靜力分析

1、ANSYS靜力分析,>,王曉軍航空科學(xué)與工程學(xué)院固體力學(xué)研究所,第二章 ANSYS靜力分析,主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)靜力分析簡介結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟建模、施加載荷并求解、計算結(jié)果的后處理與分析、結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例結(jié)構(gòu)非線性靜力分析實例靜力非線性計算的高級應(yīng)用屈曲分析的概念、結(jié)構(gòu)線性屈曲分析一般步驟、線性屈曲分析實例、接觸分析實例思考題,2.1 結(jié)構(gòu)靜力分析簡介,靜力分析計算在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼影

2、響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷作用的情況靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷（如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風(fēng)載）的作用靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)相應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。,2.1 結(jié)構(gòu)靜力分析簡介,靜力分析所施加的載荷類型有外部施

3、加的作用力和壓力穩(wěn)態(tài)的慣性力強迫位移溫度載荷能流靜力分析既可以是線性的也可以是非線性的非線性靜力分析包括：大變形、塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、接觸和超彈性等。本節(jié)主要討論線性靜力分析，對非線性靜力分析只作簡單介紹,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,在線性靜力分析中，主要有以下幾個關(guān)鍵步驟 建模施加載荷和邊界條件并求解結(jié)果的后處理與分析,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.1 建模 為了建模，用戶首先應(yīng)指定作業(yè)名（J

4、obname） 、分析標題（Title）和單位（Unit），然后應(yīng)用PREP7前處理程序定義單元類型、實常數(shù)、材料特性、模型的幾何參數(shù)。 在線性靜力分析中，單元類型同樣可以使用線性或者是非線性的單元類型GUI: Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/DeleteCommand: ET,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.1 建模 選擇的材料特性可以是線

5、性或者是非線性，可以是各向同性或者各向異性材料，并且可以隨溫度變化或者與溫度無關(guān)。GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isotropic/OrthotropicCommand: MP,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.1 建模 另外在選擇材料特性時，還需要注意以下幾點：材料的基本彈性性能參數(shù)必須定義：如楊氏模量EX、泊松比PRXY如

6、果施加慣性載荷（如重力），必須定義材料的密度DENS創(chuàng)建幾何實體模型并劃分網(wǎng)格得到有限元模型如果施加溫度載荷時，必須定義材料的熱膨脹系數(shù)ALPX對應(yīng)力敏感區(qū)域應(yīng)劃分較細的有限元網(wǎng)格,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.2 施加載荷并求解 進入ANSYS求解器（Main Menu>Solution）定義分析類型并對求解進行控制分析類型選New Analysis (GUI: Solution>New Analy

7、sis)，進入求解控制對話框（GUI: Solution>Sol’n Contros）Basic>Analysis Options:選擇Small Displacement StaticSol’n Option選項指定采用的求解器實際上，求解控制對話框的絕大多數(shù)默認選項對于靜力線性分析是合適的，用戶只需要作很少的設(shè)置。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.2 施加載荷并求解 施加載荷，設(shè)定載荷步靜力線性分析的

8、載荷可以是DOF約束、集中載荷、分布力、溫度、重力和旋轉(zhuǎn)慣性力載荷步可以在求解控制對話框中設(shè)置，不設(shè)置載荷子步保存數(shù)據(jù)文件開始求解計算退出求解器Command: FinishGUI: Main Menu>Finish,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.3 計算結(jié)果的后處理與分析在結(jié)構(gòu)的靜力分析中，其計算結(jié)果將被寫入結(jié)果文件Jobname.RST中，一般結(jié)果文件包含了一下數(shù)據(jù)：基本數(shù)據(jù)：主要是關(guān)于節(jié)點的位移信

9、息（UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ）導(dǎo)出數(shù)據(jù)：包括節(jié)點和單元應(yīng)力、節(jié)點和單元應(yīng)變、單元集中力和節(jié)點支反力等,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.3 計算結(jié)果的后處理與分析后處理包括兩個模塊：通用后處理其POST1檢查整個模型在指定時間步（或子步）下的計算結(jié)果時間歷程后處理器POST26用于非線性分析中特定加載歷史下的結(jié)果跟蹤。無論使用哪個后處理器，程序的數(shù)據(jù)庫都必須包含求解時相同的計算模型，

