1、支架的线性静力分析实例 刘海宝支架的线性静力分析实力本算例的实体是支架，一段牢固的焊接在大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，材料的弹性模量E=210000MPa，泊松比u=0.3。本算例的支架有以下两种工作情况：1） 杆件的一端受到沿Y轴负方向上的集中力F=2kN，其大小随时间变化。2） 除上述载荷外，支架的自由端还在局部区域上受到匀布的剪力Ps=36MPa。要求确定这两种工况下支架绕度随时间变化的情况，以及内圆角处的最大主应力。根据分析结构来改进设计，以减小应力集中。建模时应注意以下要点：1）此问题研究的是结构的静态响应，所以分析步类型应为Static，General（使用ABA
2、QUS/Standard作为处理器）。2）由于关心的是应力集中部位的应力状态，所以在模型中使用C3D20R单元（20节点六面体二次减缩积分实体单元）。3）基于结构和载荷的对称性，可以只取模型的1/2进行分析。4）由于圆孔处的应力应变不是所关心的重点，可以简化简化杆件和圆孔之间的关系，不精细建模，而只在杆件一端的受力点和圆孔内表面之间建立分布耦和约束。1 创建二维平面图选择part功能模块后，单击，随后会进入草图绘制环境，根据尺寸要求绘制二维平面图，完成的二维平面图如图1-1所示。图1-1 支架的二维平面图1） 创建部件然后再试图区中点击鼠标中键两次来退出绘图环境，在弹出的edit base e
3、xtrusion 对话框中将depth（拉伸长度）设为15，然后点OK。然后点击窗口顶部工具栏中的，不易透视图方式显示部件，看到的三维部件如图1-2所示。图1-2 拉伸后达到的部件2） 倒圆角，切割圆孔点击左侧工作区中的，点击部件中需要倒角的边，在试图区中点击鼠标中键来确认，在窗口底部提示区中的radius后输入5，按回车键来确认，得到的部件如图1-3所示。图1-3 倒圆角后的部件3） 切割圆孔选择左侧工具区中的，点击基准面，并选择相应的边以后进入二维绘图环境。绘制切割轮廓即半圆，定义好尺寸后单击鼠标中键两次后退出绘图环境得到如图1-4所示的模型。图1-4 切割圆孔后的部件2. 创建材料和界面
4、属性1）创建材料 在窗口左上角的module列表中选择property功能模块，点击左侧工具区中的，弹出edit material对话框，mechanical-elasticity-elastic，在数据表中设置youngs modulus 为210000，poissons ratio为0.3，点击ok，如图1-5所示。图1-5 创建材料2）创建界面属性 点击左侧工具区中，点击continue，在弹出的edit section对话框中，保持默认参数不变（material：material-1；plane stress/strain thickness：1）。如图1-6所示。图1-6 创建截面属
5、性3）给部件赋予截面属性 点击左侧工具中的，再点击部件，在试图区中点击鼠标中键，然后点击ok。部件变为绿色，表明已经被赋予了界面属性，如图1-7所示。图1-7 赋予部件截面属性3.定义装配件在module列表中选择assembly功能模块。点击左侧工具区中的，接受默认参数instance type：dependent（mesh on part），即类型为非独立实体，点击ok。4.划分网格1）进入mesh功能模块 在module列表中选择mesh功能模块，在窗口顶部的环境栏中把object选项设为part：bracket，即对部件bracket划分网格，而不是对整个装配件划分网格。如图1-8所示
6、，当前部件显示为橙色，表明无法使用默认的网格划分技术来生成网格，需要把部件划分为几个简单区域再在每个区域上分别生成结构化网格或扫略网格。图1-8 为分割的部件2）分割部件 点击左侧工具区中的，然后点击窗口底部提示区中的point&normal（通过指定分割面上的一点和法线来定义分割面）选择相应线段和中点，在视图区域点击鼠标中键来确定，得到的部件如图1-9所示，圆孔附近区域显示为黄色，表示此区域已经可生成扫略网格。图1-9 第一次分割后的部件3）继续分割部件 点击左侧工具区中的上面按住鼠标左键不放，在展开的按钮栏中点击（partition cell：extrude/sweep edges），然后
