1、ANSYS ANSYS 分析實例分析實例方子帆 教授1、ANSYS 概述2、ANSYS 結(jié)構(gòu)靜力學分析。 2.1扳手的受力分析 2.2圓軸扭轉(zhuǎn)分析 2.3疲勞分析 2.4可靠性分析3、ANSYS 結(jié)構(gòu)動力學分析。 3.1梁的模態(tài)分析 3.2有預緊力的模態(tài)分析弦的橫向振動 3.3諧響應分析單自由度系統(tǒng)的受迫振動4、非線性分析 4.1 穩(wěn)定性分析屈曲分析 4.2預應力索結(jié)構(gòu)受力分析 4.3非線性實例綜合沖擊5、ANSYS 優(yōu)化分析 5.1桁架優(yōu)化設(shè)計 5.2梁的拓撲優(yōu)化主要內(nèi)容6、ANSYS 熱力學分析。 6.1瞬態(tài)熱分析水箱 6.2直接加載溫度載荷的熱應力分析雙金屬簧片 6.3熱應力分析(間接法

2、)液體管路 6.4熱應力分析 (直接法)液體管路7、ANSYS 電磁學分析。 7.1正方形電流環(huán)中的磁場分析 7.2二維螺線管制動器靜態(tài)磁場的分析 7.3載流導體的電磁力分析 7.4電路分析 7.4.1諧波電路分析 7.4.2 瞬態(tài)電路分析8、ANSYS 流體分析 8.1二維導流管的層流分析 8.2二維導流管的湍流分析 8.3機翼周圍熱流場分析 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船水利、日用家電等一些工業(yè)及科學研究領(lǐng)域。1.1 ANSYS的發(fā)展歷史 1

3、970年,在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡成立的ANSYS公司，是目前世界CAE行業(yè)中最大的公司，在同行業(yè)中一直處于領(lǐng)先地位。ANSYS最新的版本已經(jīng)發(fā)展到了12.1。 ANSYS軟件的通過了7000道標準考題測試，1995年在設(shè)計分析類軟件中ANSYS第一個通過了ISO9001的質(zhì)量體系認證。 ANSYS公司于1996年在北京開設(shè)了第一個駐華辦事機構(gòu)，目前在上海、成都、廣州也有辦事處 典型集團用戶：鐵路機車車輛工業(yè)總公司。在機車提速研制中，ANSYS起了重要的作用。一、 ANSYS 概述ANSYS軟件功能 ANSYS提供的分析類型包括以下幾種， 1.結(jié)構(gòu)靜力學分析：用于求解外載荷引起的位移、應力和

4、力，包括線性和非線性。 2.結(jié)構(gòu)動力學分析：用于求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或者部件的影響，相對于靜力學分析動力學分析要考慮隨時間變化的力載荷以及阻尼和慣性的影響 3.結(jié)構(gòu)屈曲分析：屈曲分析用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小與在特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)的問題。 4.熱力學分析：ANSYS對熱力學問題可以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析，以及模擬材料的固化和熔解過程的分析。 5.電磁場分析：一維、二維靜態(tài)電磁場的分析，一維、二維隨時間變化的低頻電磁場的分析，三維高頻電磁場的分析。 6.聲場分析：主要用來研究在流體(氣體、液體等)介質(zhì)中聲音的傳播問題，以及在流體介質(zhì)中固態(tài)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應特性。 7.壓電分析：

5、主要用于研究壓電材料結(jié)構(gòu)在隨時間變化的電流或機械載荷作用下的響應特性。適用于諧振器、振蕩器以及其他電子材料的結(jié)構(gòu)動態(tài)分析。 8.流體動力分析：用于分析二維、三維流體動力場的問題?？梢赃M行傳熱或絕熱、層流或湍流、壓縮或不可壓縮等問題的研究。主要用于分析超音速噴管中的流場，使用混合流研究估計熱沖擊的可能性，以及研究解決彎管中流體的三維流動等問題。1.2 ANSYS軟件的組成 ANSYS 軟件主要包括3個部分：前處理?？臁⒎治鲇嬎隳K和后外理模塊。 前處理模塊 它為用戶提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，軟件提供了100多種類型單元,用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。

6、 分析計算模塊 具有多種方程求解器，能進行結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析、高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析的能力。 求解器包括：波前求解器(FRONTAL)、預條件共軛梯度(PCG)求解器、雅可比共軛梯度(JCG)求解器、不完全喬列斯基共軛梯度(ICCG)求解器，以及其它一些特殊的求解器，可以求解各種大型矩陣，求解精度高。后處理模塊 可獲得任何節(jié)點、單元的數(shù)據(jù)。能夠?qū)⒂嬎憬Y(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方

7、式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出、動畫模擬等多種結(jié)果處理方式，除此外還具有時間歷程分析功能，可疊加不同載荷工況以及進行各種數(shù)學計算功能。ANSYS開放性 它允許用戶在系統(tǒng)上進行二次開發(fā)和擴展新的用戶功能。包括在用戶程序中調(diào)用ANSYS系統(tǒng)、開發(fā)新的用戶單元、在ANSYS系統(tǒng)中調(diào)用用戶子程序、建立用戶蠕變準則等等。支持IGES、 STEP等通用圖形標準，可以直接調(diào)入Pro/E、UG、Parasolid、Solidwork、AutoCAD等幾何模型。狀態(tài)欄ANSYS主菜單ANSYS工具欄標準工具欄ANSYS實用菜單ANSYS命令輸入窗口ANSYS圖標按鈕ANSYS界面 ANSY