10、且計算結(jié)果文件Jobname.RST必須可用。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.3 計算結(jié)果的后處理與分析在結(jié)構(gòu)線性靜力分析中，后處理常用命令如下 a. 查看結(jié)果從數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù) GUI: Utility Menu>File>Resume fromCommand: Resume讀取選定的結(jié)果數(shù)據(jù)GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results&g

11、t;By Load StepCommand: SET使用SET命令可以用載荷步、子步或通過時間來選擇數(shù)據(jù)讀取，如果數(shù)據(jù)文件中沒有制定時間點上的數(shù)據(jù)結(jié)果，程序會通過線性插值計算出該時間點上的結(jié)果,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.3 計算結(jié)果的后處理與分析在結(jié)構(gòu)線性靜力分析中，后處理常用命令如下b. 顯示變形結(jié)果GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>D

12、eformed ShapeCommand: PLDISPc. 列表出力和力矩的信息列出節(jié)點的支反力和反力矩GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction SoluCommand: PRRSOL,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.3 計算結(jié)果的后處理與分析在結(jié)構(gòu)線性靜力分析中，后處理常用命令如下列出節(jié)點單元的支反力和反力矩Command:

13、 PRESOL, F(or M)列出節(jié)點力和反力矩的和GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Eelement SolutionGUI: Main Menu>General Postproc>Nodal Calcs>Total Force SumCommand: FSUM,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.3 計算結(jié)果的后處理與分析在

14、結(jié)構(gòu)線性靜力分析中，后處理常用命令如下d. 單元的結(jié)果處理GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table>Define TableCommand: ETABLE對于線性單元體，例如梁單元、桿單元、管單元等可以通過此選項獲得結(jié)果數(shù)據(jù)，如應(yīng)力和應(yīng)變等。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1問題描述具有圓孔的矩形板在拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力分布。

15、1.0 m×2.0 m的矩形板，厚度為0.03 m，中心圓孔直徑為0.25 m，彈性模量為207GPa，泊松比0.3，端部受拉伸載荷600 N。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟a. 建立幾何模型1) 定義任務(wù)標題：Utility Menu>File>Change Title，輸入“Tensile Loading of a Rectangular Plate

16、with a Hole”，單擊OK。Command: /TITLE, Tensile Loading of a Rectangular Plate with a Hole2)定義單元類型：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delet，出現(xiàn)Element Types列表框。單擊Add出現(xiàn)單元類型庫對話框，左側(cè)列表中選擇Structural Shell，右側(cè)列表中

17、選擇Elastic 4node63，單擊OK確定。Command: ET, 1, SOLID45,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟a. 建立幾何模型3)定義材料特性：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Modes。在Define Material Model Behavior窗口中，雙擊Structura

18、l>Linear>Elastic> Isotropic。在出現(xiàn)的對話框中，EX輸入207E9，PRXY輸入0.3，單擊OK，Material Model Number 1出現(xiàn)在Material Models Defined窗口左側(cè)列表中，選擇菜單Material>Exit退出 Command: MPDATA, EX, 1,,207e9 MPDATA, PRXY, 1,,0.3,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步

19、驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟a. 建立幾何模型4)建立幾何模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By Dimensions，出現(xiàn)Create Block by Dimensions對話框，X1，X2 X-coordinates分別填入-1,1，Y1，Y2 Y-coordinates分別填入-0.5,

20、0.5，Z1，Z2 Z-coordinates分別填入-0.015,0.015，單擊OK確定。然后Main Menu> Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>By Dimensions，彈出Create Cylinder by Dimensions對話框，RAD1輸入0.1，Z1,Z2,輸入-0.1,0.1，THETA1輸入0，THETA2輸入36

21、0，單擊OK退出。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟a. 建立幾何模型4)建立幾何模型：矩形板中心出現(xiàn)一個圓柱體。Main Menu> Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volume，出現(xiàn)Subtract Volumes選擇框，先選擇矩形板單擊OK，點擊subtract volume中

