1、ANSYS静力分析 王晓军王晓军 航空科学与工程学院固体力学研究所航空科学与工程学院固体力学研究所 第二章 ANSYS静力分析 主要内容 结构静力分析简介 结构线性静力分析基本步骤 建模、施加载荷并求解、计算结果的后处理与分析、结构线性静力分析实例 结构非线性静力分析实例 静力非线性计算的高级应用 屈曲分析的概念、结构线性屈曲分析一般步骤、线性屈曲分析实例、接触分析实例 思考题 2.1 结构静力分析简介 静力分析计算在固定载荷作用下结构的响应，它不静力分析计算在固定载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响考虑惯性和阻尼影响，如结构受随时间变化载荷作，如结构受随时间变化载荷作用的情况用的情况
2、 静力分析可以计算那些静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷固定不变的惯性载荷对结构对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载）的作用筑规范中所定义的等价静力风载）的作用 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和固定不变的载荷和响应是一种假
3、定，即假定载荷和结构相应随时间的变化非常缓慢。结构相应随时间的变化非常缓慢。2.1 结构静力分析简介 静力分析所施加的载荷类型有 外部施加的作用力和压力外部施加的作用力和压力 稳态的惯性力稳态的惯性力 强迫位移强迫位移 温度载荷温度载荷 能流能流 静力分析既可以是线性的也可以是非线性的 非线性静力分析包括：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触和超弹性等。本节主要讨论线性静力分析，对非线性静力分析只作简单介绍 2.2 结构线性静力分析基本步骤 在线性静力分析中，主要有以下几个关键步骤 建模 施加载荷和边界条件并求解 结果的后处理与分析 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.1 建模 为了建模，
4、用户首先应指定作业名（Jobname）、分析标题（Title）和单位（Unit），然后应用PREP7前处理程序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何参数。在线性静力分析中，单元类型同样可以使用线性或者是非线性的单元类型 GUI:Main MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete Command:ET 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.1 建模 选择的材料特性可以是线性或者是非线性，可以是各向同性或者各向异性材料，并且可以随温度变化或者与温度无关。GUI:Main MenuPreprocessorMaterial Props-Const
5、ant-Isotropic/Orthotropic Command:MP 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.1 建模 另外在选择材料特性时，还需要注意以下几点：材料的基本弹性性能参数必须定义：如杨氏模量EX、泊松比PRXY 如果施加惯性载荷（如重力），必须定义材料的密度DENS 创建几何实体模型并划分网格得到有限元模型 如果施加温度载荷时，必须定义材料的热膨胀系数ALPX 对应力敏感区域应划分较细的有限元网格 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.2 施加载荷并求解 进入ANSYS求解器（Main MenuSolution）定义分析类型并对求解进行控制 分析类型选New Analy
6、sis(GUI:SolutionNew Analysis)，进入求解控制对话框（GUI:SolutionSoln Contros）BasicAnalysis Options:选择Small Displacement Static Soln Option选项指定采用的求解器 实际上，求解控制对话框的绝大多数默认选项对于静力线性分析是合适的，用户只需要作很少的设置。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.2 施加载荷并求解 施加载荷，设定载荷步 静力线性分析的载荷可以是DOF约束、集中载荷、分布力、温度、重力和旋转惯性力 载荷步可以在求解控制对话框中设置，不设置载荷子步 保存数据文件 开始求解计
7、算 退出求解器 Command:Finish GUI:Main MenuFinish 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.3 计算结果的后处理与分析 在结构的静力分析中，其计算结果将被写入结果文件Jobname.RST中，一般结果文件包含了一下数据：基本数据：主要是关于节点的位移信息（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ）导出数据：包括节点和单元应力、节点和单元应变、单元集中力和节点支反力等 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.3 计算结果的后处理与分析 后处理包括两个模块：通用后处理其POST1 检查整个模型在指定时间步（或子步）下的计算结果 时间历程后处理器POST2
8、6 用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。无论使用哪个后处理器，程序的数据库都必须包含求解时相同的计算模型，且计算结果文件Jobname.RST必须可用。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.3 计算结果的后处理与分析 在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下 a.查看结果 从数据文件中读取数据 GUI:Utility MenuFileResume from Command:Resume 读取选定的结果数据 GUI:Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Load Step Command:SET 使用使用SETSET命令可以用载荷步、子步或通过
