后按OK。或用 IGESIN 命令:/aux15ioptn,iges,nodefeatigesin,filename,extension,directoryfinish有关 No Defeaturing vs. Defeaturing 方法以及其他选项将在以后讲解。2003年5月应力分析 - 前处理几何模型当输入完成时, ANSYS 将自动画出几何模型。您可以根据需要修改模型。ANSYS 允许许多对实体模型的操作,这将在以后讲到。现在, 我们将讨论如何在不同单位制 之间进

6、行缩放。 (注意: 若在IGES输入中采用“Defeature” ，“Scaling” 将不可用)2003年5月应力分析 - 前处理几何模型当您需要对几何模型进行单位转换时，比例缩放是很有用处的,比如从英尺转换为毫米时。在 ANSYS中缩放模型:首先保存数据库 - Toolbar SAVE_DB 或 SAVE命令 。接着 Main Menu Preprocessor Operate Scale Volumes (在模型中选择可能的高级图元)Pick All 拾取所有的体再输入沿 RX, RY, RZ 方向的比例因子然后设置 IMOVE 为 “Moved” 而取代f “Copied”或用 VLS

7、CALE 命令:vlscale,all,25.4,25.4,25.4,12003年5月应力分析 - 前处理几何模型Demo:读入pipe.igs:“No Defeaturing” 的方法其它所有缺省设置模型显示如图保存 pipe.db2003年5月应力分析 前处理几何模型前处理几何模型剖分网格求解加载求解后处理检查结果检查求解的有效性2003年5月应力分析 - 前处理C. 剖分网格剖分网格 是将实体模型用节点和单元填充, 创建FEA模型。您需要节点和单元来求有限元的解, 而不是用实体模型。实体模型不参加有限元的求解。Solid modelFEA modelmeshing2003年5月应力分析

8、- 前处理剖分网格剖分网格有三步:定义单元属性设置剖分控制选项进行剖分单元属性 是在剖分网格之前您必须建立的有限单元的特征。它们包括:单元类型实常数材料特性2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格单元类型单元类型是一个很重要的选项因为它决定了以下的单元特性:自由度(DOF)的设置.例如,一种热单元类型,有一个自由度: TEMP； 然而一个结构单元类型可能有六个自由度: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ。单元形状 八面体, 四面体, 四边形, 三角形, etc.维数 - 2-D (X-Y 平面)，或 3-D.假设位移形函数 线性 vs. 二次.您可以从ANSYS的包含有

9、超过 150种的单元类型的单元库中选取单元。如何正确选取单元类型的详细内容将在后面讨论。现在,让我们看看怎样定义单元类型。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格定义单元类型:Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteAdd 增加新的单元类型选择您需要的类型 (例如 SOLID92) 然后按 OKOptions 定义其它的单元选项或用 ET 命令:et,1,solid922003年5月应力分析 - 前处理剖分网格注意:设置您所需的选项 (Main Menu Preferences) 将只显示该选项的有效单元类型。您应在前处理阶段开始时定义单元类型，因为

10、基于当前设置的DOF在GUI中的许多菜单选项将被过滤掉。例如,如果您选择一个结构单元类型,热荷载选项将被过滤掉。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格实常数实常数是来定义不能被单元几何模型所完全描述的几何特性。例如:一个梁单元是用连接两个节点的线来定义的。这只定义了梁的长度。要定义梁的截面特性 诸如面积和惯矩，您将需要定义实常数。一个壳单元是 有一个四边形或三角形所围成的面来定义的。这只许定义壳的表面积。如要定义壳的厚度,您需要用到实常数。大多数 3-D 实体单元不需要实常数，因为单元几何特性已经由其节点完全定义了。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格定义实常数:Preprocess

11、or Real ConstantsAdd 增加一个新的实常数如果定义了多种单元类型，须对不同的单元类型分别定义相应的实常数。然后键入实常数的值。或用 R 命令系列。不同的单元类型需要不同的实常数,有些不需要实常数。在在线帮助中查找单元手册获取详细信息。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格材料特性每种分析均需要输入一些材料特性: 结构单元的杨氏模量 EX,热单元的热传导系数 KXX 等。有两种方式来定义材料特性:材料库自定义特性2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格利用材料库这种方式允许您选择一种预先定义好的材料。ANSYS 提供了一些常用典型的结构和热的材料（线性）,但是我们建议您创

12、建自己的材料库。从库中选择材料:首先定义材料库的路径。Preprocessor Material Props Material Library Library Path输入路径以从中读取材料信息 /ansys57/matlib.或用 /MPLIB 命令2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格然后从库中输入材料类型。Preprocessor Material Library Import Library选择单位制。这将不能进行单位之间的转换。选择想要的材料文件,如钢材 AISI C1020.或用 MPREAD 命令中的 LIB选项。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格自定义材料特性不用选

