ansys轴对称结构的静力分析
轴对称结构的静力实例分析
的定义。
应用力学研究所
李永强
§9.2 建立模型
定义材料属性
本例中选用的单元类型不需定义实常数，故略过定义实常数这一步骤而直
接定义材料属ห้องสมุดไป่ตู้。
考虑惯性力的静力分析中需要定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下： （1）选取菜单项Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models， 将弹出Define Material Model Behavior（定义材料模型）对话框。 （2）依次双击Structural | Linear | Elastic | Isotropic，展开材料属性的树形结构。 将弹出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框。 （3）在对话框的EX文本框中输入弹性模量为1.15e5，在PRXY文本框中输入泊
应用力学研究所
李永强
§9.1 问题描述
盘转速为11373转/分，盘材料TC4钛合金，其弹性模量为： 1.15×105MPa，泊松比为0.30782，密度为4.48×10-9吨/立方毫米。 叶片数目为74个，叶片和其安装边总共产生的离心力等效为
628232N（沿径向等效），这些力假定其均匀作用于轮盘边缘。
弹出Element Types（单元类型）对话框。
（2）单击Add按钮，将弹出Library of Element Types（单元类型库）对话框。 （3）然后在左边的列表框中选择“Solid”，选择实体单元类型。 （4）在右边的列表框中选择“Quad 4node 42”，选择4节点四边形板单元 PLANE42 ，如图所示。 （5）单击OK按钮，将PLANE42单元添加，并关闭单元类型库对话框，同时返 回到第一步弹出的单元类型对话框。
经典：ANSYS轴对称问题实例
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17
个人观点供参考，欢迎讨论
→Close( the Mesh Tool window)
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3、施加约束和载荷 1）施加约束和压力
ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement → On Lines →拾取左边 → OK → select Lab2:ALL DOF → OK
13
5、后处理
2）径向位移云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, X-Component of displacement →OK
3）周向位移云图
6）周向应力云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, Z-Component of Stress →OK
7）轴向应力云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour
Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, Y-Component of
displacement →OK
ANSYS轴对称问题
关于 ANSYS轴对称应力问题1. 什么是轴对称应力问题弹性力学中将廻转体对称于转轴而变形的问题定义为轴对称问题。
根据铁摩辛柯《弹性理论》一书，公式 (169)(P.322) 与 (178) (P.360)可以看到，在轴对称情况，只有径向和轴向位移，不能有周向位移。
轴对称分析要求，除了结构是轴对称的外，载荷和约束也必须是轴对称的。
由上面的说明可见，在轴对称分析中不能有周向变形，因而也不能有周向的载荷。
即不能有扭矩之类的载荷和扭转变形。
对于轴对称结构，如果承受轴对称约束，而载荷是非轴对称的，但该载荷可以分解为旋转角θ的三角函数，可以使用“轴对称谐波单元–Plane25，Shell61，Plane75，Plane78，Plane83，Shell208, Shell209 等”进行求解，不过本文不涉及。
2. ANSYS对轴对称模型的基本要求在 ANSYS中分析轴对称问题时，要求：(1) 分析模型 (轴对称) 必须位于整体坐标系的X-Y 平面中，Y 轴为旋转轴，模型中的所有实体 (Keypoi nt,Line,Area,Volume,Node, Elemen t等) 都必须位于X >= 0 的范围中。
(2) 所有的载荷、约束都必须是轴对称的。
为此：a. 只能施加 XY 平面内的载荷和约束，不能施加垂直于XY 平面的载荷(如扭矩，会产生法向的位移，对于轴对称单元不存在该位移，故不能施加)；b. 根据轴对称理论，在旋转轴上(X=0) 应该有 Ux ＝0，因此在旋转轴上不能施加非零的径向(X 方向) 位移约束，也不能施加径向的载荷(否则会破坏结构 Ux ＝0 的条件)。
3.ANSYS中如何施加轴对称载荷对于约束、面载荷、体载荷、Y 方向的加速度、X 方向的角速度等，定义方式与非轴对称结构相同；对集中力载荷则有所不同。