9、时间来选择数据读命令可以用载荷步、子步或通过时间来选择数据读取，如果数据文件中没有制定时间点上的数据结果，程序会取，如果数据文件中没有制定时间点上的数据结果，程序会通过线性插值计算出该时间点上的结果通过线性插值计算出该时间点上的结果 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.3 计算结果的后处理与分析 在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下 b.显示变形结果 GUI:Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape Command:PLDISP c.列表出力和力矩的信息 列出节点的支反力和反力矩 GUI:Main MenuGeneral
10、PostprocList ResultsReaction Solu Command:PRRSOL 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.3 计算结果的后处理与分析 在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下 列出节点单元的支反力和反力矩 Command:PRESOL,F(or M)列出节点力和反力矩的和 GUI:Main MenuGeneral PostprocList ResultsEelement Solution GUI:Main MenuGeneral PostprocNodal CalcsTotal Force Sum Command:FSUM 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2
11、.2.3 计算结果的后处理与分析 在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下 d.单元的结果处理 GUI:Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table Command:ETABLE 对于线性单元体，例如梁单元、杆单元、管单元等可以通过此对于线性单元体，例如梁单元、杆单元、管单元等可以通过此选项获得结果数据，如应力和应变等。选项获得结果数据，如应力和应变等。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 问题描述 具有圆孔的矩形板在拉伸状态下的应力分布。1.0 m2.0 m的矩形板，厚度为0.03 m，中心圆孔直径为0.
12、25 m，弹性模量为207GPa，泊松比0.3，端部受拉伸载荷600 N。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 a.建立几何模型 1)定义任务标题：Utility MenuFileChange Title，输入“Tensile Loading of a Rectangular Plate with a Hole”，单击OK。Command:/TITLE,Tensile Loading of a Rectangular Plate with a Hole 2)定义单元类型：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/E
13、dit/Delet，出现Element Types列表框。单击Add出现单元类型库对话框，左侧列表中选择Structural Shell，右侧列表中选择Elastic 4node63，单击OK确定。Command:ET,1,SOLID45 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 a.建立几何模型 3)定义材料特性：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Modes。在Define Material Model Behavior窗口中，双击StructuralLinearElastic Isotropi
14、c。在出现的对话框中，EX输入207E9，PRXY输入0.3，单击OK，Material Model Number 1出现在Material Models Defined窗口左侧列表中，选择菜单MaterialExit退出 Command:MPDATA,EX,1,207e9 MPDATA,PRXY,1,0.3 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 a.建立几何模型 4)建立几何模型：Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy Dimensions，出现Create Block by Dime
15、nsions对话框，X1，X2 X-coordinates分别填入-1,1，Y1，Y2 Y-coordinates分别填入-0.5,0.5，Z1，Z2 Z-coordinates分别填入-0.015,0.015，单击OK确定。然后Main Menu PreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions，弹出Create Cylinder by Dimensions对话框，RAD1输入0.1，Z1,Z2,输入-0.1,0.1，THETA1输入0，THETA2输入360，单击OK退出。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力
16、分析实例1 GUI分析步骤 a.建立几何模型 4)建立几何模型：矩形板中心出现一个圆柱体。Main Menu PreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolume，出现Subtract Volumes选择框，先选择矩形板单击OK，点击subtract volume中的apply，然后选择圆柱体选择next，选择的模型颜色会发生变化，被切除部分为红色，单击OK，单击Subtract Volumes 中的OK。最后得到的模型就是中心带有孔的矩形板，如图2.1所示。Command:BLOCK,-1,1,-0.5,0.5,-0.015,0.015 CYLI
