2004 ANSYS 中国用户论文集066
土体剑桥模型的ANSYS二次开发
(7)
2004 ANSYS 中国用户论文集
式中 { δ} = { 1 1 1 0
T
0 0}
因此，剑桥模型的弹塑性矩阵：
[D ]
ep
∂F ∂F [De ][De ] ∂σ ∂σ = [De ] − D p = [De ] − T ∂F ∂F T ∂F ∂F [De ] − p {δ } ∂σ ∂σ ∂εV ∂σ
[ 关键词 ]
剑桥模型
ANSYS
二次开发
The ANSYS secondary development for soil’s Cambridge Model
Guan Yunfei，Gao Feng，Zhong Weiping，Shen Xiaoming China University of Mining and Technology ,Xuzhou,221008,China
p
型，该模型在 p − q 平面上相应的屈服轨迹为一椭圆。其屈服曲线的表达式为：
q2 p + 1 M 2 p2
剑桥模型的增量形式的本构方程为：
= p0
(1)
2004 ANSYS 中国用户论文集
λ M 2 +η 2 dε v λ − k 2η λ − k 2η = 2 2 dγ 1 + ea M + η 1
[ Keyword ]
Cambridge model
ANSYS
secondary development
1
前言
土体的本构关系即应力应变关系，是土的性状及土的物理力学性质的综合反映，无论是地
基应力和地基变形计算，还是稳定计算，都离不开土体的本构关系。自有土力学这门学科以来,
ANSYS 在振动力学课程中的应用
2006年用户年会论文1ANSYS 在振动力学课程中的应用周斌兴, 浦广益江南大学机械工程学院，214000[ 摘 要 ] 本文简明地介绍了通用有限元分析程序ANSYS 在振动力学课程教学中的应用，通过两自由度振动系统算例，介绍了ANSYS 程序的特点和振动系统计算基本过程。
[ 关键词 ] 有限元法 振动力学 课程改革Application of The ANSYS Program in Vibration CourseZhou-Binxing ,Pu-Guangyischool of Mechanical Engineering Southern Yangtze University, Wuxi[ Abstract ] In this paper, the application of the ANSYS program in vibration course was introduced. Thefeature and the basic analysis procedures of the ANSYS program were also shown byexamples of the two–degree of freedom vibration system.[ Keyword ] finite element method; vibration; reform of course.1 前言为培养适应21世纪的人材，力学系列课程体系与教学内容的改革势在必行。
我校在振动力学教学内容方面也进行了探索与实践。
从培养高素质人材的要求出发，调整教学内容，更加重视能力与素质的培养，据于这一想法，在振动力学课程教学中，利用学生对计算机爱好这一特点，把振动力学这一理论性很强的课程与培养学生的计算机应用能力相结合，把ANSYS 大型分析软件引入到振动力学课程教学中，熟知ANSYS 程序就是最为通用和有效的有限元软件之一。
模态分析中约束方式对结果的影响
模态分析中约束方式对结果的影响李如忠中国工程物理研究院电子工程研究所，621900刚海燕四川绵阳万博实验学校，621900[ 摘要 ] 利用有限元分析软件Ansys，对一个电子设备中使用的腔体进行了模态分析，通过设置不同的固定方式（约束方式），计算了腔体的固有频率和振型，并对不同约束方式所得的结果进行了比较，确定最符合实际的结果。
[ 关键词]模态分析、固有频率、振型、有限元A Influence Analyse of the Results Given DifferentLoading Conditions in Modal AnalysisLiruzhongInstitute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics,621900GanghaiyanMianyang Wanbo Experimental School, Sichuan,621900 [ Abstract ] A modal analysis of a model cavity body used in electronic facility using the ANSYS FEA(Finite Element Analysis)software program is presented. The natural frequencies andmode shapes of the cavity body are determined given different loading conditions, thecomparison of results given different loading conditions is done, and the most valid result isgained.