ANSYS进行有限元静力学分析

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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]

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结构静力学与动力学分析教程

ANSYS结构静力学与动力学分析教程第一章：ANSYS结构静力学分析基础ANSYS是一种常用的工程仿真软件，可以进行结构静力学分析，帮助工程师分析和优化设计。

本章将介绍ANSYS的基本概念、步骤和常用命令。

1.1 ANSYS的基本概念ANSYS是一款基于有限元方法的仿真软件，可以用于解决各种工程问题。

其核心思想是将结构分割成有限数量的离散单元，并通过求解线性或非线性方程组来评估结构的行为。

1.2 结构静力学分析的步骤进行结构静力学分析一般包括以下步骤：1）几何建模：创建结构的几何模型，包括构件的位置、大小和形状等信息。

2）网格划分：将结构离散为有限元网格，常见的有线性和非线性单元。

3）边界条件：定义结构的边界条件，如固定支座、力、力矩等。

4）材料属性：定义结构的材料属性，如弹性模量、泊松比等。

5）加载条件：施加外部加载条件，如力、压力、温度等。

6）求解方程：根据模型的边界条件和加载条件，通过求解线性或非线性方程组得到结构的响应。

7）结果分析：分析模拟结果，如应力、应变、变形等。

1.3 ANSYS常用命令ANSYS提供了丰富的命令，用于设置分析模型和求解方程。

以下是一些常用命令的示例：1）/PREP7：进入前处理模块，用于设置模型的几何、边界条件和材料属性等。

2）/SOLU：进入求解模块，用于设置加载条件和求解方程组。

3）/POST1：进入后处理模块，用于分析和可视化模拟结果。

4）ET：定义单元类型，如BEAM、SOLID等。

5）REAL：定义单元材料属性，如弹性模量、泊松比等。

6）D命令：定义位移边界条件。

7）F命令：定义力或压力加载条件。

第二章：ANSYS结构动力学分析基础ANSYS还可以进行结构动力学分析，用于评估结构在动态载荷下的响应和振动特性。

本章将介绍ANSYS的动力学分析理论和实践应用。

2.1 结构动力学分析的理论基础结构动力学分析是研究结构在动态载荷下的响应和振动特性的学科。

它基于质量、刚度和阻尼三个基本量，通过求解动态方程来描述结构的振动行为。

梁模型有限元计算_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共7页]

4.2 梁单元静力学分析当结构长度对横截面的比率超过10:1，沿长度方向的应力为主要分析对象，且横截面始终保持不变时，即应用梁单元。

梁单元可用于分析主要受侧向或横向载荷的结构，如建筑桁架、桥梁、螺栓等。

在WB中默认为铁摩辛柯（Timoshenko）梁单元，即Beam188和Beam189，可计算弯曲、轴向、扭转和横向剪切变形。

其中Beam188采用线性多项式作为形函数，Beam189采用二次多项式作为形函数，当WB的Mesh设置中Mesh-Element Midside Nodes为Dropped 时，即为Beam188；Mesh-Element Midside Nodes为Kept时，即为Beam189。

有限元对单元特性的描述包括单元形状、节点数目、自由度和形函数。

表4-2-1为Beam 单元的对比。

在WB中默认设置为二次单元。

一般来说，线性单元需要更多的网格数才能达到二次单元的精度。

选用二次单元可提高计算精度，这是因为二次单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且二次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。

但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，计算内存消耗也多，因此，在使用时应权衡考虑计算精度和时间。

表4-2-1 Beam单元对比4.2.1 梁模型有限元计算用ProE建立一桁架模型，导入WB进行分析计算。

（1）ProE建模。

在草绘界面绘制一边长为30mm、40mm、50mm的三角形，然后选择投影命令将草绘图形投影到基准面上，另存为x_t文件（其他3D软件操作方法类似）。

（2）导入模型。

如图4-2-1所示，在Import设置中，Operation设为Add Frozen，Line Bodies 设为Yes。

– 65 –– 66 – 图4-2-1 Import ProE模型文件设置（3）梁截面赋值，并定义截面方向，最后用Form New Part将三根梁合并为一个部件，如图4-2-2所示。

概念建模_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共4页]

3.2 概念建模
– 37 –
图3-1-15 创建曲面映射面
3.2 概念建模
概念建模在DM 的Concept 菜单，主要用于创建、修改线体和面体，最终体现为梁和壳模型，如图3-2-1所示。

1．Line From Points （通过点建立线）
点选时需要按住Ctrl 键多选，同时Operation 处注意选择Add
Material 或者Add Frozen 。