8、S實用菜單：包括文件操作、選擇、圖形控制以及參數(shù)設(shè)置等命令和選項，在分析過程的任意時刻都可以執(zhí)行這些命令； 從ANSYS主菜單可以進入各種模塊： PREP7(通用前處理模塊); SOLUTION(求解模塊); POST1(通用后處理模塊); POST26(時間歷程后處理模塊)。 用戶的指令可以通過鼠標點擊菜單選取執(zhí)行。主菜單按樹形結(jié)構(gòu)分類組織，可以展開、折疊。ANSYS主菜單 Ansys單位制： Ansys軟件中并沒有為分析指定固定的系統(tǒng)單位，除了磁場外，可以使用任意一種單位制，只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都使用同一單位制的單位即可。 單元選擇的注意事項： 1.應選擇解決問題所要求的自由度最少的單元

9、。選擇具有最少自由度的單元會顯著縮短分析計算時間。 2.選定所使用的單元類型后，組成這些單元的節(jié)點有效自由度也即被確定，相應的載荷、約束、坐標系或材料性質(zhì)也被單元類型所制約，它們?nèi)绻麑卧圆皇怯行ё杂啥龋谟嬎銜r將不會被考慮，可能導計算結(jié)果錯誤。因些在選單元時應避免此類情況的發(fā)生。 除以上所述外，在具體應用中單元的選擇要根據(jù)實際情況綜合考慮。 1.3 ANSYS 工程應用基礎(chǔ) 計算模型分類和選擇原則 1.桿系結(jié)構(gòu)模型全部由桿單元、梁單元組成的計算模型。一些桁架結(jié)構(gòu)都歸屬于這類計算模型，如塔式起重機的塔身、臂架、塔帽、頂升套架，履帶起重機的吊臂等。 2.板架結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)都是由板組成，計算模型

10、主要由板單元組成。如汽車起重機的大梁和轉(zhuǎn)臺，挖掘機的回轉(zhuǎn)平臺，重型汽車的車架和貨廂，轎車的車架等，都是用板焊接而成，計算時原則上應該把每一塊板都取為板單元，最終組合為相應的計算模型。 3.板桿組合結(jié)構(gòu)模型主要由梁單元和板單元混合組成。如推土機的工作裝置，推土刀板大都為薄板組成，計算時應取為板單元，而頂推梁、支撐桿等均為細長結(jié)構(gòu)，可取為梁單元。這樣整個工作裝置就成了梁、板單元的混合板桿組合計算模型。 建立各種結(jié)構(gòu)的計算模型時，應考慮以下幾個問題： 1.考慮結(jié)構(gòu)的特點。如塔式起重機的塔身、臂架是由桿件組成的，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，總是選用桿結(jié)構(gòu)計算模型。而汽車起重機的大梁、轉(zhuǎn)臺主要由鋼板焊接而成，則可選

11、用板架計算模型或板桿組合計算模型。 2.考慮計算精度的要求。在初步設(shè)計階段，計算精度要求較低時，可選取一個較簡單、近似較大的模型。在完成設(shè)計對結(jié)構(gòu)進行驗算校核時，則選取一些與實際結(jié)構(gòu)更為接近、簡化較少的計算模型。如對于載重車的車架設(shè)計，在初步設(shè)計確定截面時，可以把車架簡化為空間框架結(jié)構(gòu)，縱橫梁均取為梁單元。而最后校核時，則可按實際結(jié)構(gòu)全部選用板單元，驗算各連接點的局部強度等。 3.考慮計算機容量、速度限制。當計算機容量較大，速度較快時，可選用較復雜的計算模型。反之只能選用較簡單、近似程度較大的計算模型。 總之，對同一種結(jié)構(gòu)，它的計算模型并不是唯一的，可以有許多不同的計算模型，應綜合考慮各種因素

12、的影響來決定。二、ANSYS 結(jié)構(gòu)靜力學分析 靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的反應，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷的情況，但它可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響(如重力和離心力)，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷(如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風載和地震載荷)。 固定不變的載荷和響應只是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括： 1.外部施加的作用力和壓力； 2.穩(wěn)態(tài)的慣性力； 3.位移載荷； 4.溫度載荷。 絕大多數(shù)的Ansys單元類型可用于結(jié)構(gòu)分析，從簡單的桿單元和梁單元一直到較為復雜的層合殼單元

13、和大應變實體單元。Ansys靜力學分析的步驟如下： 1.建模 這一步對于線性和非線性分析都是必需的，盡管非線性分析在這一步中可能包括特殊的單元或非線性材料性質(zhì)，如模型中包含大應變效應，應力-應變數(shù)據(jù)必須依據(jù)真實應力和真實應變表示。 2.加載和求解 在這一步中定義分析類型和選項，指定載荷步選項，開始有限元求解。 3.考察結(jié)果 靜態(tài)分析的結(jié)果主要由位移、應力、應變，以及反作用力組成?？梢杂肞OST1(通用后處理器)或者POST26(時間歷程后處理器)來考察這些結(jié)果。 2.1 扳手的受力分析 如圖2.1所示，為一內(nèi)六角螺栓扳手，其軸線形狀和尺寸如圖2.2所示，橫截面為一外接圓半徑為10mm的正六邊形

