Workbench有限元静力学分析
ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践 第6章 静力学分析
6.4 线性静力学分析实例——壳单元分析实例
• 壳单元是有限元分析经常需要使用的单元类型，本例将通过壳单元 对管道结构进行静力学分析，使读者掌握壳单元的使用方法，同时 与实体结构分析结果进行对比，查看两种单元分析结果的误差，使 读者对壳单元的使用有更加全面的认识。
6.4.1 问题描述
• 图6-32所示为管道连接结构，纵向小管道受到50kN的外力作用， 横向大管道两端约束，现采用壳单元对整个结构进行仿真校核。
2．几何特征删减
• 完成无关结构的删减之后，由于几何模型中存在诸多螺栓孔、定位孔，如左图 所示，这些螺栓孔、定位孔对分析结果也不产生直接影响，且不是分析中关注 的内容，所以要再次对模型进行特征删减，去除支架及横梁结构中存在的螺栓 孔、定位孔，最终得到可以用于分析的模型，如右图所示。
3．导入几何模型
6.4.3 材料属性设置
• 本例中采用Structure Steel材料，各项参数设置按照图所示进行设置，其他按 照软件默认即可，然后通过Model中Geometry下的Assignment将材料赋予几何 模型。
6.4.4 网格划分
• 采用六面体主体网格划分方法，右键单击Mesh，插入Method，采用自动划分 方法；同时单击鼠标右键，插入Sizing，设置所有薄板单元尺寸为8mm，生 成网格，结果如图所示。
• 下面通过实体模型的计算，来与壳单元计算结构进行对比。操作步骤如下。 • （1）导入实体几何模型进行网格划分，采用六面体主体网格划分技术，网格
大小设置为10mm，划分结果。 • （2）同壳单元边界及载荷设置一致，固定大管道两端，同时在-x方向施加
50kN载荷，结果。 • （3）模型求解。
6.5 本章小结
• 本章通过移动龙门架和外伸梁结构的静力分析实例，详细介绍了在WB 19.0中 进行静力学分析的基本思路和步骤，在第一个实例中介绍如何通过Imprint Faces施加载荷，第二个实例中详细介绍了如何创建和使用梁单元进行静力分 析，通过每一步详细操作，确保读者对静力分析能有清晰全面的认识和掌握， 最后通过实体单元和壳单元的对比分析，为读者提供使用两种不同类型单元处 理问题的方法。
如何简单的区分ANSYS Workbench有限元分析中的静力学与动力学问题
如何简单的区分ANSYS Workbench 有限元分析中的静力学与动力学问题四川 曹文强“力”是一个很神秘的字，是个象形字，形体极像古代的犁形，上部为犁把，下部为耕地的犁头，也形象的解释“力”含义 ，将无形不可见，不可描述的现象充分的表达了出来。
从初中物理我们就学习过，力是物体之间的相互作用，是使物体获得加速度和发生形变的外因，单独就力而言，有三个要素力的大小、方向和作用点。
力学是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的，力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。
而今天主要是简单介绍一个静力学与动力学。
首先，静力学与动力学区别是什么？答案很简单，一个是“静”，一个是“动”，动静的含义就是时间的问题。
故，静力学实际是在研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态，以及结构优化问题，其中的静载荷是指不随时间变化的外加载荷，变化较慢的载荷，也可近似地看作静载荷。
当然“静”动力学静力学实际上只是相对而言，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态，也就是平衡的状态。
对于平衡的状态阐述，牛顿第一运动定律（牛顿第一定律，又称惯性定律、惰性定律）就有一个完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。
此外，静力学的有五大公理公理一力的平行四边形法则：作用在物体上同一点的两个力，可合成一个合力，合力的作用点仍在该点，其大小和方向由以此两力为边构成的平行四边形的对角线确定，即合力等于分力的矢量和。
公理二二力平衡公理：作用在物体上的两个力，使物体平衡的必要和充分条件是：两个力的大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。
公理三加减平衡力系公理：在已知力系上加或减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。
公理四牛顿第三定律：两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。
此公理概括了物体间相互作用的关系，表明作用力与反作用力成对出现，并分别作用在不同的物体上。