7、点继续继续分割的橙色区域，在视图区中点击鼠标中间来确认。点击将要拉伸的线段，再次在试图区域点击鼠标中键来确认。点击窗口底部提示区中的extrue along direction，再点击拉伸方向线段，然后在视图区域点击鼠标中键两次来确认，得到的部件如图1-10所示，这是整个部件显示为黄色，表示所有区域都可以生成扫略网格。图1-10 完成第二次分割后的部件4） 设置全局种子 点击左侧工具区中的，在弹出的global seeds对话框中，在approximate global size后面输入2，点击ok，视图区中显示出全部种子。5） 布置边上的种子 在左侧工具区中的上按住鼠标左键不放，在展开的按钮
8、栏中点击seed edge：by number，然后点击相应圆弧，在视图区中点击鼠标中键来确认。在窗口底部的提示区中输入圆弧上的单元数12，按回车键来确认，如图1-11所示。图1-11 生成种子6） 设置网格参数 点击左侧工具区中的，按住鼠标左键，在视图区中画一个矩形框来选中部件的所有区域，然后在视图区中点击鼠标中键。在弹出的mesh controls对话框中，默认参数为 Element shape（单元形状）：hex（六面体） Techniques（网格划分技术）：sweep（扫略网格划分技术） Algorithm（算法）：medial axis（中性轴算法），选中minimize the
9、mesh transition（最小化网格过渡） 点击ok来确认上述参数。如图1-12所示。图1-12 设置网格参数7） 设置单元类型 点击左侧工具区中的，画一个矩形框来选中部件的所有区域，然后在视图区中点击鼠标中键。在弹出的element type对话框中将geometric order（几何阶次）设为quadratic（二次单元），保持对reduced integration（减缩积分）的选择，即当前单元类型为c3d20r（20节点六面体二次减缩积分单元），点击ok。如图1-13所示。图1-13 设置单元类型8） 划分网格 点击左侧工具区中，然后在视图区中点击鼠标中键，得到如图1-14所示
10、的网格。图1-14 使用medial axis（中性轴算法）生成的网格图1-15 使用advancing front（进阶算法）算法生成的网格可以看出，尽管在所关心的应力集中部位布置了较密的种子，但此处的单元形状太狭长，这会对计算精度有很大影响，若使用advancing front算法，得到的网格（图1-15）优于medial axis算法，但在应力集中区域单元形状仍不规则。更好的方法是通过分割，在应力集中区域生成结构化网格，具体方法如下：9） 在应力集中区域分割面 点击左侧工具区中的，然后点击拐角L型区域，在视图区中点击鼠标中键来确认。这时会弹出一个信息框，提示将删除已有的网格，点击ok即可
11、。点击相应线段后自动进入绘图环境。在应力集中区域绘制九十度扇形区域（扇形外圆弧半径为6），然后在试图区域中连续点击鼠标中键来退出绘图环境得到如图1-16所示部件。图1-16 分割面后的部件10） 在应力集中部位分割部件 点击左侧工具区中的（partition cell：extrude/sweep edges），然后点击扇形分割面所在区域，在视图区中点击鼠标中键来确认。按住shift键，依次点击扇形区域各边，再次在试图区域中点击鼠标中键来确认。点击窗口底部提示区中的extrude along direction，然后点击部件中任意一条沿3轴方向的线段，点击鼠标中键两次来确认。这样通过拉伸扇形区域
12、，完成了在应力集中部位的分割。分割后的扇形区域显示为绿色，表示在此区域可以使用结构化网格划分技术，如图1-17所示。图1-17 完成应力集中部位分割后的部件11） 在应力集中区域布置种子 点击左侧工具区中的，按住shift键，依次选中图1-16中扇形区域的两条圆弧，在视图区中点击鼠标中键，在窗口底部的提示区中设置单元格数为12，点击提示区右侧的constraints按钮，选中do not allow the number of elements to change（种子受完全约束，不允许单元数目改变），点击ok，然后再次在视图区域中点击鼠标中键。 用同样的方法，选中图1-16中扇形区域的水平线
13、和竖直线，设置单元数为3，并点击提示区右侧的constraints按钮，选中do not allow the number of elements to change（种子受完全约束，不允许单元数目改变），布置种子后的部件如图1-18所示。图1-18 在应力集中区域布置受完全约束的种子12） 设置网格划分方式 点击左侧工具区中的，点击与扇形区域相邻的黄色区域，在试图区中点击鼠标中键，弹出mesh control对话框，将algorithm设为advancing front，然后点击ok。如图1-19所示。图1-19 设置网格划分方式13） 划分网格 点击左侧工具区中的，在视图区中点击鼠标中键，
