1、s ratio来标识泊松比参数；在使用中，必须首先弄清楚该使用的是哪一种泊松比，然后在程序中设置使用的方式，再输入程序。对于各向同性材料，两组泊松比没有实质的区别；任意输入，程序均可以正确识别。 对于各向同性材料，在没有输入切变模量的情况下，程序会默认采用下式计算切变模量： （8-7） 而对于各向正交异性材料，需要首先查实切变模量的大小，并输入到ANSYS程序中，因为，程序并不默认对各向正交异性材料求取切变模量。 为了正确进行求解，刚度矩阵必须为正定矩阵。在进行分析求解时，程序自动检查刚度矩阵，如果发现其不是正定矩阵，将不能进行正确的求解。 在温度相关材料中，程序在第一个载荷步开始时，使用一定
2、温度下的材料特性对刚度矩阵进行检查。不过使用各向同性材料不用担心矩阵的正定性，因为其总是正定的。 通过前面的几个式子就可以求出受力状态下，材料的应变和切变及正应力和切应力。2轴对称模型下的各向异性线性材料各向异性是指在不同的方向材料有不同的物理特性，图8-2所示为各向异性材料物理性质的示意图。这样的材料在不同的坐标系表示的方法有不同，如图8-3所示为在两种坐标下的材料特性。 图8-2各向异性材料 图8-3材料特性的不同坐标表现形式需要注意的是，在不同的坐标系下转化材料特性数据，例如从轴对称下的圆柱坐标中将材料特性数据转换到正交坐标系下时，刚度矩阵正交坐标系下有 （8-8）而在正交坐标系和圆柱坐
3、标系下有 （8-9）比较两个矩阵的参数，可以得到： （8-10）3.热膨胀系数热膨胀系数由下式求取： （8-11）式中，为发生热膨胀时的温度；为参考温度。8.1.2有限元模型属性 1常用单元类型能够应用于结构分析的单元，包括从简单的梁单元到复杂的复合层壳单元等大部分单元类型。常用的结构单元如表8-1所示，这些单元基本上能满足静力结构问题分析的需要，但具体选择哪种，则需要经验和知识来判断。表8-1 结构分析常用单元类型维度单元类型节点数备注结构实体单元3-DSOLID1858六面体SOLID18620SOULID18710四面体SOLID2854SOLID652-DPLANE182四边形PLAN
4、E183PLANE25轴对称四边形PLANE33轴对称SOLID27248SOLID273结构实体壳单元SOLSH190四边形层结构壳单元3-OSHELL181SHELL281SHELL28SHELL41SHELL2082线状、轴对称SHELL2093SHELL61结构复合层单元SOLID190结构梁单元BAM188线状BEAM189结构管单元PIPE288管线状PIPE289ELBOW290结构线单元LINK180LINK11结构点单元MAS5211点状结构接口单元INTER19416INTER195INTER204INTER205INTER192INTER1936INTER202INTER
5、203203平行边状结构多点约束单元MPC184MPC184-Link/Beam，MPC184-SliderMPC184-RevoluteMPC184-UniveisalMPC184-SlotMPC184-PointMPC184-TranslationalMPC184-CylindricalMPC184-PlanarMPC184-WeldMPC184-OrientMPC184-GeneralMPC184-Screw 在GUI交互操作的状态下，可以通过选择Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete命令，打开Library of Elem
6、ent Types对话框，在对话框中选择需要的单元类型：定义单元类型后，根据需要还要设置相关的单元参数。2材料 在线性静力学分析中，常用的材料有各向同性材料类型和各向正交异性材料类型，需要定义的参数包括杨氏模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。在GUI交互操作的状态下，可以通过选择Main Menu Material Props Material Models命令，打开fine Material Model Behavior对话框，在对话框中选择材料模型需要的属性，主要属性如图8-4所示。图8-4 线性静力学分析常见材料属性对话框8.2线性静力学分析过程 结构静力分析的过程主要包括；建立模型、设置
