当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

ansys宝典高清教程2


ANSYS 12.0





施加载荷与求解过程

◆ 载荷与载荷步 ◆ 载荷步选项与多步载荷的创建

◆ 载荷的施加 ◆ 求解

在建立有限元模型之后, 就可以根据结构在工程实际中的应用情况为其制定位移边界条件和载 荷,并选择适当的求解器进行求解。在 ANSYS 中,载荷包括边界条件和外部作用力,即位移边界 和力边界。ANSYS 能够求解由有限元方法建立的联立方程,求解的结果包括:节点的自由度解,为 基本解;原始解的导出解,为单元解。单元解通常是在单元的积分点上计算出来的。 施加载荷和求解过程是 ANSYS 有限元分析中的一个非常重要的组成部分,主要包括确定分析 类型和分析选项、施加载荷到几何模型、确定载荷步选项、选择求解的方式和开始求解分析运算等 内容。本章首先介绍载荷与载荷步的基本知识,然后介绍载荷的施加,接着介绍载荷步选项与多步 载荷的创建,最后介绍 ANSYS 的求解功能。

3.1 载荷与载荷步
在 ANSYS 中,载荷包括所有边界条件以及外部或内部作用效应,可以施加在实体模型(如关 键点、线和面)或有限元模型(单元和节点)上。若是在实体模型上施加载荷,ANSYS 求解时会自 动将这些载荷转换到相应的节点和单元上。 载荷步仅仅是为了获得解答的载荷配置。 在线性静态或 稳态分析中,可以对不同的载荷步施加不同的载荷组合;在瞬态分析中,多个载荷步会加到载荷历

70





施加载荷与求解过程

程曲线的不同区段。本节阐述 ANSYS 中载荷和载荷步的相关概念及操作技巧。

3.1.1

载荷的分类

在 ANSYS 中,载荷包括边界条件和外部作用力。实际上,ANSYS 的功能就是分析有限元模型 在不同外部作用力以及不同边界条件作用下的响应。 对于不同分析类型,载荷可分为以下几种不同种类。

? 结构分析中常见的载荷:力、压力、重力、位移边界条件等。 ? 热分析中常见的载荷:温度、热流变率、对流边界条件等。 ? 磁场分析中常见的载荷:磁势、磁通量边界条件等。 读者可以根据要进行分析的内容,来重点掌握某类分析所对应的载荷,对其他分 析类型的载荷及其加载方式只作简单了解即可。 为了真实地反映实际物理情况,从物理特性方面,ANSYS 的载荷分为 6 大类:位移(DOF)约 束、力(集中载荷) 、表面载荷、体积载荷、惯性力和耦合场载荷。 下面分别对这 6 类载荷进行简单说明。

? 位移约束(DOF Constraint) :将给定某一自由度的已知值。例如,在结构分析中,约束被 指定为位移和对称边界条件;在热力学分析中,被指定为温度和与热通量平行的边界条件。 ? 集中力载荷:施加于模型节点的集中载荷。例如在结构的桁架分析中,施加于某个弦节点 上的力 F 为 10000N 等。 ? 表面载荷:施加于某个面的分布载荷。例如在结构分析中为面压力。 ? 体积载荷: 体积或场载荷。 例如螺管线圈磁场分析中, 施加于螺管线圈内部的体电流密度。

71

ANSYS 12.0 ? 惯性载荷:由物体惯性引起的载荷。如结构分析中的重力加速度、角速度和角加速度。 ? 耦合场载荷:可以认为是以上载荷的一种特殊情况,指将一种分析得到的结果作为另一种 分析的载荷。例如,将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。

3.1.2

载荷步、子步与平衡迭代

确定载荷的种类后,如何在 ANSYS 中描述一个载荷的加载过程?这就需要了解载荷步、子步 以及平衡迭代的相关知识。 载荷步是指为了获得解答所施加的载荷所作的相关配置。 在线性静态或稳态分析中, 可以使用 不同的载荷步施加不同的载荷组合。在瞬态分析中,多个载荷步会加到载荷历程曲线的不同区段。 ANSYS 程序将为第一个载荷步选择的单元用于随后的载荷步, 而不论用户为随后的载荷步指定 哪个单元组。 图 3.1 显示了一个需要 3 个载荷步的载荷历程曲线:第一个载荷步用于线性载荷,第二个载荷 步用于不变载荷,第三个载荷步用于卸载。载荷值在载荷步的结束点达到全值(指定的值) 。
载荷 载荷步

时间

图 3.1

多个载荷步

不同载荷步通常施加同样类型的载荷,只是载荷类型的大小有所不同。但在一些 多场耦合分析中,也可以施加不同类型的载荷。 子步(Sub Step)为载荷步中进行求解的点(由程序定义载荷增量) 。由于不同的原因,有时

72





施加载荷与求解过程

需要使用载荷子步。在非线性静态或稳态分析中,使用子步逐渐施加载荷以获得精确解;在线性或 非线性瞬态分析中,使用子步是为了满足瞬态时间累积法则(为获得精确解,通常规定一个最小累 积时间步长) ;在谐波分析中,使用子步可获得谐波频率范围内多个频率处的解。 平衡迭代是在给定子步下为了收敛而进行的附加计算。 在非线性分析中, 平衡迭代作为一种迭 代修正,具有重要作用,迭代计算多次收敛后得到该载荷子步的解。例如,对二维非线性静态磁场 分析,未获得精确解时,通常使用两个载荷步,如图 3.2 所示。第一个载荷步,载荷逐渐加到 5~10 个子步以上, 每个子步仅用一个平衡迭代; 第二个载荷步, 得到最终收敛解, 且仅有一个使用 15~25 次平衡迭代的子步。
载荷 子步 载荷步 最终 载荷 值 平衡迭代