22、的apply，然后選擇圓柱體選擇next，選擇的模型顏色會發(fā)生變化，被切除部分為紅色，單擊OK ，單擊Subtract Volumes 中的OK。最后得到的模型就是中心帶有孔的矩形板，如圖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,

23、 VSBV, 1, 2,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟a. 建立幾何模型,,圖2.1 中心帶孔的矩形板模型,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟b. 模型剖分5)模型剖分：為了對應(yīng)力集中區(qū)域進行較準確的捕捉，劃分有限元網(wǎng)格之前，通常需要對幾何模型進行適當?shù)钠史?，以利于網(wǎng)格的劃分。選擇Utility Menu>WorkPla

24、ne>Display Working Plane，然后選擇Utility>WorkPlane>Offset WP by Increments，在Offset WP對話框的Degrees框中輸入：0,-90,0然后點擊OK確定。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟b.模型剖分5)模型剖分：然后選擇Main Menu>Preprocessor> Modeli

25、ng>Operate>Booleans>Divide>Volu by WrkPlane，選擇Pick All，圖形窗口中將顯示模型被工作平面一分為二。1.工作平面和要分割的面垂直，所以要旋轉(zhuǎn)工作平面（沿Z方向切繞X軸轉(zhuǎn)；沿X軸方向切繞Y軸轉(zhuǎn)；沿Y軸方向切繞Z軸轉(zhuǎn))2.要移動工作平面和你要切的面的位置相交，并且交線不能是面的邊線。類似地，通過移動工作平面的位置，最后將幾何模型剖分為如圖2.2所示。最后，選擇Mai

26、n Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Glue>Volumes，在對話框中選擇Pick All，將剖分開的各部分模型粘接在一起。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟b.模型剖分,,圖2.2 幾何模型的剖分示意圖,,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步

27、驟c. 網(wǎng)格劃分6)有限元網(wǎng)格劃分：選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，出現(xiàn)如圖2.3所示的Mesh Tool對話框。選擇Size control>Lines>set，將圓孔周邊的線段和中線小正方型的線段都設(shè)定為10段，厚度方向的線段設(shè)定為6段，如圖2.3所示。然后選擇Mesh處下拉菜單為volume，shape設(shè)定為sweep，點擊sweep，然后點擊

28、select all，然后點擊OK確定，最后得到模型的有限元網(wǎng)格如圖2.4所示。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟c. 網(wǎng)格劃分,,圖2.3 劃分網(wǎng)格的參數(shù)設(shè)定,,,,圖2.4 帶孔平板的網(wǎng)格劃分,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟d. 施加載荷及邊界條件7)載荷與邊界條件：選擇Main Menu>Solution>D

29、efine Loads>Apply>Displacement>On Areas，選擇圖形窗口最左端的面，約束這些面上所有節(jié)點UX方向的自由度。然后選擇Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Pressure>On Ares，選擇圖形窗口最右端的所有面，輸入壓力為-2000，點擊OK確定。最后得到模型上的邊界條件和載荷如圖2.5所示。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力

30、分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟d. 施加載荷及邊界條件,,圖2.5 劃分網(wǎng)格的參數(shù)設(shè)定,,,,,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟e. 求解及后處理8)求解：選擇Main Menu>Solution>Solve>Current LS，點擊OK開始計算。9)結(jié)果分析：選擇Main Menu>General Postproc&

31、gt;Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，在Contour Nodal Solution Data對話框中選擇Nodal Solution>Stress>von Mises Stress，點擊OK，圖形窗口將出現(xiàn)如圖2.6所示的von Mises應(yīng)力云圖分布。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基本步驟,2.2.4 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例1GUI分析步驟e. 求解及后處理,,圖2.6

32、 計算結(jié)果顯示Mises應(yīng)力云圖,,,,,,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例問題描述如圖所示，長度為L=2m的懸臂梁，自由端受集中力F=6000N作用，彈性模量E=200GPa，柏松比μ=0.25，梁的界面為工字型，并且已知梁的截面形式和具體尺寸如下：b=0.06m，h=0.08m，t1=t2=t3=0.01m，如圖2.7所示。,圖2.7 懸臂梁自由端受集中力的作用,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2

