第三章ANSYS分析基本过程析Word文档下载推荐.docx
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2.06E11N/m2(即2.06×
1011N/m2)
泊松比:
0.3
集中力:
P=120kN
2、理论值
根据材料力学知识:
支反力:
RA=60kN;
RB=60kN。
梁中点挠度:
下面使用ANSYS对该问题求解,作为第一个例子,本节将详细叙述操作步骤,并在步骤加一些说明,以便用户养成良好的分析习惯。
3.3.2选取学科
1、启动ANSYS并设置工作目录和工作文件名称
在windows系统下,运行【开始】>
【程序】>
ANSYS11.0>
ANSYSProductLauncher命令,弹出交互式启动对话框,设置好工作目录和工程名。
这里,建议工作目录设置为D:
\ansys\working(该目录必须已经存在,只有通过资源管理器创建工作目录之后,才可以使用该目录,ANSYS自己并不能创建工作目录),工程名为设置为beam,如图3-2所示。
然后单击对话框下面的Run按钮,进入到图形用户交互界面。
图3-2设置工作目录和工作文件名称对话框
2、选取学科
选择MainMenu>
Preferences命令,弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框,选中“Structure”复选框(因为我们分析的学科只涉及到了结构),如图3-3所示,然后单击“OK”按钮,表示只进行结构分析。
这个步骤并不是必须的,但它可以对通用菜单及相应的图形界面进行过滤,为后续选择带来方便。
所以推荐使用。
图3-3选择结构分析类型
3.3.3创建几何模型
简支梁几何结构是简单而规则的,所以,在ANSYS中创建很简单。
(1)创建关键点:
本例题将利用带有两个关键点的线来模拟简支梁,梁的截面高度、横街面积等初始条件将在实常数中设置。
选择菜单路径:
MainMenu>
Preprocessor>
Modeling>
Create>
Keypoints>
InActiveCS,单击弹出“CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem”对话框,如图3-4所示。
也就是说,提示在当前坐标系下(默认笛卡尔坐标系)创建关键点。
在“Keypointnumber”后面的输入栏输入“1”,表示创建的是1号关键点。
在“LoacationinactiveCS”后面的三个输入栏分别输入“0、0、0”,表示创建的1号关键点的坐标系(x,y,z)=(0,0,0)。
单击“Apply”按钮,继续输入。
图3-4创建关键点对话框
Ø
在“Keypointnumber”后面的输入栏输入“2”。
在“LoacationinactiveCS”后面的三个输入栏分别输入“4、0、0”。
在“Keypointnumber”后面的输入栏输入“3”。
在“LoacationinactiveCS”后面的三个输入栏分别输入“8、0、0”。
单击“OK”按钮,完成三个关键点的创建,此时图形窗口出现三个关键点。
校验输入的关键点是否正确:
UtilityMenu>
List>
Coordinatesonly,单击弹出一个信息窗口显示所以关键点及其坐标,如图3-5所示。
确认无误后,关闭信息窗口。
3-5显示关键点坐标
(2)创建直线:
在关键点创建完成以后,就可以在关键点之间创建直线了。
Lines>
InActiveCoord,单击弹出“LinesinActive…”拾取框,如图3-6所示。
在图形窗口分别拾取1、2号与2、3号关键点,单击“OK”按钮,创建1号直线与2号直线。
也可以在拾取框的输入栏中输入1后按回车键,再输入2后按回车键,同样也能创建一条直线,这个功能在复杂图形中拾取点非常有用。
复杂图形在同一处往往有很多点,这样在图形窗口很难准确拾取到所需的点,这时,可以采用在拾取框中直接输入点号的方法拾取点,早期的ANSYS版本没有这种功能,只能在图形窗口拾取点。
此时,图形窗口如图3-7所示。
图3-6点拾取框图3-7创建的梁几何模量
尽管上述建立的几何模型的过程是如此的简单,但它代表了一个基本而重要的步骤。
许多性质复杂的模型就是对这些简单原型进行处理后建立起来的。
另一方面,对复杂模型,建模是一件相当繁琐的事,需要花费大量精力,而且还有许多注意事项,详细内容参见第四章。
3.3.4划分网格
在划分网格之前,需要设置网格单元类型、材料属性等。