ANSYS课件5静力分析
2
4
4
6 8
1 280KN
3
5 210KN
7
9
280KN
11 360KN
3.118m
o
60
2
3.6m
o
60
3
6 5
3.6m
10 7
3.6m
几何参数及载荷如图所示，杆的弹性模量E为200Gpa，横截面面积A为3250mm2
2.2 三维杆问题
本例分析的问题是自行车的框架。从实际框架中抽象出来的模型为一个 简单空间桁架。整个框架由铝合金空心管制成，铝管的外径为25mm，壁厚 2mm。
上述两个假设，使得桁架中的每个构件均为二力构件，即只有构件的 两端受力，且作用力沿构件轴线方向。
屋顶桁架 桥梁桁架
2.1 二维桁架问题
现实生活中，经常可以看到很多完全由杆构成的桁架，如电力传送塔台等。本 例为一个简单桥梁桁架模型。通ANSYS 分析，要得到节点的位移、反作用力和桁架 系统的应力。
结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的 一些未知量，如应变、应力和反力可通过节点位移导出。
本章学习目标：掌握基本的线性静力结构分析
1
桁架结构静力分析
2
平面问题的静力分析
3
任意三维结构的静力分析
4
轴对称结构的静力分析
5
周期对称结构的静力分析
§1 结构线性静力分析
结构静力分析是计算结构在固定不变的荷载作用下 的响应。静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对 结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为 等价静力的随时间变化荷载（如通常在许多建筑规范中 所定义的等价静力风荷载和地震荷载）。
验证分析
验证分析就是用最简单的模型提取最有效的数据做为参考数 据。在试图解决一个新的分析类型时，需要对比数据（比如解析 解或者经验数据等），这就需要首先分析简化模型。如果简化模 型的分析结果可以认定是可靠，则表明对实际模型的处理方案是 可行的。分析简化模型的过程中确保分析类型、单位、比例等参 数准确。本例用简单悬臂梁模型作为验证，验证模型如图所示。 铝管的外径为25mm，壁厚2mm。
ansys中的静力分析
第1章 静力分析1.1 力的概念力在我们的生产和生活中随处可见，例如物体的重力、摩擦力、水的压力等，人们对力的认识从感性认识到理性认识形成力的抽象概念。
力是物体间的机械作用，这种作用可以使物体的机械运动状态或者使物体的形状和大小发生改变。
从力的定义中可以看出力是在物体间相互作用中产生的，这种作用至少是两个物体，如果没有了这种作用，力也就不存在，所以力具有物质性。
物体间相互作用的形式很多，大体分两类，一类是直接接触，例如物体间的拉力和压力；另一类是“场”的作用，例如地球引力场中重力，太阳引力场中万有引力等。
同时力有两种效应：一是力的运动效应，即力使物体的机械运动状态变化，例如静止在地面物体当用力推它时，便开始运动；二是力的变形效应，即力使物体大小和形状发生变化，例如钢筋受到横向力过大时将产生弯曲，粉笔受力过大时将变碎等。
描述力对物体的作用效应由力的三要素来决定，即力的大小、力的方向和力的作用点。
力的大小表示物体间机械作用的强弱程度，采用国际单位制，力的单位是牛顿（N ）（简称牛）或者千牛顿（kN ）（简称千牛），1kN =103N 。
力的方向是表示物体间的机械作用具有方向性，它包括方位和指向。
力的作用点表示物体间机械作用的位置。
一般说来，力的作用位置不是一个几何点而是有一定大小的一个范围，例如重力是分布在物体的整个体积上的，称体积分布力，水对池壁的压力是分布在池壁表面上的，称面分布力，同理若分布在一条直线上的力，称线分布力，当力的作用范围很小时，可以将它抽象为一个点，此点便是力的作用点，此力称为集中力。
由力的三要素知，力是矢量，记作F ，本教材中的黑体均表示矢量，可以用一有向线段表示，如图1-1所示，有向线段AB 的大小表示力的大小；有向线段AB 的指向表示力的方向；有向线段的起点或终点表示力的作用点。
1.2 静力学基本原理所谓静力学基本原理是指人们在生产和生活实践中长期积累和总结出来并通过实践反复验证的具有一般规律的定理和定律。
ANSYS课件5静力分析解析
验证分析
验证分析就是用最简单的模型提取最有效的数据做为参考数 据。在试图解决一个新的分析类型时，需要对比数据（比如解析
解或者经验数据等），这就需要首先分析简化模型。如果简化模
型的分析结果可以认定是可靠，则表明对实际模型的处理方案是 可行的。分析简化模型的过程中确保分析类型、单位、比例等参 数准确。本例用简单悬臂梁模型作为验证，验证模型如图所示。 铝管的外径为25mm，壁厚2mm。
谭秋林
第5章 结构静力分析
结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是
一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如
车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包 括机械零部件，如活塞传动轴等等。
结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的
§3 平面应力分析