前者表示添加的线体是统一的材料和
截面，后者则不然。

2．Lines Form Sketches （通过草绘建立线）
3．Lines From Edges （通过边建立线）
基于已有的2D 或3D 模型边界建立模型。

4．3D Curve （建立3D 曲线）
建立3D 曲线基于两种形式：①基于DM 里的点；②基于点云文件。

5．Split Edges （分割线体）
其中Fractional 为按比例分割；Split By Delta 为按距离分割（Sigema
为分割点距起点距
图3-2-1 Concept 菜单。

Moment载荷_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共7页]

– 213 –
思考题
远程力的行为设置除了有Deformable （柔性）、Rigid （刚性），还有Coupled （耦合）。

Coupled （耦合）表示载荷作用区域内的所有节点具有同样的自由度变形，与经典界面的CP 命令相同。

读者可以自行建模，对比分析结果，并参见4.7.3节的思考题，理解其中的意义。

4.5.3 Moment 载荷
由于实体单元仅有三个方向的平动自由度，没有转动自由度，所以3D 实体模型加载Moment 也是基于远程点边界条件，即先建立一个远程点，远程点与Moment 作用面耦合，实际Moment 就加载在远程点上。

下面以一个例子说明Moment 载荷加载分析。

1．建立模型
在XYPlane 下新建一Sketch1，基本图形与参数如图4-5-46所示。

图4-5-46 Sketch1设置
Revolve （旋转）建模，如图4-5-47所示。

2．划分网格
对于这类空心回转类零件，一般采用MultiZone （多域）划分网格。

如图4-5-48所示，右键点击Mesh →Insert →Method ，其中Geometry 点选整个实体，Method 选择MultiZone ，Mapped Mesh Type 选择Hexa ，Free Mesh Type 选择Hexa Core 。

– 214 – 图4-5-47 模型设置
图4-5-48 MultiZone设置最终有限元模型见图4-5-49。

ansys实验强度分析报告

ansys有限元强度分析一、实验目的1 熟悉有限元分析的基本原理和基本方法；2 掌握有限元软件ANSYS的基本操作；3 对有限元分析结果进行正确评价。

二、实验原理利用ANSYS进行有限元静力学分析三、实验仪器设备1 安装windows XP的微机；2 ANSYS11.0软件。

四、实验内容与步骤1 熟悉ANSYS的界面和分析步骤；2 掌握ANSYS前处理方法，包括三维建模、单元设置、网格划分和约束设置；3掌握ANSYS求解和后处理的一般方法；4 实际应用ANSYS软件对六方孔螺钉头用扳手进行有限元分析。

五、实验报告1）以扳手零件为例，叙述有限元的分析步骤；答：（1）选取单元类型为92号；（2）定义材料属性，弹性模量和泊松比；建立模型。

先生成一个边长为0.0058的六边形平面，再创建三条线，其中z向长度为0.19，x向长度0.075，中间一段0.01的圆弧，然后把面沿着三条线方向拉伸，生成三维实体1如题中所给形状，只是手柄短了0.01；把坐标系沿z轴方向平移0.01，再重复作六边形面，拉伸成沿z轴相反方向的长为0.01的实体2；利用布尔运算处理把实体1和2粘接成整体。

（4）划分网格。

利用智能网格划分工具划分网格，网格等级为4级。

（5）施加约束。

在扳手底部面上施加完全约束；（6）施加作用力。

在实体2的上部面上施加344828pa（20/（0.01*0.0058））的压强，在实体2的下部面的临面上施加1724138pa(100/0.01/0.0058)的压强；（7）求解，进入后处理器查看求解结果，显示应力图。

2）对扳手零件有限元分析结果进行评价；答：结果如图所示：正确的显示出了受力的最大位置及变形量，同时给出了各处受力的值，分析结果基本正确，具有一定的参考意义。

六、回答下列思考题1.什么是CAE技术？答：CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。

ansys有限元分析练习_-_轴承座静力学分析

M5-31
练习 - 轴承座（续）
9. 创建 Web. Main Menu: Preprocessor -> Modeling-Create -> VolumePrism -> By Vertices + 1. 拾取轴承孔座与整个基座的交点。 2. 拾取轴承孔上下两个体的交点 3. 拾取整个基座的左上角。 4. 重新拾取第一点，这时已经完成了Web的三角形侧面的建模。 5. 输入Web的厚度值“.15”，厚度的方向是向周成孔中心。 6. OK Toolbar: SAVE_DB
September 30, 1998
Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128)
M5-26
练习 - 轴承座（续）
4. 偏移工作平面到 bushing bracket 的前表面 Utility Menu: WorkPlane -> Offset WP to -> Keypoints + 1. 在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点 2. OK Toolbar: SAVE_DB (SAVE_DB 保存数据库或拾取 RESUM_DB 取消上一次操作)
恭喜! 你已经到达第一块里程碑 -- 几何建模. 下一步是网格划分.
September 30, 1998
Introduction to ANSYS - Release 5.5 (001128)
M5-33
练习 - 轴承座（续）
13. 定义 10-节点四面体实体结构单元 (SOLID92) 为单元类型 1. Main Menu: Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete ... 1. Add 2. 选择 Structural-Solid, 并下拉菜单选择 “Tet 10Node 92” 3. OK 4. Close