而且,如果采用直接生成网格方法建模,就需要在建模前选择好单元属性。
事实上,多数人喜欢在一开始就设置单元属性。
然后,需要决定采用什么样的网格,如何设置分网网格。
完成单元属性和网格设置后,就可以分网了。
单元属性包括单元类型、单元选项、实常数、材料属性和横截面,依据单元的不同,有些是必须的,有些设置是可选的。
(1)选取单元类型
单元是网格的基础,对单元的选取是非常重要,这依赖于用户的专业知识,以及对问题的理解。
在ANSYS提供的100多个单元中,选取最适合分析任务的单元并不是一件容易的事情,尤其是对初学者,以及那些区别不是很明显的单元。
但在满足某些基本条件下,有多种单元都能满足分析任务。
这些基本条件是:
维数、自由度、以及线性单元还是二次单元等。
本例而言,选择的单元是BEAM3。
该单元是二维梁单元,有三个自由度UX、UY、ROTZ,是有两个节点的弹性梁单元。
选择弹性梁单元,是因为梁的变形属于弹性范围之内。
图3-8单元类型列表对话框图3-9单元类型库对话框
选择:
Preprocessor>
ElementType>
Add/Edit/Delete,单击弹出“ElementTypes”单元类型列表对话框,如图3-8所示,由于没有定义单元,对话框列表中没有单元存在。
单击“Add…”按钮,弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框,如图3-9所示。
在该对话框中左面滚动栏中选择“StructureBeam”,在右边的滚动栏中选择“2Delastic3”,单击“OK”按钮,回到单元类型列表对话框,此时对话框列表中有一个“BEAM3”单元,表示生成了一个“BEAM3”单元。
最后单击“Close”按钮,关闭单元类型对话框,完成单元的添加。
(2)定义单元实常数
单元的几何特性很多不是用几何图形可以直接表示出来的,必须通过添加实常数来补充几何信息。
像杆单元和梁单元的界面面积、管单元的外径和壁厚,壳单元的厚度等。
图3-10实常数对话框图3-11单元类型对话框图3-12定义BEAM3实常数对话框
RealConstants>
Add/Edit/Delete,弹出“RealConstants”实常数列表对话框,如图3-10所示。
由于没有定义过实常数,列表中没有实常数。
单击“Add…”按钮,弹出“ElementTypes…”对话框,如图3-11所示,用以选择需要添加实常数的单元类型。
本例只有一个单元类型,所以选择BEAM3即可。
单击“OK”,弹出“RealConstantsforBEAM3”定义BEAM3实常数对话框,如图3-12所示。
定义BEAM3实常数对话框中,在AREA后面输入栏输入“0.0072”,在IZZ后面输入栏输入“0.0002108”,在HEIGHT后面输入栏输入“0.42”。
本例不考虑剪切变形、初始应变和附加质量,所以其它3个实常数不作定义,ANSYS自动默认为0。
单击“OK”,完成实常数定义,回到实常数列表对话框,此时列表中有一个已经定义的实常数。
单击“Close”,关闭实常数列表对话框。
(3)定义材料属性
材料属性是材料的物理性质,与单元一样,可以定义多种材料属性。
不同属性用不同材料号来表示。
材料属性可以分为各向同性和各向异性的,分为温度无关的和温度相关的,分为线性的和非线性的。
这里由于只对简支梁进行线弹性分析,而钢材料基本上是各向同性、与温度无关的线性属性,所以只需定义材料的弹性模量和泊松比。
而且,尽管材料具有多种属性,但某些属性对分析无关的。
如,在这个分析中,材料的导热率就对分析没有意义。
可以从材料库中输入材料属性,也可以自己定义材料属性,这里,采用自己定义的方式。
由于ANSYS材料库中的材料牌号属于国外牌号,与国内材料牌号不能完全一一对应。
因此,多数人喜欢采用自定义的方式来定义材料属性。
MaterialProps>
MaterialModels,弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框,如图3-13,在右边的栏中连续双击“Structure>
Line>
Elastic>
Isotropic”后,又弹出“LineIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框,如图3-14所示,在该对话框中,在“EX”(杨氏模量)后面的输入栏输入“2.06E11”,在“PRXY”(泊松比)后面的输入栏输入“0.3”,单击“OK”,回到“DefineMaterialModelBehavior”对话框,查看左边栏中的已定义材料类型,确认无误后,选择“Material>
