ANSYS Workbench 结构线性静力学分析与优化设计分析
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。
Workbench有限元静力学分析.ppt
固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和 结构相应随时间的变化非常缓慢。
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
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.4 结构线性静力分析实例1
GUI分析步骤 b. 模型剖分
5)模型剖分：为了对应力集中区域进行较准确的捕捉，划分 有限元网格之前，通常需要对几何模型进行适当的剖分，以 利于网格的划分。选择Utility Menu>WorkPlane>Display Working Plane，然后选择Utility>WorkPlane>Offset WP by Increments，在Offset WP对话框的Degrees框中输入：0,-90,0 然后点击OK确定。
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
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>-ConstantIsotropic/Orthotropic
选项获得结果数据，如应力和应变等。
如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
在ansys workbench中拓扑优化分析流程如下所示。
以下图所示结构为例，演示拓扑优化分析的过程，优化条件如下：
最大应力小于1000PSI；质量去除50%；结构材料为结构钢；结构承受750psi的内压，两端的安装孔固定约束。
拓扑优化的边界条件设置如下，设置对应的优化区域，载荷约束条件区域为非优化区域，设置最大应力和去除质量的约束条件。
优化前后的结果对比，优化后材料质量取出来42%
基于SCDM模块，对优化后的片面模型进行几何处理，并将模型一键转为为实体模型，进行优化后模型的验证分析。
验证分析的流程如下所示，通过workbench的一键传递，自动生成验证分析的静力学模块，按照上图所示的几何模型，完成几何处理，最后进行验证分析。
验证前后的结果对比如下所示，初始模型的变形为0.00032in，优化后模型的变形为
0.00061，初始模型的最大应力为8208psi，优化后模型的最大应力为9636psi，满足优化要求。
workbench16.0基础教程2
2. 基本操作
3）ansys工作界面简介
Utility Menu实用菜单i 命令输入栏
Main Menu 主菜单
视图显示 材料属性
当前坐标系
7
2. 基本操作
4）计算中的量纲问题
量纲 长度 载荷 质量 时间 应力 能量 密度
SI
SI（mm）
m
mm
N
N
Kg
Tonne(10^3kg)
s
s
Pa（N/m2） Mpa(N/mm2)
（4）
式中，D为弹性矩阵；������������为弹性应变张量。通过有限元离散，可以得到结构节点位移与载
荷之间的方程为：
K������ = ������
（5）
16
5. 理论基础
通过结构分析，得到的结构总体刚度方程是奇异的，外在表现为结构的各元件（单元）连接成为一 个整体后，虽然元件之间的相对位置不再发生变化，但仍然存在由于整体约束不足而引起的整体刚性位 移（总体平移或者转动）的任意性。
——线性结构的静力分析
参考书籍
基本操作
分析流程
分析内容 理论基础
实战演练
总结
1
参考书籍
2
参考书籍
3
参考书籍
4
2. 基本操作
1）直接在windows中启动：程序>ansys16.0>ansys Product Laucher
文件名
工作空间
5
2. 基本操作
2）设定存储空间>点击下方Run便开始进入ansys工作界面
9
2. 基本操作
5）ANSYS中没有专门的操作返回功能（undo），若有操作失误：
（1）可以使用ANSYS中的File>Resume Jobname.db来调出上次所储存的数据文件（这需要在操 作过程中及时储存，可以使用File>Save as Jobname.db）; （2 ）也可以就一些简单的操作进行删除处理，如：当使用Loads>Define Loads>Apply>Structure Force,若施加的力有错误，则可以使用Loads>Define Loads>Delete>Structure Force来进行对应的 删除。 （3 ）若有完整的命令流，还可以在文本编辑中就命令流的相应语句进行修改。
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。
一线工程师总结AnsysWorkbench之Mechanical应用——分析设置
一线工程师总结AnsysWorkbench之Mechanical应用——分析设置对于结构静力学中的简单线性问题，不需要对其进行设置，但是对于复杂的分析需要设置一些控制选项。
分析设置是在Mechanical分析树的Static Structural下的Anslysis Settings细节设置中。
本文主要对载荷步控制、求解器控制、重启控制、非线性控制、输出控制、分析数据管理进行介绍。
1 载荷步控制载荷步控制用于指定求解步数和时间。
在非线性分析时，用于控制时间步长。
载荷步控制也用于创建多载荷步，如螺栓预紧载荷。
1.1 载荷步与子步载荷步、子步和平衡迭代是控制加载求解过程的三个载荷时间历程节点。
1.1.1 载荷步在线性静力学分析或稳态分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合。
在瞬态分析中，可以将多个载荷步加载到同一加载历程曲线的不同时间点。
注意：载荷可以分步，约束不能分步。