[ Keyword ] modal analysis , natural frequencies, mode shapes, FEA1前言模态分析在结构有限元分析中是一种非常重要的分析，可以通过模态分析获得零件的各阶固有频率和振型，并且模态分析也是动力学分析的基础，在进行瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等动力学分析时，必须首先进行模态分析。
p019_某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析
某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析陈文英中国北方车辆研究所某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析陈文英（中国北方车辆研究所）摘要：本文利用MSC.Nastran结构静力计算功能对某机构基座进行了整体刚度与强度分析，得到各个部位的变形和应力，并通过MSC.Patran的后处理功能观察了其应力和变形情况，清楚准确地找出设计的薄弱环节，提出了有效、可行的改进措施，为该机构的论证和优化设计提供了有力支持。
关键词：基座有限元刚度强度1概述根据设计要求，该基座应具备承受冲击的能力。
因此，在研制中，对机构的外廓尺寸和全重有严格的限制，要求设计在满足功能、结构要求的前提下，尽可能优化结构，减少重量。
由于机构在使用中承受较大的载荷和冲击，所以分析计算基座在这种工况条件下的应力和变形情况具有重要意义。
该基座使用铝合金材料，底部有气囊缓冲减振，希望能承受20g的冲击加速度，以便保证基座及其零部件在实际使用时安全可靠，不发生损坏。
本文利用MSC.Software 公司的有限元分析程序MSC.Nastran，对机构在承受冲击载荷时基座的刚度与强度进行了分析计算，得到各个部位的变形和应力，并通过MSC.Patran的后处理功能观察其应力和变形情况，清楚准确地找出设计的薄弱环节，提出了有效、可行的改进措施, （例如筋板的加厚加宽、尖角或直角过度部位加圆角、注意焊接部位焊缝质量等。
）为该机构的论证和优化设计提供了有力支持。
2 有限元模型的建立根据基座的结构几何特征和承载方式，以Pro-E软件建造的基座三维实体模型为基础，建立了详细的基座有限元模型，如图1所示。
2.1 网格划分我们知道，CAD软件建立的模型，尤其是复杂大型结构，往往不能顺利正确地转换到有限元分析软件（CAE）中去，要经过多次的修改和消除CAD建模过程中存在与隐含的造型逻辑错误。
否则，无法划分有限单元网格，或划出来的网格不正确，无法计算。
有限元分析首要和关键的一步是进行单元的剖分，有限元的分析模型必须要求结构模型的点、线、面、体严格正确无误，本模型就花费了分析人员较多时间和精力才转换成功。
2006_通用有限元程序ANSYS及应用_
9.1 构件截面属性的定义
9.2 刚性楼板假定的实施
9.3 谱分析法命令流
24 February 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L1-30
10.钢筋混凝土剪力墙的瞬态动力响应分析
— 二维平面单元应用实例
10.1 模态分析及模态叠加法
10.2 直接时间积分法（Full法）
10.3 输入时间历程命令流
通用有限元程序ANSYS及应用
L1-28
8. 结构分析常用单元性能简介
8.1 空间杆单元
8.2 空间梁单元
8.3 平面单元
8.4 板壳单元 8.5 实体单元 8.6 钢筋混凝土单元
24 February 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L1-29
9. 空间框架结构的谱分析法地震响应分析
— 一维线形单元应用实例
Pan, Zoom, Rotate菜单用于模型的平移、缩放、旋转.
要显示 the Pan, Zoom, Rotate 菜单: Utility Menu: PlotCtrls > Pan, Zoom, Rotate
24 February 2006
L1-16
应用菜单交互操作（之二） ANSYS 的帮助系统
基本求解方法：
■ 精确方法
■
近似方法
24 February 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L1-5
