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ANSYS Workbench Mechanical第四章 静力结构分析


Workbench - Mechanical Introduction

第四章 静力结构分析

4-1

Static Structural Analysis

概要
? 本章,将练习线性静力结构分析,模拟过程中包括:
A. B. C. D. E. F. 几何和单元 组件和接触

类型 分析设置 环境 如载荷和约束 环境,如载荷和约束 求解模型 结果和后处理

Training Manual

?

本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使 用。
– 尽管本章中讨论的一些选项可能需要更高级的许可, 但都给了提示。

4-2

Static Structural Analysis

线性静态结构分析基础

Training Manual

? 对于一个线性静态结构分析( Linear Static Analysis ),位移{x}由下面的矩 阵方程解出:

[K ]{x} = {F}
假设:
– [K] 是一个常量矩阵 是 个常量矩阵
? 假设是线弹性材料行为 ? 使用小变形理论 可能包含 些非线性边界条件 ? 可能包含一些非线性边界条件

– {F}是静态加在模型上的
? 不考虑随时间变化的力 ? 不包含惯性影响 (质量、阻尼)

? 记住关于线性静态结构分析的假设是很重要的。非线性静态分析和动态分析在 后面章节讲解。

4-3

Static Structural Analysis

A. 几何模型
? 在结构分析中,可能模拟各种类型的实体。 ? 对于面实体,在Details of surface body中一定要指定厚度值。

Training Manual

? 线实体的截面和方向,在DesignModeler里进行定义,并自动导入到 Simulation(模拟)中。

4-4

Static Structural Analysis

… 质量点
? 在模型中添加一个质量点来模拟结构中没有明确建模的重量体:
– 质量点只能和面一起使用。 – 它的位置可以通过下面任一种方法指定:
? 用户自定义的坐标系中指定(x, y, z) 坐标值 ? 通过选择顶点/边/面指定位置

Training Manual

– 质量点只受包括加速度、重力加速度和角加速度的影响。 – 质量是与选择的面联系在一起的,并假设它们之间没有刚度。 – 不存在转动惯性

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Static Structural Analysis

… 材料特性
? 在线性静态结构分析中需要给出杨氏模量和泊松比:
– – – – – – 在Engineering Data中输入材料参数 存在惯性时 需要给出材料密度 存在惯性时,需要给出材料密度 当施加了一个均匀的温度载荷时,需要给出热膨胀系数 在均匀 度载荷条件下 不需要指定导热系数 在均匀温度载荷条件下,不需要指定导热系数 想得到应力结果,需要给出应力极限 进行疲劳分析时需要定义疲劳属性
? 在许可协议中需要添加疲劳分析模块

Training Manual

4-6

Static Structural Analysis

B. 组件 – 实体接触
? 在导入实体装配体时,在实体之间会自动创建接触对。

Training Manual

– 面对面接触允许在两个实体边界划分的单元不匹配 – Contact 下的Tolerance controls(容差控制),可以让用户使用滚动条指定自动接触检 (容差控制) 可以让用户使用滚动条指定自动接触检 查的容差

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Static Structural Analysis

…组件 – 实体接触
? 在模拟中,每个接触对都要定义接触面和目标面:
– 接触区域的一个表面视作接触面,另一表面即为目标面 – 接触面不能穿透目标面
? ? ? ?

Training Manual

当一面被设计为接触面为另一面被设为目标面,这就是非对称接触 如果两边互为接触面(C)和目标面(T),那就叫对称接触 默认的实体组件间的接触是对称接触 用户可以根据需要将接触类型改为非对称接触( ANSYS Professional 或更高版本)

对称接触

非对称接触

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Static Structural Analysis

…组件 – 实体接触
? 可以使用的五种接触类型:
Contact Type Bonded No Separation Frictionless Rough Frictional Iterations 1 1 Multiple Multiple Multiple Normal Behavior (Separation) Tangential Behavior (Sliding) p No Sliding g No Gaps No Gaps Sliding Allowed Gaps Allowed Sliding Allowed Gaps Allowed No Sliding Gaps Allowed Sliding Allowed

Training Manual

– Bonded 和 No Separation 是线性接触并只需要一次迭代 – Frictionless,Rough 和Frictional 是非线性接触并需要多次 迭代

? 非线性接触类存在一个Interface Treatment(界面处理) 选项: 选项
? Offset:给初始调整指定一个0或非0的值 ? Adjusted to Touch: ANSYS把间隔缩小到恰好接触的位置 ( ANSYS Professional 或更高版本)

