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1、ANSYS加载与求解,一、载荷种类,在不同的学科中，载荷的具体含义也不尽相同结构分析：位移、力、压力、温度、重力；热力分析：温度、热流速率、对流、内部热生成等；磁场分析：磁场、磁通量、磁场段、源流密度、；电场分析：电势（电压）、电流、电荷、电荷密度等；流体分析：流速、压力等,对不同学科而言，载荷分为六类：,（2）Force（集中载荷或力载荷）：施加于模型节点上的集中载荷。在结构分析中被指定为力和力矩；（3）Surface load(表面载荷)：为施加于模型某个表面上的分布载荷。在结构分析中被指定为压力；（4）Body load(体积载荷)：为施加于模型上的体积载荷或者场载荷。在结构分析中为温度
2、。（5）Inertia load（惯性载荷）：由物体的惯性引起的载荷，如重力加速度、角加速度。主要在结构分析中使用。（6）Coupled-field loads（耦合场载荷）：为以上载荷的一种特殊情况，是从一种分析得到的结果作为另一种分析的载荷。,（1） DOF constraint(DOF约束）:定义节点的自由度值，在结构分析中该约束被指定为位移和对称边界条件。,1 . 施加在实体模型上ANSYS在求解前先将载荷转化到有限元模型上。优点: （1）模型载荷独立于有限元网格之外，不必因为网格重 新划分而重新加载； （2）通过图形拾取加载时，实体较少，施加载荷简易。缺点: 施加关键点约束的扩展时，
3、在两个关键点施加的约束会扩展到关键点之间的直线上所有的节点上，有时这种约束并不是实际的约束情况。,二、加载方式及其优缺点,施加在有限元模型上优点： （1）约束可以直接施加在节点上，所以扩展约束没有影响；（2）载荷可以直接施加在节点上缺点：（1）任何对于有限元网格的修改都会使已施加的载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格上重新施加载荷；（2）不方便处理线载荷和面载荷，因为原来施加在一条线上的载荷需要逐个节点来拾取，原来施加在一个面上的载荷需要逐个单元来拾取，非常麻烦。,结构分析涉及到的所有载荷中，惯性载荷施加于整个模型，除此之外，其它载荷既可以施加于实体图元（点、线、面），也可以施加在有限元模型
4、上（结点、单元）。载荷可以进行施加(Apply)、删除(Delete)、运算(Operate)。步骤：1选择载荷形式 2选择加载的对象 3指定载荷的方向和数值,三、载荷的施加,在结构分析中，DOF约束中有UX、UY、UZ(X、Y、Z方向平动自由度）及RTOX、RTOY、RTOZ （X、Y、Z方向的转动自由度），位移方向与总体坐标轴正向相同时取正值，否则取负值。DOF的复杂情况：施加对称或者反对称DOF约束施加耦合DOF约束,1 加载自由度(DOF)约束,关键点的扩展约束,K1,K2,在关键点（或节点）上加载位移约束,在线（或面）上加载位移约束,对称约束与反对称约束的示意图：,解释：对于如图给定
5、的坐标系而言，对称约束表示对称面上所有点UX=0，ROTZ0，ROTY0,在对称面上的对称约束和反对称约束：（1）对称约束限制对称面内所有节点的两个方向旋转自由度，同时限制了垂直于对称面的位移自由度。（2）反对称约束限制了对称面内所有节点在对称面内的两个方向位移自由度，同时限制了垂直于对称面的旋转自由度。,力（FX、FY、FZ）：X轴、Y轴、Z轴方向的集中力力矩（MX、MY、MZ）：绕X轴、Y轴、Z轴的力矩只能施加在关键点和节点上。,2 施加集中载荷,正值表示力的方向与坐标轴正向一致，负值表示力的方向与坐标轴正向相反,当表面载荷方向指向物体内部时取正值，否则取负值，ANSYS不仅可以将表面载荷
6、施加在线上、面上，还可以将表面载荷施加在节点、单元以及梁上。在线（或面）上施加分布载荷,3 施加分布载荷,若分布载荷为均布载荷，只需在对话框的第一个输入栏中输入相应的分布载荷值； 若同时输入第二个值，从线的起始到终点，沿线的方向，承受从第一个值到第二个值线性过渡的分布载荷。 注意： ANSYS中的线是有方向的，相当于从起始关键点到终止关键点的一条矢量线，这在很多分析中非常重要。观察方向从实用菜单PlotCtrlsSymbol中设置Line dirrction on,线上分布力加载的起始方向,在相连的几个节点上施加分布载荷,注意：在节点上施加分布载荷必须选取两个以上的节点,在单元上施加分布载荷,