1.1 结构分析有限元法基础（续） 有限元法产生的历史： ■ 1943，数学家 Courant 用三角域内分片连续函数 结合最小势能原理解St. Venant扭转问题 ■ 1960，力学家Clough等首次提出 Finite Element 概念，并正确求解了平面弹性问题 ■ 1960以后，对经典的里兹(Ritz)法、伽辽金法 (Galerkin)进行了推广，特别是后者，采用加权 余量的方式确定单元特性，使得在无物理守恒定 律或变分泛函的情况下仍然可以使用有限元法
齿轮系统的接触模态分析
轴向位移，保留圆周方向的自由度；输入轮
是驱动轮，施加绕中心轴线旋转的角速度
-338.98rad/s；太阳轮安装孔的节点上同样约 束径向和轴向位移，同时在节点上施加切线
方向的节点力 Fy：
Fy=-
输入转矩
=
内圈节点数 ×中心孔半径
-531.2N
(5)
Fy 为负值，即太阳轮的负载转矩是顺
时针方向，加载后的效果如图 1 所示
行星齿轮传动被广泛应用于装甲车 先是在考虑接触特性的情况下做静态非线
辆，一般在高速重载、频繁启动工况下工作， 性分析，获得在静态载荷作用下的应力，然
在此工作环境下，有必要分析齿轮系统的固 后把得到的应力以附加刚度的形式叠加到
有振动频率。在设计齿轮系统时不但要考虑 系统的刚度矩阵上，在不考虑接触的条件下
[2] 吴志强，陈予恕.非线性模态的 分类和新的求解方法．力学学 报.1996.28
[3] 陈予恕，吴志强.非线性模态理 论的研究进展.力学进 展.1997.27
[4] 李欣业，陈予恕，吴志强.非线 性模态理论及其研究进展.河北 工业大学学报.2004.33
[5] 白润波,曹平周,曹茂森,陈建锋. 基于优化—反分析法的接触刚 度因子的确定. 建筑科 学.2008.1
discussed. Considering the non-linear contact，the static stress analysis is done the stress above
is imposed on the system rigid matrix as additional stiffness.Finally,the gear system modal
3 行星齿轮系统有限元模型建立
ansys 论文
计算力学结课论文（普通高等教育）论文题目 ANSYS 有限元分析学 院专业名称班 级学 号姓 名指导教师 赵东 职 称ANSYS软件介绍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。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
ANSYS软件提供的分析类型1.结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。
静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。
ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
Ansys、MSC、流体、有限元等最新软件列表
MSC Nastran 2005(需要先安装Patran做前、后处理)
MSC Nastran v2005 for Linux64 1CD
可用于测试系统级的部件如：阀门、激振器、热交换器、齿轮、离合器、发动机、气
体力学、飞行动力学和其他系统)
MSC Easy5 PPT 培训教程
MSC Enterprise Mvsion v2004-ISO 1CD(商业化的最先进的材料数据库,包括大量航空航天和汽车行业的材料数据)
MSC Combined Doc v2005-ISO 1CD
MSC Easy5 v2004 R2-ISO 1CD(一整套工程师们模拟系统的概念设计和验证工具,用于宇航、汽车和其他工业领域。
分析工具如非线性仿真、稳态分析、线性分析、控制系统设计、数据分析和测绘等均
MSC Marc v2005.R2-ISO 1CD
MSC Marc v2005 Linux&Uni-ISO 1CD
MSC Marc v2005 Documentation 1CD(75MB)
MSC Marc 2005 课程、培训、实例等 1CD
MSC Marc 英文教程、手册
MSC Marc train 中文教程(word文档,51.3MB)
Adams 2005 for Linux-ISO 1CD
Adams 2005 for Red Hat Linux 1CD
Adams 2005 for Irix 1CD
Adams 2003 全套英文培训教程 1CD
Adams v12 最新BASIC培训手册及练习
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大型真空熔炼装置的有限元分析张黎源核工业理化工程研究院，300180[ 摘要 ] 本文论述了ANSYS软件在真空容器结构设计中的具体应用，首先利用通常的设计方法进行了设计计算并建立了三维模型，然后应用有限元方法计算结构的刚度和强度，并据此进行了优化设计，在容器保证容器安全可靠的前提下，减轻了重量。