14、，擰緊力為100N，計算扳手擰緊時的應力分布。圖2.1六角螺栓扳手圖2.2 六角螺栓扳手尺寸 分析步驟： 1.改工作名 拾取菜單 Utility Menu File Change Jobname。彈出如圖所示的對話框，在文本框中輸入工作名“banshou”單擊“OK”按鈕。 2.過濾界面 拾取菜單 Main Menu Preferences。彈出如圖2.4所示的對話框，選中“Structural”項，單擊“OK”按鈕。圖2.3 改變工作名稱對話框圖2.4 過濾界面對話框 3.創(chuàng)建單元類型 拾取菜單 Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Del

15、ete。彈出如圖2.5所示的對話框，單擊“Add”按鈕；彈出如圖2.6所示的對話框，在式側(cè)列表中選“Structural Solid”,在右側(cè)列表中選“Quad 4node 42”,單擊“Apply”按鈕；再在右側(cè)選“Brick 8node 45”,單擊“OK”按鈕；單擊“Close”按鈕。圖2.5 單元類型對話框圖2.6 單元類型庫對話框圖2.5 單元類型對話框圖2.6 單元類型庫對話框圖2.5 單元類型對話框 4.定義材料特性 拾取菜單 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models。彈出如圖2.7所示的對話框，在右側(cè)列表中依次雙

16、擊“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”,彈出如圖2.8所示的對話框，在“EX”和“PRXY”文本框中輸入彈性模量2e11和泊松比0.3，單擊“OK”按鈕，單擊“Close”按鈕。 圖2.8 材料特性對話框圖2.7 材料模型對話框圖2.8 材料特性對話框圖2.7 材料模型對話框 5.創(chuàng)建正六邊形面 拾取菜單Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Polygon Hexagon。在“WP X”、“WP Y”和“Radius”文本框中分別輸入0、0和0.01，單擊“OK”按鈕。圖2.9 拾取窗口 6.

17、顯示關(guān)鍵點、線號 拾取菜單Unility Menu PlotCtrls Numbering。在彈出的對話框中，將關(guān)鍵點號和線號打開，單擊“OK”按鈕。 7.創(chuàng)建關(guān)鍵點 拾取菜單Main Menu Preprocessor Create Keypoints In Active CS。彈如圖2.10所示的對話框，在“NPT”文本框中輸入7，在“X,Y,Z”文本框中分別輸入 0,0,0,單擊“Apply”按鈕；在“NPT”文本框中輸入8，在“X,Y,Z”文本框中分別輸入0,0,0.05，單擊“Apply”按鈕；在“NPT”文本框中輸入9，在“X,Y,Z”文本框中分別輸入0,0.1,0.05，單擊“O

18、K”按鈕。圖2.10 創(chuàng)建關(guān)鍵點的對話框 8.創(chuàng)建直線 拾取菜單Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Straight Line。 彈出拾取窗口，分別拾取關(guān)鍵點7和8、8和9，創(chuàng)建兩條直線，單擊“OK”按鈕。 9.創(chuàng)建圓角 拾取菜單拾取菜單Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Line Fillet。彈出拾取窗口，分別拾取直線7、8，單擊 “OK”按鈕，彈出如圖2.11所示的對話框，在“RAD”文本框中輸入0.015，單擊“OK”按鈕。圖2.11 圓角對話框 10.創(chuàng)建直線 拾取菜單Main

19、 Menu Preprocessor Modeling Create Lines Straight Line。 彈出拾取窗口，分別拾取關(guān)鍵點1和4，單擊“OK”按鈕。 11.將六邊形劃分成兩部分 拾取菜單Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide Area by Line。彈出拾取窗口，拾取六邊形面，單擊“OK”按鈕；再次彈出拾取窗口，拾取上一步在關(guān)鍵點1和4間創(chuàng)建的直線，單擊“OK”按鈕。 12.劃分單元 拾取菜單Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool。彈出如圖2.12所示的對話框，單

20、擊“Size Controls”區(qū)域中“Lines”后“Set”按鈕，彈出拾取窗口，拾取直線2,3,4，單擊“OK”按鈕，彈出如圖2.13所示的對話框，在“NDIV”文本框中輸入3，單擊“Apply”按鈕再次彈出拾取窗口，拾取直線7、9、 8.單擊“OK”按鈕，刪除“NDIV”文本框中的3，在“SIZE”文本框中輸入0.01，單擊“OK”按鈕。 圖2.13 單元尺寸對話框圖2.12 劃分單元工具對話框 在“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“Quad”(四邊形)，選擇劃分單元的方法為“Mapped”(映射)。單擊“Mesh”按鈕，彈出拾取窗口，拾取六邊形面的兩部分，單擊“OK”按鈕。 13.顯示直

21、線 拾取菜單Utility Menu Plot Lines。 14.由面沿直線拉伸出體 拾取菜單Manin Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas Along Lines。彈出拾取窗口，拾取六邊形面的兩部分，單擊“OK”按鈕，再次彈出拾取窗口，依次拾取直線7、8、9，單擊“OK”按鈕。 15.清除面單元 拾取菜單Main Menu Preprocessor Meshing Clear Area。彈出拾取窗口，拾取z=0的兩個平面，單擊“OK”按鈕。 面單元模擬著一個平面結(jié)構(gòu)，如果不清除掉的話，分析模型實際是兩個結(jié)構(gòu) 16.顯示單元 搭取