内聚力（CZM）分离实例_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共7页]
![内聚力（CZM）分离实例_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共7页]](https://img.taocdn.com/s3/m/1861660fce2f0066f433223f.png)
5.4 状态非线性分析——状态分离– 459 –图5-4-19 接触状态后处理使用生死单元的后处理需要注意，由于杀死的单元仍存在模型中，如果不在选择域内去除死单元，其将显示该节点为零应力、应变、位移，造成污染的结果，但单元结果不受影响。
5.4.3 内聚力（CZM ）分离实例实际模型很多是由复杂形状和多种材料组合而成，这些零件的耐久性（Durability ）和损伤（Damage ）评估越来越受到关注，主要评估参数包括静态分析（含纤维断裂破碎、内核损伤、孔和紧固件损坏、面板起皱、屈曲等，这类主要采用ACP 处理）和分层分析（含破坏分层、不稳定增长、重复/循环负载增长，这类主要采用CZM 处理）。
由于相间的界面断裂或分层限制了多相材料的韧性和延展性，因此，将界面分层采用断裂机理的技术进行建模来模拟力与分离间的软化关系，即定义一个断裂能，用于破坏相间界面所需的能量。
这种方法被称为内聚力（CZM ）模型。
CZM 模型可用于表征界面的本构行为。
内聚力分离主要研究黏接在一起的材料之间可能出现的界面分层或渐进失效，即在材料界面上加上了一个渐进失效准则，表现为界面上的应力（切向和法向）及分离（间隙和切向滑移），呈现为类似图4.7-1所示的K1、K2和复合性分离。
CZM 模型用一种材料本构（Fractute Criteria ）进行描述，采用界面单元（INTER ）或接触单元（CONTA ）定义，两者的区别为：界面单元用于描述两种材料界面处的界面分层，反映两材料之间的界面及整个界面的分离，该黏合剂一般为层状复合材料（树脂），表现为在黏合剂或树脂内部的断裂和脱层现象；接触单元用于描述接触物之间的剥离，反映黏接对接触物之间的影响，该黏合剂可以是有机聚合的材料，也可以是无机涂层，表现为在外力作用下，接触物发生脱胶现象。
具体本构模型如表5-4-2所示。
第5章非线性静力学分析表5-4-2 内聚力本构模型– 460 –。
ANSYS Workbench 17·0有限元分析：第5章-线性静态结构分析
第5章 线性静态结构分析 在工程应用中，经常会遇到计算在固定不变的载荷作用下的结构效应，主要有平面应力、平面应变、轴对称、梁及桁架分析、壳分析、接触分析等问题的求解，这些问题均是线性静态结构问题，线性静态结构分析是有限元（★ 掌握线性静态结构分析的基本过程。
5.1 线性静态结构分析概述线性静态结构分析（Lines Static Structural Analysis ）用于计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构随时间变化载荷等情况。
静力分析可以计算固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。
在经典力学理论中，物体的动力学通用方程为：[]()[]()[]{}(){}M x C x K x F t ++=&&&其中[]M 为质量矩阵，[]C 为阻尼矩阵，[]K 为刚度系数矩阵，{}x 为位移矢量，{}F 为力矢量。
在线性静态结构分析中，力与时间无关，因此位移{}x 可以由下面的矩阵方程解出：[]{}{}K x F =在线性静态结构分析中，假设[]K 为一常量矩阵且必须是连续的，材料必须满足线弹性、小变形理论，边界条件允许包含非线性的边界条件，{}F 为静态加载到模型上的力，该力不随时间变化，不包括惯性影响因素（质量、阻尼等）。
静力分析用于计算由不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力等。
假定载荷和响应是固定不变的，即假定载荷和结构的响应随时间的变化而缓慢变化。
静力分析所施加的载荷包括：ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通外部施加的作用力和压力。
稳态的惯性力（如中力和离心力）。
位移载荷。
温度载荷。
5.2 线性静态结构的分析流程在ANSYS Workbench 左侧工具箱中Analysis Systems 下的Static Structural 上按住鼠标左键拖动到项目管理区，或双击Static Structural 选项，即可创建静态结构分析项目，如图5-1所示。
AnsysWorkbench静力分析讲义
– 保存 ANSYS DB 分析文件
– Delete Unneeded Files ： 在Mechanical APDL 中，可以选择保存所有文件以备后用
– Solver Units ： Active System 或 manual.