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一、设计大纲概述1、设计目的（1）熟悉有限元分析的基本原理和基本方法；（2）掌握有限元软件ANSYS的基本操作；（3）对有限元分析结果进行正确评价。

2、设计原理利用ANSYS进行有限元静力学分析。

3、设计仪器设备1）安装windows 2000以上版本的微机；2）ANSYS 8.0以上版本软件。

4、实验内容与步骤1）熟悉ANSYS的界面和分析步骤；2）掌握ANSYS前处理方法，包括平面建模、单元设置、网格划分和约束设置；3）掌握ANSYS求解和后处理的一般方法；4）实际应用ANSYS软件对平板结构进行有限元分析。

二、题目：如图试样期尺寸为100mm*5mm*5mm,下端固定，上端受拉力10000N作用。

已知该试样材料的应力-应变曲线如图所示。

计算试样的位移分布。

三、分析步骤：分析：从应力-应变关系可以看出该材料的屈服极限是225MPa 左右，弹性部分曲线的斜率为常数75GPa。

之后材料进入塑性变形阶段，应力-应变关系为非线性的。

估计本题应力10000/（0.05*.005）=400MPa,因此材料屈服进入塑性，必须考虑材料非线性影响。

（1）建立关键点。

单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS，建立两个关键点（0，0，0）和（0，100，0）。

（2）建立直线。

单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>StaightLine,在关键点1、2之间建立直线。

（3）定义单元类型。

单击菜单Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,定义单元Structural>Link>2D spar1(LINK1)（4）定义单元常数。

单击菜单Main Menu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete,在弹出的Real Constants for LINK1对话框中，输入如下的单元几何参数：截面面积AREA=25 出始应变=0（5）定义材料属性。

1）单击菜单Main Menu>Preprocessor>Material Props>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic,在弹出的对话框中，输入如下的材料属性：杨氏模量EX=73e3 泊松比PRXY=.32）单击菜单Main Menu>Preprocessor>Material Props>MaterialModels>Structural>Nonlinear>Elastic>Mutilinear Elastic,弹出如图所示的对话框。

在STRAIN和STRESS域输入如表所示的两组数据。

其表中的数据是从如图所示的应力-应变关系中得来，中间点采用了线性插值的计算方法。

输入第一对数据后，单击[Add Point]按钮，可以输入第二对数据。

曲线点Strain Stress1 0 02 0.01 753 0.002 1504 0.003 2255 0.004 2406 0.005 2507 0.025 3008 0.06 3559 0.1 39010 0.15 42011 0.2 43512 0.25 44913 0.275 4503）数据输入完毕，在Mutilinear Elastic for Material Number 1对话框中单击Graph按钮，得到如图所示的应力-应变图形，这个图形应该和本例开始给出的应力-应变曲线符合。

单击[OK]按钮确定输入数据。

4）单击菜单Utility Menu>Plot>Replot,重新绘制问题的几何模型。

（6）定义单元尺寸。

单击菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>All Lines,指定单元边长5。

（7）划分网络。

单击菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Lines,在弹出的对话框中单击[Pick All]按钮。

（8）定义分析类型。

单击菜单Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis,选择Static选项。

（9）设置解选项。

单击菜单Main Menu>Solution>Analysis Type>Sol’n Control,弹出如图所示对话框。

按照图中所示在Basic标签页下做如下的设置：●在Analysis Options域选择Large Displacement Static选项。

这样ANSYS将考虑到大变形的效应。

●在Time Control域的Automatic time stepping列表选择On。

Automatic time stepping将运行ANSYS自动决定将载荷步划分成合适数目的子步。

激活Automatic time stepping选项同时也将降火二分法确保收敛功能。

●在Time Control域的Number of substeps文本框输入子步数目20。

这样ANSYS计算的第一个子步载荷将是总载荷的1/20。

因为现在将Automatic time stepping激活，所以剩余的子步步长将由ANSYS根据前一个子步的计算结果自动调整。

●在Time Control域的Max no of substeps文本框输入最大子步数目1000。

如果经过1000个子步迭代，仍然得不到收敛的解，ANSYS将停止继续求解。

●在Time Control域的Min no of substeps文本框输入最小子步数目1。

●在Write Items to Results File域中选择All solutions items选项，在Frequncy列表中选择Write Every Substep选项，这样可以保存每个子步的计算结果，便于作出系统的时间响应曲线。