22、菜單Utility Menu Plot Element。如圖2.14所示圖2.14 拉伸后的單元圖 17.施加約束 拾取菜單Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Areas。彈出拾取窗口，拾取z=0的兩個平面，單擊“OK”按鈕，彈出如圖2.15所示的對話框，在列表中選擇“All DOF”，單擊“OK”按鈕。 圖2.15 在面上施加約束對話框 18.施加載荷 拾取菜單Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Keypo

23、ints。彈出拾取窗口，拾取扳手長臂端面的六個頂點，單擊“OK”按鈕，彈出如圖2.16所示的對話框，選擇“Lab”為“FX”，在“VALUE”文本框中輸入100，單擊“OK”按鈕。 圖2.16 在關(guān)鍵點上施加力載荷對話框 19.求解 拾取菜單Main Menu Solution Solve Current LS。單擊“Solve Current Load Step”對話框的“OK”按鈕。出現(xiàn)“Solution is done”提示時，求解結(jié)束，即可查看結(jié)果。 20.查看結(jié)果，顯示變形 拾取菜單Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Sh

24、ape。彈出圖2.17所示的對話框，選中“Def+un -def edge”(變形+未變形的模型邊界)，單擊“OK”按鈕。結(jié)果如圖2.18所示。圖2.17 顯示變形對話框圖2.18 扳手的變形 21.查看結(jié)果，用等高線顯示Von Mises應力 拾取菜單Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu。彈出圖 2.19所示的對話框，在列表中依次選擇“Nodal Solution Stress Von Mises SEQV”，單擊“OK”按鈕。 圖2.19 用等高線顯示節(jié)點結(jié)果對話框 結(jié)果圖如2.20所示，可以看出，V

25、on Mises應力的最大值為0.149X109Pa.即149MPa圖2.20 扳手的Von Mises應力 22.選擇結(jié)果圖形類型，作切片圖 拾取菜單Utility Menu PlotCtrls Style Hidden Line Option。彈出如圖2.21所示的對話框，選擇“/TYPE Type of plot”為“Section”,選擇“/CPLANE”為“Working plane”單擊“OK”按鈕。圖2.21 結(jié)果圖形類型對話框 圖2.22即為工作平面所在位置模型的切片圖。利用步驟21顯示圖形是模型外表面各點的結(jié)果，利用切片圖可以顯示模型內(nèi)部各點的結(jié)果。圖2.22 切片 23.保

26、存結(jié)果：拾取Utility Menu File Save as Jobname.db. /CLEAR !清理目前所有database資料/FILNAME, banshou !定義文件名/PREP7 !進入前處理器ET,1,PLANE42 !定義單元類型ET,2,SOLID45 MP,EX,1,2E11 !定義材料(彈性模量)MP,PRXY,1,0.3 !定義材料(泊松比)RPR4, 6, 0, 0, 0.01 !創(chuàng)建正六邊形K,7,0,0,0 !創(chuàng)建關(guān)鍵點K,8, 0,0,0.05 K,9, 0,0.1,0.05 LSTR,7,8 !創(chuàng)建線LSTR,8,9LFILLT, 7, 8, 0.015

27、 !倒圓角LSTR,1,4 !創(chuàng)建線ASBL, 1, 10 !分割面LESIZE,2,3 !指定單元尺寸LESIZE,3,3LESIZE,4,3命令流LESIZE,7,0.01LESIZE,8,0.01LESIZE,9,0.01MSHAPE,0 !指定單元形狀MSHKEY,1 !指定網(wǎng)格劃分方式AMESH,ALL !劃分網(wǎng)格VDRAG, ALL,7,9,8 !沿線拉伸ACLEAR, 2,3,1 !清除面單元網(wǎng)格FINISH/SOLU !進入求解器DA,2,ALL !設(shè)定面約束DA,3,ALLKSEL,S,24,29,1 !選擇關(guān)鍵點FK,ALL,FX,100 !施加力載荷KSEL,ALL !選

28、擇所有關(guān)鍵點SOLVE !求解SAVE !保存數(shù)據(jù)FINISH/POST1 !進入后處理器/VIEW,1,1,1,1 !調(diào)整視角PLDISP, 2 !顯示變表前后的結(jié)構(gòu)PLNSOL,S,EQV,0,1 !顯示應力分布NWPAVE,159 !設(shè)定工作平面/TYPE,1, SECT !作切片圖/CPLANE,1/REPLOTFINISH2.2 圓軸扭轉(zhuǎn)分析 有一等直徑圓軸如圖2.23所示，其圓截面直徑D=50mm，長度L=120mm，作用在圓軸上的轉(zhuǎn)矩Mn=1.5x103Nm，求其位移和剪應力。 圖2.23 圓軸2.3.1 理論計算： 474410136. 63205. 032mDIpMPaWMn

