1、§10-2 ANSYS分析實例在上面介紹了ANSYS分析的基本過程以后，本節通過一些簡單的實例來介紹ANSYS的具體應用。除了這里介紹的計算實例，初學者也可在ANSYS程序內通過helpANSYS tutorials調用ANSYS內部實例教程的方法來對ANSYS的使用進行初步的認識。一、 平面應力問題有限元分析1 問題描述如圖10-18所示片狀拉伸式樣，受載條件如圖10-19所示，求拉伸式樣的應力應變情況，設式樣材料為45#鋼。圖10-18 片狀拉伸式樣的幾何尺寸圖10-19 片狀拉伸式樣的載荷條件2 模型建立（1） 模型規劃首先，由于片狀拉伸式樣的應力應變狀態符合平面應力（厚度方向

2、沒有應力）問題的條件，因此仿真分析時可用平面模型來進行簡化。另外由于片狀拉伸式樣在結構及載荷上均存在明顯的對稱特征，因此仿真分析可根據對稱規律進行1/4簡化。（2） 幾何模型幾何模型的建立如圖10-20所示，詳細過程如下。i. 建立關鍵點ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的對話框中分別填入1/4簡化模型各關鍵點坐標值：（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. 連線ANSYS main m

3、enuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line兩點一組依次點擊相臨的關鍵點形成連線。iii. 建立圓角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet選擇要建立圓角位置的兩相臨線，以0.005為圓角半徑建立圓角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口內用鼠標選擇所有的線建立面。圖10-20 片狀拉伸式樣仿真分析幾何模型的建立過程（3） 材料模型ANSYS main

4、 menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic楊氏模量（EX）輸入2.1e11，波松比（PRXY）輸入0.3。（4） 有限元模型i. 選擇單元類型選擇42號二維平面四面形單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。將單元的特性定義為二維平面應力：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeOptionsK3選擇Plane stressO

5、k。ii. 網格劃分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool彈出劃分網格工具條。在Smart Size選項前打將滾動條等級調整為4點擊mesh窗口內選擇平面OK。可得模型網格如圖10-21所示。存盤（SAVE_DB）。圖10-21 片狀拉伸式樣仿真分析模型網格3 加載和求解（1） 施加位移邊界條件本分析中，位移邊界條件僅僅包括兩條對稱線上的對稱位移邊界條件。ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C. On Lines窗口內選擇兩條中心線Ok。（

6、2） 施加載荷邊界條件在平面應力應變分析中，模型厚度為單位厚度，所以在施加集中力或均布力載荷時，載荷大小首先必須換算成單位厚度時的載荷大小。本分析中，式樣端部力的大小為1kN，均勻作用于式樣端部。計算時可按均布力來施加載荷。均布力大小為： （Pa）ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines窗口內選擇端線Ok在VALUE Load PRES Value后面的方框內填入-5e7（press代表壓力，負壓力即為拉力）OK。如果這時用顯示線的方法（下拉菜單PlotLines）來顯示模型，則施加邊界條件以后模型如圖

7、10-22所示。圖10-22 片狀拉伸式樣仿真分析模型載荷及邊界條件（3） 求解ANSYS main menuSolutionSolveCurrent LSOK。4 查看分析結果ANSYS main menuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Mises SEQVOK。45#鋼為塑性材料，其強度應按第四強度理論計算，因此在查看計算結果時一般查看其等效應力（Von Mises應力）的高低。模型等效應力計算結果如圖10-23所示。圖10-23 片狀拉伸式樣仿真分析等效應力計算結果二、 軸對稱問題有限元分析1 問題描

8、述圖10-24所示為某冷軋機壓下油缸結構簡圖及受載條件，試求油缸（不包括活塞）的應力應變情況，設油缸材料為40Cr鋼。2 模型建立（1） 模型規劃首先，由于油缸在結構及載荷條件上均存在軸對稱規律，因此仿真分析時可用軸對稱模型來進行簡化。其次，油缸在工作過程中其應力應變狀態不但和載荷的大小有關，而且還和活塞的位置有關。如果想對油缸的應力應變狀態進行全面的了解，則必須在油缸行程0100mm范圍內變化活塞的位置來分析油缸的應力應變。在本例題中，我們僅取最危險工況來進行計算。顯然，在載荷相同的條件下，活塞的位置越高，油缸的應力應變越大，因此這里取活塞位于最高位時來進行油缸的應力應變計算。為加載方便，幾