17、ND,0.1,-0.1,0.1,0,360,VSBV,1,2 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 a.建立几何模型 图图2.1 2.1 中心带孔的矩形板模型中心带孔的矩形板模型 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 b.模型剖分 5)模型剖分：为了对应力集中区域进行较准确的捕捉，划分有限元网格之前，通常需要对几何模型进行适当的剖分，以利于网格的划分。选择Utility MenuWorkPlaneDisplay Working Plane，然后选择UtilityWorkPlaneOffset WP
18、by Increments，在Offset WP对话框的Degrees框中输入：0,-90,0然后点击OK确定。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 b.模型剖分 5)模型剖分：然后选择Main MenuPreprocessor ModelingOperateBooleansDivideVolu by WrkPlane，选择Pick All，图形窗口中将显示模型被工作平面一分为二。1.工作平面和要分割的面垂直，所以要旋转工作平面（沿Z方向切绕X轴转；沿X轴方向切绕Y轴转；沿Y轴方向切绕Z轴转)2.要移动工作平面和你要切的面的位置相交，并且交线不能
19、是面的边线。类似地，通过移动工作平面的位置，最后将几何模型剖分为如图2.2所示。最后，选择Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleans GlueVolumes，在对话框中选择Pick All，将剖分开的各部分模型粘接在一起。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 b.模型剖分 图图2.2 2.2 几何模型的剖分示意图几何模型的剖分示意图 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 c.网格划分 6)有限元网格划分：选择Main MenuPreprocessorMe
20、shingMesh Tool，出现如图2.3所示的Mesh Tool对话框。选择Size controlLinesset，将圆孔周边的线段和中线小正方型的线段都设定为10段，厚度方向的线段设定为6段，如图2.3所示。然后选择Mesh处下拉菜单为volume，shape设定为sweep，点击sweep，然后点击select all，然后点击OK确定，最后得到模型的有限元网格如图2.4所示。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 c.网格划分 图图2.3 2.3 划分网格的参数设定划分网格的参数设定 图图2.4 2.4 带孔平板的网格划分带孔平板的网格
21、划分 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 d.施加载荷及边界条件 7)载荷与边界条件：选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyDisplacementOn Areas，选择图形窗口最左端的面，约束这些面上所有节点UX方向的自由度。然后选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyPressureOn Ares，选择图形窗口最右端的所有面，输入压力为-2000，点击OK确定。最后得到模型上的边界条件和载荷如图2.5所示。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1
22、GUI分析步骤 d.施加载荷及边界条件 图图2.5 2.5 划分网格的参数设定划分网格的参数设定 2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 e.求解及后处理 8)求解：选择Main MenuSolutionSolveCurrent LS，点击OK开始计算。9)结果分析：选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，在Contour Nodal Solution Data对话框中选择Nodal SolutionStressvon Mises Stress，点击OK，图形窗口将
23、出现如图2.6所示的von Mises应力云图分布。2.2 结构线性静力分析基本步骤 2.2.4 结构线性静力分析实例1 GUI分析步骤 e.求解及后处理 图图2.6 2.6 计算结果显示计算结果显示MisesMises应力云图应力云图 2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 问题描述 如图所示，长度为L=2m的悬臂梁，自由端受集中力F=6000N作用，弹性模量E=200GPa，柏松比=0.25，梁的界面为工字型，并且已知梁的截面形式和具体尺寸如下：b=0.06m，h=0.08m，t1=t2=t3=0.01m，如图2.7所示。图图2.7 2.7 悬臂梁自由端受集中力的作
24、用悬臂梁自由端受集中力的作用 2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 1)建立有限元模型 定义分析标题：FileChange Title，输入“Bending of a I-Shaped Beam”，单击OK。定义单元类型：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delet，出现Element Types列表框。单击Add，出现单元类型库对话框，在左侧列表中选择Structural Beam，右侧列表中选择3D tapered 44，单击OK。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤
25、1)建立有限元模型 定义材料特性：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，定义各向同性线弹性材料，弹性模量EX为200E9，PRXY输入0.25，然后退出材料属性对话框。定义截面形状：Main MenuPreprocessorSectionsbeamCommon Sections，出现Beam Tool对话框，在Sub-Type下拉菜单中选择“工”字型梁截面，输入截面参数：W1=0.06，W2=0.06，W3=0.08，t1=0.01，t2=0.01，t3=0.01，单击OK。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分