子步

图 3.2

载荷步、子步和平衡迭代

3.1.3

跟踪中时间的作用

在所有静态和瞬态分析中,不论分析是否依赖于时间,ANSYS 使用时间作为跟踪参数。其好处 如下。

? 在所有情况下均可以使用一个不变的“计数器”或“跟踪器” 不需要依赖具体的分析内容。 , ? 时间总是单调增加的,且不论该时间是多么短暂,自然界中大多数事情的发生都会经历 一段时间。
73

ANSYS 12.0

在瞬态分析或与速率相关的静态分析(蠕变或粘塑性)中,时间是指具体的、代表实际的、按 年月顺序的时间,用秒表示。在指定载荷历程时,在每个载荷步的结束点赋时间值。然而在不依赖 于速率的分析中,时间仅仅作为一个识别载荷步和载荷子步的计数器,而不再表示具体的时间值。 这样计算得到的结果也将是与时间有关的函数,只不过在静力分析中,时间取为常量 0;在瞬 态等与速率相关的分析中,时间作为表示真实时间历程的变量在变化;在其他分析中,时间仅仅作 为一个计数器,识别求解时所采用的不同载荷步。 从时间的概念上来讲, 载荷步就是作用在给定时间间隔内的一系列载荷; 子步为载荷步中的时 间点,并在这些点上求得中间解。两个连续的子步之间的时间差称为时间步长或时间增量。

3.1.4

阶跃载荷与斜坡载荷

虽然前文已经提及, 在载荷步的终点的载荷值为指定的值, 但当在一个载荷步中指定一个以上 的子步时,就出现了载荷应为阶跃载荷(Stepped Load)还是线性斜坡载荷(Ramped Load)的 问题,即出现了在一个载荷步的起点与终点之间,载荷的具体施加过程的问题。 如果载荷是阶跃的,那么,全部载荷施加于第一个载荷子步,且在载荷步的其余部分载荷保持 不变,如图 3.3(a)所示。 如果载荷是逐渐递增的,那么在每个载荷子步,载荷值逐渐增加,且全部载荷出现在载荷步结 束时,如图 3.3(b)所示。

74





施加载荷与求解过程

a) 阶跃载荷 图 3.3 阶跃载荷和斜坡载荷

b) 斜坡载荷

3.2

载荷的施加

大多数载荷既可以施加于实体模型(关键点、线和面)上,也可以施加于有限元模型(节点和 单元)上。但 ANSYS 的求解器期望所有载荷应该依据有限元模型,因此,如果将载荷施加于实体 模型,在开始求解时,ANSYS 会自动将这些载荷转换到节点和单元上,当然也可以通过命令转换。

3.2.1

位移约束

位移约束又称 DOF 约束,是对模型在空间中的自由度进行约束。位移约束可施加于节点、关 键点、线和面上,用来限制对象某一方向上的自由度。不同学科中可被约束的相应自由度不同,如 表 3.1 所示。

表 3.1 学科 结构分析

不同学科中可用的位移约束 ANSYS 标识符 UX,UY,UZ ROTX,ROTY,ROTZ TEMP

自由度 平动 转动

热分析

温度

75

ANSYS 12.0
磁场分析 矢量势 标量势 电场分析 电势 AX,AY,AZ MAG VOLT

各个自由度约束的方向是基于节点坐标系而定的。

从载荷的加载方式可知, 自由度约束可以直接加载到有限元载荷的节点上, 也可以施加到实体 模型中的关键点、线和面上。

3.2.1.1 位移约束的施加
下面以结构分析中的位移约束施加为例,讲解如何施加位移约束。 选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement 命令,展开结构 分析中的位移加载子菜单,如图 3.4 所示。

图 3.4

结构分析中的位移加载子菜单

该子菜单中的各菜单项如下。

? On Lines:在线上施加约束。 ? On Areas:在面上施加约束。 ? On Keypoints:在关键点上施加约束。

76

第 ? On Nodes:在节点上施加约束。 ? On Node Components:在节点组件上施加约束。



施加载荷与求解过程

? Symmetry B.C.和 Antisymm B.C.:对称边界条件和反对称边界条件。

B.C.为 Boudary Condition(边界条件)的缩写。

下面以矩形厚板为例,介绍位移约束的常用操作。 启动 ANSYS,选择 Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Block→By 2 Corners & Z 命令,在弹出的对话框中输入 Width 为 20,Height 为 20,Depth 为 5,单 击 OK 按钮得到如图 3.5 所示的实体模型。 选择 Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete 命令, 按第 2 章所介绍 的方法定义单元类型为 SOLID65。 单击工具栏上的 SAVE_DB 按钮保存当前模型,本章后面的内容还要用到此模型。 本步骤为保存操作,也可单击工具栏上的 按钮保存当前模型。

选 择 Main Menu → Solution → Define Loads → Apply → Structural → Displacement → On Keypoints 命令,弹出如图 3.6 所示的图形拾取对话框。在文本框中输入 5 或者用鼠标在 图形视窗中选择关键点 5,然后单击 OK 按钮,如图 3.6 所示。

图 3.5

实体模型

77

ANSYS 12.0 在没有进行单元类型定义之前,位移约束的施加菜单为不可见状态。因此,建议 读者在进行有限元分析时先定义单元类型及实常数等属性。 接着弹出如图 3.7 所示的 Apply U,ROT on KPs 对话框。在 DOFs to be constrained 列表 框中选择 ALL DOF 选项,其他设置保持不变,然后单击 OK 按钮,即对关键点 5 约束了 各方向的自由度。

图 3.6

选择待施加约束的关键点

图 3.7

约束所有自由度

在图 3.7 所示的对话框的 Displacement value 文本框中需输入位移约束值,默认 值为 0,因此用户置空即表示位移约束值为 0。还可以将其设置为其他值,正值表 示沿笛卡尔坐标正向,负值表示沿笛卡尔坐标负向。 重复以上两步操作,按图 3.8 所示进行设置,为关键点 6 约束 UY 和 UZ 方向的自由度。

图 3.8

约束 UY 和 UZ

在图 3.8 所示的对话框中,DOFs to be constrained 列表框为多选列表框,可同时 选中多个自由度,选中的选项会自动变为深色,如图 3.8 所示。 施加完约束的模型如图 3.9 所示。