9、何建模時可在油缸內壁活塞底部對應位置建立輔助關鍵點。圖10-24 液壓油缸的幾何尺寸及受載條件（2） 幾何模型幾何模型的建立如圖10-25所示，詳細過程如下。i. 建立關鍵點ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的對話框中分別填入軸對稱簡化模型各關鍵點坐標值：（0,0,0）、（0.5,0,0）、（0.5,0.43,0）、（0.36,0.43,0）、輔助關鍵點（0.36,0.25,0）、（0.36,0.145,0）、（0.31,0.145,0）、（0.28,0.15,0）、（0,0.15,0）。圖10-2

10、5 油缸仿真分析幾何模型的建立過程ii. 連線ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line兩點一組依次點擊相臨的關鍵點形成連線。iii. 建立圓角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet選擇要建立圓角位置的兩相臨線，以0.02為圓角半徑建立圓角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口內用鼠標選擇所有的線建立面。v. 建立內凹圓角由

11、于油缸內部根部的過渡圓角為特殊的內凹圓角（內凹量2mm），而圓角區一般為高應力區，其結構上的細微變化均有可能影響模型整體應力水平的高低，因此這里不能簡化，而必須依照原結構詳細建模。先建立輔助圓：ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasCircleSolid Circle在對話框中輸入圓心坐標（0.342,0.163）及半徑(0.02) OK。進行布爾運算建立內凹圓角：ANSYS main menuPreprocessorModelingOperateBooleansSubstructAreas在窗口內用鼠標選擇油缸區域OK在窗口內用鼠標選擇輔

12、助圓OK。（3） 材料模型ANSYS main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic楊氏模量（EX）輸入2.1e11，波松比（PRXY）輸入0.3。（4） 有限元模型i. 選擇單元類型選擇42號二維平面四面形單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。將單元的特性定義為軸對稱：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeOpti

13、onsK3選擇AxisymmetricOk。ii. 網格劃分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool彈出劃分網格工具條。在Smart Size選項前打將滾動條等級調整為1點擊mesh窗口內選擇油缸平面OK。可得模型網格如圖10-26所示。存盤（SAVE_DB）。3 加載和求解（1） 施加位移邊界條件本分析中，位移邊界條件僅僅包括油缸底線上Y方向的位移邊界條件。ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines窗口內選擇油缸底線對話框中選擇UYOk。對于軸對稱模型

14、來說，軸線是不可能發生偏移的，所以軸線不需要另外施加對稱位移邊界條件（Y方向的位移邊界條件除外）。（2） 施加載荷邊界條件油缸內表面所承受的載荷以均布載荷的方式作用于與液體接觸區。壓力的大小可用下式計算：（Pa）ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines窗口內選擇與液體接觸的各區域線段Ok在VALUE Load PRES Value后面的方框內填入3.684e7OK。施加載荷及邊界條件以后模型如圖10-27所示。（3） 求解ANSYS main menuSolutionSolveCurrent LSOK。

15、 圖10-26 油缸仿真分析模型網格 圖10-27 油缸仿真分析模型載荷及邊界條件圖10-28 油缸仿真分析等效應力計算結果4 查看分析結果ANSYS main menuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Mises SEQVOK。模型等效應力計算結果如圖10-28所示。三、 三維問題有限元分析1 問題描述設有如圖10-29所示減速機輸入軸，其中200為齒輪節圓直徑（本分析不涉及齒強度問題，所以在齒輪位置按節圓簡化成圓柱）。其輸入扭矩為kN.m，試求減速機輸入軸的應力應變情況。設減速機輸入軸材料為40Cr鋼。2

16、 模型建立（1） 模型規劃第一，減速機輸入軸雖然在結構上存在軸對稱規律，但是其載荷狀態為彎扭組合載荷，載荷上不再具有對稱性，因此仿真分析時必須用三維立體模型來進行。第二，ANSYS在對不規則空間實體進行網格劃分時，往往只能采用金字塔（四面體）單元，不但會大大增加單元的個數，浪費資源，而且還會造成計算精度的下降，因此，在進行三維問題的仿真分析時，應在條件允許的情況下盡量采用六面體單元來建模。本分析中，由于減速機輸入軸在結構上存在軸對稱規律，可以考慮先建立平面剖分模型，然后將平面剖分模型關于軸線旋轉的方法得到三維模型，即可實現用六面體單元來建模的目的。第三，由于軸類零件一般都需要施加徑向或切向邊界