26、析实例 求解步骤 1)建立有限元模型 建立模型：Main MenuPreprocessorCreateKeypointsIn Active CS，依次建立坐标为(0,0,0)和(2,0,0)的两个个关键点。执行Main Menu PreprocessorCreateLinesStraight Line，选择1、2关键点，生成一条直线段。划分网格：Main MenuPreprocessorMesh Tool，将线段分为20段，然后在Mesh Tool对话框单击Mesh，选择以上的线段生成有限元单元。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 2)施加载荷进行静力求解
27、与分析 定义分析类型：Main MenuSolutionUnabridged MenuNew Analysis，选择Static，单击OK。施加载荷：Main MenuSolutionLoadsApplyDisplacementOn Nodes，将图形窗口中最左端的节点的所有自由度约束。执行Main MenuSolutionApplyForce/MomentOn Nodes，选择最右端节点，单击OK，在Lab选择FY，VALUE输入-6000，单击OK，在梁的自由端出现集中力标识。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 2)施加载荷进行静力求解与分析 保存数据
28、库文件：Save_DB 求解：Main MenuSolutionSolveCurrent LS，查看求解信息，关闭求解状态窗口，单击OK开始求解，求解完成后单击Close关闭求解信息框。3)查看分析结果 进入POST1，读入结果数据：Main MenuGeneral PostprocRead Results-LastSet。观察结构变形：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape，选择Def+undeformed，单击OK，结构变形前后的形状同时出现在图形窗口，如图2.8所示。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析
29、实例 求解步骤 3)查看分析结果 图图2.8 2.8 梁变形前后的形状改变图梁变形前后的形状改变图 2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 3)查看分析结果 显示梁单元空间形状：PlotCtrlsStyleSize and Shape，出现Size and Shape对话框。激活ESHAPE选项为ON，单击OK，图形窗口出现梁单元的空间三维效果。显示梁单元截面上的应 力：Main MenuGeneral PostprocPlot Resultscontour plot Nodal Solution，在左侧Item列表中选择Stress，在右侧的Comp列表中选
30、择SX，单击OK，梁单元上出现应力分布图，如图2.9所示。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 3)查看分析结果 图图2.9 2.9 梁上沿梁上沿X X方向应力分布图方向应力分布图 2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 3)查看分析结果 列表显示反作用力：Main MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu，在右侧列表中选All Items，单击OK，得到反作用力列表。绘制弯矩图：首先定义单元表：Main MenuGeneral PostprocElement TableDe
31、fine Table，得到Element Table Data列表框。单击Add，在Lab框中输入MI，Items列表框选中By sequence num,Comp列表中选取SMISC，输入2，单击OK。2.2 结构线性静力分析实例 2.2.5 结构线性静力分析实例 求解步骤 3)查看分析结果 按照类似的方法将SMISC，15添加到单元表，并命名为MJ。执行Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsLine Elem Res，LabI选择MI，LabJ选择MJ，单击OK，在图形窗口中得到弯矩图。（6）图形输出：PlotCtrlsHardCopyTo File。课
32、后练习 一个口径为10mm的通用扳手，在它的末端承受100N的水平力和20N竖直向下的力。试确定该扳手在这两个载荷作用下的应力强度值。2.4 静力非线性分析 2.4.1 屈曲分析的概念 屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。ANSYS在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Structural以及ANSYS/Professional中，提供两种结构屈曲载荷和屈曲模态的分析方法：特征值（线性）屈曲 非线性屈曲分析 2.4 静力非线性分析 2.4.1 屈曲分析的概念 特征值（线性）屈曲分析 特征值屈曲分析用于预测一个
33、理想弹性结构的理论屈曲强度。该方法相当于教科书中的弹性屈曲分析方法。例如，一个柱体结构的特征值屈曲分析的结果，将与经典欧拉解相当。但是，当初始缺陷和非线性使得很多实际结构都不是在其理论弹性屈曲强度处发生屈曲。因此，特征值屈曲分析经常得出非常保守结果，通常不能用于实际的工程分析。非线性屈曲分析。非线性屈曲分析比线性屈曲分析更精确，故建议用于对实际结构的设计或计算。该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷，如图所示。应用非线性技术，模型中就可以包括诸如初始缺陷、塑性、间隙、大变形响应等特征。此外，使用偏离控制加载，用户还可以跟踪结构的后屈曲行为。2.4 静力非线性分析 2.4.2 结构线性屈曲分析的一般步骤 1.建立有限元模型 定义工作文件名、标题和单元；定义单元类型、单元实常数、材料性质。2.施加载荷并获得静力解 方法与一般静力分析相同，另外有几点需