29、n1 .6110454. 2105 . 153max453310454. 21605. 016mDWnradGILMpn379310375. 110136. 61080045. 0105 . 1圓截面對圓心的極慣性矩為： 圓截面上任意一點的剪應力與該點半徑成正比，在圓截面的邊緣上有最大值： 等直圓軸矩離為0.045m的兩截面間的相對轉(zhuǎn)角： 圓截面的抗扭截面模量為： 分析步驟： 1.改工作名 拾取菜單 Utility Menu File Change Jobname。彈出如圖所示的對話框，在文本框中輸入工作名“zhou”單擊“OK”按鈕。圖2.24 改變工作名稱對話框 2.創(chuàng)建單元類型 拾取菜單

30、 Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete。彈出如圖2.25所示的對話框，單擊“Add”按鈕；彈出如圖2.26所示的對話框，在式側(cè)列表中選“Structural Solid”,在右側(cè)列表中選“Quad 8node 183”,單擊“Apply”按鈕；再在右側(cè)選“Brick 20node 186”,單擊“OK”按鈕；單擊“Close”按鈕。圖2.25 單元類型對話框圖2.26 單元類型庫對話框 3.定義材料特性 拾取菜單 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models。彈出如圖

31、2.27所示的對話框，在右側(cè)列表中依次雙擊“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”,彈出如圖2.28所示的對話框，在“EX”和“PRXY”文本框中輸入彈性模量2.08e11和泊松比0.3，單擊“OK”按鈕，單擊“Close”按鈕。 圖2.28 材料特性對話框圖2.27 材料模型對話框 4.創(chuàng)建矩形面 拾取菜單Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions。在“X1，X2” 文本框中分別輸入0，0.025，在“Y1，Y2” 文本框中分別輸入0，0.012，單擊“

32、OK”按鈕，如圖2.29所示。圖2.29 創(chuàng)建矩形面對話框 5.劃分單元 拾取菜單Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool。彈出如圖2.30所示的對話框，單擊“Size Controls”區(qū)域中“Lines”后“Set”按鈕，彈出拾取窗口，拾取矩形的任意一短邊，單擊“OK”按鈕，彈出如圖2.31所示的對話框，在“NDIV”文本框中輸入5，單擊“Apply”按鈕再次彈出拾取窗口，拾取長邊，在“NDIV”文本框中輸入8，單擊“OK”按鈕。在“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“Quad”(四邊形)，選擇劃分單元的方法為“Mapped”(映射)。單擊“Mesh”按鈕

33、，彈出拾取窗口，拾取面，單擊“OK”按鈕。 圖2.30 劃分單元工具對話框圖2.31 單元尺寸對話框 6. 拉伸選項 拾取菜單Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Elem Ext Opts。彈出圖2.32所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入5，選定ACLEAR為“Yes”(清除矩形面上單元)，單擊“OK”按鈕。圖2.32 單元拉伸選項對話框 7.由面旋轉(zhuǎn)出體 拾取菜單Manin Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas About Axis。彈出拾取窗口，拾取矩形面，單擊“O

34、k”按鈕；再次彈出拾取窗口，拾取矩形面在Y軸上的兩個關(guān)鍵點，單擊“Ok”按鈕；隨后彈出如圖2.33所示的對話框在“ARC”文本框中輸入360，單擊“Ok”按鈕。圖2.33 由面旋轉(zhuǎn)出體對話框 8.顯示單元 拾取菜單Utility Menu Plot Element。 9.改變視點 拾取菜單Utility Menu PlotCtrls Pan Zoom Rotate。在彈出的對話框中，依次單出“ISO”，“Fit”按鈕。 10.旋轉(zhuǎn)工作平面 拾取菜單Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increment。彈出如圖2.34所示的對話框，在“XY,YZ,ZX An

35、gles”文本框中輸入0，-90，單擊“OK”按鈕。 11.創(chuàng)建局部坐標系 拾取菜單Utility Menu WorkPlane圖2.34 平移工作平面對話框 Local Coordinate System Create Local CS At WP Origin。彈出如圖2.35所示的對話框，在“KCN”文本框中輸入11，選擇“KCS”為“Cylindrical 1”，單擊“OK”按鈕。即創(chuàng)建一個代號為11、類型為圓柱坐標系的局部坐標系，并激活之成為當前坐標系。圖2.35 創(chuàng)建部坐標系對話框 12.選擇圓柱面上的所有節(jié)點 拾取菜單Utility Menu Select Entity。彈出如圖

36、2.36所示的對話框，在各下列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入“Nodes”、 “By Location”、 “X coor -dinates” 、 “0.025”、 “From Full”，單擊“Apply”按鈕。 13.旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系到當前坐標系 拾取菜單Utility Menu Preprocessor Modeling Move/Modify Rotate No -de CS To Active CS。彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕。圖2.36 選擇實體對話框 14.施加約束 拾取菜單Main Menu Solution Define Loads Apply Stru

37、ctural Displacement On Nodes。彈出拾取窗口，拾取z=0的兩個平面，單擊“OK”按鈕，彈出如圖2.37所示的對話框，在列表中選擇“UX”，單擊“OK”按鈕。 圖2.37 在節(jié)點上施加約束對話框 15.選中圓柱面最上端的所有節(jié)點 激活如圖2.36所示“選擇實體對話框”，在各下拉列表框、 文本框、單擊按鈕依次選擇或輸入“Nodes”、 “By Location”、 “Z coordinates” 、 “0.12”、 “Reselect”，單擊“Apply”按鈕。 16.施加載荷 拾取菜單Main Menu Solution Define Loads Apply Struc