78





施加载荷与求解过程

图 3.9

施加完约束的模型

可以选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Delete→Structural→Displacement→On Keypoints 命令来删除关键点上施加的位移约束。当弹出图形拾取对话框后,选中要删除 约束的关键点, 单击 OK 按钮, 弹出 Delete KP Constraints 对话框, DOFs to be deleted 在 下拉列表框中选中要删除的约束方向,再单击 OK 按钮即可。 删除位移约束后,图形视窗中通常仍显示该约束的符号,此时用户从右键菜单中 选择 Replot 选项刷新屏幕即可。 对节点、线、面均可施加相应的位移约束,其操作与对关键点施加位移约束类似,不再详述。

3.2.1.2 对称和反对称约束
在有限元分析中,经常使用对称或反对称条件来简化模型。对于结构分析而言,对称边界条件 指平面外移动和平面内旋转被设置为 0, 而反对称边界条件指平面内移动和平面外旋转被设置为 0, 如图 3.10 所示。

a) 对称约束 图 3.10 对称与反对称约束

b) 反对称约束

79

ANSYS 12.0 下面以上一节中建立的矩形厚板模型为例,介绍施加对称约束的操作方法。 设置工作目录为刚才创建模型的目录,启动 ANSYS,单击工具栏上的 RESUM_DB 按钮, 恢复保存的模型数据库。 选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→Symmetry B.C.→On Areas 命令,弹出 Apply SYMM on Areas 对话框,在图形视窗中选中左侧端面。 单击 OK 按钮,对称约束即施加完毕,如图 3.11 所示,对称边界上标有 S 标记。

图 3.11

对面施加对称约束

用 户 可 选 择 Main Menu → Solution → Define Loads → Apply → Structural → Displacement→Antisymm B.C.→On Areas 命令对面施加反对称约束。施加过反对 称约束的边界上将标有 A 标记。 对节点、线施加相应对称或反对称约束的操作与之类似,在此不再详述。

3.2.1.3 耦合自由度
耦合是指几个节点的自由度取相同的值, 耦合自由度中包含一个主自由度和一个或几个从自由 度。通过耦合,可以在两个重复节点间形成铰链、销钉或滑动连接等特殊的节点自由度关系。当用 户需要使两个或更多的自由度取相同的值时,可以使用耦合自由度的方法。

由于只能对节点的自由度进行耦合,因此在进行自由度耦合之前应先划分网格。

下面以前面的矩形厚板为例,对其端面的节点自由度进行耦合操作,具体步骤如下。
80





施加载荷与求解过程

单击工具栏上的 RESUM_DB 按钮,恢复 3.2.1.1 节中保存的模型数据库。 选择 Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Volumes→Mapped→4 to 6 sided 命令, 选择图形视窗中的体,单击 OK 按钮,可得到如图 3.12 所示的网格。

图 3.12

矩形厚板单元图

选择 Utility Menu→Select→Entities 命令,弹出如图 3.13 所示的实体选择对话框。在最 上面的下拉列表框中选择 Nodes 选项,在其下面的下拉列表框中选择 By Location 选项, 并选中 Z coordinates 单选按钮,然后在 Min, Max 文本框中输入 Z 向的坐标 5,单击 OK 按钮。这样就选中了左端面上的所有节点。 选择 Main Menu→Preprocessor→Coupling / Ceqn→Couple DOFs 命令,弹出图形拾取对 话框,单击 Pick All 按钮,弹出如图 3.14 所示的对话框。

图 3.13

按位置选择节点

图 3.14

耦合自由度

在 Set reference number 文本框中输入耦合集的编号 1,在 Degree-of-freedom label 下拉列表框中选择 UZ 选项,约束 Z 向的自由度。耦合后的结果如图 3.15 所示。

81

ANSYS 12.0

图 3.15

自由度耦合结果

只允许对 UX、UY 和 UZ 3 个方向的自由度进行耦合操作。

如果要删除定义的自由度耦合,可选择 Main Menu →Preprocessor→Coupling/Ceqn→Del Coupled Sets 命令,在 Range of sets 的 3 个文本框中分别输入耦合集的起始编号、终止编号和步 长,然后单击 OK 按钮即可。

3.2.1.4 约束方程
约束方程是在节点自由度之间建立联系的通用方法, 通过约束方程可以建立更复杂的节点自由 度关系。 选择 Main Menu→Preprocessor→Coupling / Ceqn→Constraint Eqn 命令,弹出如图 3.16 所 示的约束方程对话框。该对话框中所示的约束方程为:5*(UX_1)+2*(UY_10)+3*(UZ_20) =0,其中 UX_1、UY_10 和 UZ_20 分别表示节点 1 的 UX 位移、节点 10 的 UY 位移和节点 20 的 UZ 位移。 用户可选择 Main Menu→Preprocessor→Coupling / Ceqn→Del Constr Eqn 命令删 除定义的约束方程。

82





施加载荷与求解过程

3.2.2

集中载荷

表 3.2 显示了各学科中可用的集中载荷和相应的 ANSYS 标识符。其中,标识符(如 FX,MZ, CSGY 等)所指的任何方向都在节点坐标系中。

图 3.16 表 3.2 学科 结构分析 热分析 磁场分析 力 力 力矩 热流速率 磁流段 磁通量 电荷 电流 电荷

设置约束方程

各学科中可用的“力” ANSYS 标识符 FX,FY,FZ MX,MY,MZ HEAT CSGX,CSGY,CSGZ FLUX CHRG AMPS CHRG

电场分析

从字面意义上看,集中力是将力集中到某一点上,故集中力载荷只能施加到节点 或者关键点上。 我们仍以结构分析为主来讲述施加集中力载荷的方法。 选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Force/Moment 命令,展开集中 力载荷施加子菜单,如图 3.17 所示。