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Static Structural Analysis

…组件 – 实体接触
? 界面调整选项:
C T C T

Training Manual

Offset: 接触面在正向或相反方向上 偏移一个指定的距离(可以程序设置 偏移量)

Adjusted to touch:不考虑实际的间距 ,把接触面移向目标面,给出一个初始 接触

4-10

Static Structural Analysis

…组件 – 实体接触
? Advanced 选项 (更多细节参见第三 章的pinball区域的细节设置):
– Pin Pi Ball B ll Region R i :
? Inside pinball = near-field contact ? Outside pinball = far-field contact ? 使求解器更有效的进行接触计算

Training Manual

? 对ANSYS Professional 或更高版本而言 ,支持壳体和实体的混合组件与更多的接 触选项

本例中,两部件间的间距比pinball 区域大,故不会自动闭合它们键的 间隔。

4-11

Static Structural Analysis

…组件 – 点焊
? Spot weld 提供了在分离点上连接壳体组件的方法:

Training Manual

– Spotweld在CAD软件中进行定义。目前,只有 DesignModeler和 Unigraphics 支持点 焊定义(Spotweld) 。

4-12

Static Structural Analysis

…组件 – 接触总结
? 在模拟中可以使用的接触类和选项的总结:
Contact Geometry Solid Body Face (Scope = Contact) All types All formulations f Symmetry respected Solid Body Edge Surface Body Face (Scope = Contact) Bonded, No Separation All formulations f Symmetry respected

Training Manual

Surface Body Edge

Solid Body Face (Scope = Target) Solid Body Edge (Scope = Target) Surface Body Face (Scope = Target)

(Scope = Contact) Bonded, No Separation All formulations f Asymmetric only Not supported for solving1 Bonded, No Separation All formulations Asymmetric only Bonded, No Separation Bonded, No Separation All formulations S Symmetry t respected t d All formulations Asymmetric A t i only l Bonded only MPC formulation Asymmetric only

Surface Body Edge (Scope = Target)

Not supported for solving1

(Scope = Contact) Bonded only MPC Cf formulation Asymmetric only Not supported for solving1 Bonded only MPC formulation Asymmetric only Bonded, No Separation Bonded only Augmented Lagrange, All formulations Pure Penalty, and MPC formulation Symmetry S t respected t d A Asymmetric t i only l Not supported for solving1 Bonded only Augmented Lagrange, Pure Penalty, and MPC formulation Asymmetric only

1 – 对于面边接触,面通常被设计为目标面而边被指定为接触面

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Static Structural Analysis

C. 分析设置
? details of Analysis Settings中提供了一般的求解过 程控制: ? Step Controls(求解步控制): (求解步控制)
– 人工时间步控制和自动时间步控制 – 指定分析中的分析步数目和每个步的终止时间 – 在静态分析里的时间是一种跟踪机制(后面讨论) 在静态分析里的时间是 种跟踪机制(后面讨论)

Training Manual

? Solver Controls(求解控制):
– 两种求解方式(默认是Program g Controlled):
? 直接求解 (ANSYS中是稀疏矩阵法) ? 迭代求解 ( ANSYS中是PGC(预共轭梯度法)).

– Weak springs:
? 尝试模拟得到无约束的模型

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Static Structural Analysis

. . . 分析设置- Analysis Data Management
? Analysis Data Management(分析数据管理器 ):
– Solver Files Directory:给出了相关分析文件的 保存路径 – Future Analysis:指定求解中是否要进行后续分 析(如预应力模型)。如果在 析 如预应力模型 如果在p project j schematic 里指定了耦合分析,将自动设置该选项。 – Scratch Solver Files Directory:求解中的临时 文件夹 – 保存 ANSYS DB 分析文件 – Delete Unneeded Files: 在Mechanical APDL 中,可以选择保存所有文件以备后用 – Solver Units: Active System 或 manual. – Solver Unit System:如果以上设置是人工的, 那当Mechanical APDL共享数据的时候,就可以 选择8个求解单位系统中的一个来保证一致性(在 个求解单位系统中的 个来保证 致性(在 用户操作界面中不影响结果和载荷显示)

Training Manual

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Static Structural Analysis

. . . 分析设置-分析步控制
? Step Controls(分析步控制):
– 在静态分析中允许设置多个分析步,并一步一步的求解。 – 对于静态分析,终止时间被用作确定载荷步和载荷子步的 对于静态分析 终止时间被用作确定载荷步和载荷子步的 追踪器。 – 可以一个分析步一个分析步的查看结果。 – 在给出的Tabular Data里可以指定每个分析步的载荷值。 里可以指定每个分析步的载荷值

Training Manual

在图形窗口中给出了时间 和载荷值的关系图

4-16

Static Structural Analysis

. . . 多个分析步

Training Manual

? 通过选择Analysis Type,然后选择Worksheet表单查看所有不同分析步。

4-17

Static Structural Analysis

. . . 多个分析步

Training Manual

? 求解完成后,可以选择需要的求解步,然后点击鼠标右键选择Retrieve This Result ,查看每个独立步骤的结果。

选择需要的求解步 ,然后点击鼠标右 键选择Retrieve This Result

4-18

Static Structural Analysis

D. 载荷和约束
? 载荷和约束是以所选单元的自由度的形式定义的。 ? 实体的自由度是x, y 和 z方向上的平移 (壳体还得加上 旋转自由度,绕x,y 和z轴的转动) ? 约束,不考虑实际的名称,也是以自由度的形式定义的 。

Training Manual

UY UX UZ

? 例如 例如,在块体的 在块体的Z面上施加一个光滑约束,表示它 面上施加一个光滑约束 表示它Z方向 上的自由度不再是自由的(其它自由度是自由的)。

光滑面

4-19

Static Structural Analysis

. . . 载荷和约束
? 载荷类型:
– 惯性载荷:
? 这些载荷施加在整个模型上 ? 对于惯性计算时需要知道密度 ? 这些载荷专指施加在定义好的质量点上的力 (Point Masses)

Training Manual

– 结构载荷:
? 施加在系统部件上的力或力矩

– 结构约束:
? 防止在某一特定区域上移动的约束

– 热载荷:
? 热载荷会产生一个温度场,使模型中发生热膨胀或热传导。 热载荷会产生 个温度场,使模型中发生热膨胀或热传导。

4-20

Static Structural Analysis

… 方向载荷
? 载荷和约束的方向分量可以在整体坐标系或局部坐标 系中定义:
– 在细节窗口中 在细节窗口中, 把Define By改为Components,然后 然后 通过下拉菜单选择坐标系

Training Manual

Load Supports Coordinate Systems Acceleration No Standard Earth Gravity Yes R t ti l V Rotational Velocity l it Y Yes Force Yes Remote Force Location of Origin Only Bearing Load Yes Moment Yes Given Displacement Yes

4-21

Static Structural Analysis

… 加速度和重力加速度
? 加速度:
– 施加在整个模型上,单位是长度比上时间的平方。 – 加速度可以定义为分量或矢量的形式。 – 物体运动方向为加速度的反方向。

Training Manual

? 重力加速度: 重力加速度
– 根据所选的单位制系统确定它的值。 – 重力加速度的方向定义为整体坐标系或局部坐标系的其中一个坐标轴方向。 重力加速度的方向定义为整体坐标系或局部坐标系的其中 个坐标轴方向 – 物体运动方向与重力加速度的方向相同。 ? 角加速度: – 整个模型以给定的速率绕轴转动。 – 以分量或矢量的形式定义。 – 输入单位可以是弧度每秒(默认选项),也可是度每秒。

4-22

Static Structural Analysis

… 集中力和压力
? 施加压力:
– 以与面正交的方向施加在面上。 – 指向面内为正,反之为负。 指向面内为 反之为负 – 单位是单位面积的力。

Training Manual

? 施加集中力:
– 集中力可以施加在点、边或面上。 – 它将均匀的分布在所有实体上, 单位是mass*length/time2。 – 可以以矢量或分量的形式定义集中力。 可以以矢量或分量的形式定义集中力

4-23

Static Structural Analysis

… 静水压力
? 静水压力:
– 在面(实体或壳体)上施加一个线性变化的力,模拟结构 上的流体载荷。 – 流体可能处于结构内部或外部
? 用户指定:
– – – – 加速度的大小和方向 流体密度 代表流体自由面的坐标系 对于壳体,提供了一个顶面/底面选项

Training Manual

内部
4-24

外部

Static Structural Analysis

… 轴承负载
? 轴承负载(集中力): – 使用投影面的方法将力的分量按照投影面积分布在压 缩边上。 ? 不允许存在轴向分量 ? 每个圆柱面上只能使用一个轴承负载。 – 在施加该载荷时,若圆柱面是分裂的,一定要 在施加该载荷时,若圆柱面是分裂的, 定要 选中它的两个半圆柱面。 – 轴承负载可以矢量或分量的形式定义。

Training Manual

轴承负载

集中力
4-25

Static Structural Analysis

… 力矩
? 力矩载荷:
– – – – – 对于实体,力矩只能施加在面上。 如果选择了多个面 力矩则均匀分布在多个面上 如果选择了多个面,力矩则均匀分布在多个面上。 可以根据右手法则以矢量或分量的形式定义力矩。 对于面,力矩可以施加在点上、边上或面上。 力矩的单位是力乘上距离 力矩的单位是力乘上距离。

Training Manual

4-26

Static Structural Analysis

… 远程载荷
? 远程载荷:
– – – – 给实体的面或边施加一个远离的载荷。 用户指定载荷的原点 附着 用户指定载荷的原点(附着于几何上或用坐标指定) 何上或用坐标指定 可以以矢量或分量的形式定义。 给面 施加 个等效力或等效力矩 给面上施加一个等效力或等效力矩。

Training Manual

– 例如: 在一个10英寸的梁端的范围内施加了一个1 lbf的远程载荷,且远程载 荷距离固支端20英寸。 英寸

F=1 lbf

20”

反作用力矩

4-27

Static Structural Analysis

. . . 螺栓预紧力
? 螺栓预紧力:
– 给圆柱形截面上施加预紧力以模拟螺栓连接:
? 预紧力(集中力) ? 或者 ? 调整量(长度)

Training Manual

– 需要给物体指定 需要给物体指定一个局部坐标系统(在 个局部坐标系统(在Z方向上的预紧力) – 自动生成两个载荷步求解:
? LS1: 施加有预紧力、边界条件和接触条件 ? LS2:预紧力部分的相对运动是固定的并施加了一个外部载荷

– 对于顺序加载,还有其它额外选项(见下一页)

4-28

Static Structural Analysis

. . . 螺栓预紧力 – 顺序模拟
? 针对顺序加载,在Details of Bolt Pretension的Define By选 项提供了如下选项:
– Load 或Adjustment j :如前面所讲定义 如前面所讲定义 – Lock : 固定所有位移(载荷施加和保持) – Open :保持预紧力 “open” (即无预紧力)

Training Manual

2 4 3 1
? 螺栓载荷提示: – 只用于三维模拟 – 只用于圆柱形面体或实体 – 需要精确的网格划分(在轴向上至少得有2个单元)

4-29

Static Structural Analysis

. . . 线压力
? 线压力载荷:

Training Manual

– 只能用于三维模拟中,通过载荷密度形式给一个边上施加一个分布载荷 – 单位是单位长度上的载荷 – 可按以下方式定义:
? 幅值和向量 ? 幅值和分量方向 (总体或者局部坐标系) ? 幅值和切向

4-30

Static Structural Analysis

… 约束
? 固定约束:
– 限制点、边或面的所有自由度
? 实体:限制x, y和 z方向上的移动 ? 面体和线体:限制 x, y和 z方向上的移动和绕各轴的转动

Training Manual

? 已知位移:
– 在点、边或面上施加已知位移 在点 边或面上施加已知位移 – 允许给出x、y和z方向上的平动位移(在用户定义坐标系下) – “0”表示该方向是受限的,而空白表示该方向自由。

? 弹性约束:
– 允许在面/边界上模拟弹簧行为 – 基础的刚度为使基础产生单位法向偏移所需要的压力

4-31

Static Structural Analysis

… 约束
? 无摩擦约束:
– 在面上施加法向约束(固定) – 对实体而言,可以用于模拟对称边界约束 对实体而言 可以用于模拟对称边界约束 – 例如

Training Manual

在径向是固定的

面内可以自由移动

面外的移动是受限的 在轴向和切向是自 由的

4-32

Static Structural Analysis

… 约束
? 圆柱面约束:
– 为轴向、径向或切向约束提供单独控制 – 施加在圆柱面上
径向

Training Manual

切向 例如. . . 轴向

4-33

Static Structural Analysis

… 约束(实体)
? 仅有压缩的约束:
– 只能在正常压缩方向施加约束 – 可以模拟圆柱面上受 模拟 柱 上 销钉、螺栓等的作用
– 需要进行迭代(非线性)求解

Training Manual

载荷

只可压缩 载荷

4-34

Static Structural Analysis

… 约束(线/面实体)
? 简单约束:
– 可以施加在梁或壳体的边缘或者顶点上 – 限制平移,但是所有旋转都是自由的 制平移 但是所有旋转都是自由的

Training Manual

? 约束转动:
– 可以施加在壳或梁的表面、边缘或者顶点上 – 约束旋转,但是平移不限制
平动受限 平动自由

转动自由

转动受限

简单约束边
4-35

约束转动边

Static Structural Analysis

… 热加载
? 热条件:
– 在结构分析中施加一个均匀温度 – 出现在结构分析的Loads L d 下拉选项中 – 必须指定参考温度(见下一页)

Training Manual

4-36

Static Structural Analysis

… 热加载
? 温度差会在结构中导致热膨胀或热传导 :
– 热应变(εth) 按下式计算:
x th y th

Training Manual

ε = ε = ε = α (T ? Tref )
z th

– – – –

α = 热膨胀系数 (CTE材料特性 ) Tref = 参考温度 (热应变为0时的温度) T = 施加的温度(见前面页) 在整体环境中定义参考温度,或把它作为单个实体的特性进行定义。

4-37

Static Structural Analysis

… 求解模型
? 点击在标准工具箱里的Solve按钮,求解模型:
– 默认两个处理器进行求解 – 通过 Tools > Solve Process Settings设置使用的处理器个数

Training Manual

4-38

Static Structural Analysis

E. 作业 4.1 – 线性结构分析
? 作业 4.1 – 线性结构分析 ? 目标:

Training Manual

– 分析由5部分组成的叶轮式泵模型,在皮带上有一个100N的预紧力。

4-39

Static Structural Analysis

F. 结果和后处理
? 在后处理中可以得到多种不同的结果:
– – – – 各个方向变形及总变形 应力应变分量 主应力应变或者应力应变不变量 应力应变分量、主应力应变或者应力应变不变量。 接触输出 支反力

Training Manual

? 在DS中,结果通常是在计算前指定的,但是它们也可以在计算完成后指定 中 结果通常是在计算前指定的 但是它们也可以在计算完成后指定 。
– 如果求解一个模型后再指定结果,可以点击Solve按钮 果。 – 不需要新的求解 ,然后就可以检索结

4-40

Static Structural Analysis

… 显示结果
? 经常在变形的几何体上显示云图和矢量图。 ? 利用Context Toolbar改变结果的显示。

Training Manual

4-41

Static Structural Analysis

… 变形
? 可以显示模型的变形:
– 整体变形是一个标量:
2 2 Utotal = U x +U y + U z2

Training Manual

– 在Directional里可以指定变形的x,y和z分量,显示在整体或局部坐标系中。 – 可以得到变形的矢量图 (如下)

4-42

Static Structural Analysis

… 应力和应变
? 应力和应变:

Training Manual

– 应力和弹性应变有六个分量 (x, y, z, xy, yz, xz),而热应变有三个分量 (x, y, z)。 – 对应力和应变而言,它们的分量可以在 对应力和应变而言 它们的分量可以在Normal和Shear里指定,而对于热应变,在 里指定 而对于热应变 在 Thermal中指定。 – 主应力关系 : s1 > s2 > s3 – 强度定义为下面值的最大绝对值:
? s1 - s2, s2 - s3 或s3 - s1

4-43

Static Structural Analysis

… 应力工具
? 安全系数(应用4种失效理论) :
– 柔性理论:
? 最大等效应力 ? 最大剪切应力

Training Manual

– 脆性理论:
? Mohr-Coulomb应力

? 最大拉伸应力

– 使用每个安全因子的应力工具,都可以绘制出安全 边界和应力比。

4-44

Static Structural Analysis

… 接触结果
? 通过Solution下的 Contact Tool可以得到接触结果

Training Manual

4-45

Static Structural Analysis

… 接触结果
? 为 Contact Tool选择接触域(2种方法) :
1. Worksheet view (details): 从表单中选择接触域
? 接触面,目标面或同时选择两者 接触面 目标面或同时选择两者

Training Manual

2. Geometry:在图形窗口中选择接触域

4-46

Static Structural Analysis

用户自定义结果
? 除了标准结果,用户可以插入自定义结果 ? 可以包括数学表达式和多个结果的组合 ? 按两种方式定义:
– 选择solution菜单中的 User Defined Result

Training Manual

– 或在 在 Solution Worksheet中选中结果后点击鼠标右键选择 中选中结 点击鼠标 键选 Create User Defined Result.

4-47

Static Structural Analysis

. . .用户自定义结果
? 在Details of User Defined Result中,表达式 允许使用各种数学操作符号,包括平方根、绝 对值 指数等 对值,指数等。 ? 用户定义结果可以用一种Identifier(标识符) 来标注 ? 结果图例包含identifier (标识符)和表达式

Training Manual

4-48

Static Structural Analysis

G. 作业 4.2 – 二维结构分析
? ? ? 作业 4.2 – 二维结构分析 二维结构分析 这里给出的是二维轴对称模型

Training Manual

压力盖

弹簧卡环

4-49


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