Ansys复合材料结构分析操作指导书
Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书
第一章概述
复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成
的一种多相固体材料，具有很高的比刚度和比强度（刚度和强度与密度的比值），因而应用相当广泛，其应用即涉及航空、航天等高科技领域，也包括游艇、风电
叶片等诸多民用领域。由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进行分析需要借助数值模拟的方法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。
Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是目前世界上唯一一款通过ISO9001质
量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其
它CAE(Computer Aided Engineering )软件，目前已经发展成集结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。Ansys在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现，此书将介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。在开始之前有以下几点需要说明，希望大家能对有限元法有大体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出一些学习Ansys软件的建议。
1、有限元分析方法应用简介
有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建立在严格数学分析理论上
的一种数值分析方法。该方法的基本思想是离散化模型，将求解目标离散成有
限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相
连构成整个有限元模型，用该模型代替实际结构进行结构分析。在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想一下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的
自由度)，节点位移通过求解一系列代数方程组得到，在求得节点位移后，利用
节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变，应用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。
2、Ansys软件的发展近况
Ansys软件目前已发展到Ansys V12版本，从V10开始Ansys加入了一个新
的工作环境Workbench，原先的Ansys被称为Ansys (classic)，虽然操作界面不同，但两者的求解器是一样的。Ansys (classic)的前处理功能相对较弱（主要是建模方面），因而往往需要借助第三方软件，如CAD软件。也许是迫于另一个有限元
分析软件ABQUS的竞争压力，Ansys推出了新的Workbench工作环境，Workbench 在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进，尤其在建模和划分网格方面有了巨大进步，建模方面与传统CAD软件一样采用图形界面，极大地提高了图形
的可视性，划分网格采用了Ansys ICEM CFD的功能，使划分的网格更加易控，最重要的是免去了从第三方软件导入模型、网格过程中可能存在的各种问题，实现
了真正的“无缝”连接。顺便提一下，有些人认为Ansys不适合进行非线性分析，我这里想说的是，Ansys中定义了非常多的针对非线性分析的单元，并专门设计了非线性分析求解器，细心的同事可能发现，EUROS公司做叶片结构分析采用的软件就是Ansys (classic)，因而大家对Ansys作复合材料分析应有足够的信心。
3、学习Ansys软件的一些个人建议
⑴、Ansys软件其实就是一种工程模拟工具，是对实际问题模型化后进行计算模拟，因而结果正确与否，是否符合实际情况需要丰富的工程经验进行判别，切忌盲目相信计算结果；
⑵、在学习Ansys软件之前有必要知道材料力学、弹性力学、有限元的一些知识，比如平面假设是什么意思，其物理意义是什么。有了这些基础知识就能避免犯一些低级错误，在看参考资料时也比较容易理解，此外，由于设计复合材料的计算，因而对复合材料及复合材料板件的性质要有一定的了解，这样在进行材料参数设置时避免出错；
⑶、碰到问题要多看看Ansys的帮助文档，Ansys软件自带的帮助文档非常全面，简直就是一本百科全书，在每个对话框都有“Help”按钮，点击就能打开有针对性的帮助，使用起来很方便；
⑷、要注意与周围的人多讨论和交流，这是获取知识解决问题最快的途径，另外可以多上些论坛网站，很多有限元分析大牛就隐藏在这些论坛里面，上这
些论坛会给你带来意想不到的收获，推荐的网站有：机械CAD论坛
(https://www.360docs.net/doc/2611364738.html,)、仿真论坛(https://www.360docs.net/doc/2611364738.html,)、复合材料在线(https://www.360docs.net/doc/2611364738.html,)、百思论坛(https://www.360docs.net/doc/2611364738.html,)等。
第二章Ansys10.0 入门
在这一章中，读者将会对Ansys10.0的界面、各个功能模块的作用、Ansys
在进行结构分析所采用的一般流程和Ansys在求解过程中产生的具有不同扩展名的文件，共四个方面有全面的了解。在这章的学习过程中读者不必深究每个细节，只需要知道Ansys中都有哪些功能，这些功能在哪里可以找到即可，在后面的章节将详细讲述这些功能的使用。
1、Ansys10.0 图形用户界面
推荐启动路径：【开始】|【所有程序】|【Ansys】，启动后的界面如图1
应用菜单(Utility Menu)：包含文件管理、选择、列表显示、单项显示、显示控制、参数设置、宏设置以及帮助查询等功能；
主菜单(Main Menu)：该菜单下包含了有限元分析所有的模块，分为前处理、求解、后处理、优化设计等Ansys主要功能，是操作最频繁的区域；
命令流输入窗口：该窗口为Ansys命令的输入区域，在输入命令的同时，会显示相应的提示，点击右边的倒三角可以浏览之前已经输入的命令；
图形窗口：该窗口用于显示几何模型以及处理的结果，比如云图显示变形、应力、应变等；
快捷按钮：为用户提供快捷的图形显示提供辅助，包括快速调整视角、左右上下移动显示模型、放大缩小模型等。小技巧：用Ctrl键+鼠标左中右建组合也能实现这些快捷操作。
2、Ansys各功能模块介绍
Ansys软件的主菜单(Main Menu)中按照一般分析的顺序将各个模块从上到
下排列，即，前处理、求解、后处理的顺序。当然在实际求解的过程中没有必要严格按照这一顺序进行，但对于初学者而言，推荐按照这个顺序来进行结构分析，这样有助于在日后进行复杂的有限元分析中仍能保持良好的条理性。下面就各个模块进行分别介绍。
⑴、前处理模块(Preprocessor)：在这个模块中用户可以完成定义单元类型（Element Type）、设定单元实常数（Real Constants）、定义材料属性（Material Props）、建立模型（Modeling）、划分网格（Meshing）等操作，如图2所示。正如第一章所述，Ansys在建模方面不擅长，往往需要借助其它CAD建模软件，将建好的模型导入Ansys中，导入的操作为：【Utility Menu】|【File】|【Import…】，选择合适的格式，然后选择要导入的文件即可。
⑵、求解模块(Solution)：在这个模块中用户可以指定分析类型(Analysis Type)、定义载荷(Define Loads)、对载荷步进行设置(Load Step Opts)、激活求解(Solve)，见图3所示。小提示：点击Unabridged Menu/Abridged Menu可以控制该模块下功能项是以精简模式还是以全部模式显示。
图2 Preprocessor 模块图3 Solution 模块
⑶、一般后处理模块(General Postproc)：用于显示(Plot)、查看、输出整个模型在某个子载荷步(Sub Load Step)、或者特定时间或频率下的结果，也可以将计算和分析结果以文件的形式输出(Write Results)，见图4所示。操作中需首先读入计算结果(Read Results)，例如查看结构分析中某个时刻模型各个位置的变形、应力、应变等信息，图5显示的是某个时刻玻璃钢板在均布压力下的变形云图。
