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<<航空工程先进数值计算技术>>

ANSYS静力分析
王晓军 航空科学与工程学院固体力学研究所

第二章 ANSYS静力分析
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主要内容
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结构静力分析简介 结构线性静力分析基本步骤
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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

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结构非线性静力分析实例 静力非线性计算的高级应用
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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

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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 考虑惯性和阻尼影响,如结构受随时间变化载荷作 用的情况 ? 静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构 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 ? 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 和力。 ? 固定不变的载荷和响应是一种假定,即假定载荷和 结构相应随时间的变化非常缓慢。
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2.1 结构静力分析简介
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静力分析所施加的载荷类型有
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外部施加的作用力和压力 稳态的惯性力 强迫位移 温度载荷 能流 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。

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静力分析既可以是线性的也可以是非线性的
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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
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在线性静力分析中,主要有以下几个关键步骤
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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
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2.2.1 建模
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为了建模,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
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GUI: Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete Command: ET

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.1 建模
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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。
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GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>-ConstantIsotropic/Orthotropic Command: MP

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.1 建模
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另外在选择材料特性时,还需要注意以下几点:
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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 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

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创建几何实体模型并划分网格得到有限元模型
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2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.2 施加载荷并求解
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进入ANSYS求解器(Main Menu>Solution) 定义分析类型并对求解进行控制
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分析类型选New Analysis (GUI: Solution>New Analysis),进入 求解控制对话框(GUI: Solution>Sol’n Contros) Basic>Analysis Options:选择Small Displacement Static Sol’n 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
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2.2.2 施加载荷并求解
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施加载荷,设定载荷步
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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

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保存数据文件 开始求解计算 退出求解器
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Command: Finish GUI: Main Menu>Finish

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.3 计算结果的后处理与分析
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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:
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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
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2.2.3 计算结果的后处理与分析
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后处理包括两个模块:
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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

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时间历程后处理器POST26
? 用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。

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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
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2.2.3 计算结果的后处理与分析
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在结构线性静力分析中,后处理常用命令如下
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a. 查看结果
? 从数据文件中读取数据 ? GUI: Utility Menu>File>Resume from ? Command: Resume ? 读取选定的结果数据 ? GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step ? Command: SET
?

使用SET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 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
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2.2.3 计算结果的后处理与分析
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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 Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed 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 Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu ? Command: PRRSOL

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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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)

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列出节点力和反力矩的和
? GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Eelement Solution ? GUI: Main Menu>General Postproc>Nodal Calcs>Total Force Sum ? Command: FSUM

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.3 计算结果的后处理与分析
?

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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 Menu>General Postproc>Element Table>Define 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 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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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问题描述
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具有圆孔的矩形板在拉伸状态下的应力分布。1.0 m×2.0 m的 矩形板,厚度为0.03 m,中心圆孔直径为0.25 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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤
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a. 建立几何模型
? ? ? 1) 定义任务标题:Utility Menu>File>Change 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 Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/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

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2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤
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a. 建立几何模型
? 3)定义材料特性:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Modes。在Define Material Model Behavior窗口中, 双击Structural>Linear>Elastic> Isotropic。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Material>Exit退出 Command: MPDATA, EX, 1,,207e9 MPDATA, PRXY, 1,,0.3

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2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤
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a. 建立几何模型
? 4)建立几何模型:Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By Dimensions,出现Create Block by Dimensions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> Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>By 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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 a. 建立几何模型
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4)建立几何模型:矩形板中心出现一个圆柱体。Main Menu> Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volume, 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 CYLIND,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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤
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a. 建立几何模型

图2.1 中心带孔的矩形板模型

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 b. 模型剖分
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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 Menu>WorkPlane>Display Working Plane,然后选择Utility>WorkPlane>Offset WP 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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 b.模型剖分
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5)模型剖分:然后选择Main Menu>Preprocessor> Modeling>Operate>Booleans>Divide>Volu 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 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 Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Glue>Volumes,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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤
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b.模型剖分