1 – 对于面边接触，面通常被设计为目标面而边被指定为接触面
(Scope = Contact)
(Scope = Contact)
Bonded, No Separation All formulations Symmetry respected
Not supported for solving 1
Bonded only MPC formulation Asymmetric only Bonded only MPC formulation Asymmetric only
? Analysis Data Management （分析数据管理器 ）：
– Solver Files Directory ：给出了相关分析文件的 保存路径
– Future Analysis ：指定求解中是否要进行后续分 析（如预应力模型）。如果在 project schematic 里指定了耦合分析，将自动设置该选项。
– Frictionless ，Rough 和Frictional 是非线性接触并需要多次
迭代
? 非线性接触类存在一个Interface Treatment （界面处理） 选项：
? Offset ：给初始调整指定一个0或非0的值
? Adjusted to Touch ： ANSYS把间隔缩小到恰好接触的位置 （ ANSYS Professional 或更高版本）
AnsysWorkbench工程实例之——梁单元静力学分析
AnsysWorkbench工程实例之——梁单元静力学分析本文可能是您能在网络上搜索到的关于Ansys Workbench梁单元介绍最详细全面的文章之一。
梁单元常用于简化长宽比超过10的梁与杆模型，比如建筑桁架、桥梁、螺栓、杠杆等。
Workbench中的梁单元有Beam188（默认）与Beam189两种，Beam188无中节点，Beam189有中节点。
在全局网格设置下，梁单元的中节点设置Element MIdside Nodes默认为dropped(无中节点），即默认使用Beam188单元，如果改为kept(有中节点)，则将改变为Beam189单元。
类型单元形状中节点自由度形函数Beam188 3D梁无 6 线性Beam189 3D梁有 6 二次Beam188Beam1891 梁单元分析概要1.1 建模与模型导入线框模型可在DM中创建，也可导入stp/igs等模型。
以下分别介绍通过DM创建与通过CAD软件创建导入过程。
1.1.1 梁线体的创建方法1，简单的线体模型可以在DM中创建，一般在XY平面绘制草图或点，再通过Concept——Lines From Sketches、Lines From Points或3D Curve等创建。
区别在于Lines From Sketches是提取草图所有的线条，如果线条是相连接的，提取的结果为一个线几何体。
Lines From Points或3D Curve用于将草图的点（可以是草图线条的端点）连接成为线体，结合Add Frozen选项，可以创建多个线几何体。
操作3次后多个线条可以通过From New Part功能组合为一个几何体，组合后两条线共节点，相当于焊接在一起。
选中后右击方法2，通过CAD软件创建后导入。
如果读者使用的是creo建模，可在草图中创建点，退出草图后选择基准——曲线——通过点的曲线。
操作3次后输出时需要注意，可另存为stp或igs格式，在输出对话框中必须勾选基准曲线和点选项。
Ansys_Workbench_静力分析讲义详解
Training Manual
Surface Body Edge
Solid Body Face (Scope = Target) Solid Body Edge (Scope = Target) Surface Body Face (Scope = Target)
(Scope = Contact) Bonded, No Separation All formulations Asymmetric only 1 Not supported for solving Bonded, No Separation All formulations Asymmetric only Bonded, No Separation Bonded, No Separation All formulations Symmetry respected All formulations Asymmetric only Bonded only MPC formulation Asymmetric only
Training Manual
• Solver Controls（求解控制）：
– 两种求解方式（默认是Program Controlled）：
• 直接求解 （ANSYS中是稀疏矩阵法） • 迭代求解 （ ANSYS中是PGC（预共轭梯度法））.