7、单元上的载荷是均布的，只在VALUE输入框中输入载荷值即可；如果不是均布载荷，则需要输入其它节点上的载荷值。各节点之间的载荷分布规律，按线性变化处理。,4 施加体积载荷,在结构分析当中，体积载荷是温度。在ANSYS程序当中，体积载荷可以施加在节点、关键点、线、面、体、单元上,5 施加惯性力载荷,在结构分析中，惯性载荷有加速度、角加速度等。惯性载荷只有在模型具有质量的时候才有效。ANSYS程序不允许用户删除惯性载荷，要取消惯性载荷只需将其值设为0,参数说明：NSET耦合标号；Lab耦合自由度；GUI方式在弹出拾取对话框后，拾取需要耦合的若干节点，单击OK，进入耦合设置对话框，,设置耦合约束来模拟
8、铰链、无摩擦滑动器、万向节、无摩擦接触面等问题。一个耦合约束是设置一组被约束在一起，有着相同大小但数值未知的自由度。,6 耦合约束(Couple DOFs),耦合编号,提示：（1）耦合设置的标号是为了区分不同耦合设置的，必须是一个自然数，每次生成新的耦合都应该输入不同的标号；（2）耦合设定的都是节点，因此耦合操作必须在划分单元后进行，不可以耦合关键点、线和面； 对于需要在同一位置的所有节点之间自动生成耦合关系的情况，选择主菜单中：GUI :PreprocessorCoupling/CeqnCoincident Nodes，如左图所示。,在对话框中选择耦合自由度，然后输入容差的值，单击OK，则完
9、成距离小于容差设定的相同位置节点的自由度耦合。,例如：需要耦合节点30、31、32的X方向自由度，使之成为一个可以沿Y轴滑动的滑动副，使用如下命令：,四 载荷显示与控制,1、在图形中显示载荷,2、载荷的删除,求解的过程大部分是由计算机自动完成的，在完成建模和加载工作后，就可以直接进行ANSYS求解了。,3 求解过程控制,用当前载荷步求解,对求解过程进行控制设置，主要包括：（1）分析类型设置；（2）求解基本选项设置；,模态分析,谐波分析,瞬态分析,频谱分析,子结构分析,分析类型设置,求解基本选项设置,矩形截面超静定粱的受力与约束情况和截面如图所示，b=20mm,h=80mm ，材料的弹性模量为2
10、.1x105MPa，,泊松比为0.3。集中力P=1000N，分布载荷q=200N/m 。求粱的支反力、最大位移及最大位移出现的位置。,实例,如图所示有一工字形截面的外伸梁，外伸端长度为a=1m，跨度l=2m，外伸端受到W=10KN/m的均布载荷的作用。弹性模量E=200GPa，泊松比为0.3.求此外伸梁跨中的最大挠度。,实例,实例,平面问题：板中圆孔的应力集中如图所示板件，其中心位置有一个小圆孔，尺寸(mm)如图所示。,弹性模量E2105N/mm2，泊松比v=0.3拉伸载荷:q=20N/mm平板的厚度：t=20mm,解题思路分析：1.属于平面应力问题2.中心带孔，应使用8节点四边形单元或三角形
11、单元3.注意单位：尺寸mm，力N，故应力N/mm24.最大变形约为0.001mm（忽略孔的影响）,最大应力在孔的顶部和底部，大小约为3.9N/mm2，即3.9MPa。依次检验有限元的分析结果。,一. 相关设置设置jobname、Title；二.建立网格模型1.创建几何模型：2.定义单元类型：Quad 8node 82单元；设置平面应力单元的厚度，单击单元类型表中的options按钮，弹出PLANE82选项设置窗口，在K3对应的方框中选择“Plane strs w/thk”，使得可以设置板的厚度。,3.定义实常数：PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete
12、。输入板的厚度20,4.定义材料特性：EX200000，PRXY0.35.定义网格尺寸：网格边长25，划自由网格。6. 保存工作,三. 加载和求解1.定义分析类型：SolutionAnalysis TypeNew Analysis ，设为Static，2.施加约束：3.施加载荷：板右侧边缘上有一个背离平板的20N/mm的均布线载荷，则均布压力线载荷除以板厚20mm1N/mm2。对模型右侧边施加1的均布表面压力。SolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines4. 求解：SolutionSolveCurrent LS,网格模型图,约束、载荷模