切换到Nonlinear标签页，如图所示，做以下设置。

●在Nonlinear Options域的Line search列表中选择On选项。

线性搜索可以加速牛顿-拉普森（NR）平衡迭代的收敛。

●在Equilibrium iterations域的Maximum number ofiterations文本框中输入最大迭代数1000。

（10）施加位移约束。

单击菜单Main Menu>Solution>Define Loads> Apply>Structural>Displacement>On Keypoints固定关键点1。

（11）施加载荷。

Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Keypoints，在关键点2施加集中力载荷FY=1000N。

（12）求解。

单击菜单Main Menu>Solution>Solve>Current LS，图形窗口将显示非线性分析求解的收敛过程。

（13）显示单元的三维视图。

单击菜单Utility Menu>PlotCtrls>Srylr>Size and Shape，弹出如图所示对话框。

选择Display of element复选框，得到单元的三维视图如图所示。

（14）绘制位移分布图。

单击菜单Main Menu>General Postproc>Plot Results>CoutourPlot>Nodal Solution，在弹出的对话框中选择DOFsolution>UY，得到如图所示的位移分布图。

（15）查看位移随时间的变化。

1）定义变量。

①单击菜单Main Menu>TimeHist Postproc，弹出如图所示对话框。

②单击左上角的【+】添加变量按钮，弹出如图所示对话框。

选择Nodal Solution>DOF Solution>Y-Component of displacement，单击【OK】按钮。

弹出Node for Data窗口，选择式样顶端的节点，单击【OK】按钮。

③添加另一个变量。

单击左上角的【+】添加变量按钮，这次选择Reaction Forces>Structural Forces> Y-Component of Force。

拾取试样底端的节点，单击【OK】按钮。

④在Time History V ariable 窗口，单击FY-3行、X-Axis 列的单选按钮，将反力FY-3作为X轴变量，如图所示。

2）查看位移随时间变化。

①在Time History V ariable 窗口单击UY_3行，再单击绘图按钮【^】，得到如图所示的位移UY随反力FY变化关系。

②修改X轴和Y轴标签。

单击菜单Utility Menu>PlorCtrls>Style>Graphs>ModifyAxes，重新设定X轴和Y轴标签为LOAD和DEFLECTION。

从图中可以看出，当反力小（相应载荷和应力也较小）时，位移和载荷之间是线性的关系。

当反力较大（相应载荷和应力都超出弹性极限）时，位移以越来越大的速率增加。

这些结果和经典塑性力学的结果是一致的。

四、总结：通过本次课程设计我学会了有限元分析的基本原理和基本方法；掌握有限元软件ANSYS的基本操作。

熟悉ANSYS 的界面和分析步骤；掌握ANSYS前处理方法，包括平面建模、单元设置、网格划分和约束设置；掌握ANSYS求解和后处理的一般方法；实际应用ANSYS软件对平板结构进行有限元分析。

五、源代码/BATCH/COM,ANSYS RELEASE 10.0 UP20050718 04/03/2011/input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1/GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1/REPLOT,RESIZEWPSTYLE,,,,,,,,0/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,1,1/COM,ANSYS RELEASE 10.0 UP20050718 12:06:33 02/28/2011/input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1/GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1/REPLOT,RESIZEWPSTYLE,,,,,,,,0/REPLOT,RESIZE/FILNAME,1111,0/TITLE,2222/REPLOT/FILNAME,aaa,0/TITLE,dynamic analysis of a gear/REPLOTET,1,SOLID186!*!*!*MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,2.06e11MPDATA,PRXY,1,,0.3MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,DENS,1,,7.8e3SA VESA VECSYS,1K,1,20,0,,K,110,16,40,,KWPA VE, 110wprot,-50,0,0CSYS,4K,2,12.838,0,,CSYS,1K,120,16,43,,K,130,16,46,,K,140,16,49,,K,150,16,52,,K,160,16,55,,KWPA VE, 120wprot,3,0,0CSYS,4K,3,13.676,0,,SA VEKWPA VE, 130NSOL,2,2,U,Y, UY_2STORE,MERGE!*RFORCE,3,1,F,Y, FY_3STORE,MERGEXVAR,3PLV AR,2,SA VESA VEFINISH! /EXIT,MODEL六、感受：通过这次课程设计，让我初步了解了有限元分析的基本方法和基本原理。