图4 General Postproc 模块图5 玻璃钢板变形云图
⑷、时间历程后处理器(TimeHist Postpro)：用于分析处理指定某个时间范围内模型指定节点上某个结果（比如应力、应变等）随时间或频率变化的情况，对应的菜单项如图6所示。对比两种后处理器可以发现，一般后处理器固定某个时间，查看模型各个节点或单元的结果，时间历程后处理器则是固定某个节点或单元，查看指定物理量随时间的变化情况。
图6 TimeHist Postpro 模块
当然，Main Menu中还有其他一些模块，但对于复合材料结构分析，主要用到的模块就是这些，当需要有其他特殊处理时，相信到那时大家已经拥有相当丰富的经验了，读者完全可以参考Ansys帮助文档或其他资料作进一步学习。
3、Ansys结构分析采取的一般步骤
本节介绍Ansys结构分析的典型步骤，实际应用中不一定要严格遵照这些步骤。一般结构分析的流程图如图7所示。
图7 Ansys 结构分析流程图
步骤一：Ansys对每一个有限元分析都默认以’file.ext’的形式创建相关文件，’ext’代表扩展名，而且文件的存放路径默认为【安装盘】/【Documents and Settings 】/【User】。因而，在开始一个新的结构分析前，有必要修改文件的存放路径和文件名，以防止将以前的文件覆盖。指定新的存放路径的操作方法：【File】|【Change Directory…】。更改文件名操作方法：【File】|【Change Jobname…】，
此时会弹出对话框，输入新的文件名，注意输入框下面有个’New log and error files ?’，笔者建议勾选这一选项，这样就会创建新的日志文件和错误记录文件，便于将来找出出错原因。
步骤二：选取单元类型（Element Type）并设定单元实常数（Real Constants），定义单元类型：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Element Type】；设定单元实常数：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Real Constants】。Ansys中提供的单元类型多达200多种，每种单元都有各自的特点和适用范围，不可随便选择。总的来说所有单元可以分为三大类：杆单元类（一维BEAM）、平面单元类（二维PLANE）、体单元类（三维SOLID），每种单元都有各自的名字，名字由单元类+ 数字编号组成。例如：PLANE42，PLANE表示该单元属于平面类单元，由于平面类单元中还包含其他很多种单元，所以用42来标识此特定单元。实际上每种单元的数字编号都是独一无二的。单元实常数主要用来进一步描述单元特性，比如你选择梁分析单元BEAM23，Real可以定义其梁的面积、惯性矩和截面高度，如果你选择的是应用于复合材料层合板分析的SHELL91单元，Real可以指定铺层数、铺层方向角、每层的厚度等参数。至于单元类型如何选择，这与分析问题的类型和材料特性有关，后面的章节将详细讲解。
步骤三：定义材料属性，菜单路径：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Material Props】|【Material Models】，弹出Define Material Model Behavior对话框，在对话框左侧窗口选择合适的材料模型。对于复合材料结构分析而言，通常选择Structural里面的材料模型，需要设定的材料参数一般包括弹性模量、剪切模量、泊松比。
步骤四：建立（导入）模型和划分网格。对于形状复杂的模型建议采用专门的建模软件，建立模型菜单路径：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Modeling】，划分网格菜单路径：【Main Menu】|【Preprocessor 】|【Meshing】。模型的建立可以采用自下向上的建模方法或者自上向下的建模方法，这里不做详述，有兴趣的读者可以参考相关Ansys建模书籍。模型建好剩下的就是划分网格了，划分网格前需要先对网格尺寸进行设置，然后将步骤二选好的单元类型应用到需要划分网格的模型上，程序就会自动将网格划分好，如果对划分的网格不满意还可以对局部网格进行优化。
步骤五：设定边界条件和加载，菜单路径：【Main Menu】|【Solution 】|【Define Loads】。边界条件的设定主要包括对需要限定位移的节点的位移(DOF) 进行设置，Ansys中认为边界约束也是一种载荷。载荷包括集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。载荷可以施加在实体模型上也可以施加在有限元模型上。当载荷施加在实体模型上，ANSYS求解时会自动将这些荷载转换到相应的节点和单元上，当改变模型的单元网格划分时，在实体模型上所施加的荷载不受影响，相比较而言，这种方法施加载荷更容易些。
步骤六：求解，菜单路径：【Main Menu】|【Solution】|【Solve】。在执行求解之前一般需要先指定求解类型，指定的方法路径【Main Menu】|【Solution】
|【Analysis Type】|【New Analysis】，求解类型包括Static、Model、Harmonic、Transient、Spectrum、Eigen Buckling、Substructuring。
步骤七：后处理，【Main Menu】|【General Postproc】。在后处理模块，需要先读入计算的结果，然后就可以查看节点计算结果(Nodal Solution)，一般以云图的方式显示应力、应变、位移等信息，还可以将结果以图片的形式保存下来。有时为了更精确地查看信息，需要将结果以文件的形式输出，这时可以采用【Main Menu】|【General Postproc】|【Write Results】的方法输出结果到文件。
4、Anysis有限元分析中产生的文件
Ansys分析过程中可能产生的文件有10种之多，各种扩展名所包含的意义如下：
.db是数据库文件，里面存储着当前模型数据，以及单元属性、材料性质等信息，是Ansys最重要的文件之一；
.dbb是ANSYS自动生成的当前database的备份。比如你已经有一个file.db，当你点击save时，ANSYS先把原来的file.db另命名为file.dbb后，新生成一个file.db。db文件中可以包含部分结果；
.log是日志文件，以追加时记录所有执行过的命令；
.emat是单元矩阵文件，记录有限元单元矩阵数据；
.esav是单元数据存储文件，保存单元求解数据；
.err是出错记录文件，记录所有运行中的警告错误信息；
.rst是结果文件，记录一般结构分析的结果数据；
.rth是结果文件，记录一般热分析的结果数据；
.rmg是结果文件，记录一般磁场分析的结果数据；
.snn是载荷步文件，记录载荷步的载荷信息；
.out是输出文件，记录命令执行情况；
第三章Ansys 复合材料结构分析专题
复合材料结构分析包括复合材料层合板结构和复合材料夹芯结构分析。与一般各向同性材料（isotropic material）相比，复合材料的建模过程要复杂些，复
合材料各层为正交各向异性材料（orthotropic material），材料的性能与材料主
轴的取向有关，因而在开始复合材料分析之前，笔者认为非常有必要对相关的单元类型及如何选择单元、模型建立、划分网格、施加载荷等基本知识有所认识。建议读者在后面实战过程中能经常返回本章节参考相应的说明，从而加深理解，做到融会贯通。
3.1 适用于复合材料结构分析的单元类型
针对复合材料结构分析，Ansys程序中提供了7种单元类型，分别是SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191单元。单元类型的选择主要依据分析类型和所需的计算结果来确定。下面详细介绍每个单元类型及其应用范围。
1、SHELL99单元
SHELL99单元为3D线性结构壳单元，包含8个节点，每个节点有6个自由度。该单元适用于薄到中等厚度的板和壳体结构，要求结构的宽（长）厚比大于10（目的使得平面应力假设能够成立）。对于宽（长）厚比小于10的结构则应考虑使用SOLID46单元建模（生成有限元模型）。SHELL99允许多达250层的等厚度材料层，或者是125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。如果材料层大于250层，用户可以通过设置keyopt(2)=3or4来定义材料矩阵。
2、SHELL91单元
SHELL91单元与SHELL99单元类似，不同之处在于它允许的复合材料最多100层，用户不能输入自定义的材料矩阵，另外，SHELL91单元支持塑性、大应变等大变形情况，并可以模拟“三明治”结构。