分析题目：
对一个书架上常用的钢支架进行结构静力分析。假定支架在厚度方向上
无应力（即平面应力问题）
选用8节点的平面应力单元； 支架厚度为3.125mm； 材料普通钢材， 弹性模量取E=200 GPa； 支架左边界固定； 顶面上作用一个2.625KN/m均布荷载
§4 轴对称结构的静力分析
结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为 等价静力的随时间变化荷载（如通常在许多建筑规范中 所定义的等价静力风荷载和地震荷载）。
§2 桁架结构静力分析
桁架（Truss）是由细直构件在端点连接而成的一种结构，这些细直构件通 常是木质或者金属制的。 平面桁架：位于一平面，常用于支承屋顶或者桥梁。 三维桁架结构：与二维桁架相差不是很大，只是载荷与桁架不在同一个平 面内，不能简化为二维问题分析。 桁架分析的基本假设： 1．所有载荷均作用于连接点； 2．构件由光滑插销连接。 上述两个假设，使得桁架中的每个构件均为二力构件，即只有构件的 两端受力，且作用力沿构件轴线方向。
ANSYS Workbench轴对称模型分析及结果扩展显示
ANSYS Workbench轴对称模型分析及结果扩展显示
在对中心对称或轴对称的实体进行ANSYS计算时，往往为了提高计算效率，只仿真实体的一半或者四分之一甚至更小。
在计算完成后，查看应力或变形云图，却只能看到仿真的这小部分，看不到整个模型的结果。
本文将介绍在Workbench中如何实现对称模型及结果的扩展显示。
实例分析过程
下面以一个实例来说明
1）创建一个静力学分析系统，设置分析类型为2D，在SCDM中创建矩形面（XY坐标系内），导入Mechanical，设置几何模型为对称模型，自动划分网格；
2）在Mechanical中施加约束：
在底边施加固定约束，在顶部边上施加斜向的载荷（Fx=100N；Fy=100N）；
3）边界条件设置完成后，进行求解，得到位移、应力等结果。
3、对称显式设置
1) 打开Workbench，选择Tool->Options，在Options中选择Appearance，选中Beta Options前面的方框。
2）进入Mechanical界面，选择Model，插入Symmetry，在Symmetry 选项中设置2D Axisymmetry，间隔为10度，总个数=360/10+1=37
3）显示单元，已经按照轴对称形式显示了。
4）显示结果，也已经按照实体显式。
结果与二维显示完全一致。
4、结论
对于明显具有对称结构和边界的模型，采用这种简化方式，可以使用更少的单元和节点得到结果，并通过扩展显示功能，查看整体的结果云图。
对于该模型是否能用对称模型简化，需要在计算时对结构进行综合评价。
实验三：ANSYS结构静力分析
实验三：ANSYS结构静⼒分析实验三：ANSYS结构静⼒分析静⼒分析实验1—⾃⾏车框架的结构分析⾃⾏车框架的结构分析具体步骤1.定义⼯作名、⼯作标题（学号）过滤参数①定义⼯作名：Utility menu > File > Jobname②⼯作标题：Utility menu > File > Change Title2.选择单元类型Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete① 3D elastic straight pipe②单击Element Types 对话框中的Options按钮，单击K6，在下拉列表框中选择Include Output选项，然后单击OK按钮。
这样在输出结果数据时，将得到应⼒和扭距值。
单击Element Type 对话框中Close按钮，结束单元类型参数定义操作。
3.单元实常数设定Main Menu >Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete在弹出的对话框中单击Add按钮，选择Type 1 PIPE6（在只有⼀个单元类型时系统默认选定状态）。
单击OK按钮。
键⼊下⾯的⼏何参数：外径（Outside diameter OD）：25管壁厚度（Wall thickness TKWALL）：2定义了外径为25mm，壁厚为2mm 的管。
单击OK按钮。
4.设置材料属性Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear > Elastic >Isotropic弹性模量EX＝70000泊松⽐PRXY＝0.335.实体建模根据以给定的坐标值，建⽴8个关键点，并对应连接各点构成⾃⾏车的三维桁架结构其中L=（500+学号）mm①创建关键点操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS②由关键点⽣成线的操作：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord保存结果Toolbar: SAVE_DB6.划分⽹格①设定⽹格尺⼨：Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines在SIZE 栏中，键⼊想得到的单元长度，在本例中取单元长度为20mm，在数据栏中键⼊20②划分⽹格：Preprocessor > Meshing > Mesh > Lines在Mesh Lines对话框中单击Pick All钮完成⽹格划分。