[ 关键词] ANSYS 真空有限元分析The use of finite element analysis in vacuumsmelting vesselLiyuan ZhangPhysical & Chemical Engineer Institute,300180[ Abstract ] The paper discusses the specific application of ANSYS software in structure design of vacuum smelting vessel. First, the vessel is designed and calculated by usual methodand three dimension model is established, then the strength and stiffness is calculatedusing ANSYS software. At last, basing on the result ,the vessel’s structure is optimizedand the weight is reduced.[ Keyword ] ANSYS vacuum FEA1前言自从1905年鲍尔顿博士提出利用氩气电弧熔炼出金属钽以来，经历了较长的真空电弧熔炼的试验阶段，指导五十年代才达到工业生产规模，这以后发展较快，利用真空电弧炉熔炼钢，合金钢、活泼金属钛、锆和难熔金属钨、钼、钽和鈮等。
真空电弧炉是低于大气压力下用电弧加热熔炼金属或合金。
与普通电弧炉相比它有许多优点。
例如它可以避开大气的污染，也没有耐火材料炉衬的不良作用；相反低压促进了去除有害气体和杂质，改善了材料的纯度，改善了金属和合金的性能。
本文所讨论的真空精炼炉，它的炉身是一个带夹套水冷的矩形真空炉，设计和制造这样一个真空装置都具有很大的难度。
大多数的大型真空容器都是圆筒形，原因是制造容易，节省材料而且强度好，但是矩形容器因其有内部可利用空间大，占据空间小等种种优越性而被选用。
然而如何减少的金属材料的使用，减轻设备的重量，得到刚度、强度和稳定性都良好的设备。
真空精炼炉的设计中主要考虑炉体和炉门间的密封，以及在高压的，炉体和炉门的强度问题；其次考虑炉门开启、关闭、锁紧的灵活简便和安全可靠等问题。
在进行炉子内部设计时要充分考虑测量元件引入口、电极、冷却水出入口等的位置和数量等。
对炉体和炉门所产生的影响，应符合压力容器设计标准，直到其应力值在许可范围内为止。
2真空容器设计技术进展容器设计的核心问题是研究壳体在预定温度、压力和外载荷的作用下，有效抵抗变形和破坏的能力，即处理强度、刚度和稳定性问题，保证容器的安全性和可靠性。
因此对容器进行较为充分的载荷和应力、应力和变形分析，构成了容器设计的重要理论基础。
传统的设计方法（Design by Rules）的基本思想通常是只考虑单一的最大载荷工况，主要利用材料力学和板壳理论，按照最大拉应力强度准则，来进行校核计算，局部应力集中引入系数来处理。
传统的设计方法虽然经过了长期的实践考验，简便，可靠；但是这一方法的局限性在于它比较适合于真空手册中已经规范化的容器结构形式，不利于新型装置的研制，并且，没有对容器重要部位的应力进行严格而详细的计算，往往造成大量原材料和能源的耗费，某些局部位置的力学性能并不一定好。
近年来在容器设计领域中出现了以详细的应力分析为基础的设计方法，称之为“分析设计法”(Design by Analysis)，通过解析法和数值法，将各种外载荷和变形约束引起的应力分别计算出来，然后进行应力分类，不同类的应力按不同设计准则来限制，以保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。
可在保证容器更安全的条件下达到壁厚更薄、重量更轻、成本更低的目的；还可进行结构优化分析，使容器结构更为合理。
我国也推出了相应的分析设计标准JB4732—1995（钢制压力容器——分析设计标准）。
【2】分析设计中比较常用的数值计算方法是有限元法，有限元法是将连续结构体离散为有限数量个形状规则的微小单元（Element），单元之间只通过若干各节点（Node）连解，利用变分原理或虚功原理建立单元力向量和节点位移向量之间的特性关系，形成单元刚度矩阵方程，通过节点平衡条件和约束条件，运用叠加原理，求解刚度矩阵方程就可以得到连续结构体的力学问题的数值解。
只要单元选取合适，网格划分的越细，就越接近真实。
【3】本文将试图把有限元分析设计和有限元分析软件ANSYS应用到真空容器的结构设计中去，使真空容器的设计建立在详细的应力分析的基础上，提高真空容器的设计水平。
3炉身的静力学有限元分析3.1几何结构分析结构设计是否合理不仅直接影响到装置的安全、可靠性，而且也直接关系到装置的性能参数，因此在进行结构设计时首先必须考虑物理和工程要求，同时兼顾生产制造工艺的复杂程度，尽量使真空室的设计安全、可靠、合理、经济、适用。
精炼炉的炉体实际上是一个带夹套水冷的真空工作腔，主要由腔体和仓门两大块组成，仓门又包括接管法兰、门板、预紧机构等，工作腔体和仓门之间采用氟橡胶圈密封，工作腔仓门的开启和关闭依靠一小车牵引。