3、SHELL181单元
SHELL181单元是一种4节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。该单元具有包含大应变的完全非线性性能，最多允许255层复合材料，各层的信息可以通过截面相关命令输入。
4、SHELL190单元
SHELL190单元是一种4节点3D单元，每个节点有3个自由度。该单元具有包含大应变性能，最多允许255层复合材料，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，各层的信息可以通过截面相关命令输入。
5、SOLID46单元
SOLID46单元是8节点3D单元SOLID45的一种层叠形式，每个节点有3个自由度，每个单元最多允许250层的等厚度复合材料，同样允许125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个特点是可以用几个单元叠加的方式对多于250层的复合材料建模并允许沿厚度方向的横向变形斜率可以不连续，而且用户可以输入自定义的本构矩阵。于8节点壳单元相比，SOLID46单元的阶次要低，因此，在壳结构分析中要得到与SHELL99或SHELL91单元相同的求解结果，需要更密的网格，
6、SOLID186单元
SOLID186单元是20节点3D实体单元，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有250层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，支持材料的非线性行为和大变形。
7、SOLID191单元
SOLID191单元是20节点3D实体单元SOLID195的一种层叠形式，每个节点有3个自由度。每个单元最多允许有100层的等厚度材料层，允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续。SHELL191单元不支持材料的非线性行为和大变形。
3.2 建立模型
本节中将简要介绍Ansys中建模一般采用的两种方法，分别是直接建模和从CAD软件中导入模型，以及根据分析类型的不同来选择模型类型。考虑到Ansys 分析中绝大部分的模型都要从其他CAD软件中导入，而CAD模型文件有各种各样的格式，比如：IGES、STEP、PARA、CATIA、UG等等，如果对这些格式的特点不熟悉的话，导入结果往往不尽人意。
3.2.1 建模方法
建立Ansys结构分析模型主要有两种方法：直接建模和输入CAD软件中创建好的模型。形状比较简单的模型可以采用直接创建模型，对于形状复杂的模型，建议从CAD软件导入以节省建模时间，导入的CAD模型要尽量简化，放弃不重要的细节，从而减少导入Ansys时过多信息丢失和划分网格失败的几率。
另外，模型的建立需要根据实际分析类型的不同而不同，例如对于板壳结构，如果想采用壳体单元类型（SHELL），则模型只要建立曲面就可以了，不需要建立有厚度的体模型，相应的，如果分析的问题为实体结构，采用的单元为实体单元（SOLID），建立的模型就需要包含厚度信息。
鉴于IGES数据格式在当前数据交换领域有着非常广泛的应用，参考ANSYS 帮助文档，编写了如何在ANSYS环境下导入IGES文件，以及相关的修复操作，详细内容见附录A。
3.3 网格划分
根据个人喜好，有的模型借助其他前处理软件也可以划分网格，然后导入ANSYS中进行有限元计算，这不是本文的关注内容。对于没有划分网格的模型，由前面的介绍可知，ANSYS的基本求解思想是离散化的思想，在求解前必须对其划分网格，网格的划分分为定义单元类型、网格生成选项设置和生成网格三个步骤。
3.3.1 定义单元类型
⑴、定义单元类型GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，执行命令后ANSYS会打开如图8所示的对话框，点击Add增加新的单元类型，弹出图9所示单元类型列表对话框。
图8 单元类型定义
图9 单元类型列表
图9中有两个列表框，左边一个为单元类列表框，右边列表框为该类单元下包含的具体单元，每一种单元都对应一个数字号码。在“Element type reference number”输入框中的数字为单元参考号，这个号码代表了本次结构分析中该单元类型，在划分网格时只要指定单元类型参考号即可将该单元类施加到模型上。
选择单元的原则基本原则是在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单元，选择单元优先级从高到低依次为点、线、面、壳、实体。
⑵、定义实常数
为了准确求解，有时要对所选单元的几何特征进行补充，这些补充通过定义实常数的方式实现。单元实常数的定义通常包括壳单元的厚度、梁单元的截面面积、惯性矩、平面单元的轴对称特性等。
定义实常数GUI路径为：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constant】
图10 SHELL99单元实常数定义
SHELL99单元是复合材料分析常采用的单元类型之一，图10展示了SHELL99单元实常数定义对话框，对话框中NL用于指定该复合材料有多少层，最多可以包含250层，LSYM用于设定复合材料的铺层是否对称，若对称铺层，在输入框中输入数字“1”，ADMSUA用于指定单位面积质量，也就是惯性力。其他的很多壳单元也需要设置类似的实常数。
3.3.2 网格密度控制
在划分网格时，仅仅定义了单元类型是不够的，还需要对单元网格的尺寸或密度进行设定，对网格密度设定后，ANSYS程序会自动根据设定值进行网格划分。网格密度设置GUI操作如下：
【Main Menu】|【Preprocessor】|【Meshing】|【Size Cntrls】
在Size Cntrls菜单下有多种网格密度设置方法，可以手动设置也可以利用程序进行智能控制。一般手动设置通过选定某条边线，指定该边线上点的分布，程序将以这些点为节点划分网格。智能网格密度控制有两种方式，分别是“Basic”和“Adv Opts”，见图11所示。
图11 智能网格密度控制
Basic Smart Size Settings 包含三级网格密度，“1（fine）”级对应最密的网格，“2”、“3”次之。Advanced Smart Size Settings可以设定全局单元尺寸、内部面积单元尺寸变化梯度，单元扩张或收缩快慢程度以及小孔处单元紧缩度等的设置。
3.3.3 网格划分方法
ANSYS提供了方便快捷的划分网格方法，划分的网格具有较高的质量。主要包括4种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应网格划分。
⑴、自由网格划分
ANSYS程序的自由划分网格功能十分强大，这种网格划分方法没有单元形状的限制，网格也不遵循任何模式，适用于对复杂形状的面和体进行网格划分，这可以帮助用户避免对模型的各个部分分别划分网格后进行组装时存在的部分网格不匹配带来的麻烦。图12为规则几何形状和不规则几何形状自由网划分结果。
图12 自由网格划分
⑵、映射网格划分
映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几块，然后选择合适的单元属性和网格控制生成映射网格，映射网格划分适合于规则的面和体，单元成行并且具有明显的规则形状，对面仅适合采用四边形单元，对体仅适合采用六面体单元。对面划分网格时，所用单元必须全部是三角形单元或四边形单元，“全部”之意是划分完毕后的有限元模型中的单元要么是三角形要么是四边形。具体是三角形单元还是四边形单元，这取决于所选的单元类型以及单元形状的设置。例如，单元PLANE42是4节点单元，但也可以退化为3节点三角形单元。
3.3.4 网格质量好坏的判断
⑴、网格质量标准：网格质量是指网格几何形状的合理性，网格质量的好坏直接关系到计算精度，坏的网格甚至会导致计算终止。一般情况下，网格曲面不能过分扭曲、各边各角相差不大、边节点位于边界等分点附近。
⑵、网格质量检查工具：ANSYS程序提供了对单元形状进行检查的工具。需要提醒大家的是，ANSYS程序有时会弹出单元警告信息，但这并不意味着这些单元形状会导致计算结果的不准确。同时，即使程序没有弹出任何警告信息，也不能保证能得到精确的计算结果。执行【Main Menu】|【Preprocessor】|【Checking Ctrls】|【Shaping Checking】，弹出如图13所示的Shape Checking Controls对话框。从图中可以看出有四个功能项，分别进行介绍。
图13 单元形状检查控制
?打开单元形状检查和警告模式
每次划分网格时，ANSYS默认执行单元形状检查。无论是通过何种方法生成新单元，ANSYS都会按照事先设置好的形状警告或错误限制参数进行检测。如果有单元形状超过错误限制，系统不仅会给出错误信息，甚至会终止网格的划分，需要对网格参数进行重新设定。
?关闭形状检查