13、型图,三.检查计算结果，观察收敛情况,决定是否修改网格模型1.节点最大应力检查,2. 修改网格模型：这里选择将孔周围的单元进行网格细化。运用MeshTool的Refine完成，细化级别1。,孔周围要细化的单元,细化后的网格,3.重新计算：这时检查孔顶部最大等效应力（编号可能会改变）3.39N/mm2四. 后处理1.绘制变形图：General PostprocPlot ResultsDeformed ShapeDef+undeformed从图中可以看出孔的变形情况、整体变形情况，并且从图中左上角说明得知，最大位移0.00124mm2.绘制等效应力云图： General PostprocPlot
14、ResultsContour plotNodal Solution，在弹出的窗口中选von Mises SEQV，得到等效应力云图如下页所示。,整体变形图,等效应力云图,实例：平面对称问题,实例2：如图平板，尺寸（mm）及载荷如图所示。已知板厚t=2mm，材料弹性模量E2105N/mm2,泊松比v=0.3，求平板的最大应力及其位移。,解题思路：1.该问题属于平面应力问题2.根据平板结构的对称性，只需分析其中的四分之一即可。即如下简化模型：,简化分析模型,3. 几何边界、载荷、网格模型以及求解过程的有限元模型,边界、载荷、网格模型(映射网格),有限元模型,4. 求解结果及其分析 （1）一般性分析
15、 查计算结果可知，平板的最右侧中点位移最大，最大位移0.519E-06mm； 孔顶部或底部的应力最大，最大等效应力0.2889M/mm2 其变形图及应力云图如下页所示。,等效应力云图,（2）扩展方式分析，显示整体效果1.设置扩展模式：Utility MenuPlotCtrlsStyleSymmetry ExpansionPeriodic/Cyclic Symmetry Expansion，即采用部分循环对称扩展。选用默认值，其等效应力云图见下页，显示整体效果。,1/4两平面对称,2.以等值线方式显示：Utility MenuPlotCtrlsDevice Options，弹出一个如图所示的对话
16、框，选取”Vector mode(wireframe)”后面的复选框，使其处于”on”，单击OK，生成如下等值线图。,Mises应力等值线图,Ansys求解基本步骤1.确定问题的分析类型2.定义单元类型3.定义材料属性4.建立几何模型5.划分网格6.定义约束与载荷7.定义分析类型8.求解9.查看结果，分析结果的正确性。,利用后处理器显示求解所得结构的应力和变形状态，结构受力变形图，节点的位移云图和节点的Von Mises应力图，对结构最大应力、最大变形值及最大应力和最大变形所发生的位置。,A面被完全固定，A面被完全固定，B点作用有集中力F=1000N。 材料属性为弹性模量E=21011Pa（钢
17、材），泊松比为0.3，利用ANSYS软件对该结构进行受力分析。 （单位为mm）,底面被完全固定，R30的孔壁作用有均匀的面压力10000Pa。材料属性为弹性模量E=21011Pa（钢材），泊松比为0.3，利用ANSYS软件对该结构进行受力分析。 （单位为mm）,T形截面超静定粱的受力与约束情况和截面如图所示，材料的弹性模量为2.1x105MPa，泊松比为0.3。,求粱的支反力、最大位移、最大应力及所在的位置。,几何模型如上图所示（单位为mm），平板厚度为2mm，平板两边受均布拉力，P=5MPa。材料属性为弹性模量E=21011Pa（钢材），泊松比为0.3。利用ANSYS软件对该结构进行受力分析。,几何模型如上图所示（单位为mm），矩形平板厚度为3mm，孔A固定，右侧边缘均布压力，P=1000Pa。材料属性为弹性模量E=21011Pa（钢材），泊松比为0.3。利用ANSYS软件对该结构进行受力分析。,几何模型如上图所示（单位为mm），两圆孔内壁完全固定，A面上作用有均布压力P= Pa。材料属性为弹性模量,E=21011Pa（钢材），泊松比为0.3。利用ANSYS软件对该结构进行受力分析。,