17、或載荷條件，在柱坐標下操作更加方便，而ANSYS系統的柱坐標軸線與Z軸重合，因此，在進行軸類零件的三維仿真分析時，建模時讓軸線與Z軸重合會比較方便。第四，軸承作用中線處在結構上雖然沒有線，但是為了便于邊界條件的施加，必須建立輔助線。圖10-29 減速機輸入軸的幾何尺寸圖10-30 減速機輸入軸的載荷條件（2） 平面剖分幾何模型的建立平面剖分幾何模型的建立如圖10-31所示，詳細過程如下。i. 建立關鍵點ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的對話框中分別填入軸對稱簡化模型各關鍵點坐標值：（0,0,0）、

18、（0,0,0.05）、輔助關鍵點（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）、輔助關鍵點（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. 連線ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line兩點一組依次點擊相臨的關鍵點形成連線。iii.

19、建立圓角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet選擇要建立圓角位置的兩相臨線，以0.005為圓角半徑建立圓角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口內用鼠標選擇所有的線建立面。圖10-31 減速機輸入軸仿真分析平面剖分幾何模型的建立過程（3） 材料模型ANSYS main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIso

20、tropic楊氏模量（EX）輸入2.1e11，波松比（PRXY）輸入0.3。（4） 平面剖分有限元模型i. 選擇單元類型選擇42號二維平面四面形單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。ii. 網格劃分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool彈出劃分網格工具條。在Smart Size選項前打將滾動條等級調整為4點擊mesh窗口內選擇減速機輸入軸平面OK。可得模型網格如圖10-32所示。圖10-32 減速機輸入軸平面剖分模型網格（5）

21、 三維有限元模型i. 選擇單元類型選擇45號三維六面體單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidBrick 8node 45Ok。ii. 將二維模型旋轉得到三維模型首先進行選擇參數設定：ANSYS main menuPreprocessorModelingOperateExtrudeElem Ext Opts在彈出對話框中選擇并填寫：在Element Type Number欄選擇2 Solid45、在VAL1 No. Elem Divs欄填入6、對ACLEAR欄進行選。然后進行旋轉操作：ANSYS main

22、 menuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis在主窗口內用鼠標選擇平面OK在主窗口內用鼠標選擇軸線的兩個端點OKOK。得到立體模型網格如圖10-33所示，模型共有單元數11321，節點數10656。存盤（SAVE_DB）。圖10-33 減速機輸入軸立體模型網格3 加載和求解（1） 施加位移邊界條件首先，最主要的位移邊界條件是軸承對軸徑處的徑向約束作用。為了施加徑向位移約束，首先必須將被約束節點的坐標系統改成柱坐標，然后再施加徑向位移邊界條件。具體操作過程如下：第一步：選擇軸徑區輔助線，下拉菜單SelectEntities在選擇對話框

23、中選擇Lines和By NUM/PickOK窗口內選擇輔助線Ok。下拉菜單PlotLines。第二步：選擇受約束的節點，下拉菜單SelectEntities在選擇對話框中選擇Nodes、Attached To和Lines AllOK。下拉菜單PlotNodes。第三步：將系統坐標系改為柱坐標，下拉菜單WorPlaneChange Active CS toGlobal Cylindrical。第四步：將前面選出來的節點坐標系改成當前坐標系，ANSYS main menuPreprocessorModelingMove/modifyRotate Node CSTo Active CSPick al

24、l。第五步：在選定節點上施加徑向位移邊界條件，ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick AllUxOK。節點徑向位移約束施加完成以后效果如圖10-34所示。第六步：選擇所有組元，下拉菜單SelectEverything。10-34 在軸承中線位置節點上施加徑向位移邊界條件后的效果其次，為了防止模型沿軸線方向的剛體位移，可以在軸徑處某個節點上施加Z方向的位移邊界條件，ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes在主窗口內用鼠標選擇非傳動端軸徑輔助線上的一個節點OK。另外，考慮到本分析載荷的施加以節點作用力的方式施加于齒輪區外表面比較合理，因此扭矩輸入端可以施加周向約束來限制模型的轉動。而周向約束的施加方法與徑向約束的施加原理一致：先將要約束的節點的坐標系統改成柱坐標，然后再施加周向位移邊界條件。具體操作過程如下：第一步：選擇要約束的節點，下拉菜單SelectEntities在選擇對話框中選擇Nodes、和By NUM/PickOK在主窗口內用鼠標對輸入側端面節點進行框選