– Weak springs：
• 尝试模拟得到无约束的模型
对称接触
非对称接触
4-8
Static Structural Analysis
…组件 – 实体接触
• 可以使用的五种接触类型：
Contact Type Bonded No Separation Frictionless Rough Frictional Iterations 1 1 Multiple Multiple Multiple Normal Behavior (Separation) Tangential Behavior (Sliding) No Gaps No Sliding No Gaps Sliding Allowed Gaps Allowed Sliding Allowed Gaps Allowed No Sliding Gaps Allowed Sliding Allowed
ANSYS WORKBENCH 静力结构分析
ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程（DS）第四章静力结构分析序言•在DS中关于线性静力结构分析的内容包括以下几个方面:–几何模型和单元–接触以及装配类型–环境（包括载荷及其支撑）–求解类型–结果和后处理•本章当中所讲到的功能同样适用与ANSYS DesignSpace Entra及其以上版本.–本章当中的一些选项可能需要高级的licenses，但是这些都没有提到。
–模态，瞬态和非线性静力结构分析在这里没有讨论，但是在相关的章节当中将会有所阐述。
线性静力分析基础•在线性静力结构分析当中，位移矢量{x} 通过下面的矩阵方程得到:在分析当中涉及到以下假设条件:–[K] 必须是连续的•假设为线弹性材料•小变形理论•可以包括部分非线性边界条件–{F} 为静力载荷•不考虑随时间变化的载荷•不考虑惯性（如质量，阻尼等等）影响•在线性静力分析中，记住这些假设是很重要的。
非线性分析和动力学分析将在随后的章节中给予讨论。
[]{}{}F x K =A. 几何结构•在结构分析当中，可以使用所有DS 支持的几何结构类型.•对于壳体，在几何菜单下厚度选项是必须要指定的。
•梁的截面形状和方向在DM已经指定并且可以自动的传到DS模型当中。
–对于线性体，仅仅可以得到位移结果.ANSYS License AvailabilityDesignSpace Entra xDesignSpace xProfessional xStructural xMechanical/Multiphysics x…Point Mass•Point Mass 在“Geometry”分支在模拟没有明确建模的重量–只有面实体才能定义point mass–可以用以下方式定义point mass位置:•在任意用户定义坐标系中(x, y, z)坐标•选择点/边/面来定义位置–重量/质量大小在“Magnitude”中输入–在结构静力分析中,point mass只受“加速度”，“标准重力加速度,”和“旋转速度”的作用.–质量和所选面相连通时它们之间没有刚度. 这不是一个刚度区域假设而是一个类似与分布质量的假设–没有旋转惯性项出现.ANSYS License AvailabilityDesignSpace Entra xDesignSpace xProfessional x…Point Mass•point mass 将会以灰色圆球出现–前面提到，只有惯性力才会对point mass 起作用。
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2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.1 建模
– 另外在选择材料特性时，还需要注意以下几点：
• 材料的基本弹性性能参数必须定义：如杨氏模量EX、 泊松比PRXY
• 如果施加惯性载荷（如重力），必须定义材料的密 度DENS
– 创建几何实体模型并划分网格得到有限元模型
• 如果施加温度载荷时，必须定义材料的热膨胀系数 ALPX
– 施加载荷，设定载荷步
• 静力线性分析的载荷可以是DOF约束、集中载荷、 分布力、温度、重力和旋转惯性力
• 载荷步可以在求解控制对话框中设置，不设置载荷 子步
– 保存数据文件 – 开始求解计算 – 退出求解器
• Command: Finish • GUI: Main Menu>Finish
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.3 计算结果的后处理与分析
– 在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下
• b. 显示变形结果 – GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape – Command: PLDISP
• 2.2.1 建模
– 为了建模，用户首先应指定作业名 （Jobname） 、分析标题（Title）和单位 （Unit），然后应用PREP7前处理程序定义单 元类型、实常数、材料特性、模型的几何参数。
– 在线性静力分析中，单元类型同样可以使用线 性或者是非线性的单元类型
• GUI: Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete
• Basic>Analysis Options:选择Small Displacement Static