13、择材料名,直接通过 材料模式的GUI 指定所需的特性。自定义特性:Preprocessor Material Props Material Models双击相应的材料特性以进行定义2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格通过树状图来定义材料类型。然后键入自定义的特征值。或用 MP 命令。mp,ex,1,30e6mp,prxy,1,.32003年5月应力分析 - 前处理剖分网格增加温度特性 绘出温度特性曲线2003年5月应力分析-前处理剖分网格将材料模型从一个表中复制到另一个表中。删除材料模型2003年5月应力分析-前处理剖分网格单位的注意事项您不需要提示ANSYS正在使用的单位体系。只要确定

14、您所采用的单位，并且保证输入数据的单位是一致的。例如,如果几何模型的单位是英寸，并且保证其它的输入数据 材料特性,实常数, 荷载等 是以英寸为单位的。ANSYS 不能进行单位转换！它只接受数据而不检验单位制是否正确。命令/UNITS允许您定义单位制,但它只是一个记录，目的让其它用户知道你建模所采用的单位。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格设置网格密度是剖分网格的第二步。在 ANSYS中有几种控制网格密度的方式。下面, 我们将提供一个简单的定义网格剖分密度的方法,称为智能网格。智能网格 是一种基于线的长度、曲率、与孔的接近程度等自动对模型的所有线段进行划分的一种算法。您只要将滚动条设置在

15、1（最密的网格）到10（最粗的网格）之间，其余工作由 ANSYS 来做。2003年5月应力分析-前处理剖分网格MeshTool 是控制网格密度的最好的途径:Preprocessor MeshTool.智能网格剖分。缺省值为 6。执行剖分 是剖分网格的最后一步。首先保存数据库。然后按 Mesh 键。这会产生一个拾取操作。按 Pick All 选取所有图元。2003年5月应力分析 - 前处理剖分网格当网格划分完成之后, ANSYS 将自动显示单元。单元绘图的缺省设置使用直线显式单元的边界，即使是二次单元类型也是这样。如果想显示单元的曲边,键入 /EFACET,2 (或 Utility Menu P

16、lotCtrls Size and Shape).2003年5月应力分析 - 前处理网格划分Demo:恢复 pipe.db (如果需要)定义单元类型为 SHELL63定义实常数 厚度 = 1/8 in用材料模式的 GUI 来定义 Material 1:结构, 线性, 弹性, 各向同性杨氏模量 EX = 30e6泊松比 PRXY = .3保存 pipe.db, 然后用 SMRT,4来模型划分网格保存 pipemesh.db2003年5月应力分析 - 前处理划分网格前处理几何模型划分网格求解加载求解后处理检查结果检查求解的有效性2003年5月应力分析 - 求解D. 加载求解是要我们在物体上施加荷载

17、让求解器计算有限元结果。加载既可在求解菜单也可以在前处理菜单。2003年5月应力分析 - 求解加载有五种荷载类型:DOF约束定义 DOF 的值, 例如在应力分析中的位移或在热分析中的温度位移。集中载荷点荷载, 例如集中力或热流速率。面荷载由面承担的荷载, 例如压力或对流。体或场荷载例如温度(引起的热传导)或体内产生热量。惯性荷载由于结构的质量或惯性而引起的荷载, 例如重力或由角速度产生的离心惯性力。2003年5月应力分析 - 求解加载您可以在实体模型上加载或在FEA模型上加载 (节点或单元)。在实体模型上加载比较简单因为要拾取的图元较少。而且, 实体模型的荷载是独立的。在重划网格之后您不需要重

18、新加载。Constraints at nodesFEA modelPressures on element facesForce at nodeConstraint on lineSolid modelPressure on lineForce at keypoint2003年5月应力分析 - 求解加载无论您怎样加载, 求解器都需要将荷载加在有限元模型上。因此,在求解时加在实体模型上的荷载将被自动转化到有限元模型上去。 我们现在将讨论如何施加下列类型的结构荷载:位移约束压力重力2003年5月应力分析 求解加载位移约束用来定义模型固定的位置 (零位移位置)。也可以是非零位移,来设一个已知的偏位。

19、施加位移约束 :Solution -Loads- Apply Displacement选择您想施加位移的位置。再图形窗口中拾取图元。然后选择约束方向。约束值缺省为零。或用 D 命令系列: DK, DL, DA, D.2003年5月应力分析 - 求解加载位移约束也被用于施加对称或反对称边界约束。对称边界: 面外线位移和面内的转角位移被约束。反对称边界: 面内线位移和面外转角位移被约束。反对称边界UY=UZ=0ROTX=0对称边界UX=0ROTY=ROTZ=0YX2003年5月压力施加压力:Solution -Loads- Apply Pressure选择您想施加压力的位置，在2-D模型中通常选择

20、线, 在 3-D 模型中通常选择面。在图形窗口中拾取图元。然后键入压力值。正值表示 压力(指向单元的表面)。或用 SF 命令系列: SFL, SFA, SFE, SF.应力分析 - 求解加载2003年5月应力分析 - 求解加载对于一个 2-D 模型, 压力通常施加在线上, 您可以通过输入I和J端同一个值来定义一个均布荷载。I 和 J是由线的方向来定义的。如果您发现坡度方向有误,只要将两个压力数值颠倒即可。VALI = 500500L3500VALI = 500VALJ = 1000L31000500VALI = 1000VALJ = 500L310005002003年5月应力分析 - 求解加载