83

ANSYS 12.0

图 3.17

结构分析中的集中力载荷子菜单

各级子菜单的功能如下。

? On Keypoints:在关键点上施加集中力。 ? On Nodes:在节点上施加集中力。 ? On Node Components:在节点组件上施加集中力载荷。 ? From Reactions 和 From Mag Analy:用于耦合场分析。

下面以图 3.5 所示的矩形厚板为例,通过在关键点 7、8 上施加竖向集中力,介绍集中力加 载的基本操作。 单击工具栏上的 RESUM_DB 按钮,恢复 3.2.1 节中保存的模型数据库。 选 择 Main Menu → Solution → Define Loads → Apply → Structural → Force/Moment → On Keypoints 命令,弹出图形拾取对话框,用鼠标在图形视窗中选中关键点 7 和 8,然后单 击 OK 按钮,弹出如图 3.18 所示的对话框。

图 3.18

对关键点施加集中力

在 Direction of force /mom 下拉列表框中选择 FY 选项,在 Force/moment value 文本 框中输入力的大小为 50,然后单击 OK 按钮即可,结果如图 3.19 所示。

84





施加载荷与求解过程

图 3.19

施加 Y 向的集中力

在默认情况下,若在同一个位置重新设置力或力矩,则新的设置将取代原来的 设置。 下面是对于集中载荷的其他操作。 列表显示节点的集中载荷信息: GUI: Utility Menu→List→Loads→Forces→On All Nodes Utility Menu→List→Loads→Forces→On Picked Nodes 列表显示关键点的集中载荷信息: GUI: Utility Menu→List→Loads→Forces→On All Keypoints Utility Menu→List→Loads→Forces→On Picked Keypoints 重新设置集中载荷: GUI: Main Menu→Preprocessor→Loads→Settings→Peplace vs.Add→Forces Main Menu→Solution→Settings→Peplace vs.Add→Forces 按比例缩放集中载荷: GUI: Main Menu→Preprocessor→Loads→Oprate→Transfer to FE→Forces

85

ANSYS 12.0 Main Menu→Solution→Oprate→Transfer to FE→Forces

3.2.3

表面载荷

表面载荷是结构分析中常见的一种载荷形式。在 ANSYS 中,不仅可以将表面载荷施加到线和 面上,还可以将其施加到节点和单元上;可以施加均布的载荷,也可以施加线性变化的载荷,还可 以施加按一定函数关系变化的载荷。各学科中可施加的表面载荷如表 3.3 所示。

表 3.3 学科 结构分析 热分析 表面载荷 压力 对流 热流量 无限表面 磁场分析

各学科中可施加的表面载荷 ANSYS 标识符 PRES CONV HFLUX INF MXWF INF MXWF CHRGS INF

麦克斯韦表面 无限表面

电场分析

麦克斯韦表面 表面电荷密度 无限表面

表面载荷不像集中力载荷和 DOF 约束那样直观,虽然也可以直接施加到节点上, 但其本质上属于一种分布载荷。

3.2.3.1 表面载荷的施加

86

第 我们仍然以结构分析为例,讲述如何施加表面载荷。



施加载荷与求解过程

选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure 命令,展开面载荷施加 菜单,如图 3.20 所示。

图 3.20

结构分析中的面载荷施加菜单

其下的各级子菜单如下。

? On Lines:在线上施加压力面载荷。 ? On Areas:在面上施加压力面载荷。 ? On Nodes:在节点上施加压力面载荷。 ? On Node Components:在节点组件上施加面载荷。 ? On Elements:在单元上施加压力面载荷。 ? On Element Components:在单元组件上施加压力面载荷。 ? On Beams:在梁上施加压力面载荷。 ? From Fluid Analy:用于耦合场分析。

ANSYS 程序是根据单元和单元面来存储节点上的面载荷。因此,如果对同一表面 使用节点面载荷命令和单元面载荷命令,则最后施加的面载荷命令有效。

梁单元是一种线单元,可以在其上施加侧向的压力载荷,其大小为每单位长度的力,压力可以 沿长度线性变化。

87

ANSYS 12.0 下面以简支梁为例,介绍在梁单元上施加压力的相关操作。建立简支梁模型并划分单元,得到 的简支梁单元模型如图 3.21 所示。

图 3.21

简支梁单元模型图

选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On Beams 命令, 弹出图形拾取对话框,选择单元 1,单击 Apply 按钮,弹出如图 3.22 所示的 Apply PRES on Beams 对话框。 在该对话框中设置各选项:在 Load Key 文本框中输入 1,在 Pressure value at node I 文 本框中输入 10,单击 Apply 按钮,结果如图 3.23 所示,压力载荷为均布载荷。

图 3.22

对梁单元施加面载荷

88





施加载荷与求解过程

图 3.23

施加均布载荷

选取单元 2, Apply PRES on Beams 对话框中, Load key 文本框中输入 1, Pressure 在 在 在 value at node I 文本框中输入 10,在 Pressure value at node J 文本框中输入 0。结果如 图 3.24 所示,压力载荷为三角形载荷。

图 3.24

施加三角形载荷

选取单元 3,在 Apply PRES on Beams 对话框中,设置 Load key 为 1,Pressure value at node I 为 10,Offset from I node(压力载荷起点与节点 I 的偏移距离)为 0.2。结果如 图 3.25 所示,载荷与梁单元节点有偏移。

89

ANSYS 12.0

图 3.25

施加节点/偏移载荷

Load key 用于设置压力载荷的类型,设为 1 表示从节点 I 到节点 J 的法向力,正值表示沿单 元坐标系-Y 法向;设为 2 表示节点 I 到 J 的切向力,正值表示沿单元坐标系+Z 切向;设为 3 表示 节点 I 端部轴向力,正值表示沿单元坐标系+X 轴向;设为 4 表示节点 J 端部轴向力,正值表示沿 单元坐标系-X 轴向。 对于梁单元以外的其他单元类型,可以在线、面、节点或单元上施加均布压力,其方法与施加 梁压力载荷类似,此处不再详述。