在有些情况下，用户希望关闭形状检查，只打开警告模式。这时，程序在划分网格时不检查单元形状，只给出警告，这不会导致网格划分失败。
?查看单元形状检查的结果
选择“Summary”项，程序将会以列表的形式将形状检查的信息显示出来，显示的内容包括长细比、雅克比、角度等各项检查结果。
?修改单元形状检查参数的限制
在Shape Checking Controls 对话框中选择Change Settings，如图14所示，弹出如图15所示的单元形状参数设置对话框。
图14 单元形状参数设置
图15单元形状参数设置
这里只介绍第一项：Aspect ratio（纵横比，也称为长细比），以矩形为例，长于宽的比值就是纵横比，这个比值不能太大，也就是不能太瘦长。ANSYS默认的比值上限是20，超过该比值就会提示警告，但不会影响划分网格，一旦超过1000000，ANSYS就会给出出错信息，并终止网格划分。
3.4 加载求解
有限元模型建立完毕后，下一步就是如何为模型施加一定的载荷了。
3.4.1 什么是载荷
在ANSYS中，载荷包括边界条件和激励。结构分析中常见的载荷包括集中力/力矩、分布力、体积力（如重力、磁场力）、位移边界条件等。
3.4.2 如何施加载荷
在ANSYS中，载荷可以施加在实体模型上或者施加在有限元模型上，但最终参与有限元计算的载荷都是施加在有限元模型上。所以施加在实体模型上的载荷最终都会转换到有限元模型上。两种方法都各有优缺点。
?实体模型的加载
优点：实体模型加载不依赖于有限元网格，因此可以在不改变载荷的情
况下改变有限元网格的划分。
缺点：网格划分命令产生的单元处在当前激活坐标系中，而节点位于全
局坐标系中，实体模型和有限元模型有着不同的坐标系和载荷方向。
?有限元模型的加载
优点：可将载荷直接加在主节点上。只需选择所需的节点。
缺点：任何有限元网格的修改都将使得之前施加的载荷失效，另外因为
需要先选择节点和单元，这种方法的工作量一般比较大。
载荷的具体施加请参看第四章的计算实例。
Ansys在复合材料结构优化设计中的应用
Ａ一１３玻璃钢学会第十六届玻璃钢／复合材料学术年会论文集２００６年 Ａｍｙｓ在复合材料结构优化设计中的应用 覃海艺，邓京兰 （武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０） 摘要：优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ａｎｓｙｓ两种优化设计方法．目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程，并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方＇法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ａｎｓｙｓ优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。 关键词：Ａｎｓｙｓ；优化设计方法；目标函数最优设计；拓扑优化设计；复合材料 ｌ前言 复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成，具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点，广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能，因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置，充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ａｎｓｙｓ软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术，Ａｎｓｙｓ强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心Ｊ。 ２Ａｎｓｙｓ中的优化设计方法【３娟ｊ ２．１目标函数最优设计 “最优设计”是指满足所有的设计要求，而且所需（如重量、面积、体积、应力、费用等）的方案最小，即目标函数值最小。也就是说，最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ａｎｓｙｓ中设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸（如厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上，所有可以参数化的Ａｎｓｙｓ选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量（自变量）的数值，使状态变量（设计变量的函数，因变量）在满足一定条件时，目标函数（因设计变量的改变而有所改变）的值最小。 目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件，该文件须包括整个分析的过程，并满足以下条件：参数化建立模型（ＰＲＥＩｙ７），对模型进行初次求解（ＳＯＬＵＴＩＯＮ），对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）；②在Ａｎｓｙｓ数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数，这一步是标准的做法，但不是必须的（ＢＥＧＩＮ或ＯＰＴ）；③进入ＯＰＴ优化处理器，指定要进行优化设计循环的分析文件（ｏＰＴ）；④声明优化变量：指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态变量，哪个参数是目标函数；⑤选择优化工具或优化算法：优化算法是使单个函数（目标函数）在控制条件下达到最小值的传统算法，包括零阶算法和一阶算法；⑥指定优化循环控制方式，每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，比如最大迭代次数等；⑦进行优化分析；⑧查看设计序列结果（ＯＰＴ）和后处理（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）。 ２．２拓扑优化设计 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介：覃海艺（１９８０?），男，在读硕士。 ４９
ANSYS框架结构分析
有限元分析大作业报告 一、结构形式及参数 1、结构基本参数 某框架结构如下图所示，为两榀、三跨七层框架。结构由梁板柱组成，梁板柱之间刚结。材料为C35混凝土，弹性模量为3.15e10N/m2，泊松比取0.25，质量密度为2500kg/m3，梁截面为300mm×700 mm，柱截面为500mm×500mm，楼板厚度为120mm。梁和柱采用beam44 单元，板采用shell 63单元。单位采用国际单位制。 二、静力分析及结果 1、荷载详情 荷载包括自重荷载，采用命令acel,0,0,9.8施加；以及垂直板面向下的均布恒荷载0.35 kN/m2和活荷载0.15 kN/m，两者合并后采用命令*do,mm,204,245,1 sfe,mm,2,pres,,500,500,500,500 *end do施加。 2、结构变形：最大变形发生在91号节点，数值为1.573mm，方向竖直向下（-Z方向）。
3、位移云图 4、等效应力云图：最大等效应力发生在78号节点，数值为175064Pa。
5、支座反力(保留两位小数，单位如表中所示) 节点编码FX(kN) FY(kN) FZ(kN) MX(kN﹒m) MY(kN﹒m) MZ(kN﹒m) 1 -3.87 5.33 514.15 -5.19 -3.74 0.00 2 -6.36 0.09 774.5 3 -0.12 -6.13 0.00 3 -6.36 -0.09 774.53 0.12 -6.13 0.00 4 -3.87 -5.33 514.1 5 5.19 -3.74 0.00 5 0.00 8.2 6 693.8 7 -8.00 0.00 0.00 6 0.00 0.06 107.28 -0.08 0.00 0.00 7 0.00 -0.06 107.28 0.08 0.00 0.00 8 0.00 -8.26 693.87 8.00 0.00 0.00 9 3.87 5.33 514.15 -5.19 3.74 0.00 10 6.36 0.09 774.53 -0.12 6.13 0.00 11 6.36 -0.09 774.53 0.12 6.13 0.00 12 3.87 -5.33 514.15 5.19 3.74 0.00 三、模态分析结果 1、各阶振型频率及类型 振型阶次自振频率（Hz）振动形式 1 1.838 2 弯曲振型 2 1.8627 弯曲振型 3 2.2773 扭转振型 4 5.6636 弯曲振型 5 5.7097 弯曲振型
ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用
ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用 复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。2.复合材料的层合结构定义：■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。3.特殊层合结构的模拟：?变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。（图1上）?不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。（图1下）?蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。（图2）?板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。（图3）5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的
用ANSYS进行桥梁结构分析
用ANSYS进行桥梁结构分析 谢宝来华龙海 引言：我院现在进行桥梁结构分析主要用桥梁博士和BSACS，这两种软件均以平面杆系为计算内核，多用来解决平面问题。近来偶然接触到ANSYS，发现其结构分析功能强大，现将一些研究心得写出来，并用一个很好的学习例子（空间钢管拱斜拉桥）作为引玉之砖，和同事们共同研究讨论，共同提高我院的桥梁结构分析水平而努力。 【摘要】本文从有限元的一些基本概念出发，重点介绍了有限元软件ANSYS平台的特点、使用方法和利用APDL语言快速进行桥梁的结构分析，最后通过工程实例来更近一步的介绍ANSYS进行结构分析的一般方法，同时进行归纳总结了各种单元类型的适用范围和桥梁结构分析最合适的单元类型。 【关键词】ANSYS有限元APDL结构桥梁工程单元类型 一、基本概念 有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。 真实系统有限元模型 自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。
节点和单元 荷载 1、每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 2、作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。 3、信息是通过单元之间的公共节点传递的。 4、节点自由度是随连接该节点单元类型变化的。 单元形函数 1、FEA仅仅求解节点处的DOF值。 2、单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。 3、因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状”。 4、单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。 5、单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。 6、DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。 7、这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来的（如，结构应力，热梯度）。 8、如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数
ANSYS分析指南精华：子结构
第四章子结构 什么是子结构？ 子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。这个单一的矩阵单元称为超单元。在ANSYS分析中，超单元可以象其他单元类型一样使用。唯一的区别就是必须先进行结构生成分析以生成超单元。子结构可以在ANSYS/Mutiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural中使用。 使用子结构主要是为了节省机时，并且允许在比较有限的计算机设备资源的基础上求解超大规模的问题。原因之一如a)非线性分析和带有大量重复几何结构的分析。在非线性分析中，可以将模型线性部分作成子结构，这样这部分的单元矩阵就不用在非线性迭代过程中重复计算。在有重复几何结构的模型中（如有四条腿的桌子），可以对于重复的部分生成超单元，然后将它拷贝到不同的位置，这样做可以节省大量的机时。 子结构还用于模型有大转动的情况下。对于这些模型，ANSYS假定每个结构都是围绕其质心转动的。在三维情况下，子结构有三个转动自由度和三个平动自由度。在大转动模型中，用户在使用部分之前无须对子结构施加约束，因为每个子结构都是作为一个单元进行处理，是允许刚体位移的。 另外一个原因b)一个问题就波前大小和需用磁盘空间来说相对于一个计算 1
机系统太庞大了。这样，用户可以通过子结构将问题分块进行分析，每一块对于计算机系统来说都是可以计算的。 如何使用子结构 子结构分析有以下三个步骤： ●生成部分 ●使用部分 ●扩展部分 生成部分就是将普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义一组主自由度来实现的。主自由度用于定义超单元与模型中其他单元的边界，提取模型的动力学特性。图4-1是一个板状构件用接触单元分析的示意。由于接触单元需要迭代计算，将板状构件形成子结构将显著地节省机时。本例中，主自由度是板与接触单元相连的自由度。 图4-1 子结构使用示例 2
ANSYS结构分析指 复合材料
ANSYS结构分析指南第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为
ANSYS工程分析 基础与观念Chapter04
第4章 ANSYS结构分析的基本观念Basic Concepts for ANSYS Structural Analysis 这一章要介绍关于ANSYS结构分析的基本观念，熟悉这些基本观念有助于让你很快地区分你的工程问题的类别，然后依此选择适当的ANSYS分析工具。在第1节中我们会对分析领域（analysis fields）做一个介绍，如结构分析、热传分析等。第2节则对分析类别（analysis types）作一介绍，如静力分析、模态分析、或是瞬时分析等。第3节解释何谓线性分析，何谓非线性分析。第4节要对结构材料模式（material models）作一个讨论并作有系统的分类。第5节讨论结构材料破坏准则。第6、7节分别举两个实例，一个是结构动力分析，一个是非线性分析来总合前面的讨论。这两个例子再加上第3章介绍过的静力分析例子，这三个例子可以说是用来做为正式介绍ANSYS命令（第5、6、7章）之前的准备工作。最后（第8节）我们以两个简单的练习题做本章的结束。
第4.1节学科领域与元素类型 Disciplines and Element Types 4.1.1 学科领域（Disciplines） 我们之前提过，ANSYS提供了五大学科领域的分析能力：结傋分析、热传分析、流场分析、电场分析、磁场分析（电场分析及磁场分析可统称为电磁场分析），此外ANSYS也提供了偶合场分析（coupled-field analysis）的能力。为了能分析横跨多学科领域的偶合场，ANSYS提供了一些偶合场元素（coupled-field elements），但是这些元素还是无法涵盖所有偶合的可能性（举例来说，ANSYS 并没有流场与结构的偶合场元素）。但是在ANSYS的操作环境下，再加上利用APDL [Ref. 20]，理论上可以进行各种偶合场分析（但是计算时间及收敛性常是问题所在）。下一小节将举几个例子来解说偶合场分析的含义，更详细的偶合场分析步骤你必须参阅Ref. 15。 4.1.2 偶合场分析 以下我们举三个例子来说明何谓偶合场分析。 第一个例子是热应力的计算，这是最常会遇到的问题之一。当你进行热应力分析时，通常分成两个阶段：先做热传分析解出温度分布后，再以温度分布作为结构负载来进行结构分析，而解出应力值。在第一个阶段，热边界条件（thermal boundary conditions）是热传分析的负载，我们希望知道在此热边界条件之下，温度是怎么分布的。因为不均匀的温度分布会造成结构的翘曲变形，所以第二个阶段是希望知道在这些温度分布下结构的变形及应力。这是一个很典型的偶合场分析问题，因为结构怎么变形是依温度怎么分布而定，而温度如何分布则与结构如何变形（变形量很大时，几何形状会改变）有关，这种相依的关系就称为偶合（coupling）。严格来说，前述的分析程序（先做热传分析再做结构分析）观念上不是很正确的，较正确的做法应该是热传与结构分析必须同时进行，也就是说温
