1、第4章 加载求解及后处理技术第4章 加载求解及后处理技术 4.1 荷载及其施加4.1.1荷载 在ANSYS中荷载包括边界条件和作用力，对结构分析如下：位移、力、压力、温度、重力，一般可将荷载分为六类，如表4-1所示。名称说明结构分析中示例自由度约束（DOF constraint）定义模型的自由度值固定约束、支座沉降等集中荷载（Force）施加在模型上的集中荷载力、力矩等表面荷载（Surface load）施加在模型面上的分布力压力、线荷载体荷载（Body load）施加体积荷载或场荷载温度惯性荷载（Inertia loads）施加物理惯性引起的荷载重力加速度、角速度角加速度等耦合场荷载Coup
2、led-field loads从一种分析得到的结果，作为另一种分析的荷载热分析的温度等荷载即可施加在几何模型（关键点、硬点、线、面、体）上，也可施加在有限元模型（节点、单元）上，或者二者混合使用。施加在几何模型上的荷载独立于有限元网格，不必为修改网格而重新加载；施加在有限元模型上且要修改网格，则必须先删除荷载再修改网格，然后重新施加荷载。不管施加到何种模型上，在求解时荷载全部转换（自动或人工）到有限元模型上。4.1.2 施加自由度约束在结构分析中自由度共有7个，自由度的方向均依从节点坐标系。约束可施加在节点、关键点、线和面上。位置命令功能备注节点D对节点施加自由度约束在当前节点坐标系施加DLI
3、ST节点自由度约束列表查看节点自由度约束的详细信息DDELE删除节点自由度约束DSYM对节点施加对称自由度约束施加对称和反对称约束DSCALE比例缩放节点自由度约束的值仅适用于有限元模型施加的约束DCUM累加节点自由度约束可替代、累加和忽略3种方式关键点DK对关键点施加自由度约束关键点或关键点之间的节点DKLIST关键点自由度约束列表DKDELE删除关键点自由度约束线DL对线施加自由度约束线上所有节点，可SYMMDLLIST线自由度约束列表DLDELE删除线自由度约束面DA对面施加自由度约束面上所有节点，可SYMMDALIST面约束自由度列表DADELE删除面自由度约束转换DTRAN传到有限元
4、模型上仅仅转换自由度约束SBCTRAN将所有边界条件传递转换自由度约束和荷载1. 节点自由度约束及相关命令 对节点施加自由度约束命令：D,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6NODE-拟施加约束的节点号，其值可取ALL、组件名。Lab-自由度标识符，如UX、ROTZ等。如为ALL，则为所有适宜的自由度。VALUE-自由度约束位移值或表式边界条件的表格名称。VALUE2-约束位移值的第二个数，如为复数输入时，VALUE为实部，而VALUE2为虚部。NEND,NINC-节点编号范围和编号增量，缺省时NEND=NODE，NI
5、NC=1。Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6-其它自由度标识符，VALUE对这些自由度也有效。各自由度的方向用节点坐标系确定，转角约束位移用弧度输入例如：D,ALL,ALL !对所选节点的全部自由度施加约束D,18,UX,UY,UZ !对节点18的3个平动自由度全部施加约束D,20,UX,1.0e-4 !对节点20的UX施加约束，且约束位移值为1.0e-4D,22,UX,0.1,25,UY,ROTY!对节点2225的UX,UY,ROTY施加约束，且位移值均为0.1 在节点上施加对称和反对称约束命令：DSYM,Lab,Normal,KCNLab-对称标识，如为SYMM则生成对称约束
6、，如为ASYM则生成反对称约束。Normal-约束的表面方向标识，一般垂直于参数KCN坐标系中的坐标方向。其值有：=X（缺省）：表面垂直于X方向，非直角坐标系为R方向；=Y：表面垂直于Y方向，非直角坐标系为方向；=Z：表面垂直于Z方向，球和环坐标系为方向；KCN-用于定义表面方向的整体或局部坐标系的参考号。Normal参数对称边界条件反对称边界条件2D3D2D3DXUX,ROTZUX,ROTZ,ROTYUYUY,UZ,ROTXYUX,ROTZUY,ROTZ,ROTXUXUX,UZ,ROTYZ-UZ,ROTX,ROTY-UX,UY,ROTZ2. 关键点自由度约束及相关命令 对关键点施加自由度约束
7、命令：DK,KPOI,Lab,VALUE,VALUE2,KEXPND,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6KPOI-关键点编号，也可取ALL或元件名。KEXPND-扩展控制参数。如为0则仅施加约束到关键点上的节点；如为1则扩展到关键点之间（两关键点所连线）的所有节点上，且包括关键点上的节点，当然约束位移值相同。其余参数同D命令中的参数。（2） 列表和删除关键点自由度约束的命令分别为：列表：DKLIST,KPOI删除：DKDELE,KPOI,Lab例如：DK,ALL,ALL !约束所选择全部关键点的全部自由度DK,1,UY !对关键点1施加UY自由度约束DK,2,UX,0.01,UY
8、,ROTZ !对关键点2的UX,UY,ROTZ施加约束，且位移值均为0.013. 对线施加自由度约束 对线施加自由度约束命令：DL,LINE,AREA,Lab,Value1,Value2LINE-线编号，也可为ALL（缺省）或元件名。AREA-包含该线的面编号，并假定对称与反对称面垂直于该面，且线位于对称或反对称面内，缺省为包含该线的所选择面中的最小编号。如不是对称或反对称约束，则此面号无意义。Lab-自由度标识符，其值可取：=SYMM：对称约束，按DSYM命令的方式生成；=ASYM：反对称约束，按DSYM命令的方式生成；=UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ,WRAP：各自由度约束
9、；=ALL：所有适宜的自由度约束（与单元相关）。Value1-自由度约束位移值或表格边界条件的表格名称。表格边界条件仅对UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ有效，且Value1=%tabname%。Value2-仅对FLOTRAN分析时有用，对结构分析无意义。该命令对线上的所有节点施加自由度约束。（2）而列表和删除线上自由度约束的命令分别为：列表：DLLIST,LINE删除：DLDELE,LINE,Lab!EX4.2 对线施加约束并转换 finish$/clear$/prep7 et,1,95$blc4,10,10,10 !定义单元类型、创建长方体 dl,7,ux,0.1 !线7施加
10、UX 自由度约束，位移值为0.1 dl,5,all !线5施加全部自由度约束 dl,11,6,symm !线11施加对称约束，面号为6 dl,10,6,asym !线10施加反对称约束，面号为6 dl,6,symm !线6施加对称约束，面号缺省 DLLIST !列表显式线约束信息 esize,2$vmesh,all !划分单元 dtran$DLIST !转换约束到有限元模型，并列表显示4. 对面施加自由度约束命令：DA,AREA,Lab,Value1,Value2其中AREA为拟施加约束的面号，也可为ALL或元件名，其余同DL命令中的参数。该命令对面上的所有节点施加自由度约束。列表和删除面上自
11、由度约束的命令分别为：列表：DALIST,AREA删除：DADELE,AREA,Lab5. 约束转换命令仅转换约束自由度命令：DTRAN边界条件和荷载转换命令：SBCTRAN这两命令将几何模型施加的约束和荷载转换到有限元模型上。也可不执行这两个命令而在求解时由系统自动转换。6. 自由度约束的冲突对于DK、DL和DA命令施加的自由度约束参数可能会发生冲突，例如：DL指定会与相邻线（有公共关键点）上的DL指定冲突；DL指定会与任一关键点上的DK指定冲突；DA指定会与相邻面（有公共关键点和公共线）上的DA指定冲突；DA指定会与任一线上的DL指定冲突；DA指定会与任一关键点上的DK指定冲突。按下列顺序
12、将施加到几何模型上的自由度约束转换到有限元模型上：按面号增加的顺序，将DA的自由度约束转换到面上的所有节点；按面号增加的顺序，将DA约束的SYMM和ASYM转换到面上的所有节点；按线号增加的顺序，将DL自由度约束转换到线上的所有节点；按线号增加的顺序，将DL的SYMM和ASYM约束转换到线上的所有节点；将DK自由度约束转换到关键点上的所有节点。所以，对冲突的约束，DK命令改写DL命令，DL命令改写DA命令，施加在较大编号图素上的约束改写较低编号上的约束。这种冲突的处理与命令执行的前后顺序没有关系，但当发生冲突时，系统会发出警告信息。4.1.3 施加集中荷载结构分析中的集中荷载及其标识符为力FX
13、,FY,FZ及力矩MX,MY,MZ。位置命令功能备注节点F对节点施加集中荷载在当前节点坐标系施加FLIST节点集中荷载列表查看节点集中荷载的详细信息FDELE删除节点集中荷载FSCALE比例缩放节点集中荷载仅适用于有限元模型FCUM累加节点集中荷载可替代、累加和忽略3种方式关键点FK对关键点施加集中荷载FKLIST关键点集中荷载列表FKDELE删除关键点集中荷载转换FTRAN将几何模型上的集中荷载传到有限元模型上仅仅转换集中荷载SBCTRAN将几何模型上的所有边界条件传到有限元模型转换自由度约束和荷载1. 施加节点集中荷载命令：F,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC
14、NODE-节点编号，也可为ALL或元件名。Lab-集中荷载标识符，如FX,FY,FZ,MX,MY,MZ其中任一。VALUE-集中荷载值或表式边界条件的表格名称。VALUE2-集中荷载值的第二个数，如为复数输入时，VALUE为实部，而VALUE2为虚部。NEND,NINC-节点编号范围和编号增量。节点集中荷载列表：FLIST删除节点集中荷载：FDELE2. 施加关键点集中荷载命令：FK,KPOI,Lab,VALUE,VALUE2其中KPOI为关键点号，也可取ALL或元件名。其余参数同F命令。FKLIST命令和FKDELE命令。转换命令FTRAN仅将集中荷载转换到有限元模型的节点上。不管在何种模型
15、上施加集中荷载，都与节点坐标系相关。如果尚没有生成有限元模型，因无节点存在，对节点坐标系操作无效，所施加的荷载仅与总体坐标系相关。如果几何模型和有限元模型同时存在，则节点坐标系的设置就有效。不管是在何时何模型上施加的荷载，如果节点坐标系重新设置了，则荷载也跟着一并改变。所以在改变节点坐标系时应慎重，以避免出现错误。finish$/clear$/prep7 et,1,beam4 !定义单元类型 k,1$k,2,5$k,3,10 !创建3个关键点 l,1,2$l,2,3 !创建2条线 local,12,0,90 !设置12号局部坐标系，其X12轴与总体直角坐标系的Y轴相同， !而其Y12轴与总体坐
16、标系的X轴平行，但方向相反。 nrotat,all !此时对节点坐标系的操作无效 dk,1,all !关键点1自由度全部约束 fk,2,fy,-1000 !在当前节点坐标系（与总体坐标系相同）于关键点2施加FY=-1000 !其力的作用方向与总体直角坐标系的Y轴平行。 esize,1$lmesh,all !划分网格，生成有限元模型 nrotat,all !设置所有节点的节点坐标系与当前激活坐标系相同（12号坐标系） LPLOT !关键点2上的FY=-1000方向与Y12轴平行，而与总体坐 !标系的X轴平行了（节点坐标系改变了，荷载跟着改变） fk,3,fy,1000 !在关键点3施加FY=10
17、00，方向与Y12轴平行 f,6,fx,-1000 !在节点6施加FX=-1000，其方向与X12轴平行 sbctran !转换所有边界条件到有限元模型 EPLOT !显示单元与边界条件4.1.4 施加面荷载结构分析中的面荷载为压力，其标识符为PRES。虽然线分布荷载和面分布荷载都称为压力，但对不同的单元类型，其荷载单位不尽不同。对于2D面单元，无论面荷载施加在单元边或边界线（LINE），其荷载单位都是“力/面积”。对于SHELL单元，施加中面法向的面荷载单位为“力/面积”，而单元边或单元边界线上的面荷载单位为“力/长度”。对于梁单元，其分布荷载单位为“力/长度”，单元端部荷载单位为“力”。对
18、于3D实体单元，其面荷载的单位为“力/面积”。位置命令功能备注节点SF对节点群施加面荷载由节点群确定面SFSCALE比例缩放节点群面荷载仅适用于有限元模型SFCUM累加节点群面荷载可替代、累加和忽略3种方式SFFUN定义节点号与面荷载的函数关系也可用于单元加载命令SFGRAD定义面荷载的梯度也用于单元、线、面加载命令SFLIST节点群面荷载列表SFDELE删除节点群面荷载单元SFE在单元上施加面荷载单元的任一面，各节点可不等SFBEAM在梁单元施加面荷载分布荷载、跨间集中荷载等SFELIST单元面荷载列表SFEDELE删除单元面荷载线SFL在线上施加面荷载2D面单元、壳单元SFLLIST线上面
19、荷载列表SFLDELE删除线上面荷载面SFA在面上施加面法向的面荷载3D体单元、壳单元SFALIST面上面荷载列表SFADELE删除面上面荷载转换SFTRAN将面荷载传到有限元模型上仅仅转换面荷载SBCTRAN将所有边界条件传到有限元模型1. 施加节点面荷载 对节点群施加面荷载命令：SF,Nlist,Lab,VALUE,VALUE2Nlist-节点群，可取ALL或元件名。Lab-面荷载标识符，结构分析为PRES。VALUE-面荷载值或表格型面荷载的表格名称。VALUE2-复数输入时面荷载值的第二个值。对于单个节点不能使用该命令。对于3D体单元面，由Nlist节点群能够确定多少个单元面就施加多少
20、单元面（与几何面无关），与单元是否被单独选择无关。利用该命令可以解决大面上局部加载的问题。对于2D面单元，当在单元外部边界（不是单元边）上加载时，可仅选择外部边界上的节点群即可加载；当节点群不在单元外部边界时，尚须单独选择包含这些节点的单元，否则不予施加。面荷载的方向与单元面平行，且指向单元面边界。该特点对于单元周边施加相同面荷载时比较简单，当然也可施加单元任一边的面荷载，但稍稍麻烦些。!EX4.4A 3D单元SF加载示例 finish$/clear$/prep7 et,1,95$blc4,10,10,20 !定义单元类型，创建长方体 esize,4$vmesh,all !定义单元网格数目，划
21、分单元网格 asel,s,loc,y,10 !选择Y=10的几何面 nsla,s !选择与面相关的节点，但不包含面边界节点 sf,all,pres,1000 !施加节点群压力荷载（力/面积），仅4个单元面 asel,s,loc,z,20 !选择Z=20的面 nsla,s,1 !选择与面相关的所有节点 sf,all,pres,1000 !施加节点群压力荷载（力/面积），所有单元面! EX4.4B 2D单元SF加载示例FINISH$/CLEAR$/PREP7!定义单元，创建带孔面ET,1,82$BLC4,100,200blc4,30,60,40,80$asba,1,2wprota,-90$wpof
22、f,60$asbw,all!切分面，以便划分网格wpoff,80$asbw,all$wprota,90wpoff,30$asbw,all$wpoff,40asbw,allwpcsys,-1$ESIZE,5$AMESH,ALL/psf,PRES,NORM,2SF,ALL,PRES,100 !对所有单元施加面荷载，即外部边界加载sfdele,all,pres !删除上述面荷载nsel,s,loc,x,0 !选择X=0的节点群sf,all,pres,100 !对上述节点群施加面荷载nsel,s,loc,x,15,20 !选择X=1520的节点esln,s,1 !选择上述节点能够确定的全部单元nsel
23、,r,loc,x,15 !从中选择X=15的节点群sf,all,pres,110 !对上述节点群施加面荷载（内部单元的一边上）nsel,s,loc,x,40,60 !选择X=4060的节点 nsel,r,loc,y,10,30 !从中选择Y=1030的节点 esln,s,1 !选择上述节点能够确定的全部单元 sf,all,pres,100 !对上述节点群施加面荷载（内部单元的周边上） lsel,s,loc,x,100 !选择X=100的线 nsll,s,1$esln,s !选择与线相关的全部节点，再选择与节点相关的全部单元 nsel,s,loc,x,95 !重新选择节点群（在上述单元范围内）
24、sf,all,pres,-100 !对上述节点群施加面荷载（内部单元的一边上） allsel$eplot 定义节点号与面荷载的函数关系命令：SFFUN,Lab,Par,Par2Lab-面荷载标识符，结构分析为PRES。Par-储存面荷载值的参数名（数组参数）。Par2-用于复数输入时的第二个值。该命令定义节点号与面荷载的函数关系，数组中值的位置（数组下标）表示节点号，数组值表示面荷载的大小。该命令对于施加由其它软件计算出的节点面荷载时比较有用，但对于ANSYS自动生成的有限元模型，其节点编号由系统自动确定，显然要直接应用这种函数关系并不容易。该命令所定义的函数关系，可用于SF和SFE命令。!E
25、X4.5 节点号及其荷载函数 finish$/clear$/prep7 et,1,45$blc4,10,10,20 !定义单元类型，创建长方体 esize,5$vmesh,all !定义单元尺寸，划分网格 *dim,mypres,100 !定义数组mppres *do,i,1,100$mypres(i)=i*10.0$*enddo !为数组赋值 sffun,pres,mypres(1) !定义节点号与面荷载函数关系 nsel,s,loc,y,10$sf,all,pres,10 !选择节点群，施加面荷载 SFLIST !该面荷载的节点上的值为10+i*10 *DO,I,1,100$MYPRES(
26、I)=I*50.0$*ENDDO !为数组重新赋值，定义另组关系 NSEL,S,LOC,z,20$SF,ALL,PRES,0 !选择节点群，并施加面荷载 ALLSEL$SFLIST !列表显示所有面荷载的值 定义面荷载梯度命令：SFGRAD,Lab,SLKCN,Sldir,SLZER,SLOPELab-面荷载标识符，结构分析为PRES。SLKCN-斜率坐标系的参考号，缺省为0（总体直角坐标系）。Sldir-在SLKCN坐标系中梯度（或斜率）的方向，其值可取：=X（缺省）：沿X方向的斜率，对非直角坐标系为R方向；=Y：沿Y方向的斜率，对非直角坐标系为方向；=Z：沿Z方向的斜率，对球或环坐标系为方
27、向；SLZER-斜率基值为0的坐标位置。如为角度则单位为度，如果奇点在180则SLZER在180之间，如果奇点在0，则SLZER在0360之间。SLOPE-斜率值，即单位长度或单位角度的荷载值，沿Sldir正方向递增为正，递减为负。该命令所定义的梯度（斜率）可为随后的SF、SFE、SFL和SFA命令使用，每个节点处的荷载按下式计算：CVALUE=VALUE+(SLOPE(COORD-SLZER)其中VALUE是命令SF、SFE、SFL和SFA中的参数值，COORD为节点坐标。定义的梯度仅在当前被激活，后面定义的梯度将替代前面的。一旦设定了荷载梯度，则对随后的荷载施加命令都有效。取消荷载梯度，无
28、参数的SFGRAD命令命令SFGRAD,STAT可显示当前的状态。该命令不能对PIPE系列单元施加梯度荷载，且该命令不能采用表格型边界条件。其余命令如SFSCALE、SFCUM、SFLIST和SFDELE等使用方法与前面同类命令类似。但SFSUM仅对节点群荷载有效（SF命令施加的荷载），对于SFE、SFL及SFA无效。2. 施加单元荷载 在单元上施加面荷载命令：SFE,ELEM,LKEY,Lab,KVAL,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4ELEM-拟施加面荷载的单元号，也可为ALL或元件名。LKEY-与面荷载相关的荷载控制参数，缺省为1，在每个单元的帮助中有说明。Lab-面荷载标识符，结
29、构分析为PRES。KVAL-当Lab=PRES时，KVAL=0或1表示VAL1VAL4为压力的实部KVAL=2表示VAL1VAL4为压力的虚部。VAL1-第一个面荷载值或表格边界条件名称，比较典型的是在面上的第1个节点上，节点的顺序在单元中明确地给定。VAL2VAL4-为面上节点的第2、3、4个面荷载值，如果为空，则与VAL1相等；如果为0或其它空值则均为0；对于2D平面单元，可对单元的任一面（实为单元边界）施加面荷载，荷载施加到该单元面的角节点上（高次单元的中间节点荷载由系统自动处理），相邻角节点的数值可以不等。对于3D体单元，用SFE施加面荷载时也要确定面号及方向才能保证正确（可根据单元节点列表确定单元面号），同样也可施加不同的荷载值使得该面上各节点荷载不同。对于SHELL单元，其和面为底面和顶面，其余为侧面（侧边）。SF和SFE比较而言，对2D平面单元，SF施加单元周边面荷载较为方便，而SFE则施加单元任一边面荷载较为方便；对于3D体单元，SF施加的面荷载对各节点是等值的（除非