图2.2 几何模型的剖分示意图

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 c. 网格划分
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6)有限元网格划分:选择Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool,出现如图2.3所示的 Mesh Tool对话框。选择Size control>Lines>set,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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 c. 网格划分

图2.3 划分网格的参数设定

图2.4 带孔平板的网格划分

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 d. 施加载荷及边界条件
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7)载荷与边界条件:选择Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Displacement>On 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 Menu>Solution>Define Loads>Apply>Pressure>On 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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 d. 施加载荷及边界条件

图2.5 划分网格的参数设定

2.2 结构线性静力分析基本步骤
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 e. 求解及后处理
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8)求解:选择Main Menu>Solution>Solve>Current LS,点击 OK开始计算。 9)结果分析:选择Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu,在Contour Nodal Solution Data对话框中选择Nodal Solution>Stress>von Mises Stress,点 击OK,图形窗口将出现如图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
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2.2.4 结构线性静力分析实例1
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GUI分析步骤 e. 求解及后处理

图2.6 计算结果显示Mises应力云图

2.2 结构线性静力分析实例
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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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μ=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2.7 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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 1)建立有限元模型
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定义分析标题:File>Change Title,输入“Bending of a IShaped Beam”,单击OK。 定义单元类型:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 1)建立有限元模型
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定义材料特性:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material 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 Menu>Preprocessor>Sections>beam>Common 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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 1)建立有限元模型
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建立模型:Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>In 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> Preprocessor>Create>Lines>Straight Line, 选择1、2关键点,生成一条直线段。 划分网格:Main Menu>Preprocessor>Mesh 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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 2)施加载荷进行静力求解与分析
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定义分析类型:Main Menu>Solution>Unabridged Menu>New Analysis,选择Static,单击OK。 施加载荷:Main Menu>Solution>Loads>Apply>Displacement>On Nodes,将图 形窗口中最左端的节点的所有自由度约束。执行Main Menu>Solution>Apply>Force/Moment>On 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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 2)施加载荷进行静力求解与分析
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保存数据库文件:Save_DB 求解:Main Menu>Solution>Solve>Current 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。 进入POST1,读入结果数据:Main Menu>General Postproc>Read Results-LastSet。 观察结构变形:Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed 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。

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3)查看分析结果
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2.2 结构线性静力分析实例
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 3)查看分析结果

图2.8 梁变形前后的形状改变图

2.2 结构线性静力分析实例
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 3)查看分析结果
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显示梁单元空间形状:PlotCtrls>Style>Size 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 Menu>General Postproc>Plot Results>contour plot> Nodal Solution,在左侧Item列表中选择Stress,在右侧 的Comp列表中选择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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 3)查看分析结果

图2.9 梁上沿X方向应力分布图

2.2 结构线性静力分析实例
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 3)查看分析结果
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列表显示反作用力:Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction 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 Menu>General Postproc>Element Table>Define 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
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2.2.5 结构线性静力分析实例
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求解步骤 3)查看分析结果
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按照类似的方法将SMISC,15添加到单元表,并命名为MJ。 执行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Line 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:PlotCtrls>HardCopy>To File。

课后练习
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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
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2.4.1 屈曲分析的概念
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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:
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特征值(线性)屈曲 非线性屈曲分析

2.4 静力非线性分析
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2.4.1 屈曲分析的概念
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特征值(线性)屈曲分析
? 特征值屈曲分析用于预测一个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。

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非线性屈曲分析。
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2.4 静力非线性分析
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2.4.2 结构线性屈曲分析的一般步骤
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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。
方法与一般静力分析相同,另外有几点需要说明:
? ? ? 静力求解中必须激活预应力影响(PSTRES命令); 由于屈曲分析计算出的特征值表示屈曲载荷系数,因此通常只 需要施加单位载荷; 求解完成后使用FINISH命令退出求解器。

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2. 施加载荷并获得静力解
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2.4 静力非线性分析
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2.4.2 结构线性屈曲分析的一般步骤
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3. 获得线性屈曲解
? ?