7、求解控制、施加载荷、求解和结果后处理等。下面简单介绍这些步骤。 1. 建模 （1）选择工作目录和指定工作项目名，保证不会将别的工作项目覆盖，同时容易找到。 （2）进入前处理器。 （3）定义单元类型、实常数、材料类型、截面等内容。 （4）建立几何模型，可以通过ANSYS建立或使用其他CAD软件建立后再通过中间文件导入到ANSYS中。 （5）选择划分网格的方式，设置网格单元属性，然后划分网格，建立有限元模型并保存模型到数据库文件中。 2. 进入求解器，设置求解控制参数、结果输出参数。 3. 施加载荷，这一步也可以在前处理器中完成。 4. 求解。 5. 进行后处理，包括需要求取的数据类型、绘图显示方
8、式和一些特殊显示等。8.3非均匀截面梁受扭矩分析示例8.3.1问题描述与分析问题描述：如图8-5所示，锥形变截面圆轴，长度为L，大端直径为D，小短直径为d，承受扭矩T的作用，试分析其扭转和应力情况。图8-5锥形截面圆轴承受扭矩作用相关参数如表8-2所示。表7.2相关参数几何参数材料参数载荷参数L=300mmD =100mmd=50mm剪切模量80GPaT=1000Nm 问题分析：该圆锥变截面圆柱可以作为锥体或变截面的梁进行分析。如果使用锥体进行三维建模，需要将扭矩转化为面载荷施加到两个端面上，导致施载过程很复杂；而如果使用变截面梁进行建模，施加载荷时可以直接将扭矩施加到两端的节点上，使分析过程
9、简单易行。下面具体叙述使用GUI方式进行分析的操作步骤并给出对应的命令流。8.3.2前处理1. 设置工作项目目录和工作项目名称 设置工作项目目录和工作项目名称，确保进行的工作不会覆盖别的分析工作。操作步骤为，打开ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，在程序对话框中设置工作目录名称和工作项目名，单击Run运行ANSYS主程序。2. 进入前处理器，定义单元类型、材料特性、截面参数等特性参数。 （1）定义单元。选择Main Menu Element TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，如图8-6 （a）所示。 （2
10、）在对话框中单击Add按钮，弹出Library of Element Types对话框。 （3）在Library of Element Types对话框的双列列表中的左栏选择Beam，右栏中选择2node 188，如图8-6 （b）所示，单击OK按钮确认，关闭Element Types对话框。（4）定义材料特性。 -Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，如图8-7 （a）所示。（5）在Define Material Model Behavior对话框右栏中选择Structure Linear Elastic Isotropi
11、c命令，弹出Linear Isotropic Material Properties对话框。（a）添加定义项 （b）定义单元类型图8-6定义单元 （6）在对话框设置EX为2.08E+005, PRXY为0.3，如图8-8（b）所示，单击OK按钮确认，并关闭Define Material Model Behavior对话框。 （a）选择材料特性 （b）定义材料特性图8-7定义材料特性 （7）定义截面参数。 Sections Beam Common Sections，弹出Beam Tool对话框，如图8-8（a）所示。 （8）在Beam Tool对话框中设置ID为1，Sub-Type为实体圆，R为
12、50,，N为24，T为6，如图8-8a）所示，单击Apply按钮确认；继续在Beam Tool对话框中设置ID为2,Sub-Type为实体圆，R为25， N为24，T为6，如图8-8（b）所示，单击OK按钮确认。图8-8（c）所示为截面1的截面示意图，在Beam Tool中可以通过单击Preview或Meshview按钮对截面的形状和几何参数进行查看。（a）截面1 （b）截面2 （c）截面1形状图8-8定义普通截面（9）选择Main Menu Preprocessor Sections Taper Sections By XYZ Location命令，弹出Create Taper Sectio
13、n对话框，在对话框中设置ID为3， Beginning Section ID为1，坐标为（0,0,0）, Ending Section ID为2，坐标为（0,300,0），如图8-9所示，单击OK按钮确认。图8-9定义变截面3. 建立几何模型 （1）选择Main Menu Modeling Create Keypoints In Active CS命令，弹出Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，在对话框中设置NPT为1,坐标为（0,0,0 ），如图8-10（a）所示，单击Apply确认。 （2）继续在Create Keypoints i