33、.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟1)建立有限元模型 定義分析標題：File>Change Title，輸入“Bending of a I-Shaped Beam”，單擊OK。定義單元類型：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delet，出現(xiàn)Element Types列表框。單擊Add，出現(xiàn)單元類型庫對話框，在左側(cè)列表中選擇Structural Bea

34、m，右側(cè)列表中選擇3D tapered 44，單擊OK。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟1)建立有限元模型 定義材料特性：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，定義各向同性線彈性材料，彈性模量EX為200E9，PRXY輸入0.25，然后退出材料屬性對話框。 定義截面形狀：Main Menu>Pre

35、processor>Sections>beam>Common Sections，出現(xiàn)Beam Tool對話框，在Sub-Type下拉菜單中選擇“工”字型梁截面，輸入截面參數(shù)：W1=0.06，W2=0.06，W3=0.08，t1=0.01，t2=0.01，t3=0.01，單擊OK。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟1)建立有限元模型 建立模型：Main Menu>Prep

36、rocessor>Create>Keypoints>In Active CS，依次建立坐標為(0,0,0) 和 (2,0,0)的兩個個關(guān)鍵點。執(zhí)行Main Menu> Preprocessor>Create>Lines>Straight Line，選擇1、2關(guān)鍵點，生成一條直線段。劃分網(wǎng)格：Main Menu>Preprocessor>Mesh Tool，將線段分為20段，然后在M

37、esh Tool對話框單擊Mesh，選擇以上的線段生成有限元單元。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟2)施加載荷進行靜力求解與分析 定義分析類型：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>New Analysis，選擇Static，單擊OK。施加載荷：Main Menu>Solution>Loads>Apply>Displ

38、acement>On Nodes，將圖形窗口中最左端的節(jié)點的所有自由度約束。執(zhí)行Main Menu>Solution>Apply>Force/Moment>On Nodes，選擇最右端節(jié)點，單擊OK，在Lab選擇FY，VALUE輸入-6000，單擊OK，在梁的自由端出現(xiàn)集中力標識。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟2)施加載荷進行靜力求解與分析 保存數(shù)據(jù)庫文件：S

39、ave_DB求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，查看求解信息，關(guān)閉求解狀態(tài)窗口，單擊OK開始求解，求解完成后單擊Close關(guān)閉求解信息框。 3)查看分析結(jié)果 進入POST1，讀入結(jié)果數(shù)據(jù)：Main Menu>General Postproc>Read Results-LastSet。觀察結(jié)構(gòu)變形：Main Menu>General Postproc&g

40、t;Plot Results>Deformed Shape，選擇Def+undeformed，單擊OK，結(jié)構(gòu)變形前后的形狀同時出現(xiàn)在圖形窗口，如圖2.8所示。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟3)查看分析結(jié)果,,圖2.8 梁變形前后的形狀改變圖,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟3)查看分析結(jié)果 顯示梁單元空間形狀：PlotCtrls>Sty

41、le>Size and Shape，出現(xiàn)Size and Shape對話框。激活[ESHAPE]選項為ON，單擊OK，圖形窗口出現(xiàn)梁單元的空間三維效果。顯示梁單元截面上的應(yīng)力：Main Menu>General Postproc>Plot Results>contour plot> Nodal Solution，在左側(cè)Item列表中選擇Stress，在右側(cè)的Comp列表中選擇SX，單擊OK，梁單元上出現(xiàn)應(yīng)力

42、分布圖，如圖2.9所示。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟3)查看分析結(jié)果,,圖2.9 梁上沿X方向應(yīng)力分布圖,,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟3)查看分析結(jié)果 列表顯示反作用力：Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu，在右側(cè)列表中選All Items，單擊OK，得

43、到反作用力列表。繪制彎矩圖：首先定義單元表：Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table，得到Element Table Data列表框。單擊Add，在Lab框中輸入MI，Items列表框選中By sequence num, Comp列表中選取SMISC，輸入2，單擊OK。,2.2 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例,2.2.5 結(jié)構(gòu)線性靜力分析實例求解步驟3)查看