Exit”退出材料属性定义。
图3-13材料属性设置对话框
图3-14定义钢线性各向同性材料属性图3-15另存为对话框
(4)保存模型文件
到此为止,我们已经完成了简支梁几何模型的建立,并定义了单元类型、实常数和材料属性。
下一步就是对模型划分网格,进行求解计算。
但是在进行此项工作之前,应该把模型存盘。
我们用一表示模型的文件名保存几何模型,这样如果要重新划分网格可以直接调用几何模型文件。
file>
Saveas…,弹出另存为对话框中,如图3-15所示,以beamgeom.db保存几何模型文件,单击“OK“退出。
再单击工具栏中的“SAVE_DB”命令按钮,以保存beam.db工作文件。
(3)分网控制和分网
如果有多种类型的单元、多个单元实常数、多种材料或者多个单元坐标系,则要定义点、线、面、体需要用到其中的那一类。
Meshing>
MeshAttributes>
AllLines,弹出线网格属性对话框,如图3-16所示。
由于本例只有一种单元类型、一种实常数和一种材料属性,所以采用默认选项即可,单击“OK”按钮完成给材料给几何模型赋属性。
图3-16设置线网格属性对话框图3-17网格工具
控制网格密度有两种方法:
通过MainMenu>
Meshing-下的选项,可以设置网格尺寸设置、分网器选项、连接、网格的划分、修改、检查和删除等。
使用网工具(MeshTool)对话框。
该对话框上集成了与分网有关的操作。
这里我们选用第二种方法。
MeshTool,弹出MeshTool网格工具对话框,如图3-17所示,在网格工具对话框的“SizeControls”选项组中,单击“Lines”右边的“Set”按钮,弹出“ElementSizeon…”对话框,如图3-18,该对话框可以拾取需要进行网格尺寸控制的线,它有多种拾取方法,用户可以任意选择一种,本例非常简单,可以直接点“PickAll”按钮,选取所有的线图元。
接着弹出“ElementSizeonPickLines”线单元网格控制对话框,在“Elementedgelength”后面的输入栏输入“0.5”,表示线单元每条边的长度是0.5,单击“OK”退出。
图3-18线拾取框图3-19线单元网格控制对话框
单击网格工具对话框中的“Mesh”按钮,弹出一个线拾取框,单击该对话框中的“PickAll”按钮完成对所有的线进行网格划分。
此时每条线被分成8个线单元(每条边长为4),每个线单元的长度都是0.5。
3.3.5施加载荷和约束
有限元分析的目的是确定物体对载荷的响应,正确地分析和简化载荷,并正确施加载荷,是有限元分析的关键一步。
首先要了解物理系统所受到的所有载荷,包括DOF(自由度)约束、集中载荷、表面载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷、初始条件和边界条件;
然后确定那些因素是主要的,那些因素是次要的;
最后,要确定载荷的特性,如是时变的,还是静态的。
(1)施加载荷
本例中,梁本身的自重相对于外力而言是很小的,所以不予考虑。
只需要施加外力,这是一个集中载荷。
载荷可以施加在实体模型(关键点、线、面、体)上,也可以施加在有限元模型(节点、单元)上,施加在实体上的载荷不因网格的清除或改变而改变,但施加在有限元模型上的载荷会因单元的改变而删除。
Solution>
DefineLoads>
Apply>
Structural>
Force/Moment>
OnKeypoints,弹出拾取点对话框,拾取图形窗口中的2号关键点,单击对话框中的“OK”按钮,完成点的拾取。
会弹出一个“ApplyF/MonKPs”对话框,在该对话框“Directionofforce/mom”后面的下拉式选择栏中选择“FY”,表示在关键点2上施加的集中力方向是y方向。
在“Force/momentvalue”后面的输入栏中输入“-120000”。
单击“OK”按钮退出,完成施加载荷的工作。
图3-20给关键点施加y方向集中力
(2)施加约束
Displacement>
OnKeypoints,弹出拾取点对话框,拾取图形窗口中的1号关键点,单击“OK”按钮,弹出“ApplyU,ROTonKPs”对话框,如图3-21所示,在该对话框“DOFstobeconstrained”后面的列表框中选择“UX”和“UY”,然后单击“Apply”按钮完成点1施加约束的工作,这表示1号关键点x、y方向的位移自由度都被束缚。