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第六章轴对称结构的静力分析在工程实践所应用的结构中，有许多结构是可以由一个截面绕一个轴旋转而生成的，如果这种结构所受的外载荷和边界条件也沿此轴对称，则称此结构为轴对称结构。
在有限元理论中对于此类结构有专门的简化方法，在ANSYS中也可以通过结构的轴对称性简化模型，缩短计算时间，提高计算效率。
本章所介绍的实例是带有鼓桶的压气机盘结构件，在进行整体分析时，可以通过对模型的简化（比如去除盘上小孔等）将模型简化为符合轴对称性质的结构，从而可以用轴对称方法对压气机盘组件进行整体分析。
6．1 问题描述某型压气机盘鼓结构件如图6.1所示，在整体分析时不对叶片和压气机上的孔建模，将叶片的引起的离心效果作为线分布力施加于轮盘的边缘。
图6.1 压气机盘鼓件图中所标各点坐标如表6.1所示。
表6.1 盘上各关键点坐标盘转速为11373转/分，盘材料TC4钛合金，其弹性模量为：1.15×105MPa，泊松比为0.30782，密度为4.48×109 吨/立方毫米。
叶片数目为74个，叶片和其安装边总共产生的离心力等效为628232N（沿径向等效），这些力假定其均匀作用于轮盘边缘。
位移约束施加于鼓桶上，为在鼓桶的上表面施加径向约束，在鼓桶的侧面施加轴向约束。
6．2 建立模型完整的前处理过程包括：设定分析作业名和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。
下面就结合本实例进行介绍，本实例中的单位为应力单位MPa，力单位为N，长度为mm。
6．2．1 设定分析作业名和标题在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名（原因见第二章），并在图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。
另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。
（1）选取菜单路径Utility Menu >File >Change Jobname，将弹出修改文件名(Change Jobname)对话框，如图6.2所示。
图6.2 设定分析文件名（2）在输入新文件名(Enter new jobname)文本框中输入文字“CH06”，为本分析实例的数据库文件名。
（3）单击按钮，完成文件名的修改。
（4）选取菜单路径Utility Menu >File >Change Title，将弹出修改标题（Change Title）对话框，如图6.3所示。
图6.3 设定分析标题（5）在输入新标题(Enter new title)文本框中输入文字“static analysis of compressor structure”，为本分析实例的标题名。
（6）单击按钮，完成对标题名的指定。
（7）选取菜单路径Utility Menu>Plot>Replot，指定的标题“static analysis of compressor structure”将显示在图形窗口的左下角，如图6.4所示。
图6.4 显示指定了的分析标题（8）选取菜单路径Main Menu >Preference，将弹出菜单过滤参数选择（Preference of GUI Filtering）对话框，如图6.5所示。
图6.5 菜单过滤参数选择(Preference of GUI Filtering)对话框（9）单击对话框中的Structural（结构）选择按钮，选中Structural选项，以便ANSYS6.1的主菜单设置为与结构分析相对应的菜单选项。
（10）单击按钮，完成分析范畴的指定。
6．2．2 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的精度要求等，选定适合分析实例的有限元单元。
本例中选用4节点四边形板单元PLANE42，PLANE42可以通过控制单元行为方式的选项设置其为轴对称单元。
（1）选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete，将弹出单元类型定义(Element Types)对话框，如图6.6所示。
图6.6定义单元类型（2）单击按钮，将弹出单元类型库(Library of Element Types)对话框,如图6.7所示。
图6.7 单元类型库对话框（3）然后在左边的列表框中选择“Solid”，选择实体单元类型。
（4）在右边的列表框中选择“Quad 4node 42”，选择4节点四边形板单元PLANE42。
（5）单击按钮，将PLANE42单元添加，并关闭单元类型库对话框，同时返回到第一步弹出的单元类型对话框，如图6.8所示。
图6.8 单元类型及选项对话框（6）单击按钮，弹出如图6.9所示的单元选项设置对话框，对PLANE单元进行设置，使其可用于分析轴对称结构。
图6.9 单元选项设置对话框（7）在单元行为方式（Element behavior）域的下拉列表选择轴对称（Axisymmetric）选项。
（8）单击按钮，接受选项，关闭单元选项设置对话框，返回到图6.8所示的单元类型对话框。