44、分析結(jié)果 按照類似的方法將SMISC，15添加到單元表，并命名為MJ。執(zhí)行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Line Elem Res，LabI選擇MI，LabJ選擇MJ，單擊OK，在圖形窗口中得到彎矩圖。（6）圖形輸出：PlotCtrls>HardCopy>To File。,課后練習(xí),一個口徑為10mm的通用扳手，在它的末端承受100N的水平力和20N豎直

45、向下的力。試確定該扳手在這兩個載荷作用下的應(yīng)力強度值。,2.4 靜力非線性分析,2.4.1 屈曲分析的概念屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。ANSYS在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Structural以及ANSYS/Professional中，提供兩種結(jié)構(gòu)屈曲載荷和屈曲模態(tài)的分析方法：特征值（線性）屈曲非線性屈曲分析,2.4 靜力非線

46、性分析,2.4.1 屈曲分析的概念特征值（線性）屈曲分析特征值屈曲分析用于預(yù)測一個理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強度。該方法相當于教科書中的彈性屈曲分析方法。例如，一個柱體結(jié)構(gòu)的特征值屈曲分析的結(jié)果，將與經(jīng)典歐拉解相當。但是，當初始缺陷和非線性使得很多實際結(jié)構(gòu)都不是在其理論彈性屈曲強度處發(fā)生屈曲。因此，特征值屈曲分析經(jīng)常得出非常保守結(jié)果，通常不能用于實際的工程分析。非線性屈曲分析。非線性屈曲分析比線性屈曲分析更精確，故建議用于對實際結(jié)構(gòu)

47、的設(shè)計或計算。該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)來求得使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷，如圖所示。應(yīng)用非線性技術(shù)，模型中就可以包括諸如初始缺陷、塑性、間隙、大變形響應(yīng)等特征。此外，使用偏離控制加載，用戶還可以跟蹤結(jié)構(gòu)的后屈曲行為。,2.4 靜力非線性分析,2.4.2 結(jié)構(gòu)線性屈曲分析的一般步驟1. 建立有限元模型定義工作文件名、標題和單元；定義單元類型、單元實常數(shù)、材料性質(zhì)。2. 施加載荷并獲得靜力解方法與一般靜力分

48、析相同，另外有幾點需要說明：靜力求解中必須激活預(yù)應(yīng)力影響（PSTRES命令）；由于屈曲分析計算出的特征值表示屈曲載荷系數(shù)，因此通常只需要施加單位載荷；求解完成后使用FINISH命令退出求解器。,2.4 靜力非線性分析,2.4.2 結(jié)構(gòu)線性屈曲分析的一般步驟3. 獲得線性屈曲解重新進入ANSYS求解器（GUI: Main Menu>Solution）；定義分析的類型對求解選項進行設(shè)置。分析類型選擇Eigen Buckl

49、ing(特征值屈曲分析)（GUI: New Analysis）屈曲分析選項（GUI: Analysis Options）Command: BUCOP, Method, NMODE, SHIFTMethod：指定特征值提取方法NMODE：指定特征值提取的數(shù)目,2.4 靜力非線性分析,2.4.2 結(jié)構(gòu)線性屈曲分析的一般步驟3. 獲得線性屈曲解定義載荷步選項只需設(shè)置輸出選項，控制結(jié)構(gòu)輸出。保存數(shù)據(jù)庫文件開始求解求解過程是輸

50、出特征值，若要得到屈曲模態(tài)形狀還需要進行解的擴展。 注：有些情況程序可能會計算出負的特征值，這表示結(jié)構(gòu)在相反方向施加載荷也會發(fā)生屈曲。退出求解器,2.4 靜力非線性分析,2.4.2 結(jié)構(gòu)線性屈曲分析的一般步驟4. 擴展解重新進入求解器激活Expansion Pass（GUI: Main Menu>Solution>Expansion Pass）設(shè)置擴展模態(tài)選項（GUI：Main Menu>Solu