38、tural Force/Moment On Node。彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕，單擊“OK”按鈕，彈出如圖2.38所示的對話框，選擇“Lab”為“FY”，在“VALUE”文本框中輸入1500，單擊“OK”按鈕。這樣，在結(jié)構(gòu)上一共施加了40個大小為1500N的集中力，它們對圓心力矩的和為1500Nm。如后圖所示 17.選擇所有 拾取菜單Utility Menu Select Everything。施加載荷后的模型圖 18.顯示體 拾取菜單Utility Menu Plot Volumes。 19.施加約束 拾取菜單Main Menu Solution Define Loads

39、Apply Structural Displacement On Areas。彈出拾取窗口，拾取圓柱體下側(cè)底面(由4部分組成)，單擊“OK”按鈕，彈出一個與如圖2.37相似的對話框，在列表中選擇“All DOF”，單擊“OK”按鈕。 圖2.38 在節(jié)點上施加載荷對話框 20.求解 拾取菜單Main Menu Solution Solve Current LS。單擊“Solve Current Load Step”對話框的“OK”按鈕，出現(xiàn)“Solution is done”提示時，求解結(jié)束，即可查看結(jié)果。 20.查看結(jié)果，顯示變形 拾取菜單Main Menu General Postproc

40、Plot Results Deformed Shape。彈出圖2.17所示的對話框，選中“Def+un -deformed”(變形+未變形的模型邊界)，單擊“OK”按鈕。結(jié)果如圖2.39所示。 21.改變結(jié)果坐標系為局部坐標系 拾取菜單Main Menu General Postproc Options for Oupt。彈出如圖2.40所示的對話框，在“RSYS”下拉列表框中選擇“Local system reference no”文本框中輸入11，單擊“OK”按鈕。圖2.39 圓軸的變形圖2.40 輸出選項對話框 22.選擇z=0.045m的所有節(jié)點 在如圖2.36所示的“選擇實體對話框”

41、中，在各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入 “Nodes”、 “By Location”、 “Z coordinates” 、 “0.045”、 “From Full”，單擊“Apply”按鈕；再在各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入“Nodes”、 “By Location”、 “X coordinates” 、 “0”、 “Resele -ct”，然后單擊“Apply”按鈕。 23.列表顯示節(jié)點位移 拾取菜單Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution。彈出如圖3.41所示的對話框，在列表中依次選擇“Nod

42、al Solution DOF Solution Y-Component of displacement”，單擊“Ok”按鈕。列表結(jié)果如下：圖2.41 列表節(jié)點結(jié)果對話框 表明在18號節(jié)點上有最大的切向位移3.4383X10-5m，對應的轉(zhuǎn)角=3.4383X10-5/0.025=1.375X10-3rad，與理論結(jié)果完全一致。 24.選擇單元 在“選擇實體對話框”中，在各下拉列表框、文本框、單選按鈕中依次選擇或輸入 “Nodes”、 “By Location”、 “Z coordin -ates” 、 “0,0.045”、 “From Full”，單擊“Apply”按鈕；再在各下拉列表框、文本

43、框、單選按鈕中依次選擇或輸入“Elements”、 “Attached to”、 “Nodes all” 、 “Reselect”，然后單擊“Apply”按鈕。這樣可以使在下一步顯示應力時，不包含集中力作用點附近的單元，以得到更好的計算結(jié)果。 25.查看結(jié)果，用等高線顯示剪應力 拾取菜單Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Elements Solu。彈出圖 2.19所示的對話框，在列表中依次選擇“Elements Solution Stress YZ shear Stress”，單擊“OK”按鈕。結(jié)果如圖2.42所示，可以看

44、出，剪應力的最大值為61.7MPa，與理認結(jié)果比較相符 圖2.42 剪應力的計算結(jié)果/CLEAR/FILNAME, zhou!定義工作名/PREP7ET,1,PLANE183 !設(shè)定單元類型ET,2,SOLID186MP,EX,1,2.08E11 !定義材料參數(shù)MP,PRXY,1,0.3RECTNG,0,0.025, 0,0.12 !創(chuàng)建幾何模型LESIZE,1,5 !設(shè)定單元尺寸LESIZE,2,8MSHAPE,0 !設(shè)定單元劃分方式MSHKEY,1AMESH,1EXTOPT,ESIZE,5 !設(shè)定拉伸單元類型 EXTOPT,ACLEAR,1VROTAT,1,1,4,360 !旋轉(zhuǎn)拉伸/VI

45、EW,1,1,1,1WPROT,0,-90 !變換工作平面CSWPLA,11,1,1,1 !創(chuàng)建局部坐標系NSEL,S,LOC,X,0.025 !選擇節(jié)點命令流NROTAT,ALL!旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系 FINISH/SOLUD,ALL,UX !施加約束NSEL,R,LOC,Z,0.12F,ALL,FY,1500 !施加載荷ALLSEL,ALLDA,2,ALL !施加約束DA,6,ALLDA,10,ALLDA,14,ALLSOLVE !求解SAVEFINISH/POST1PLDISP,1 !查看變形結(jié)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 !查看應力分布FINISH2.3疲勞分析 一、疲勞分析概述 疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)強度極限的載荷重復作用下出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象。如一根能夠承受300KN拉力的桿，在100KN循不載荷下，經(jīng)歷1000000次循環(huán)后可能出現(xiàn)破壞。 二、疲勞破壞的主要因素： 1.載荷的循環(huán)次數(shù) 2.每一個循環(huán)的應力幅值和平均應力 3.局部應力集中 ANSYS疲勞計算，是基于線性靜力分析，疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計仿真自動執(zhí)行的。盡管疲勞與循環(huán)或重復載荷有關(guān)，但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析的，而不是諧分