接着又弹出拾取点对话框,拾取图形窗口中的3号关键点,单击“OK”按钮,又弹出“ApplyU,ROTonKPs”对话框,在该对话框“DOFstobeconstrained”后面的列表框中选择“UY”,然后单击“OK”退出。
完成施加模型约束的工作,此时图形窗口中的模型如图3-22所示
图3-21给关键点设置位移约束对话框
图3-22施加了载荷与约束的有模型
3.3.6求解
一般,在求解前,需要设置求解类型、载荷步选项,然后选择是从当前载荷步还是从文件中读取求解数据,是全局求解还是局部求解。
由于本例的问题非常简单,使用程序的默认设置就可以了,即静态问题的一个新分析,使用当前载荷步求解。
Solve>
CurrentLS,弹出求解对话框和摘要信息窗口,该对话框上指示查看摘要信息,如果确认无误后,则在对话框中单击“OK”按钮。
程序将弹出一个警告,忽略该警告,单击“YES”或直接回车,程序开始求解,并显示一个进度条,指示求解进程。
求解结束后,弹出一个求解完毕的对话框,单击“Close”,关闭该对话框。
这样就完成了求解。
3.3.7结果分析
分析的目的是得出结论,作出判断。
结果分析有两个作用:
一是判断分析是否正确,包括判断模型是否与实际相符,计算是否收敛,是否与已有结论一致等;
二是在分析正确的基础上,用所得结果来指导实际的工程设计或分析。
ANSYS中包括两种结果分析:
通用后处理和时间历程后处理。
由于本例是静态分析,只介绍通用后处理器POST1中的部分操作。
(1)读取数据
ANSYS并不自动把结果数据读入到数据库中,所以,首先需要把结果读入到数据库。
此外,还应该选择读取哪一个子步的数据,由于本例只有一个子步,所以,读那一子步的数据并不重要。
GeneralPostproc>
ReadResults>
LastSet,读取数据到数据库。
然后就可以对结果进行显示、列表和分析了。
(2)变形显示
变形显示主要用于图示化结构对外载荷的变形响应。
通过该图,可以得到结构变形的方向及相对大小。
由于变形通常很小的,所以变形图是示意性质的,而不是完全依照变形大小在图上显示(尽管可以准确显示变形,但这通常都不能得到合适观看的结果)。
可以只显示变形后的形状,也可以显示变形前后的形状。
图3-23画结构变形形状对话框
PlotResults>
DeformedShape,弹出“PlotDeformedShape”对话框,如图3-23所示,在该对话框中选择“Def+UndefEdge”单选按钮,表示显示变形后的结构和变形前的结构,如图3-24所示。
图3-24结构变形图
(3)查看支座反力
ListResults>
ReactionSolu,弹出显示反力的信息窗口,如图3-25所示。
可以发现1号节点(1号关键位置的节点)x方向反力是0,y方向反力是6×
104,10号节点(3号关键位置的节点)y方向反力是6×
104(x方向反力没有约束,没有反力),总反力是1.2×
105,与外载荷相等。
图3-25反力信息
(4)查看最大挠度
选择:
SortedListing>
SortNodes,弹出“SortNodes”对话框,可以通过该对话框对节点的计算结果值进行排序。
默认是升序排列,在“Listsortednodesfor”后面的下拉式选择栏中选择“Results”,如图3-26所示,在“Sortnodesbasedon”后左边栏选择“DOFsolution”,右边栏中选择“UY”,单击“OK”,弹出显示排序结果的信息窗口,如图3-27所示。
这是对节点y方向变形按升序进行的排列,节点2(对应的2号关键点的位置)挠度最大,为-0.29467E-1,节点1(对应的1号关键点的位置)与节点10(对应的3号关键点的位置)挠度最小,为0。
图3-26节点排序对话框图3-27节点排序结果
(5)数值解与理论解比较
ANSYS获得的结果是数值解,与理论值通常会有微小的差别,但这种微小差别在工程上是可以容忍的。
本例由于很简单,数值解与理论解精确吻合,比较结果见下表。
表3-1理论值与ANSYS计算值比较
比较项目
理论值
ANSYS
比率
A点支反力RA,N
60,000
1.000
B点支反力RB,N
最大挠度fmax,m
-2.9476×
10-1
最小挠度fmin,m
- 配套讲稿:
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- 第三 ANSYS 分析 基本 过程