51、tion>Expand Modes）進行輸出控制打印輸出控制數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件輸出控制開始擴展處理退出求解器（FINISH）,2.4 靜力非線性分析,2.4.2 結(jié)構(gòu)線性屈曲分析的一般步驟5. 查看分析結(jié)果進入后處理器POST1列出屈曲載荷系數(shù)顯示屈曲變形顯示相對應(yīng)力分布,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例 1)問題描述一端固支，一端自由的柱型殼體，半徑為200 mm，長度L=800 mm，

52、彈性模量E=200 GPa，壁厚10 mm, 軸向載荷2000 KN。 2) 建模與參數(shù)設(shè)定定義分析標題：Utility Menu>File>Change Title，輸入“Buckling of a Shell”，單擊OK。定義單元類型：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，出現(xiàn)Element Types列表框。單擊Add出現(xiàn)單元類型

53、庫的對話框，在左側(cè)列表中選擇Structural Shell，右側(cè)列表中選擇SHELL63，單擊OK。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例2) 建模與參數(shù)設(shè)定定義實常數(shù)：Main Menu>Preprocessor>Real Constant>Add/Edit/Delete，出現(xiàn)Real Constants列表框。單擊Add，出現(xiàn)Element Type for Real Constants 對話

54、框。單擊OK，出現(xiàn)Real Constants for Set number 1 Shell63對話框。在Shell Thickness中輸入10，單擊Ok。單擊Close關(guān)閉Real Constants列表框。 定義材料特性：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models, 在Define Material Model Behavior窗口中，雙擊Stru

55、cutral>Linear>Elastic> Isotropic。在出現(xiàn)的對話框中，EX輸入200E9，單擊OK，Material Model Number 1出現(xiàn)在Material Models Defined 窗口左側(cè)列表中，執(zhí)行Material>Exit退出。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例2) 建模與參數(shù)設(shè)定通過線掃略生成殼模型：Main Menu>Proprocessor

56、>Modeling> Create> Keypoints>In Active CS，出現(xiàn)Create Keypoints in Active Coordinate System對話框，分別建立四個關(guān)鍵點(0,0,0)，(0, 0, 800)，(200, 0,0)，(200, 0,800)，點擊OK關(guān)閉對話框。點擊Main Menu>Proprocessor>Modeling> Create>

57、;Lines> Lines>Straight Line，分別選取點3和點4，點擊OK關(guān)閉對話框。點擊Main Menu>Proprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Lines>About Axis，拾取line 1，點擊Ok確定，然后分別拾取Keypoint 1和Keypoint 2，點擊OK確定，出現(xiàn)Sweep lines about axis對話框在A

58、RC輸入360， NSEG文本框輸入4，點擊OK確定，生成殼模型。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例2) 建模與參數(shù)設(shè)定劃分有限元網(wǎng)格：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，跳出MeshTool對話框，點擊Size Controls: Lines后的Set按鈕，然后選取殼沿軸向的任意一條線段，點擊OK確定，出現(xiàn)Elements Sizes on Pic

59、ked Lines對話框，然后在NDIV文本框輸入30。采用統(tǒng)一的辦法將任意一端圓周上的線段均分為10段。選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing> MeshTool，在MeshTool對話框中shape選中Quad和map，然后點擊sweep按鈕，生成如圖2.10所示有限元網(wǎng)格。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例2) 建模與參數(shù)設(shè)定,,圖2.10 圓殼的有限元網(wǎng)格,2.4

60、 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例3) 施加載荷進行靜力分析定義分析類型：Main Menu>Solution>Abridged Menu>Analysis Type>New Analysis，出現(xiàn)New Analysis對話框。選擇Static，單擊OK。執(zhí)行Main Menu>Solution> Analysis Options，出現(xiàn)Static or Steady-State A

61、nalysis對話框。在[SSTIF][PSTRES]中選定Prestress ON，單擊OK。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例3) 施加載荷進行靜力分析施加載荷：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Strucutral> Displacement>On Lines，出現(xiàn)Apply U, ROT on Lines對話框，在圖形窗口中選擇

62、Z=0的所有圓周上的四條弧線，單擊OK，在對話框中選擇ALL DOF，單擊OK。執(zhí)行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment>On Nodes，選擇Z=800的所有節(jié)點（共40個），在Apply F/M on Nodes對話框中，選擇Direction of force/mom為FZ，VALUE設(shè)定為-500，點擊OK