重新进入ANSYS求解器(GUI: Main Menu>Solution); 定义分析的类型对求解选项进行设置。
? 分析类型选择Eigen Buckling(特征值屈曲分析)(GUI: New Analysis) 屈曲分析选项(GUI: Analysis Options) Command: BUCOP, Method, NMODE, SHIFT ? Method:指定特征值提取方法 ? NMODE:指定特征值提取的数目

? ?

2.4 静力非线性分析
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2.4.2 结构线性屈曲分析的一般步骤
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3. 获得线性屈曲解
?

定义载荷步选项
? 只需设置输出选项,控制结构输出。

? ?

保存数据库文件 开始求解
? 求解过程是输出特征值,若要得到屈曲模态形状还需要进行解 的扩展。

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注:有些情况程序可能会计算出负的特征值,这表示结构在 相反方向施加载荷也会发生屈曲。 退出求解器

2.4 静力非线性分析
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2.4.2 结构线性屈曲分析的一般步骤
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4. 扩展解
? ?

?

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重新进入求解器 激活Expansion Pass(GUI: Main Menu>Solution>Expansion Pass) 设置扩展模态选项(GUI:Main Menu>Solution>Expand Modes) 进行输出控制
? ? ? ? 打印输出控制 数据库和结果文件输出控制 开始扩展处理 退出求解器(FINISH)

2.4 静力非线性分析
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2.4.2 结构线性屈曲分析的一般步骤
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5. 查看分析结果
? ? ? ?

进入后处理器POST1 列出屈曲载荷系数 显示屈曲变形 显示相对应力分布

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
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1)问题描述
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一端固支,一端自由的柱型壳体,半径为200 mm,长度 L=800 mm,弹性模量E=200 GPa,壁厚10 mm, 轴向载荷 2000 KN。 定义分析标题:Utility Menu>File>Change Title,输入 “Buckling of a Shell”,单击OK。 定义单元类型:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,出现Element Types列表框。单击Add 出现单元类型库的对话框,在左侧列表中选择Structural Shell, 右侧列表中选择SHELL63,单击OK。

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2) 建模与参数设定
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2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
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2) 建模与参数设定
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定义实常数:Main Menu>Preprocessor>Real Constant>Add/Edit/Delete,出现Real Constants列表框。单击Add, 出现Element Type for Real Constants 对话框。单击OK,出现Real Constants for Set number 1 Shell63对话框。在Shell Thickness中输 入10,单击Ok。单击Close关闭Real Constants列表框。 定义材料特性:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models, 在Define Material Model Behavior窗口中,双击 Strucutral>Linear>Elastic> Isotropic。在出现的对话框中,EX输入 200E9,单击OK,Material Model Number 1出现在Material Models Defined 窗口左侧列表中,执行Material>Exit退出。

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
?

2) 建模与参数设定
?

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通过线扫略生成壳模型:Main Menu>Proprocessor>Modeling> Create> Keypoints>In Active CS,出现Create Keypoints in Active Coordinate System对话框,分别建立四个关键点(0,0,0),(0, 0, 800),(200, 0,0),(200, 0,800),点击OK关闭对话框。点击Main Menu>Proprocessor>Modeling> Create>Lines> Lines>Straight Line, 分别选取点3和点4,点击OK关闭对话框。 点击Main Menu>Proprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Lines>About Axis, 拾取line 1,点击Ok确定,然后分别拾取Keypoint 1和Keypoint 2, 点击OK确定,出现Sweep lines about axis对话框在ARC输入360, NSEG文本框输入4,点击OK确定,生成壳模型。

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
?

2) 建模与参数设定
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划分有限元网格:Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool,跳出MeshTool对话框,点击Size Controls: Lines后的 Set按钮,然后选取壳沿轴向的任意一条线段,点击OK确定, 出现Elements Sizes on Picked Lines对话框,然后在NDIV文本 框输入30。采用统一的办法将任意一端圆周上的线段均分为 10段。选择Main Menu>Preprocessor>Meshing> MeshTool, 在MeshTool对话框中shape选中Quad和map,然后点击sweep 按钮,生成如图2.10所示有限元网格。

2.4 静力非线性分析
?