由结构剖面图可以看出，工作腔腔体由内外两层壳体组成，内层壳体由5块奥氏体不锈钢钢板焊接而成，为了减小壳体的壁厚，减轻重量，在内层壳体的外表面焊接纵横相交的加强筋；外层壳体则是由不锈钢板通过加强筋拼焊而成，外壳采取焊后加工方式，并进行整体的热处理消除焊接应力。
此外，在真空工作腔体的六个面上，分布着许多个各种规格法兰接管。
图1炉体的有限元模型3.2有限元模型建立3.2.1材料特性常数工作腔壳体及门板材料采用主要是铬镍奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，其各项材料特性常数如下：强度极限σb＝529.5MPa屈服极限σs＝196 MPa许用应力[σ]=131 MPa水压试验许用应力[σ]水=0.9σs＝177 MPa弹性模量E＝200GPa泊松比μ＝0.3密度ρ＝7.9×103㎏/m3。
3.2.2有限元模型建立按照给出的真空精炼炉主体的结构尺寸，使用三维实体建模软件Pro/E建立三维几何模型，导入ANSYS后转化为程序中的几何模型并进行适当的简化，去掉一些影响不大的小尺寸和结构，这些几何模型实体只是用于产生有限元网格，形成计算模型的辅助工具，有限元的计算并不直接依赖于几何实体，而是通过有限元模型中的单元（Element）和节点(Node)来定义的，其中最关键的技术就是如何进行网格划分。
在划分真空精炼炉主体模型时，形状比较规则的地方采用自动网格划分，所有节点网格的产生都是计算机根据几何模型的特征自行计算获得的，这样所达到的计算精度是足够的，且运算的速度快一些，不容易出错。
形状不连续并且出现突变处，人为地指定真空室与窗口连接处的曲线或曲面上的网格数量及网格大小进行分网，对可能出现应力集中的部位进行网格加密。
基于工作腔的结构和载荷分布的对称性，仅保留实体模型的1/2来建立有限元模型，这样可以大大的减少节点数和单元数，加快计算速度，减少硬盘空间的需求，选用单元类型为体单元solid186和四面体网格对实体模型划分网格，真空精炼炉主体有限元分析模型如图3所示，共生成327651个结点和169526个单元。
3.3载荷工况和边界条件分析a．载荷工况分析①由于真空精炼炉主体运行时，外层壳体外侧主要是承受大气压作用，施加在实体模型上的载荷工况是0.1MPa的外压均布载荷；②夹套中充满了循环冷却水，正常工况下为0.4MPa，在进行外压水压试验压力为1.5倍的工况压力，即0.6 MPa，这两个压力均为表压，也就是相对于大气压的压力，绝对压力应该分别是0.5 MPa和0.7 MPa，本例选用外压水压试验工况作为计算工况，为此在夹套内部，各个面施加均布载荷为0.7MPa；④主体自重，给定密度由程序计算。
b．边界条件分析①工作腔的支撑力，作为边界条件限制Y方向的位移约束；②密封圈的反作用力，在密封面上限制X方向的位移约束，作为边界条件；③在模型截面处施加对称约束边界条件就可以利用模型载荷和结构的对称性，来模拟全部实体模型的真实情况。
加载在真空精炼炉主体有限元模型上的载荷工况类型及大小边界条件形式如表1所示表1 工作腔的载荷约束数据载荷工况及边界条件类型大小整体自重惯性力给定密度程序计算外层壳体外侧大气压力面积力0.1MPa仓门外侧大气压力面积力0.1MPa夹层冷却水试验压力面积力0.6MPa工作腔支撑力边界条件限制Y方向的自由度密封圈的反作用力边界条件限制X方向自由度切割截面边界条件边界条件对称边界条件3.4计算结果和应力评定选择稀疏矩阵求解器进行求解，计算结果如图2所示为真空精炼炉炉身的等效应力分布图。
查看应力的详细的分布情况，发现应力的最大值出现在外层壳体的侧面和腔体法兰连接处，这一应力峰值是由于变形不协调产生的，部位腔体门板法兰弯曲变形较大，而外层壳体较薄，抵抗这种变形的能力较弱，从而出现了变形不协调，产生了附加弯曲应力，引发了较强的“边缘效应”，但是，这几处应力集中均为“二次应力（Q）”，仔细查看各个部件详细的应力分布情况，可以看出根据根据JB4732－1995（钢制压力容器——分析设计标准）中对各类应力评定的许用极限，P m < [σ]水， P L < 1.5 [σ]水， P+Q <3[σ]，真空精炼炉炉身应力分布一次薄膜应力P m、一次局部薄膜应力P L、二次应力Q均满足以上标准，认定当前的设计是安全的。
但是以上各应力值均偏小，所以说大部分材料的厚度还是有些偏厚，有进一步优化空间，可以进行优化计算以减少重量。
另外，从应力分布情况可以看出，炉身虽然开孔较多但每个法兰都联接内外两层壳体，实际上是减小了加强筋的跨度，起到了加强作用，可以不需要另外补强。
图2 炉体的等效应力云图图3 炉门的等效应力云图表2列出各关键部件的厚度尺寸、应力峰值和最大变形，其中表中所列出的壁厚数值为计算壁厚，不包括壁厚附加量，本文中所提到壁厚数值如未做说明均为计算壁厚，从表中可以看出内层壳体、加强筋板，外层壳体的应力峰值都小于水压试验的许用应力177 Mpa，炉门、炉身法兰的应力峰值也小于材料的许用应力131 MPa。