14、得到的网格如图1-20所示，可以看出在应力集中区域生成了形状规则的细画网格，其单元形状优于图1-14和1-15所示的网格。图1-20 分割应力集中区域后，使用advancing front算法生成的网格14） 检验网格质量 在主菜单中选择mesh-verify，画一个矩形框来选中所有单元，在弹出的verify mesh对话框中，将type设为analysis checks，然后点击highlight。在模型中没有单元显示为黄色或红色，说明网格划分没有问题，窗口底部信息区中显示了所选择区域的单元总数，如图1-21所示。图1-21 检验网格质量5.设置分析步下面定义两个分析步，分别用来定义施加在杆
15、件一端的集中载荷和施加在支架自由端上的剪力。1） 创建分析步 在module列表中选择set功能模块，点击左侧工具区中的。在name后输入step-load-1，其余参数保持默认值，点击continue。在弹出的edit step对话框中，点击incrementation标签，设置increment size：initial（初始增量步大小）为0.2，然后点击ok。2） 创建第二个分析步 再次点击左侧工具区中的。在name后输入step-load-2，其余参数保持默认值，点击continue。在弹出的edit step对话框中，保持各参数的默认值不变（初始增量步大小为1），点击ok。3） 设置
16、场变量输出结果 在主菜单中选择output-field output requests-manager，在弹出的field output requests manager对话框中可以看到，abaquus/cae 已经自动创建了一个名为F-output-1的场变量输出控制，它在分析步step-load-1中开始起作用，并自动延续到step-load-2中。点击edit，在弹出的edit field output requests对话框中，点击stresses前面的黑色三角，在下拉选项中取消对VS,stress in the elastic-viscous network和PS，stress in
17、 the elastic-plastic network的选择，然后取消对strain，forces/reactions和contact的选择。这样，分析过程中将指数出两种变量：应力结果S和位移结果U。点击OK，再点击dismiss。6.定义耦合约束 模型中将不对杆件建模，而只是在杆件一端的受力点处定义一个参考点，然后在此点和圆孔内表面之间建立分布耦合约束，从而模拟杆件和圆孔之间的连接关系。1） 定义参考点 在module列表中选择interaction功能模块，在主菜单中选择tools-reference point，在窗口底部的提示区中输入此点的坐标：（30，20，15），然后按回车键确认
18、。试图去中显示出名为RP-1的参考点。2） 为参考点创建集合 在主菜单中选择tools-set-manager，点击create，弹出create set对话框。在name后输入set-point，点击continue，点击参考点，在视图区域中点击鼠标中键来确认。3） 定义受约束的面 在主菜单中选择tools-surface-manager，点击create，弹出create surface对话框。在name后输入surf-hole，点击continue，再点击圆孔的内表面。然后在视图区域点击鼠标中键来确认。4） 定义耦合约束 点击左侧工具区中的，弹出create constraint对话框。
19、在name后输入constraint-hole，选择约束类型为coupling，点击continue。点击窗口底部提示区右侧的sets按钮，在弹出的region selection对话框中雪中set-point作为耦合约束的控制点，点击continue。点击窗口底部提示区中间的surface按钮，在再次弹出的region selection对话框中选中surf-hole来作为被约束面，点击continue。这时弹出如图1-22所示的edit constraint对话框，设置coupling type（耦合类型）为distributing，点击ok。视图区中的模型将如图1-23所示。图1-22