3.2.3.2 指定斜率面载荷
可以选择主菜单命令来设置线性变化的压力。接下来将用 PLANE182 单元建立一个方形板,然 后在一边上施加线性变化的压力,具体操作步骤如下。 选择单元类型为 PLANE182,建立正方形板,边长为 1,将每边划分为 4 段,进行网格划 分,如图 3.26 所示。

90





施加载荷与求解过程

图 3.26

正方形板

选择 Main Menu→Solution→Settings→For Surface Ld→Gradient 命令, 弹出的对话框如 图 3.27 所示。在 Type of surface load 下拉列表框中选择 Pressure 选项,在 Slope value 文本框中输入 10,在 Slope direction 下拉列表框中选择 X direction 选项,在 Location along Sldir 文本框中输入 0,在 Slope coordinate system 文本框中输入 0,然后单击 OK 按钮,关闭该对话框。

图 3.27

Gradient Specification for Surface Loads 对话框

选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On Nodes 命令, 弹出 Apply PRES on Nodes 对话框,选择正方形板上边的 10、13、12、11、6 这 5 个节 点,单击 OK 按钮,弹出 Apply PRES on nodes 对话框,如图 3.28 所示。

图 3.28

Apply PRES on nodes 对话框

在 Load PRES value 文本框中输入 10,单击 OK 按钮关闭该对话框。 选择 PlotCtrls→Symbols 命令, 弹出 Symbols 对话框。 在该对话框的 Surface Load symbols 下拉列表框中选择 Pressure 选项,并在 Show pres and convect as 下拉列表框中选择

91

ANSYS 12.0 Arrow 选项,然后单击 OK 按钮关闭对话框。显示结果如图 3.29 所示。

图 3.29

线性变化的压力

选择 List→Loads→On picked Nodes 命令,选择 10、13、12、11、6 这 5 个节点,列出其 压力载荷,如图 3.30 所示。

图 3.30

列表显示压力加载结果

设置斜率之后,所施加的沿斜率变化方向的压力载荷都将按该斜率线性变化。要 恢复压力载荷为均匀分布,在输入命令窗口输入“SGRAD”后按 Enter 键即可。 对于按一定的函数关系非线性变化的压力载荷, 可以运用函数加载的方法进行施加。 这里不作 详细介绍。

3.2.4

体载荷

体载荷是作用于模型体积上的载荷, 许多实体模型都支持体载荷的施加, 这也是十分常用的一 种载荷形式,需要认真了解。各学科中可施加的体载荷如表 3.4 所示。

92


表 3.4 学科 结构分析 体载荷 温度 惯性载荷 热分析 磁场分析 热生成速率 温度 电流密度 电压降 电场分析 温度 体电荷密度 各学科中可施加的体载荷



施加载荷与求解过程

ANSYS 标识符 TEMP Gravity HGEN TEMP JS VLTG TEMP CHRGD

3.2.4.1 温度载荷的施加
下面仍然以结构分析中的施加温度体载荷为例,讲述如何施加体载荷。 选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Temperature 命令,展开结构分析中的施加 温度体载荷子菜单,如图 3.31 所示。 其各级子菜单的功能如下。

? On Lines:在线上施加温度体载荷。 ? On Areas:在面上施加温度体载荷。

93

ANSYS 12.0

图 3.31

结构分析中施加温度体载荷菜单

? On Volumes:在体上施加温度体载荷。 ? On Nodes:在节点上施加温度体载荷。 ? On Node Components:在节点组件上施加温度体载荷。 ? On Elements:在单元上施加温度体载荷。 ? On Element Components:在单元组件上施加温度体载荷。 ? From Therm Analy:用于耦合场分析。 ? Uniform Temp:可以施加均匀分布的温度。 节点指定的体积载荷独立于单元上的载荷。对于一个给定的单元,ANSYS 程序按 下列方法决定使用哪一种载荷。 ◆ ANSYS 程序检查用户是否对单元指定了体积载荷。 ◆ 如果不是,则使用指定给节点的体积载荷。 下面依旧用 3.2.1 节所保存的例子简单示范温度体载荷的加载过程。 单击工具栏上的 RESUM_DB 按钮,恢复 3.2.1 节中保存的模型数据库。 选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→On Nodes 命令,弹出图形拾取对话框,选择适当的节点,单击 OK 按钮,弹出如图 3.32 所示的对 话框。

94





施加载荷与求解过程

图 3.32

施加温度体载荷

在 Temperature value 文本框中输入温度值,再单击 OK 按钮即可。 选择 Utility Menu→List→Loads→Body→On All Nodes 命令,可列表显示节点的体载荷。 可以对单元、关键点、线、面和体施加体载荷,操作与此类似,在此不再详述。有关体载荷的 施加位置,可参考 ANSYS 自带的帮助文档。

3.2.4.2 惯性载荷的施加
惯性载荷中最常见的是重力载荷。下面简单介绍重力载荷的施加步骤。 单击工具栏上的 RESUM_DB 按钮,恢复 3.2.1 节中保存的模型数据库。 建立好有限元模型后,选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→ Inertia→Gravity→Global 命令, 弹出如图 3.33 所示的 Apply (Gravitational) Acceleration 对话框。

图 3.33

施加重力载荷

在 Global Cartesian Y-comp 文本框中输入重力加速度 9.8,然后单击 OK 按钮即可。此 时图形视窗中会有一个向上的箭头表示加速度场的方向。 此命令用于对物体施加一个加速度场(非重力场) ,因此,要施加作用于负 Y 方向 的重力,应指定一个正 Y 方向的加速度。输入加速度值时应注意单位的一致性。 选择 Main Menu→Solution→Define Loads→Delete→Structural→Inertia→Gravity 命令,在 弹出的对话框中单击 OK 按钮,将删除定义的惯性载荷。