（9）单击按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。
6．2．3 定义材料属性本例中选用的单元类型不需定义实常数，故略过定义实常数这一步骤而直接定义材料属性。
考虑惯性力的静力分析中需要定义材料的弹性模量和密度。
具体步骤如下：（1）选取菜单路径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，将弹出材料模型定义(Define Material Model Behavior)对话框，如图6.10所示。
图6.10 定义材料属性对话框（2）依次双击Structural>Linear>Elastic>Isotropic，展开材料属性的树形结构。
将弹出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图6.11所示。
图6.11 线性各向同性材料的弹性模量和泊松比（3）在对话框的EX文本框中输入弹性模量为1.15e5，在PRXY文本框中输入泊松比为0.30782。
（4）单击按钮，关闭对话框，并返回到定义材料属性对话框，在定义材料属性会话框的左边一栏出现刚刚定义的参考号为1的材料属性。
（5）依次双击Structural>Density，弹出定义密度对话框，如图6.12所示。
图6.12 定义密度对话框（6）在DENS文本框中输入密度数值“4.48e-9”，单位为吨/立方毫米。
（7）单击按钮，关闭对话框，并返回到定义材料属性对话框，在定义材料属性会话框的左边一栏参考号为1的材料属性下方出现密度项。
（8）在材料模型定义(Define Material Model Behavior)对话框中，选取路径Material >Exit，或者单击对话框右上角的按钮退出材料模型定义对话框，完成对材料模型的定义。
6．2．4 建立轮盘截面本节将根据给出的点的坐标创建关键点，然后有这些关键点创建出盘面模型，需要注意的是，在轴对称分析中，要求模型必须位于总体XY平面内，而且轴对称结构的对称轴必须为总体Y轴（本例中由于模型是根据点坐标值创建，通过这些点创立的模型已经满足了这些条件）。
在轴对称分析中总体Y轴表示结构的轴向，X轴表示径向，Z轴表示径向。
（1）单击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，弹出如图6.13所示的在激活坐标系中创建关键点的对话框。
图6.13 创建关键点对话框（2）在关键点编号（Keypoint number）文本框中输入1。
（3）在关键点在激活坐标系中坐标值（X,Y,Z Location in active CS）文本框中依次输入关键点1的X，Y坐标值226和208.8。
（4）单击按钮创建关键点1，同时继续创建下一个关键点。
（5）重复2到4步，直到将表6.1中所列出的所有点创建完毕（将表中的点编号作为关键点编号），在创建最后一个关键点17时，单击按钮，关闭创建关键点对话框。
（6）单击菜单路径Utility Menu>PlotCtrls>Numbering，弹出如图6.14所示显示图元编号控制对话框。
图6.14 显示图元编号控制对话框（7）单击关键点编号（Keypoint numbers）后的复选框使其选中。
（8）单击线编号（Line numbers）后的复选框使其选中。
（9）在编号显示形式（Numbering shown with）下拉列表中选择仅显示编号（Numbers only）。
（10）单击按钮，是设置生效。
（11）单击Utility Menu>PlotCtrls>Pan-Zoom-Rotate，弹出Pan-Zoom-Rotate对话框。
（12）单击Pan-Zoom-Rotate对话框上的按钮，改变图形窗口的视角。
（13）单击Pan-Zoom-Rotate对话框上的按钮，使所创建的图形充满图形窗口，如图6.15所示。
图6.15创建的盘面上的关键点（14）单击菜单路径Main Menu>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line，弹出关键点选择对话框，要求选择要创建的直线的两个端点。
（15）用鼠标在图形窗口中点取关键点1和2或者在选择对话框的输入框中输入“1,2”然后回车，创建出端点为关键点1，2的直线。
（16）同样，依次选取关键点2，3；1，6；6，4；4，5；5，16；16，15；15，14；14，11；11，12；12，17；8，7；7，9；9，10；10，13创建直线（每两个点创建一条线，以分号相隔）。
（17）单击按钮，关闭选择对话框。
（18）单击Utility Menu>Plot>Multi-Plots，在图形窗口显示所有图元，如图6.16所示。
图6.16 创建的线关键点（19）单击Main Menu>Modeling>Create>Lines>Lines>Tangent to Line创建一条与已知线相切的线，弹出线选择对话框，要求选择与将要创建的线相切的线。
（20）选择线L11，单击按钮，弹出点选择对话框，要求选择切点。
（21）选择关键点17，单击按钮，弹出点选择对话框，要求选择欲创建的线的另外一个端点。
（22）选择关键点8，单击按钮。