20、设置耦合约束图1-23 定义耦合约束后的模型5） 保存模型 点击窗口顶部工具栏中的来保存所建模型。7. 定义载荷 穿过圆孔的杆件在一端受到沿Y轴负方向上的集中力，力的大小随时间变化，下面首先定义此集中力。1） 定义载荷随时间变化的幅值 在module列表中选择load功能模块，点击主菜单tools-amplitude（幅值）-create，接受默认的幅值名称amp-1和类型tabular（表格），点击continue。在弹出的edit amplitude对话框中，输入如图1-24所示的分析步时间和幅值，然后点击ok。图1-24 定义载荷随时间变化的幅值2） 定义集中力 在主菜单中选择load-
21、manager，在弹出的load manager对话框中点击creat，弹出creat load对话框。在name后输入load point，将step 设为step-load-1，载荷类型为默认值，然后点击continue。在弹出的region selecation对话框中，选中set-point，点击continue。在弹出的edit load对话框中，在CF2后输入-1000，将amplitude设为amp-1，然后点击ok。在load manager对话框中可以看到，名为load-point的载荷在分析步step-load-1中开始起作用，并延续到分析步step-load-2中。下面定
22、义在支架自由端在局部区域上受到的匀布剪力Ps。3）分割支架的端面 剪力只作用在支架端面的局部区域上，因此要首先使用左侧工具区中的来把端面分割成两部分。如果在load功能模块中直接点击左侧工具区中的，会出现错误信息：无法对独立实体进行编辑。这时应首先切换到mesh模块，在窗口顶部的环境中把object选项设为part：bracket，然后在进行以下分割操作：点击左侧工具区中的，然后点击图1-23中的分割端面，在试图区中点击鼠标中键来确认。这时会弹出一个信息窗口，提示将删除已有网格，点击ok即可。点击图1-23中的相应线段，abaqus会自动计入绘图环境，在矩形区域的正中绘制竖直线，然后在视图区域
23、中连续点击鼠标中键来退出绘图环境。点击左侧工具区中的，在视图区中点击鼠标中键，重新划分网格。4） 定义受剪力的面 返回load功能模块，在主菜单中选择tools-surface-create，在弹出的creat surface对话框中，在name后输入surf-load，然后点击continue，点击划分好的小矩形，在视图区中点击鼠标中键来确认。5） 定义载荷面 在load manager对话框中再次点击creat，在name后输入load-surface，设置step为step-load-2，载荷类型为surface-traction，然后点击continue。在弹出的region sele
24、ction对话框中，选中surf-load，点击continue。 在弹出的edit load对话框中，点击vector before projection后面的edit按钮，在窗口底部提示区中可以看到向量的起始点坐标为（0.0,0.0,0.0），按回车键确认，然后再提示区中输入向量的终点坐标（0.0，-10.0,0.0），再次按回车键确认。再重新出现的edit load对话框中，设置magnitude为36，点击ok，得到如图1-25所示部件。图1-25 施加载荷后的部件在load manager对话框中可以看到，名为load-surface的载荷在分析步step-load-2中开始起作用。
25、点击dismiss来退出load manager对话框。8.定义边界条件1）为施加固支边界条件的区域创建集合 在load功能模块中，选择主菜单tools-set-manager，点击creat，在name后输入set-fix，点击continue，按住shift键，依次点击图1-26中的两个区域，在视图区中点击鼠标中键来确认。图1-26 施加固支边界条件的区域2）为施加对称边界条件的区域创建集合 在set manager对话框中再次点击creat，在name后输入set-sym，点击continue。按住shift键，依次点击图1-27所示的各个区域和参考点RP-1，在视图区中点击鼠标中键来确
26、认。在set manager对话框中，点击dismiss。图1-27 施加对称边界条件的区域3）定义固支边界条件 在主菜单中选择BC-manager，在弹出的boundary condition manager对话框中点击creat，弹出creat boundary condition对话框。在name后面输入BC-fix，将step设为initial，其余各参数保持默认值，点击continue。在弹出的region selection对话框中，选中set-fix，点击continue。在弹出的edit boundary condition对话框中，选中ENCASTRE(U1=U2=U3=UR