实例1，固定矩形条一端，在另一端分3步加载载荷，第一步只加载100N的力，第二步只加载10000Nm的逆时针扭矩，第三步推力与扭矩共同作用，求每一步的变形。
Step1，设置零件材料，接触关系，网格划分，过程略。
Step2，分析设置，将载荷步设置为3，其余默认。
Step3，设置边界条件，如下图。
载荷默认都是渐增(斜坡)加载的，用一个载荷步将载荷从0增加到设定值。
选中分析树中的Force，在信息窗口中出现了Tabular Data表格和Graph图表，代表了Force的加载历程，在第一步中，力从0渐变到100，并在第二三步中保持。
对于静力学分析，渐增加载与恒定加载计算无区别，本例将力与扭矩都改为恒定加载，在表格第一行将数字改为设定值。
要想Force在第二步不起作用，只需要点击图表的第二步区域或表格对应行，右击选择Activate/Deactive at this step!（在此步激活/取消），此载荷便在第二步中消失。
同样设置Moment载荷，使它在第一步中不起作用。
AnsysWorkbench静力学分析详细实例.pdf
AnsysWorkbench静力学分析详细实例.pdfAnsys静力分析实例：1 问题描述：如图所示支架简图，支架材料为结构钢，厚度10mm，支架左侧的两个通孔为固定孔，顶面的开槽处受均布载荷，载荷大小为500N/mm。
2 启动Ansys Workbench，在界面中选择Simulation启动DS模块。
3 导入三维模型，操作步骤按下图进行，单击“Geometry”，选择“From File”。
从弹出窗口中选择三维模型文件，如果文件格式不符，可以把三维图转换为“.stp”格式文件，即可导入，如下图所示。
4 选择零件材料：文件导入后界面如下图所示，这时，选择“Geometry”下的“Part”，在左下角的“Details of ‘Part’”中可以调整零件材料属性。
5 划分网格：如下图，选择“Project”树中的“Mesh”，右键选择“Generate Mesh”即可。
【此时也可以在左下角的“Details of ‘Mesh’”对话框中调整划分网格的大小（“Element size”项）】。
生成网格后的图形如下图所示：6 添加分析类型：选择上方工具条中的“New Analysis”，添加所需做的分析类型，此例中要做的是静力分析，因此选择“Static Structural”，如下图所示。
7 添加固定约束：如下图所示，选择“Project”树中的“Static Structural”，右键选择“Insert”中的“Fixed Support”。
这时左下角的“Details of ‘Fixed Support’”对话框中“Geometry”被选中，提示输入固定支撑面。
本例中固定支撑类型是面支撑，因此要确定图示6位置为“Face”，【此处也可选择“Edge”来选择“边”】然后按住“CTRL”键，连续选择两个孔面为支撑面，按“Apply”确认，如下图所示。
8 添加载荷：选择“Project”树中的“Static Structural”，右键选择“Insert”中的“Force”，如下图所示。
Ansysworkbench结构线性静力学分析
Ansysworkbench结构线性静力学分析01基础知识•1.1 结构线性静力分析的主要对象包括：（1）平面问题（平面应力、平面应变、轴对称）（2）杆系与梁系问题（3）板壳问题（4）3D问题•1.2Ansys workbench中求解线性静力学分析是由Mechanical模块求解的。
在Mechanical模块中，关于结构静力分析的内容包括几何模型和单元、接触和装配类型、环境（包括在和及其约束）、求解类型、结果和后处理等方面。
02实例-受拉力作用的平板建立工程导入Geometry 和 Static Structural 模块。
确定分析类型。
设置类型和厚度双击moedel,进入Mechanical，设置分析类型和平板厚度。
划分网格结果如图插入载荷插入Equivalent Stress.计算结果聚仪网微信号：juyitest聚仪网依托国内多家顶尖高校和研究所资源，提供各类科研测试服务，网站仪器众多，测试种类齐全，价格透明。
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工程仿真结算方案： ANSYS Workbench 培训
张胜伦
博士
西安交通大学
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结构线性静力分析
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线性静力学分析的基本假设 连续 结构材料 均匀 各向同性 线性 非线性 静态 动态
对于纤维结构材料、粒子强化材料等各向异性非均匀材料 要特别注意、特别处理。 1、材料的变形范围在弹性范围，且材料的变形量较小， 方便建立静力学方程； 2、对于塑性变形或大变形，必须考虑材料非线性和几 何非线性。
构件变形时材料既不相互分离，也不相互挤入，时
刻满足变形协调条件。
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2、均匀性性假设： 可变行固体是由同一类型的均匀材料构成； 各部分的物理性质都相同，且不因坐标的变化而变 化。 3、各向同性假设： 可变性固体内部任意一点在各个方向上都具有相同 的物理性能，弹性常数不变。
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工程数据——材料添加
常规材料 常规非线性材料 显性材料 超弹性材料 磁性B-H曲线 热力学材料 流体材料 复合材料
铝合金 混凝土 铜合金 灰口铸铁 镁合金 聚乙烯 各向异性的硅 不锈钢 结构钢 钛合金