• Sol’n Option选项指定采用的求解器 • 实际上，求解控制对话框的绝大多数默认选项对于
静力线性分析是合适的，用户只需要作很少的设置。
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.2 施加载荷并求解
• Command: ET
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.1 建模
– 选择的材料特性可以是线性或者是非线性，可 以是各向同性或者各向异性材料，并且可以随 温度变化或者与温度无关。
• GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>Constant-Isotropic/Orthotropic
• 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效 应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应 力、应变和力。
• 固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载
2.1 结构静力分析简介
• 静力分析所施加的载荷类型有
– 外部施加的作用力和压力 – 稳态的惯性力 – 强迫位移 – 温度载荷 – 能流
• 静力分析既可以是线性的也可以是非线 Nhomakorabea的• 对应力敏感区域应划分较细的有限元网格
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.2 施加载荷并求解
– 进入ANSYS求解器（Main Menu>Solution） – 定义分析类型并对求解进行控制
• 分析类型选New Analysis (GUI: Solution>New Analysis)，进入求解控制对话框（GUI: Solution>Sol’n Contros）
• 2.2.3 计算结果的后处理与分析
– 在结构的静力分析中，其计算结果将被写入结 果文件Jobname.RST中，一般结果文件包含了 一下数据：
• 基本数据：主要是关于节点的位移信息（UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ）
• 导出数据：包括节点和单元应力、节点和单元应变、 单元集中力和节点支反力等
<<航空工程先进数值计算技术>>
有限元静力学分析
王晓军 航空科学与工程学院固体力学研究所
第二章 ANSYS静力分析
• 主要内容
– 结构静力分析简介 – 结构线性静力分析基本步骤
• 建模、施加载荷并求解、计算结果的后处理与分析、 结构线性静力分析实例
– 结构非线性静力分析实例 – 静力非线性计算的高级应用
• 屈曲分析的概念、结构线性屈曲分析一般步骤、线 性屈曲分析实例、接触分析实例
– 思考题
2.1 结构静力分析简介
• 静力分析计算在固定载荷作用下结构的响应， 它不考虑惯性和阻尼影响，如结构受随时间变 化载荷作用的情况
• 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 以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如 通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载） 的作用
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.3 计算结果的后处理与分析
– 后处理包括两个模块：
• 通用后处理其POST1
– 检查整个模型在指定时间步（或子步）下的计算结果
• 时间历程后处理器POST26
– 用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。
– 无论使用哪个后处理器，程序的数据库都必须 包含求解时相同的计算模型，且计算结果文件 Jobname.RST必须可用。
– 非线性静力分析包括：大变形、塑性、蠕变、应 力刚化、接触和超弹性等。
• 本节主要讨论线性静力分析，对非线性静力分 析只作简单介绍
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 在线性静力分析中，主要有以下几个关键 步骤
– 建模 – 施加载荷和边界条件并求解 – 结果的后处理与分析
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2 结构线性静力分析基本步骤
• 2.2.3 计算结果的后处理与分析
– 在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下
• a. 查看结果
– 从数据文件中读取数据 » GUI: Utility Menu>File>Resume from » Command: Resume
– 读取选定的结果数据 » GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step » Command: SET » 使用SET命令可以用载荷步、子步或通过时间来选择数据读 取，如果数据文件中没有制定时间点上的数据结果，程序会 通过线性插值计算出该时间点上的结果