27、1=UR2=UR3=0),然后点击ok。4）定义对称边界条件 在boundary condition manager对话框中再次点击creat，在name后面输入BC-sym，点击continue。在edit boundary condition对话框中，选中ZSYMM(U3=UR1=UR2=0),然后点击ok。得到的部件如图1-28所示。图1-28 施加边界条件后的部件5）保存模型。9.提交分析作业1）创建分析作业 在moudle列表中选择job功能模块，点击左侧工具区中的，弹出job manager对话框。点击create，在name后输入bracket-c3d20r，点击continue
28、。在弹出的edit job对话框中，点击memory标签页，abaqus的默认使用内存是256M,可以根据自己计算机的内存情况，适当增大此参数值，以加快分析速度。2）提交分析作业 这时已返回job manager对话框，点击submit，然后点击monitor来监控分析作业的运行状态，如图1-29所示。图1-29 分析作业运行状态当job manager对话框中的status变为completed时，表示对模型的分析已经成功完成，点击results，进入visualization功能模块。10.后处理如上所述，在job功能模块完成分析计算后直接进入visualization功能模块进行后处理。
29、1）显示变形图点击左侧工具区中的，显示出变形后的网格模型。如图1-30所示。图1-30 部件的变形图2）显示云纹图点击左侧工具区中的，显示出最后一个分析步结束时的mises应力云纹图如图1-31。图1-31 部件的云纹图3） 逐格显示各个时间增量步点击窗口底部提示区中的或，可以逐格各个时间增量步下的云纹图。点击或可以直接跳至当前分析步的开始或结束时刻。4） 改变场变量点击主菜单results-field output，在field output对话框中选择输出变量为invariant：max.principle，点击ok。视图区中显示出最大主应力的云纹图。如图1-32所示。图1-32 最大主应
30、力云纹图5） 查询节点上分析结果点击窗口顶部工具栏中的，在弹出的query对话框中选择probe values，点击ok。在弹出的probe values对话框中，将probe设为nodes，选择s，max.principle，然后将鼠标移至应力集中处，节点的最大主应力就会在probe values对话框中显示出来。6） 把查询结果写入文件点击需要写入文件的节点，其查询结果就会在probe values对话框的底部显示出来。点击write to file，弹出report probe values对话框，在name后输入希望保存的文件名，然后点击ok，此文件会被保存在默认的工作目录下。7）通过
31、切面视图来观察模型内部的分析结果 在主菜单中选择tools-view cut-manager，在view cut manager对话框中可以看到，abaqus/cae已经建立了三个基于全局坐标系的切面视图：x-plane，y-plane，z-plane，点击其中的某个切面视图前面的小方框，视图区中会相应的显示出切面的效果。拖动view cut manager对话框底部的滚动条，可以看到切面的位置会随之移动，点击此对话框中的creat，可以创建新的切面视图。8）显示矢量图点击主菜单results-field output，在field output对话框中选择输出变量为name：U，点击ok。点
32、击左侧工具区中的，视图区中显示出位移的矢量图，见图1-33。图1-33 显示位移的矢量图9）用X-Y曲线图来显示位移随时间的变化 点击左侧工具区中的来恢复云纹图显示。在主菜单中选择tools-XYdata-manager，点击create，在create XY data对话框中选择ODB field output，然后点击continue。 在XYdata from ODB field output对话框中将默认position：integration point改为position：unique nodal，点击U：spatial displacement旁边的三角形，然后选中magnitude。点击此对话框中的elements/no