2.4.3 线性屈曲分析实例
?

2) 建模与参数设定

图2.10 圆壳的有限元网格

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
?

3) 施加载荷进行静力分析
?

定义分析类型:Main Menu>Solution>Abridged Menu>Analysis Type>New Analysis,出现New Analysis对话 框。选择Static,单击OK。执行Main Menu>Solution> Analysis Options,出现Static or Steady-State Analysis对话框。 在[SSTIF][PSTRES]中选定Prestress ON,单击OK。

2.4 静力非线性分析
?

2.4.3 线性屈曲分析实例
?

3) 施加载荷进行静力分析
?

施加载荷:Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Strucutral> Displacement>On Lines,出现Apply U, ROT on Lines对话框,在图形窗口中选择Z=0的所有圆周 上的四条弧线,单击OK,在对话框中选择ALL DOF,单击 OK。执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment>On Nodes,选择 Z=800的所有节点(共40个),在Apply F/M on Nodes对话框 中,选择Direction of force/mom为FZ,VALUE设定为-500, 点击OK。

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
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3) 施加载荷进行静力分析
? ?

保存数据库文件,ANSYS Toolbar>SAVE_DB。 求静力解:Main Menu>Solution>Solve-Current LS,查看求解 信息,单击OK开始求解,求解完成后单击Close.

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
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4)特征值屈曲分析
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定义分析类型:Main Menu>Solution>New Analysis,忽略跳 出的警告窗口,在New Analysis对话框中选取Eigen Buckling, 单击OK。 屈曲分析选项设置:Main Menu>Solution>Analysis Options, 出现Eigenvalue Buckling Options, 选定Block Lanczos提取模 态,提取模态数输入4,单击Ok。

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
?

4)特征值屈曲分析
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模态扩展选项:Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass> Single Expand>Expand Modes,在 NMODE中输入4,单击OK。 开始特征值屈曲分析:Main Menu>Solution>Solve-Current LS, 单击Ok开始求解。
读入结果数据:Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set。 列出屈曲载荷系数:Main Menu>General Postproc>List Results>Detailed Summary。

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5) 查看求解结果
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2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
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5) 查看求解结果
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观察屈曲变形和应力云图:Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu,出现Contour Nodal Solution Data对话框。选择Nodal Solution>Stress>displacement vector sum,在Undisplaced shape key的下拉菜单中选择Deformed shape with undeformed edge,单击Ok,结构变形前后的形状同时出现在图形窗口, 如图2.11所示。

2.4 静力非线性分析
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2.4.3 线性屈曲分析实例
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5) 查看求解结果

图2.11 一阶屈曲模态的von Mises应力分布图

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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问题描述
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经典的赫兹接触问题:衬底材料的弹性模量为60GPa,泊松 比为0.3,尺寸如图2.12所示;刚性压头的半径为1 mm,压 入载荷20KN。材料之间的摩擦系数为0.15。