3.3

载荷步选项与多步载荷的创建
95

ANSYS 12.0 载荷步选项是各选项的总称, 这些选项包括控制载荷如何在求解过程中使用的选项以及其他选 项,如输出控制、阻尼特性设置和响应频谱数据等。载荷步是根据载荷时间历程曲线划分段数,每 一个载荷步代表载荷发生一次突变或渐变的过程。多步载荷有两种创建方式,即替换式和叠加式。 本节将着重阐述载荷步选项与多步载荷创建的内容。

3.3.1

载荷步选项

载荷步选项(Load Step Options)是用于表示控制载荷应用的选项(如时间、子步数、时间 步及载荷阶跃或逐渐递增等) 的总称, 包括普通选项和非线性选项, 这里主要讲解普通载荷步选项。 选择 Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequence→Time&Time Step 命令,弹出 时间和时间步选项对话框,如图 3.34 所示。 如果 Load Step Opts 子菜单中没有 Time/Frequency 选项,则需要完整的菜单选 项。 调出完整的菜单选项的方法为 GUI:Main Menu→Solution→Unabridged Menu。

图 3.34 96

时间和时间步选项

第 还可以通过其他方式来设置这些通用选项。



施加载荷与求解过程

GUI: Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequence→Time & Substeps,选择该菜单 命令后出现如图 3.35 所示的 Time and Substep Options(时间和子步选项)对话框。

图 3.35

时间选项与子步选项

该对话框中提供了静力分析中用到的普通载荷步选项,介绍如下。

1. TIME(时间)
该选项指定载荷步的终止时间。第一个载荷步的默认值是 1.0,以后每一个载荷步默认递增 1.0。尽管时间对静力分析没有物理意义(除了蠕变、粘塑性或其他依材料性质而定的行为) ,但涉 及到载荷步和载荷子步时,它是很方便的工具。该选项值不能为零,如果载荷步终止时间确实为零 (比如施加初始条件等特殊情况) ,可以将其指定为一个非常小的值,比如 1e-6。 GUI: Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequency→Time & Time Step

97

ANSYS 12.0 Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequency→Tme & Substeps

2. NSUBST(子步数)和 DELTIM(时间步大小)
对于瞬态分析,需要指定一个载荷步中需要的子步数。子步数可以通过不同的方法确定。 可通过指定载荷子步的时间步大小让 ANSYS 自动计操作数步数。 GUI: Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequency→Time & Time Step 该项可以给出载荷子步的时间步大小, 然后 ANSYS 程序根据整个载荷步的长度计算出子步数。 载荷子步的时间步大小由图 3.5 中 Time step size(时间步大小)文本框中的输入值决定。 也可通过直接指定载荷子步数确定子步数。 GUI: Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequency→Time & Substeps 默认情况下, ANSYS 程序在每个载荷步中使用一个子步, 此子步的时间长度与载荷步的时间长 度相同。载荷子步数由图 3.34 中 Number of substeps(载荷子步数)文本框中的输入值决定。

3. KBC(斜坡或阶跃选项)
该选项用来确定本载荷步所加的载荷值是阶跃加载(KBC,1) ,还是斜坡加载(KBC,0) 。如果 是阶跃加载, 则全部载荷值加在了第一个载荷子步上, 后续载荷子步的载荷值和第一个子步结束时 的载荷值保持相同。默认是斜坡加载,即每个子步的载荷值顺次线性增加。该选项对应图 3.33 和 图 3.34 中的 Stepped or ramped b.c.(斜坡或阶跃载荷)栏,当选中 Stepped 单选按钮时,对应 于“KBC,1” 载荷阶跃施加;选中 Ramped 单选按钮时,对应于“KBC,0” 载荷斜坡施加。 , , GUI: Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequence→Time & Time Step Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time & Substeps

4. AUTOTS(自动时间步)

98





施加载荷与求解过程

该选项对应图 3.33 和图 3.34 中的 Automatic time stepping(自动时间步)栏,激活该选项 时,ANSYS 自动计算每个子步结束时的最优时间步。默认选中 Prog Chosen(程序选择)单选按钮。 GUI: Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequence→Time & Time Step/Time & Substeps 该选项的作用也是确定载荷子步的个数。 可以指定最大和最小载荷子步数或者最长和最短时间 步数,对该选项进行控制。

3.3.2

创建多载荷步

所有载荷和载荷步选项一起构成一个载荷步,可以通过 ANSYS 程序来计算该载荷步的解。如 果有多个载荷步,可将每个载荷步存入一个文件中,开始求解时,调入该载荷步文件,并从文件中 读取载荷步数据并求解。 可使用下列方法写载荷步文件: 选择 Main Menu→Preprocessor→Loads→Load Step Opts→Write LS File 命令,所有载荷步都写 入后,可以使用命令在文件中顺序读取数据,并求得每个载荷步的解。 下面给出创建多载荷步的过程。 选择 Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequence→Time&Time Step 命令, 弹出如图 3.34 所示的对话框,在 Time at end of load step(载荷步结束时间)文本框中 输入载荷步的结束时间,并在该对话框中设置子步的相关选项,如时间步大小等,指定 载荷施加形式是阶跃载荷还是斜坡载荷,设置完成后单击 OK 按钮。 选择 Main Menu→Preprocessor→Loads→Load Step Opts→Write LS File 命令,弹出如图 3.36 所示的 Write Load Step File(写载荷步文件)对话框,在 Load step file number n ANSYS 会在当前工作目录 文本框中填入当前定义的载荷步的顺序编号, 单击 OK 按钮后, 下创建文件名为 Jobname.S0n(n 为指定值)的载荷步文件。

99

ANSYS 12.0

图 3.36

写入载荷步文件

重复前两个步骤,创建多个载荷步文件。 在载荷步文件创建后,如果需要修改某一个载荷步选项或载荷,可以将此载荷步 文件读入,修改之后再重新写入。注意,写入时指定的载荷步文件的顺序编号一 定要与读入的载荷步文件顺序编号相同。否则,其他载荷步文件将会被覆盖。 选择 Main Menu→ Preprocessor→Loads→Load Step Opts→Read LS File 命令,弹出如图 3.37 所示的 Read Load Step File(读载荷步文件)对话框,在 Load step file number n 文本框中填入欲读取的载荷步文件的顺序编号, 单击 OK 按钮, 即可读入指定的载荷步文 件。