47、析。因此當模型中存在非線性時，需要謹慎處理。 三、基本術(shù)語 位置：在模型上存儲疲勞應力的節(jié)點 事件：在特定的應力循環(huán)過程中，不同時刻的一系列應力狀態(tài)。 載荷：事件的一部分，是其中的一個應力狀態(tài) 應力幅：兩個載荷之間應力狀態(tài)之差的一半，軟件不考慮平均應力的影響。 四、ANSYS疲勞計算功能 對現(xiàn)有的應力結(jié)果進行后處理，以確定體單元或殼單元模型的疲勞壽命耗用系數(shù)； 可以在一系列預先選定的位置上，確定一定數(shù)目的事件及組成這些事件的載荷，然后把這些位置上的應力儲存起來； 可以在每一個位置上定義應力集中系數(shù)和給每一個事件定義比例系數(shù)。 五、疲勞分析示例 1.問題描述 如下圖所示 一個中間帶有小圓孔的板(

48、板尺寸200mmX100mm，孔直徑為50mm)，一端固定，一端承受0-62MPa的壓力，試計算指定位置的疲勞壽命使用系數(shù)。已知材料的彈性模量E=2.0X105MPa；泊松比為0.3；材料的S-N特性曲線如后圖所示。材料的S-N特性曲線2.命令流：/filname,pilao/prep7et,1,plane82 ! 設(shè)定單元類型 mp,ex,1,2.0e+11 ! 定義材料彈性模量mp,prxy,1,0.3 ! 定義材料泊松比rectng,0,200,0,100 !生成矩形面cyl4,100,50,25 !生成圓面asba,1,2 !面相減操作smrtsize,3 !指定智能化劃分網(wǎng)格等級am

49、esh,all !劃分網(wǎng)格!施加約束載荷/solunsel,s,loc,x,0 !選擇x=0的所有節(jié)點 d,all,ux !對所選節(jié)點施加UX約束 allseld,node(0,0,0),uy !在（0，0，0）節(jié)點上施加UY約束 sfgrad,pres,0,y,0,0.31 !施加均布載荷nsel,s,loc,x,200sf,all,pres,0Allsel,all !選擇所有實體solve !求解saveFinish/post1plnsol,s,EQV,0,1 !顯示節(jié)點的VON Mises應力值FP,1,100,200,500,1000,1500,2000 !輸入S-N曲線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) !取出節(jié)點號FL,1,N_NUM1 !指定應力位置FSNODE,N_NUM1,1,1, !取出指定應力位置的應力值 FS,N

51、_NUM1,1,2,1,0,0,0,0,0,0, !人工儲存應力FE,1,10000,2,evel !指定循環(huán)應力、循環(huán)次數(shù)FTCALC,1 !進行疲勞壽命使用系數(shù)應力分布3.查看結(jié)果：疲勞計算結(jié)果匯總 可見已使用壽命為10000，允許壽命為14260，累積疲勞系數(shù)為0.70102。2.4 可靠性分析 一、可靠性分析概述 在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，會遇到許多不確定性或隨機因素。傳統(tǒng)的確定性分析中，隨機因素的影響被忽略或通過使用比較保守的假定來考慮，如引入意義不明確的安全系數(shù)，這些不確定因素有時會導致不經(jīng)濟的設(shè)計。 可靠性分析技術(shù)可以用來評估模型中的不確定因素對分析結(jié)果的影響程度。在可靠性分析中，這些不

52、確定因素是通過統(tǒng)計分布函進行描述的。常見的分布函數(shù)包括正態(tài)分布、指數(shù)分布、三角分布、均勻分布等。可靠性分析可以得到結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的概率，甚至可以定量地研究構(gòu)件的安全性，從而可以在保證安全性的基礎(chǔ)上，避免不經(jīng)濟的設(shè)計。 二、可靠性分析示例 1.問題描述 長度為2m的懸臂梁，自由端受正態(tài)分布的集中力F(50,10) (單位為kN)的作用。彈性模量服從正態(tài)分布(3.0X107,1X105) (單位kPa)，泊松比為0.17。懸臂梁截面面積A=0.04m2，截面慣性矩I=0.003m4，高H=0.2m。試對其進行可靠性分析。2.命令流：*CREATE, pds3bar !生成宏pds3bar作為可靠性性

53、分析文件*SET,F,50 !初始化設(shè)計變量*SET,E,3.0e7/Prep7et,1,3 !定義單元r,1,0.04,0.0003,0.2 !定義實常數(shù)mp,prxy,1,0.17k,1,0,0,0 !建立模型k,2,2,0,0l,1,2esize,10mp,ex,1,e !定義材料 建立有限元模型lmesh,1/solu !進入求解器ANTYPE,0 !定義分析類型d,1,all !施加約束和載荷f,2,fy,-fsolve !求解/POST1 !進入后處理器etable,SMIN_I,NMISC,2 !定義單元應力數(shù)據(jù)表etable,SMIN_J,NMISC,4ESORT,ETAB,S

54、MIN_I,0,1, ,*GET,SMINI,ELEM,1,ETAB,SMIN_I !提取單元應力ESORT,ETAB,SMIN_J,0,1, , *GET,SMINJ,ELEM,1,ETAB,SMIN_J *SET,SMIN,ABS(SMINI)-ABS(SMINJ) !定義應力極值finish*end *use, pds3bar !執(zhí)行宏操作/PDS !進入可靠性分析模塊pdanl, pds3bar !指定分析文件PDVAR,E,GAUS,3.0e7,100000,0,0 !定義輸入變量PDVAR,F,GAUS,50,10,0,0 PDVAR,SMIN,RESP !定義輸出變量PDMETH

55、,MCS,LHS !指定分析方法PDLHS,30,1,RAND, ,ALL , , , ,CONT !設(shè)定分析循環(huán)次數(shù)PDEXE, mcs3bar !執(zhí)行分析PDPROB,MCS3BAR,E,LT,30000000, ,0.95, !列表顯示E小于30MPa的概率應力極值小于30MPa的概率3.查看結(jié)果：三、結(jié)構(gòu)動力學分析 動力學分析原理： 實際機械結(jié)構(gòu)中常作用有動載荷，它與靜載荷的區(qū)別在于動載荷是與時間有關(guān)的載荷，如車輛起動、制動、慣性力的作用。動載荷作用下，結(jié)構(gòu)上相應的位移、應力和應變不隨空間位置變化，而且隨時間變化。動力學要解決的問題主要有兩點： 1.尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，從而了解

56、結(jié)構(gòu)的振動特性，以便更好地利用或減小振動。 2.分析結(jié)構(gòu)的動力響應特性，以計算結(jié)構(gòu)振動時的動力響應和動位移的大小及其變化規(guī)律。 與靜力學分析相似，進行動力學有限元分析時，首先將連續(xù)的彈性離散成有限多個單元后，然后進行單元分析，建立節(jié)點位移與節(jié)點速度、加速度和節(jié)點力之間的關(guān)系，最后，利用各節(jié)點處的變形協(xié)調(diào)條件和動力學達朗貝爾原理，建立整體剛度方程并進行求解。 模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)的振動特性，即確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它也是諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析以及譜分析等其他動力學分析的基礎(chǔ)。 ANSYS提供的模態(tài)提取方法有：子空間法(subspace)、分塊法(block lanczos)、縮減法(re

57、duced/householder)、動態(tài)提取法(power dynamics)、非對稱法(unsymmetric)、阻尼法(damped)、QR阻尼法(QR damped)等，大多數(shù)分析都可便用子空間法、分塊法、縮減法。 ANSYS的模態(tài)分析是線形分析，任何非線性特性，例如塑性、接觸單元等，即使被定義了也將被忽略。 模態(tài)分析的步驟： 模態(tài)分析包括建模、施加載荷和求解、擴展模態(tài)和查看結(jié)果等幾個步驟。 模態(tài)分析： 1.建模 模態(tài)分析的建模過程與其他分析相似，包括定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定義材料特性(必須定義材料的彈性模量和密度)、建立幾何模型和劃分網(wǎng)格。 2.施加載荷和求解 包括指定分析類

58、型、指定分析選項、施加約束、設(shè)置載荷選項，并進行固有頻率的求解等。 指定分析類型：Main Menu Solution Analysis Type New Analysis，選擇Modal。 指定分析選項：Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options，選擇MODOPT(模態(tài)提取方法)，設(shè)置模態(tài)提取數(shù)量MXPAND。 施加約束：Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement。 求解：Main Menu Solution Solve Current LS。 3.擴展模態(tài)

59、 如果要在POST1中觀察結(jié)果，必須先擴展模態(tài)，即將振型寫入到結(jié)果文件。過程包括重新進入求解器、激活擴展處理及其選項、指定載荷步選項、擴展處理等。 擴展處理及其選項：Main Menu Solution Load Step Opts Expansionpass Single Expand Expand modes。 擴展處理：Main Menu Solution Solve Current LS。 4.查看結(jié)果 模態(tài)分析的結(jié)果包括結(jié)構(gòu)的頻率、振型、相對應力和力等。3.1 勻直桿的模態(tài)分析 3.1.1問題描述：如圖3.1所示為一根長度為L的等截面直桿，一端固定，一端自由。已知桿材料的彈性模量為E

60、=2X1011N/m2，密度=7800kg/m3，桿長L=0.1m，寬、高均為0.01m。要求計算直桿縱向振動的固有頻率。sradELii/2) 12(圖3.1 均勻直桿的固有頻率分析 根據(jù)振動學理論，假設(shè)桿均勻伸縮，圖3.1所示桿的縱向振動第i階固有頻率為：(i=1,2,3) 將角頻率i轉(zhuǎn)化為頻率為fi，并將已知參數(shù)代入，可得：HziiEfii) 12(1265978001021 . 0412211按上式可計算出桿的前5階頻率，列表如下：階 次12345頻率(Hz)12659379786329688615113933表3.1 均勻直桿的固有頻率 3.1.2 分析步驟1. 改變工作名 拾取菜單