63、。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例3) 施加載荷進行靜力分析保存數(shù)據(jù)庫文件，ANSYS Toolbar>SAVE_DB。求靜力解：Main Menu>Solution>Solve-Current LS，查看求解信息，單擊OK開始求解，求解完成后單擊Close.,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例4)特征值屈曲分析定義分析類型：Main Menu>Solution&

64、gt;New Analysis，忽略跳出的警告窗口，在New Analysis對話框中選取Eigen Buckling，單擊OK。屈曲分析選項設(shè)置：Main Menu>Solution>Analysis Options, 出現(xiàn)Eigenvalue Buckling Options, 選定Block Lanczos提取模態(tài)，提取模態(tài)數(shù)輸入4，單擊Ok。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例4)特征值屈曲分析

65、模態(tài)擴展選項：Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass> Single Expand>Expand Modes，在NMODE中輸入4，單擊OK。開始特征值屈曲分析：Main Menu>Solution>Solve-Current LS，單擊Ok開始求解。 5) 查看求解結(jié)果讀入結(jié)果數(shù)據(jù)：Main Menu>General Pos

66、tproc>Read Results>First Set。列出屈曲載荷系數(shù)：Main Menu>General Postproc>List Results>Detailed Summary。,2.4 靜力非線性分析,2.4.3 線性屈曲分析實例5) 查看求解結(jié)果觀察屈曲變形和應(yīng)力云圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Pl

67、ot>Nodal Solu，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對話框。選擇Nodal Solution>Stress>displacement vector sum，在Undisplaced shape key的下拉菜單中選擇Deformed shape with undeformed edge，單擊Ok，結(jié)構(gòu)變形前后的形狀同時出現(xiàn)在圖形窗口，如圖2.11所示。,2.4 靜力非線性分析,2.4.

68、3 線性屈曲分析實例5) 查看求解結(jié)果,,圖2.11 一階屈曲模態(tài)的von Mises應(yīng)力分布圖,,,2.4 靜力非線性分析,2.4.4 接觸分析實例問題描述經(jīng)典的赫茲接觸問題：襯底材料的彈性模量為60GPa，泊松比為0.3，尺寸如圖2.12所示；剛性壓頭的半徑為1 mm，壓入載荷20KN。材料之間的摩擦系數(shù)為0.15。,,圖2.12 赫茲接觸模型,2.4 靜力非線性分析,2.4.4 接觸分析實例接觸分析過程定義任務(wù)名稱：啟動

69、ANSYS，選擇材料File>Change Title...，輸入“Contact Analysis”，單擊OK退出。設(shè)定參數(shù)變量：選擇主菜單下Parameters>Scalar Parameters...，彈出Scalar Parameters對話框。在Section下分別定義Contact=1.5、Radius=1、Thick=2和Length=12，然后退出Scalar Parameters對話框。,,2.4 靜力非

70、線性分析,2.4.4 接觸分析實例接觸分析過程定義單元類型：選擇Main Menu>Preprocessor >Element Type>Add/Edit/ Delete，分別添加Solid下的4node 182單元、Contact下的2D target 169和2 nd surf171單元，點擊OK退出該對話框。定義實常數(shù)：選擇Main Menu>Preprocessor> Real Constan

71、ts，選擇Type 2 TARGE169，不修改任何數(shù)據(jù)，單擊OK退出。單擊Add...，選擇Type 3 CONTA171，設(shè)定參數(shù)FKN為1，F(xiàn)TOLN為0.1，PMAX為0.1，PMIN為0.01，然后退出Real Constants對話框。,,2.4 靜力非線性分析,2.4.4 接觸分析實例接觸分析過程定義材料模型：選擇Main Menu>Preprocessor> Material Props>Mater

72、ial Models，定義材料模型1為各向同性材料，EX=60e9，PRXY=0.3?；氐紻efine Material Model Behavior對話框，選擇Structural>Friction Coefficient，設(shè)定MU=0.15。建立幾何模型：選擇Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，依次分別建立