14、n Active Coordinate System对话框中设置NPT为2，坐标为（0,300,0），如图8-10（b）所示，单击OK按钮确认。（3）选择Main Menu- Preprocessor Lines Straight Lines命令，弹出实体选取对话框，依次选取关键点1和关键点2，单击OK按钮确认。 （a）关键点1 （b）关键点2图8-10 创建关键点4. 设置网格单元属性，划分网格（1）选择Main Menu Meshing Mesh Attributes Default Attribs命令，弹出Meshing Attributes对话框，在对话框的SECNUM命令选项下，选择
15、截面3，如图8-11 （a）所示，单击OK按钮确认。 （2）选择Main Menu Size Cntrls ManualSize Global Size命令，弹出Global Element Sizes对话框，在对话框中设置SIZE为0, NDIV为30，如图8-11 （b）所示，单击OK按钮确认。 （3）选择Main Menu Mesh Lines命令，弹出实体选取对话框，选取需要划分的线，单击OK按钮确认。图8-11（c）所示为使用/ESHAPE, 1命令绘制的有限元模型图，从图中可以看到，建立的有限元模型与问题中的模型已经非常相似。8.3.3加载与求解 Solution Define L
16、oads Apply Structural Displacement On Nodes命令，弹出实体选取对话框，选取节点1，单击OK按钮确认，弹出Apply U, ROT on Nodes对话框，在对话框中选中ALL DOF，如图8-12所示，单击OK按钮确认。（a）选择截面（b）设置网格密度（c）划分后模型图8-11划分网格（2）选择Main Menu Force/Moment On Nodes命令，弹出实体选取对话框，选取节点2，单击OK按钮确认，弹出Apply F/M on Nodes对话框，在对话框中设置Lab为MY, VALUE为1000，如图8-13所示，单击OK按钮确认。 图8-
17、12施加约束 图8-13施加力矩 Solve Current LS命令，弹出提示对话框，和状态查看窗口：仔细查看状态窗口中的信息，确认无误后，单击提示对话框的OK确认。8.3.4后处理 （1）查看总体结构：选择Utility Menu PlotCtrls Style Size and Shape命令，弹出Size and Shape对话框，在/ESHAPE命令区中选中复选框，如图8-14所示，单击OK按钮确认。图8-14查看总体结构 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu命令，弹出Contour Nodal Solution
18、Data对话框，在对话框中的Item to be contoured中选择Nodal Solution DOF Solution Rotation vector sum命令，如图8-15（a）所示，单击Apply按钮确认。屏幕上绘制扭转变形等值线图，如图8-15（b）所示。 （a）绘制旋转合位移等值线图 （b）扭转变形等值线图 图8-15绘制扭转变形等值线图（3）继续在对话框中的Item to be contoured中选择Nodal Solution Stress von Mises stress，如图8-16（a）所示，单击OK按钮确认。屏幕上绘制等效应力等值线图，如图8-16（b）所示。
19、 （a）绘制合应力等值线图 （b）合应力等值线图图8-15绘制合应力等值线图8.3.5 命令流/prep7 !进入前处理器ET,1,BEAM188 !定义单元类型MP,EX,1,2*1.3*80E3 !定义杨氏模数MP,PRXY,1,0.3 !定义泊松比SECTYPE,1,BEAM,CSOLID,0 !定义底部截面1SECDATA,50,24,6 !截面参数SECTYPE,2,BEAM,CSOLID,0 !定义底部截面2SECDATA,25,24,6 !SECTYPE,3,TAPER !定义变截面SECDATA,1,0,0,0 !底面为截面1SECDATA,2,0,300,0 !底面为截面2K