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4、弹性假设： 应力—应变存在一一对应关系； 应力不超过屈服应力点； 载荷卸载后结构可恢复到原来的状态，不产生残余 应力和参与应变。 5、小变形假设： 在载荷作用下的变形，远小于其自身的几何尺寸； 结构变形的挠度远小于结构的截面尺寸。
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6、缓慢加载过程： 载荷的施加和卸载过程足够慢； 不引起结构的动响应； 满足内外力平衡方程。
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西安嘉业航空科技有限公司 作业3 问题描述：如右图模型（连接件），其 材料为不锈钢，模型两个小孔固定，一个 大孔上施加轴承载荷500N，另一个大孔上 施加力载荷800N，且耳内侧受静水压力 5MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，两个 小孔和两个大孔处网格细化（或者运用多 区域网格划分方法）；求解结果显示模型 的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的变形、应力以及变形和应力的矢量显示 图。共6张截图。
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六个基本假设 1、连续性假设
2、均匀性假设
3、各向同性假设 4、弹性假设 5、小变形假设 6、缓慢加载过程
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1、连续性假设： 可变形固体视为连续密实的物体，即组成固体的质 点无空隙的充满整个空间； 固体内部任何一点的力学性能都是连续的，且变形 前后物体上的质点是一一对应的；
3
1
2
西安嘉业航空科技有限公司 作业8 问题描述：螺栓的预紧力，分三个加载 步，第一步预紧，第二部保持，第三部松 开。 要求：自己建模，运用适当的网格划分 方法，求解结果显示模型的整体变形和等 效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力图。共4张截图。
作业9 工程设计中遇到的问题，自选
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结构优化设计
1、镁钛合金-泡沫夹层复合板的有限元强度计算与结构优化分析
2、设备架强度计算与优化设计
基本材料力学知识
西安嘉业航空科技有限公司 作业1 问题描述：如右图模型（杆-无圆角；杆有圆角），其材料为铝合金，模型大端固 定，小端分别承受拉伸、弯曲载荷各200N， 扭转载荷2N· m。 要求：运用适当的网格划分方法，阶梯 和圆角处网格细化；求解结果显示模型的 整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，受拉 伸载荷的变形、应力，受弯曲载荷的变形、 应力，受扭转载荷的变形、应力。共15张 截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业6 问题描述：如右图模型（螺旋桨），其 材料为聚乙烯，模型如图所示方向的 1000rad/s的角加速度惯性载荷；模型内圈 用圆柱面约束且轴向为0，径向和周向为 free；螺旋桨面施加压力载荷0.5MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致不得少于60万个节点（或者 运用膨胀层网格划分方法）；求解结果显 示模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业7 问题描述：如右图模型（叉壁），其材 料为铝合金，孔1用圆柱面约束，径向、轴 向位移均0，其周向free；孔2受x方向的力 为200N，受z方向的力为100N；孔3约束 为仅有压缩。 要求：运用适当的网格划分方法，各个 孔处细化，两叉壁分叉处细化（运用虚拟 球影响的网格划分方法）；求解结果显示 模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
静水压力
西安嘉业航空科技有限公司 作业4 问题描述：如右图模型（支撑座-3-垂 直），其材料为钛合金，模型外圈用圆柱 面约束且轴向和径向为0，周向为free；模 型内圈施加径向轴承载荷800N；模型端面 施加压力载荷6MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致在筋板厚度方向至少划分11 个节点（或者运用扫略网格划分方法）； 求解结果显示模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图。共6张截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业5 问题描述：如右图模型（支撑座-4-切 向），其材料为铜合金，模型受如图所示 方向的314rad/s的角加速度惯性载荷；模 型内圈用圆柱面约束且轴向为0，径向和周 向为free；模型外圈施加径向轴承载荷 1000N。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致在筋板厚度方向至少划分11 个节点（或者运用refineing网格划分方 法）；求解结果显示模型的整体变形和等 效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业2 问题描述：如右图模型（轴承座），其 材料为铸铁，模型四个小孔固定，轴承孔 上施加轴承载荷1000N。 要求：运用适当的网格划分方法，四个 小孔和轴承孔处网格细化（或者运用映射 网格划分方法）；求解结果显示模型的整 体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的变形、应力以及变形和应力的等值线图。 共6张截图。