21、重力施加重力加速度:Solution -Loads- Apply Gravity或用 ACEL 命令 。注意:一个正的加速度值引起反方向的运动。如果 Y指向上,那么一个正的ACELY 值将引起结构向下运动。密度 (或某种块体)必须定义重力和其它形式的荷载。2003年5月应力分析 - 求解加载校验载荷画出载荷:Utility Menu PlotCtrls Symbols命令 - /PBC, /PSF, /PBF 列表荷载:Utility Menu List Loads 2003年5月应力分析 - 求解加载修改和删除荷载修改荷载值, 只要用新值代替旧值即可。删除荷载:Solution -Loads

22、- Delete 当您删除实体模型的荷载时, ANSYS 将自动删除有限单元上的荷载。2003年5月应力分析 - 求解加载前处理几何模型网格划分求解加载求解后处理检查结果检查求解的有效性2003年5月应力分析 - 求解E. 求解求解是让求解器计算有限单元的结果。首先,检查和校核您的计算数据是必要的,例如:单位一致单元类型, 选项和实常数材料特性如果有惯性荷载时的密度温度应力的热传导率尤其在应力集中区的网格密度荷载的大小和方向热传导的参考温度2003年5月应力分析 - 求解求解开始求解:首先保存数据库!然后:Solution -Solve- Current LS或键入 SOLVE 命令。求解器将

23、结果数据写到内存中去和结果文件中, jobname.rst (or .rth, .rmg, .rfl).ResultsResultsDataDatabaseInputDataResultsFileSolver2003年5月应力分析 - 求解求解在求解过程中, ANSYS通过输出窗口提供了许多有用的信息, 诸如:模型的整体特性质量计算是非常准确的，质心和惯性矩的计算精度就略低了。单元矩阵系数的范围如果材料特性或实常数的最大值与最小值的比值 1.0E8将会产生错误。模型尺寸和求解的统计生成文件和它们大小的总结jobname.emat 单元矩阵文件 jobname.esav 保存单元的结果文件job

24、name.tri 三对角矩阵文件jobname.rst 结果文件2003年5月应力分析 - 求解求解Demo:恢复 ribmesh.db (2-D 平面应力模型, 厚度 = 1/8 in)在左边上固定 UX 在底边上固定UY在顶边上施加 100 psi 的压力列表线约束和压力保存 ribload.db求解。在求解过程中显示输出窗口。2003年5月应力分析 求解求解前处理几何模型剖分网格求解加载求解后处理检查结果检查求解的有效性2003年5月应力分析 - 后处理F. 结果检查后处理是有限元分析过程中的最后一步。 您应在创建和求解所做假定的基础上解释您的结果。您的设计应依据结果数据,因此仔细的检查

25、结果以及检查求解的有效性都是非常必要的。ANSYS 有两个后处理器:POST1, 后处理器,用来检查整个模型单荷载步的结果。POST26, 时程处理器, 用于观察模型在某一时刻的结果。主要用于瞬态和非线性分析。 (本教程中不做讨论。)2003年5月应力分析 - 后处理结果检查应力的结果检查大体包括如下几方面:变形应力支反力变形能够迅速的判断您施加的荷载位置是否正确。图例列表示最大位移，DMX。也可以用动画显示变形。2003年5月应力分析 - 后处理结果检查画变形图:General Postproc Plot Results Deformed Shape或用 PLDISP 命令。动画:Utili

26、ty Menu PlotCtrls Animate Deformed Shape或用 ANDISP 命令。2003年5月应力分析 - 后处理结果检查应力下面的应力是三维实体模型中可用的应力:一组应力 SX, SY, SZ, SXY, SYZ, SXZ (缺省为总体坐标方向)主应力 S1, S2, S3,SEQV (von Mises应力), SINT (表面应力强度)显示应力的最好方法是等值线绘图，这样可以使你迅速地找到“热点”或有问题的区域。节点结果: 在节点处的应力是平均值, 光滑而连续。单元结果: 不是平均值, 结果不再是连续的。2003年5月应力分析 - 后处理结果检查画应力等值图:G

27、eneral Postproc Plot Results Nodal Solu 或 PLNSOL 命令General Postproc Plot Results Element Solu 或 PLESOL 命令也可以画应力等值线动画图:Utility Menu PlotCtrls Animate Deformed Results. 或 ANCNTR 命令2003年5月应力分析 - 后处理结果检查关于 PowerGraphics的注意事项它是缺省的绘图设置 (/GRAPH,POWER)。只绘出可见的表面其它的是不可视的。 优点:快速重画,图形轮廓分明。模型显示光滑,具有相片的真实感。避免应力穿过材料或实常数边界进行平均。激活 PowerGraphics (