ANSYS-结构稳态(静力)分析之经典实例-命令流格式
ANSYS 结构稳态(静力)分析之经典实例-命令流格式.txt两人之间的感情就像织毛衣，建立 的时候一针一线，小心而漫长，拆除的时候只要轻轻一拉。。。。/FILNAME,Allen-wrench,1 ! Jobname to use for all subsequent files /TITLE,Static analysis of an Allen wrench /UNITS,SI ! Reminder that the SI system of units is used /SHOW ! Specify graphics driver for interactive run; for batch ! run plots are written to pm02.grph ! Define parameters for future use EXX=2.07E11 ! Young's modulus (2.07E11 Pa = 30E6 psi) W_HEX=.01 ! Width of hex across flats (.01m=.39in) *AFUN,DEG ! Units for angular parametric functions定义弧度单位 W_FLAT=W_HEX*TAN(30) ! Width of flat L_SHANK=.075 ! Length of shank (short end) (.075m=3.0in) L_HANDLE=.2 ! Length of handle (long end) (.2m=7.9 in) BENDRAD=.01 ! Bend radius of Allen wrench (.01m=.39 in) L_ELEM=.0075 ! Element length (.0075 m = .30 in) NO_D_HEX=2 ! Number of divisions on hex flat TOL=25E-6 ! Tolerance for selecting nodes (25e-6 m = .001 in) /PREP7 ET,1,SOLID45 ! 3维实体结构单元；Eight-node brick element ET,2,PLANE42 ! 2维平面结构；Four-node quadrilateral (for area mesh) MP,EX,1,EXX ! Young's modulus for material 1；杨氏模量 MP,PRXY,1,0.3 ! Poisson's ratio for material 1；泊松比 RPOLY,6,W_FLAT ! Hexagonal area创建规则的多边形 K,7 ! Keypoint at (0,0,0) K,8,,,-L_SHANK ! Keypoint at shank-handle intersection K,9,,L_HANDLE,-L_SHANK ! Keypoint at end of handle L,4,1 ! Line through middle of hex shape L,7,8 ! Line along middle of shank L,8,9 ! Line along handle LFILLT,8,9,BENDRAD ! Line along bend radius between shank and handle! 产生 一个倒角圆，并生成三个点 /VIEW,,1,1,1 ! Isometric view in window 1 /ANGLE,,90,XM ! Rotates model 90 degrees about X! 不用累积的旋转 /TRIAD,ltop /PNUM,LINE,1 ! Line numbers turned on LPLOT
ANSYS命令流学习笔记圆柱形shell单元的复合材料分析
A N S Y S命令流学习笔记圆柱形s h e l l单元的 复合材料分析 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-
! ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析 !学习重点： !1、熟悉单元坐标系下的铺层 当零件形状为规则圆筒时，如何进行铺层建立局部的柱坐标系，将需要铺层单元坐标设置为局部坐标系，进行铺层即可。 譬如圆筒铺层的单元坐标系要建立局部圆柱坐标系。如果还使用笛卡尔坐标系，铺层也能进行，但是铺层方向有很大不同，求解结果也会异常。所以划分网格时，确认单元坐标系选择，划分网格之后，检查单元坐标系情况。确认铺层方向符合预期要求。 本例中要特别注意横向（即Y向）是否符合要求。 !2、熟悉圆面的建模和局部坐标系建立 不解释 !3、熟悉利用MPC施加扭矩 APDL如何对一个圆周施加扭矩在圆心处建立一个节点，然后用MPC单元连接圆心节点和圆周节点，然后在圆心节点上施加一个扭矩即可。 注意将MPC单元的属性改为刚性梁。 注意这里MPC单元的利用，也是自己的一些理解。很多细节也不知道如何在APDL 实现。 !问题描述 ! 传动轴长度为1m，壁厚，直径，铺层共十层，角度为-45/45/-45/45/-45/45/- 45/45/-45/45。一端固定，一端圆周施加扭矩M=2000N·m。 复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,, , , 15e9Pa, , 15e9Pa。 应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa; -Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz: 41E6Pa。
ANSYS 非线性_结构分析
目录 非线性结构分析的定义 (1) 非线性行为的原因 (1) 非线性分析的重要信息 (3) 非线性分析中使用的命令 (8) 非线性分析步骤综述 (8) 第一步：建模 (9) 第二步：加载且得到解 (9) 第三步：考察结果 (16) 非线性分析例题（GUI方法） (20) 第一步：设置分析标题 (21) 第二步：定义单元类型 (21) 第三步：定义材料性质 (22) 第四步：定义双线性各向同性强化数据表 (22) 第五步：产生矩形 (22) 1
第六步：设置单元尺寸 (23) 第七步：划分网格 (23) 第八步：定义分析类型和选项 (23) 第九步：定义初始速度 (24) 第十步：施加约束 (24) 第十一步：设置载荷步选项 (24) 第十二步：求解 (25) 第十三步：确定柱体的应变 (25) 第十四步：画等值线 (26) 第十五步：用Post26定义变量 (26) 第十六步：计算随时间变化的速度 (26) 非线性分析例题（命令流方法） (27) 非线性结构分析 非线性结构的定义 在日常生活中,会经常遇到结构非线性。例如，无论何时用钉书针钉书，金 2
属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。（看图1─1（a））如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂。（看图1─1（b））。当在 汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化。（看图1─1（c））如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征--变化的结构刚性. 图1─1 非线性结构行为的普通例子 3
非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型： 状态变化（包括接触） 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。 接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。 几何非线性 如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。一个例的垂向刚性）。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。 4
ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析
! ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析 !学习重点： !1、熟悉单元坐标系下的铺层 当零件形状为规则圆筒时，如何进行铺层？建立局部的柱坐标系，将需要铺层单元坐标设置为局部坐标系，进行铺层即可。 譬如圆筒铺层的单元坐标系要建立局部圆柱坐标系。如果还使用笛卡尔坐标系，铺层也能进行，但是铺层方向有很大不同，求解结果也会异常。所以划分网格时，确认单元坐标系选择，划分网格之后，检查单元坐标系情况。确认铺层方向符合预期要求。 本例中要特别注意横向（即Y向）是否符合要求。 !2、熟悉圆面的建模和局部坐标系建立 不解释 !3、熟悉利用MPC施加扭矩 APDL如何对一个圆周施加扭矩？在圆心处建立一个节点，然后用MPC单元连接圆心节点和圆周节点，然后在圆心节点上施加一个扭矩即可。 注意将MPC单元的属性改为刚性梁。 注意这里MPC单元的利用，也是自己的一些理解。很多细节也不知道如何在APDL实现。 !问题描述 ! 传动轴长度为1m，壁厚0.003m，直径0.08m，铺层共十层，角度为-45/45/-45/45/-45/45/-45/45/-45/45。一端固定，一端圆周施加扭矩M=2000N·m。 复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,0.28, 0.3, 0.3, 15e9Pa, 3.78e9Pa, 15e9Pa。 应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa; -Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz: 41E6Pa。 应变失效参数：+X:0.05; -X:0.045; +Y:0.08; -Y:0.06; +Z:0.04; -Z:0.045; Sxy: 0.035; Syz: 0.042; Sxz:0.025。
ansys结构分析基本原理
1 应力-应变关系 本文将介绍结构分析中材料线性理论，在后续再介绍材料非线性的理论。在线弹性理论中应力-应变关系： (1) 其中： {σ}：应力分量，即在ANSYS软件里以S代替σ形式出现。 [D]：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。利用(14)～(19)给出了其具体表达式。(4)给出了其逆矩阵的表达式。通过给出完整的[D]可以定义少数的各向异性单元。在ANSYS中利用命令：TB,ANEL来输入具体数值。 ：弹性应变矢量。在ANSY中以EPEL形式输出。 {ε}：总的应变矢量，即 {εth}：热应变矢量，(3)给出了其定义式，在ANSYS中以EPTH形式给出。 注意： {εel}：是由应力引起的应变。 软件中的剪切应变( εxy、εyz和εxz)是工程应变，他们是拉伸应变的两倍。ε通常用来表示拉伸应变，但为了简化输出而采用此表示。将在材料的非线性分析中说明总应变的分量，以EPTO形式输出。 图1 单元的应力矢量图 如图1给出了单元应力矢量图。ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正，压缩时为负。 (1)式还可以被写作以下形式：
(2) 三维情况下，热应变矢量为： (3) 其中： ：方向的正割热膨胀系数。 ΔT=T-T ref T：问题中节点当前温度。 ：参考温度也就是应变自由时的温度。用TREF或MP命令输入。 T ref 柔度矩阵的定义： (4) 其中： E x: 方向上的杨氏模量，在MP命令中用EX输入。 v xy:主泊松比，在MP命令中用PRXY输入。 :次泊松比，在MP命令中用NUXY输入。 v yx G : 平面上的剪切模量，在MP命令中用GXY输入。 xy 此外，[D]-1是对称矩阵，因此 (5)
ansys子结构分析实例解析
ANSYS中的超单元 从8.0版开始，ANSYS中增加了超单元功能，本文通过一些实际例子，探讨了ANSYS 中超单元的具体使用。 1 使用超单元进行静力分析 根据ANSYS帮助文件，使用超单元的过程可以划分为三个阶段(称为Pass)： (1) 生成超单元模型(Generation Pass) (2) 使用超单元数据(Use Pass) (3) 扩展模型(Expansion Pass) 以下摘自htbbzzg邹老师博客，请勿乱传! 下面以一个例子加以说明： 一块板，尺寸为20×40×2，材料为钢，一端固支，另一端承受法向载荷。 首先生成原始模型se_all.db，即按照整个结构进行分析，以便后面与超单元结果进行比较： 首先生成两个矩形，尺寸各为20×2。然后定义单元类型shell63； 定义实常数1为： 2 (板厚度)。 材料性能：弹性模量E=201000；波松比μ=0.3；密度ρ=7.8e-9； 单位为mm-s-N-MPa。 采用边长1划分单元；一端设置位移约束all，另一端所有(21个)节点各承受Z向力5。计算模型如下图：
静力分析的计算结果如下：
为了后面比较的方便，分别给出两个area上的结果：
超单元部分，按照上述步骤操作如下： (1) 生成超单元 选择后半段作为超单元，前半段作为非超单元(主单元)。 按照ANSYS使用超单元的要求，超单元与非超单元部分的界面节点必须一致(重合)，且最好分别的节点编号也相同，否则需要分别对各节点对建立耦合方程，操作比较麻烦。 实际上，利用ANSYS中提供的mesh200单元，对超单元和非超单元的界面实体，按照同一顺序，先于所有其它实体划分单元，很容易满足界面节点编号相同的要求。对于多级超单元的情况，则还要结合其它操作(如偏移节点号等)以满足这一要求。 对于本例，采用另一办法，即先建立整个模型，然后再划分超单元和非超单元。即：将上述模型分别存为se_1.db (超单元部分)和se_main.db (非超单元部分)两个文件，然后分别处理。 对于se_1.db模型，按照超单元方式进行处理。由于模型及边界条件已建立，只需删除前半段上的划分，结果就是超单元所需的模型。 然后直接进入创建超单元矩阵的操作，首先说明一下创建超单元矩阵的一般步骤： A进入求解模块： 命令：/Solu GUI：Main menu -> Solution B设置分析类型为“子结构或部件模态综合“
ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析
! ANSYS命令流学习笔记14-shell单元的铺层复合材料分析!学习重点： !1、熟悉复合材料的材料特点 工程应用中典型的复合材料为纤维增强复合材料。玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）、碳纤维、石墨纤维、硼纤维等高强度和高模量纤维。复合材料各层为正交各向异性材料（Orthotropic）或者横向各向异性材料（Transversal Isotropic），材料的性能与材料主轴的取向有关。 各向异性Anisotropic，一般的各项同性材料需要两个材料参数弹性模量E和泊松比v。而各向异性在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为互相关联。定义其几何方程需要21个参数。 正交各向异性orthotropic，在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为无关，定义材料需要9个参数：Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz。 横向各向异性Transversal Isotropic，属于各向异性材料，但是在某个平面上表现出二维上的各向同性。
!2、熟悉复合材料分析所用的ANSYS单元 复合材料单元关键在于能够实现铺层。不同截面属性的梁单元（beam188, beam189, elbow290），2D对称壳单元（shell208, shell209），3D铺层壳单元（shell181, shell281, shell131, shell132），3D铺层实体单元（solid185, solid186, solsh190, solid278, solid279），均能实现复合材料的搭建。其中Beam单元和2D对称壳单元很少使用。SHELL91、SHELL99、SOLID46、SOLID191用于一些以前的分析教程中，但是现在这些单元已经被淘汰，最好选择下列单元区替代他们。用越来越少的单元做越来越多的事情也是趋势。 Shell208和shell209，2D对称壳单元 前者为2节点3自由度单元，后者为3节点3自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。 shell181和shell281, 3D铺层壳单元 前者为4节点6自由度单元，后者为8节点6自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构（L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。复合材料计算精度由一阶剪切变形理论决定。shell131, shell132为热分析单元，单元类型分别类似于shell181，shell281。 [注：经典变形理论假设变形后的中位线仍然垂直于中面，且长度不变。一阶变形理论假设变形后的法线仍然为直线且长度不变。三阶阶变形理论假设变形后的法线为三阶曲线。] solid185和solid186, 3D铺层实体单元 前者为8节点3自由度单元，后者为20节点3自由度单元，用于厚板和实体的复合材料分析，均为六面体单元，均可退化为六棱柱单元。Solid278, solid279为热分析单元，单元类型分别类似于solid185，solid186。 Solsh190，3D铺层实体壳单元 8节点3自由度单元，类似实体单元，但是用于薄板和中厚度板的壳结构分析，其结构行为遵循一阶剪切变形理论。 !3、熟悉复合材料的失效准则