20、,1,0,0,0 !建立关键点1K,2,0,300,0 !建立关键点2L,1,2 !建立直线1SECNUM,3 !选择截面号3ESIZE,30 !设置网格密度LMESH,1 !划分网格FINISH !退出前处理器/SOLU !进入求解器NSEL,S ,LOC,Y,0 !选择Y向坐标为0的节点D,ALL,ALL !施加约束NSEL,S,LOC,Y,300 !选择X向坐标为0的节点Y向坐标为300的节点NSEL,ALL !选择所有节点SOLVE !求解退出求解器/POST1 !进入通用后处理器/ESHAPE,1 !打开单元形状显示PLNSOL,ROT,SUM,0,1,0 !绘制角位移变形等值线图P
21、LNSOL,S,EQV,0,1,0 !绘制等效应力等值线图 FINISH !退出通用后处理器8.4开孔板应力集中分析例题8.4.1问题描述与分析如图8-17所示，在边长为L的方形平板中心开椭圆形的孔，研究受拉作用下开孔对板的应力集中效应。相关参数如表8-3所示。图8-17开孔板示意图表8.3相关参数L = 20mm椭圆长轴6mm，短轴2mm杨氏模量210GPa任意方向均匀拉力问题分析：可对平板的边施加指向板外的均匀压力对平板进行拉伸，只要不超过其应力，不太大均可以视为线性静力学分析的对象。由于模型具有对称性，只需建立1/4的模型就能进行分析。8.4.2前处理1. 设置工作项目目录和工作项目名称
22、操作步骤为，打开ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，在程序对话框中设置工作目录名称和工作项目名，单击Run运行ANSYS主程序。2. 进入前处理器，定义单元类型、材料特性等特性参数。 （1）定义单元类型： Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，如图8-18（a）所示。 （2）在Element Types对话框中单击Add按钮，弹出Library of Element Types对话框。（3）在Library of Element Types对话框的双列列表中的左栏选择Solid，右栏中选择8node 183，如图8-
23、18（b）所示，单击OK按钮确认；关闭Element Types对话框。 （a）添加定义项 （b）定义单元类型图8-18定义单元 （4）定义材料特性：选择Main Menu Preprocessor Material PropsMaterial Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框。 （5）在Define Material Model Behavior对话框右栏中选择Structure Isotropic，如图8-19（a）所示，弹出Linear Isotropic Material Properties对话框。 （6）在对话框中设置EX为2
24、10E3，PRXY为0.3，如图8-19（b）所示，单击OK按钮确认，并关闭Define Material Model Behavior对话框。 图8-19定义材料特性3. 建立几何模型 （1）创建坐标系： WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS At WP Origin命令，弹出Create Local CS at WP Origin对话框。 （2）在对话框中的KCN后输入坐标系号11，KCS输入坐标系型号为球面坐标系Spherical 2，参数PART和PAR2分别输入3和1设置椭球坐标系，如图8-20所示，单击OK按钮确认。（
25、3）更改当前坐标系： Change Active CS to Specified Coord Sys命令，弹出Change Active CS to Specified CS，在KCN坐标系号中输入刚才定义的坐标系号11，如图8-21所示，单击OK按钮确认将其激活为当前坐标系。 图8-20定义椭球坐标系 图8-21 激活椭球坐标系 （4）在椭球坐标系中建立关键点： In Active CS命令，弹出Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，在对话框中设置NPT关键点号为1，坐标为（0,0,0 ），如图8-22（a）所示，单击Apply按钮确认。 （5）继续在对话框中设置NPT关键点号为2与3，坐标分为（1,0,0）和（1,90,0），流程如图8-22（b）所示，单击Apply按钮确认。（a） （b）图8-22创建关键点 （6）选择Main Menu