图2.12 赫兹接触模型

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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定义任务名称:启动ANSYS,选择材料File>Change Title..., 输入“Contact Analysis”,单击OK退出。 设定参数变量:选择主菜单下Parameters>Scalar Parameters..., 弹出Scalar Parameters对话框。在Section下分别定义 Contact=1.5、Radius=1、Thick=2和Length=12,然后退出 Scalar Parameters对话框。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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定义单元类型:选择Main Menu>Preprocessor >Element Type>Add/Edit/ Delete,分别添加Solid下的4node 182单元、 Contact下的2D target 169和2 nd surf171单元,点击OK退出该 对话框。 定义实常数:选择Main Menu>Preprocessor> Real Constants, 选择Type 2 TARGE169,不修改任何数据,单击OK退出。 单击Add...,选择Type 3 CONTA171,设定参数FKN为1, FTOLN为0.1,PMAX为0.1,PMIN为0.01,然后退出Real Constants对话框。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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定义材料模型:选择Main Menu>Preprocessor> Material Props>Material Models,定义材料模型1为各向同性材料, EX=60e9,PRXY=0.3。回到Define Material Model Behavior 对话框,选择Structural>Friction Coefficient,设定MU=0.15。 建立几何模型:选择Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Keypoints>In Active CS,依次分别建立坐 标为(0,0,0)、(Contact,0,0)和(Length,0,0)的三个关键点。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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建立几何模型:选择Main Menu>Preprocessor> Modeling>Copy>Keypoints,弹出Copy Keypoints对话框,选定 pick all 。设定DY=thick,单击OK退出。选择Main Menu>Preprocessor>Modeling> Create>Areas> Arbitrary>Through Keypoints,依次单击1,2,5,4关键点,点击Apply,然后单击 2,3,6,5,单击OK完成面的建立。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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建立几何模型:选择Utility Menu>WorkPlane> Offset WP to>XYZ Locations +,在Global Cartesian栏输入0,thick+radius,单击OK。 选择Utility Menu>WorkPlane>Local Coordiante Systems>Create Local CS>At WP Origin...,弹出Create Local CS at WP Origin对话 框,在KCS栏中输入Cylindrical 1,单击OK退出。 选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create >Keypoints>In Active CS,依次建立编号为20-23的四个关键点,其坐标分别为 (radius,180,0)、(radius,-90,0)、(radius,0,0)和(0,0,0)。选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In Active Coord,分 别将关键点20,21以及21,22连成线。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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划分有限元网格:选择Main Menu> Preprocessor>Meshing>Default Attribs, 选择1 PLANE182单元, 实常数编号为1, 设定网格尺寸,然后选择Main Menu>Preprocessor>Mesh>Areas>3 or 4 sided对面进行网格划 分。 选择Main Menu> Preprocessor>Modeling>Reflect>Areas,单 击Pick All,单击OK,退出Reflect Areas对话框。 选择Y坐标为thick的Nodes,选择Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create> Elements>Elem Attributes,选择3 CONTA171,实常数编号为2,点击OK。选择Main Menu> Proprecessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Conatct> Inf Acoustic, 单击OK退出。(此步不能省,有待查证inf acoustic的作用。)

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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划分有限元网格:选择Main Menu> Preprocessor>Numbering Ctrls>Merge Items,在Label栏中选择All,单击OK退出。选 择Main Menu>Preprocessor>Meshing>Default Attribs, 选择2 TARGE169单元,实常数编号为2,选择两条弧线段。选择 Main Menu>Preprocessor> Meshing>Mesh>Lines,选择刚才的 两条弧线段。选择Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh> Keypoints,选择关键点23,单击OK退出。得到如图2.12所 示模型。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程

图2.12 衬底材料的有限元网格

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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选择Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cartesian。选择Utility Menu>Select>Everything。 设置边界条件:约束Y坐标为0的节点的UY自由度,并固定 坐标为(0,0)处节点的UX自由度。在关键点23处的节点施加 FY方向的集中力-20000N,然后退出Apply F/M on Nodes对 话框。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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求解:选择Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis, 选择Static,单击Ok退出New Analysis对话框。选择Main Menu> Solution>Analysis Type>Sol’n Controls,在Analysis Options栏中选择Large Displacement Static,在Automatic time stepping栏中选择On,在Number of substeps栏中输入20,在 Max no. of substeps栏中输入500,在Min no. of substeps栏中 输入10,单击OK退出。选择Main Menu> Solution>Solve>Current LS,单击OK,进行本载荷步的求解。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程
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后处理:选择Utility Menu>PlatCtrls>Style> Displacement Scaling,弹出Displacement Display Scaling对话框,在 DMULT栏中选择1.0。选择Main Menu> General Postproc>Read Resutls>By Load Step,弹出Read Results by Load Step Numbe对话框,在LSTEP处输入1,单击OK退出。 选择Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu,选择Stresss>von Mises SEQV,得到应力分 布图,如图2.13所示。

2.4 静力非线性分析
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2.4.4 接触分析实例
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接触分析过程

图2.13 衬底材料的有限元网格


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