ANSYS分析实例详解
ANSYS分析实例详解 姓名：XXX 学号：XXX 专业：XXX 内容：空调支架的有限元分析 本次作业为对一空调支架的有限元分析，其主要内容包括空调支架的建模、有限元分析、强度校核以及结构优化等。下图为空调支架一侧的实物图片： 1、空调支架的特点分析 由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用商业化有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。 2、空调支架的建模 空调支架的具体尺寸图如下图所示：
考虑到空调支架模型结构简单，故在此没有利用三维软件建模而是直接在有限元分析软件中进行建模，本次作业采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS10.0。建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。 2.1设定分析作业名和标题 打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面，首先从主菜单中选择【Preferences】命令，勾选Structural。然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令，将文件名修改为Ktiao2，从实用菜单中选择【Change Title】命令，将标题修改为Ktiao2。如下图所示： 2.2定义单元类型 在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本文中选用8节点六面体单元Solid185。如下图所示：
ANSYS结构力分析实例
基于图形界面的桁架桥梁结构分析(step by step) 下面以一个简单桁架桥梁为例，以展示有限元分析的全过程。背景素材选自位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)，见图3-22。该桁架桥由型钢组成，顶梁及侧梁，桥身弦杆，底梁分别采用3 种不同型号的型钢，结构参数见表3-6。桥长L=32m,桥高H=5.5m。桥身由8 段桁架组成，每段长4m。该桥梁可以通行卡车，若这里仅考虑卡车位于桥梁中间位置，假设卡车的质量为4000kg，若取一半的模型，可以将卡车对桥梁的作用力简化为P1 ，P2 和P3 ，其中P1= P3=5000 N, P2=10000N，见图3-23。 图3-22 位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988) 图3-23 桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半) 表3-6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数 解答以下为基于ANSYS 图形界面(Graphic User Interface , GUI)的菜单操作流程。 (1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）
程序→ANSYS →ANSYS Interactive →Working directory（设置工作目录）→Initial jobname （设置工作文件名）:TrussBridge →Run →OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu：Preferences… →Structural →OK (3) 定义单元类型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete... →Add…→Beam: 2d elastic 3 →OK（返回到Element Types窗口）→Close (4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants…→Add/Edit/Delete →Add…→select Type 1 Beam 3 →OK →input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1号实常数用于顶梁和侧梁) →Apply →input Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2号实常数用于弦杆) →Apply →input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3号实常数用于底梁) →OK (back to Real Constants window) →Close (the Real Constants window) (5) 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定义泊松比及弹性模量) →OK →Density (定义材料密度) →input DENS: 7800, →OK →Close（关闭材料定义窗口） (6) 构造桁架桥模型 生成桥体几何模型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →NPT Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 →Apply →同样输入其余15个特征点坐标（最左端为起始点，坐标分别为(4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)）→Lines →Lines →Straight Line →依次分别连接特征点→OK 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked Lines →选择桥顶梁及侧梁→OK →select REAL: 1, TYPE: 1 →Apply →选择桥体弦杆→OK →select REAL: 2, TYPE: 1 →Apply →选择桥底梁→OK →select REAL: 3, TYPE:1 →OK →ANSYS Main Menu：Preprocessor →Meshing →MeshTool →位于Size Controls下的Lines：Set →Element Size on Picked →Pick all →Apply →NDIV：1 →OK →Mesh →Lines →Pick all →OK (划分网格) (7) 模型加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural→Displacement →On Nodes →选取桥身左端节点→OK →select Lab2: All DOF(施加全部约束) →Apply →选取桥身右端节点→OK →select Lab2: UY(施加Y方向约束) →OK (8) 施加载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Keypoints →选取底梁上卡车两侧关键点（X坐标为12及20）→OK →select Lab: FY，Value: -5000 →Apply →选取底梁上卡车中部关键点（X坐标为16）→OK →select Lab: FY，Value: -10000 →OK →ANSYS Utility Menu：→Select →Everything (9) 计算分析 ANSYS Main Menu：Solution →Solve →Current LS →OK (10) 结果显示 ANSYS Main Menu：General Postproc →Plot Results →Deformed shape →Def shape only →OK（返回到Plot Results）→Contour Plot →Nodal Solu →DOF Solution, Y-Component of Displacement →OK（显示Y方向位移UY）(见图3-24(a))