图 3.37

读取指定载荷步文件

3.4

求解

通俗地讲,ANSYS 的求解就是解方程。ANSYS 通过各类求解器,求解由有限元方法建立的联立 方程组,其结果是得到节点的自由度解,并进一步得到单元解。单元解通常是在单元的积分点上计 算出来的,ANSYS 程序将结果写入数据库和结果文件(Jobname.RST,RTH,RMG,RFL) 。

3.4.1

求解器选择

表 3.5 提供了求解器选择的一般准则,帮助读者针对给定的问题选择合适的求解器。

表 3.5 解法 正向直接解法(直 接消除法) 100 典型应用场合

求解器选择准则 模型尺寸 低于 50000 自由度 内存使用 低 硬盘使用 高

要求稳定性(非线性分析)或 内存受限制时


稀疏矩阵直接解法 要求稳定性和求解速度(非线 性分析) ;线性分析时迭代法收 敛很慢时(尤其对病态矩阵, 如形状不好的单元) 雅可比共轭 梯度法 不完全乔类 斯基共轭梯 度法 预条件共轭 梯度法 代数多栅求 解器 在单场问题(如热、磁、声、 多物理问题)中求解速度很重 要时 在多物理模型应用中求解速 度很重要时, 处理其他迭代法 很难收敛的模型 (几乎是无穷 矩阵) 当求解速度很重要时(大型模 型的线性分析) ,尤其适合实体 单元的大型模型 与预条件共轭梯度法相同,此 外,可以在共享存储器的并行 机上升级到 8 处理器 自 由 度 为 1000000 自 由 度 为 1000000 自 由 度 为 1000000 自 由 度 为 1000000



施加载荷与求解过程
中 高

自由度为 10000~500000 (多用于板壳和梁模型)

50000 ~





50000 ~





50000 ~





50000 ~





进行求解时,程序默认的求解器是直接解法,用户若改变求解器,可按下述步骤操作。 选择 Main Menu→Solution→Analysis Type→Sol’n Controls 命令,弹出求解控制对话框, 选择其中的 Sol’n Options 选项卡,如图 3.38 所示。

图 3.38

求解控制对话框

在 Equation Solvers 栏中选择适当的求解器,单击 OK 按钮即可。 还可以选择 Main Menu→Solution→Analysis Type→Analysis Options 命令,弹出 Static or Steady-State Analysis 对话框,在该对话框中进行求解器的选择。

3.4.2

求解
101

ANSYS 12.0 在求解器中,可以定义分析类型和求解控制选项等。对应不同的分析类型,求解器的菜单形式 可能会有些不同,比如瞬态分析会出现频率相关选项和阻尼选项等。

3.4.2.1 定义分析类型
进入求解器后,首先要定义求解的类型是静力分析还是瞬态分析,是否考虑非线性影响等。也 可以选择开始新的分析或者激活一个已经存在的分析,同时对这些分析进行控制。 通常情况下需要选择开始新的分析,操作如下: 选择 Main Menu→Solution→New Analysis 命令,弹出 New Analysis(新的分析)对话框,如图 3.39 所示。 在该对话框中可以指定分析类型, Static 如 (静力分析) Modal 模态分析) Harmonic 、 ( 、 (谐响应分析) 、Transient(瞬态分析)及 Spectrum(谱分析)等。选定新的分析类型后,单击 OK 按钮确定即可。 单击 OK 按钮后,对应于不同的分析类型,可能会弹出进一步的设定对话框或者出现不同的菜 单选项,至于具体的选项设定和解释,可以参看本书后面的相关篇章。

图 3.39

定义分析类型

分析类型默认为静力分析(Static) ,对应求解控制选项菜单也是对应于静力分析的。

3.4.2.2 求解控制

102





施加载荷与求解过程

选择 Main Menu→Solution→Analysis Type→Sol’n Controls 命令,弹出 Solution Controls(求解 控制)对话框,如图 3.40 所示。 在瞬态分析时,该对话框中的瞬态选项卡也将有效。在 Basic(基本)选项卡下的 Analysis Options(分析选项)控制区中,选择要分析的问题的类型为 Small Displacement Static(小变形 静力稳态) 、Large Displacement Static(大变形静力稳态) 、Small Displacement Transient(小变 形瞬态)和 Large Displacement Transient(大变形瞬态) ,默认选项为 Small Displacement Static (小变形静力分析) 。在 Write Items to Results File(结果文件输出项目)控制区中,一般选择 All solution items 所有求解条目) ( 单选按钮, 以将所有求解的内容全部输出 (选择 Main Menu→Solution →Load Step Opts→Output Ctrls 命令也可以定义求解内容的输出控制,这两者是等效的) 。在 Frequency(频率点)控制区中,一般选择 Write every substep(输出所有子步)选项(是在定义 有多个载荷子步的情况下) 。 在 Basic 选项卡中还提供了载荷步的设置选项, 这些选项和本章前面所讲述的含义及作用都是 相同的,在此不再赘述。

图 3.40

求解控制对话框

103

ANSYS 12.0 在 Sol’n Options(求解选项)选项卡(如图 3.41 所示)下提供了 Equation Solvers(方程求 解器)的选项,以供选择求解有限元联立方程的求解器。一般选择 Program chosen solver 选项, 使方程求解器由程序来自动选定。

图 3.41

求解选项控制卡

在 Advanced NL(高级)选项卡中(如图 3.42 所示) ,值得注意的是有一个菜单控制按钮,该 按钮控制是否精简有关菜单项。一般情况下,这些被精简的菜单项可能并不会被用到,比如在静力 分析时的载荷步选项等, 但在瞬态分析等需要用到载荷步选项菜单时, 可以单击该按钮使因被精简 而隐藏的菜单项显示出来。 该按钮是一个开关式按钮, 再单击一次, 精简菜单项将又会被隐藏起来。

104


图 3.42 高级选项卡



施加载荷与求解过程

需要注意的是,求解控制菜单项并不是在所有分析类型中都可用。

3.4.2.3 分析选项
通常情况下,选择 Main Menu→Solution→Analysis Type→Sol’n Controls 命令,在弹出的对话 框中单击 Advanced NL 选项卡中的 按钮后,才会出现分析选项菜单项。在

保证将精简菜单展开之后,选择 Main Menu→Solution→Analysis Options 命令,会弹出分析选项对 话框。这些选项在具体的分析类型中有着不同的设置项,因此,对应于具体的分析类型,可以参考 本书后面的相关篇章和 ANSYS 的在线帮助。

3.4.2.4 进行求解
对于通常的单载荷步的问题,如大部分的静力分析问题,可以直接通过以下方法进行求解: 选择 Main Menu→Solution→Current Ls 命令。 本节将着重讲述多载荷步问题的求解。多载荷步问题的求解可以采用以下两种方法。

? 载荷步文件法。 ? 多步求解法。

载荷步文件法需要用到在 3.1.2 节中介绍的载荷步文件。 该方法通过一条命令依次读入每个档 并分别解答。使用该方法的具体步骤如下。 定义载荷步。 写载荷步文件。 重复前两个步骤,直到所有载荷步文件写入完毕。 选择 Main Menu→Solution→Solve→From Ls Files 命令,弹出 Solve Load Step Files(求 解载荷步文件)对话框,如图 3.43 所示。

105

ANSYS 12.0

图 3.43

求解载荷步文件

在 Starting LS file number(起始载荷步文件编号)文本框中输入起始载荷步文件号,在 Ending LS file number(结束载荷步文件编号)文本框中输入结束载荷步文件编号,在 File number increment(文件号增量)文本框中输入文件号之间的增量。其中,文件号 即写出载荷步文件时所指定的编号,对应于文件名 Jobname.S0n 中的 n。设置完毕后单 击 OK 按钮,即可开始多载荷步的求解。 这种方法的缺点是一旦开始求解, 就不能对某个载荷步进行修改, 只有等待所有载荷步求解完 毕。这种方法适用于批处理。 也可以通过命令方式(LSSOLVE)执行多载荷步文件的求解,其实该命令是一条宏指令,它按 顺序读取指定的载荷步文件,并根据读取的载荷文件进行求解。 另一种方法是使用多步求解法求解,这种方法是最直接的,它在每个载荷步定义好后执行 SOLVE 命令。这种方法的主要缺点就是不能批处理。使用这种方法的步骤如下。 定义当前载荷步的载荷工况。 执行 SOLVE(GUI:Main Menu→Solution→Current Ls)命令求解当前载荷步。 重复前两个步骤,直至所有载荷步都被定义并求解。

3.5

小结

本章主要讲解了 ANSYS 基本流程中的加载和求解的步骤,由于不同的问题对应着不同的边界 条件及载荷, 所以本章只对各类分析所通用的内容进行讲解。 施加载荷和求解都是有限元分析中十 分重要的部分,通过本章的学习,我们对 ANSYS 中的载荷有了全新的认识,并对载荷步选项有了 全面的了解,同时熟练掌握了 ANSYS 的求解方法,对特定的求解器、多载荷步求解等内容有了较
106





施加载荷与求解过程

为全面的了解。但是,用户只有通过对 ANSYS 实例的不间断练习,才能真正熟练掌握加载和求解 的方法。







107


相关文章:
ANSYS中的一些技巧
2、命令方式 直接执行命令: *ABBR(Abbrevation 的缩写),ANSYS 的 db 文件自动...在家全套瑜伽练习教程 160份文档 四季养生 中医养生与保健 中医养生知识大全 女...
ANSYS SpaceClaim软件常用技巧
ANSYS SpaceClaim软件常用技巧_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。ANSYS Space...技巧二:去除凸台类特征 使用鼠标框选住需要去除特征,注意鼠标鼠标拖动的方向是从...
ansys技巧大全
次开发调试技术次开发调试技术(摘自 ANSYS 用户专区)- 在调试用户子程序过程中,可以利用非《ANSYS 命令参考手册》某些命令和其它 特性帮助用户提供许多有 用的...
ansys使用小技巧
ansys 使用小技巧 1、截图命令 /image,save,filename,bmp.其中 filename 是图片文件名,bmp 为图片格式,也 可以是 jpg 格式 2、修改背景色 /RGB,INDEX,100,100...
ansys12.1安装图文教程
2.安装 ansys 程序打开“我的电脑”,双击这个图标: 或者在打开后的文件夹里...应届生求职季宝典 英文个人简历模板 创意简历模板汇集 推理型题分析与总结文档...
ANSYS10.0图解安装教程
ANSYS10.0图解安装教程_电脑基础知识_IT/计算机_专业资料。ANSYS10.0图解安装...“是” 11、弹出第二个“question”对话框,点“否” 12、弹出第三个“...
比较全、有深度的Ansys网站总结
资源宝典,命令流,以及 ANSYS 帮助等下载 (6):化工设备 CAD 网 http://go8...2.118.237.78/pub/e-book/ansys/nsys55 培训教材/ 3 Ansys-manual.rar(...
ANSYS常用功能
2 ANSYS软件的主要功能 ANSYS软件提供了对各种物理场量的分析,是一种能够融结构...小学英语教学教研工作总结89份文档 应届生求职季宝典 英文个人简历模板 创意简历...
ansys热分析入门教程
ansys热分析入门教程_IT/计算机_专业资料。ANSYS热分析入门 No Boundaries ANSYS...ANSYS的热分析 ? 在 ANSYS/Multiphysics 、 ANSYS/Mechanical 、 ANSYS/...
ANSYS后处理技巧
ANSYS的后处理技巧_txt 15页 1下载券 ansys contour后处理技巧... 2页 1下载...(6). 应力等值线与应力等值线动画 应力等值线方法可清晰描述一种结果在整个...
更多相关标签: