ANSYS静力学分析APDL建模实例-应力集中
基于ANSYS的有限宽板孔边应力集中分析
4 结论
圆孔附近发生了明显的应力集中现象 ,且孔径越小应力集中越明显 ,应力突然变大的趋势越快 . 参考文献 :
[1 ] 徐芝纶 . 弹性力学简明教程 : 第 2 版 [M] . 北京 : 高等教育出版社 ,1993. [2 ] 王国强 . 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践 [M] . 西安 : 西北工业大学出版社 ,1999. [3 ] 刘 波 ,曹晓东 . 平板中心圆孔边应力集中的有限之分析 [J ] . 石油化工设备技术 ,2004 ,25 (5) :20～23. [4 ] 朱晓东 ,覃启东 . 基于 ANSYS 平台含圆孔薄板的应力集中分析 [J ] . 苏州大学学报 ( 工科版) ,2004 ,25 (5) :20～23. [5 ] 张胜明 . 基于有限元软件 ANSYS/ 7. 0 的结构分析 [M] . 北京 : 清华大学出版社 ,2003.
图1 带孔平板
第 1 期 张宁锋 : 基于 ANSYS 的有限宽板孔边应力集中分析 ・35 ・
析中采用八节点实体单元 PLANE82 ,单元属性设置为 Plane stress w/
thk ,弹性模量和泊松比分别为 200 GPa 和 0. 3 ,边界条件为 x = 0 , UX = 0 ; y = 0 , UY = 0 . 在板远端作用有沿 x 轴方向的 100 MPa 的均匀
( 上接第 19 页)
参考文献 :
[1 ] BARTTREPAK,辛晓英 . 虚拟红外防盗报警器 [J ] . 家庭电子 ,2001 , (10) :33～34. [2 ] 魏立君 ,韩华琦 . 1COM S40000 系列 60 种常用集成电路的应用 [M] . 北京 : 人民邮电出版社 ,1995. [3 ] 蔡凡弟 . 门窗监控远距离转发报警器 [J ] . 电子世界 ,1999 , (10) :28～31. [4 ] 赵建华 ,张荷芳 ,李 静 . 门窗监控远距离转发报警器 [J ] . 现代电子技术 ,2001 , (8) :37～39. [5 ] 李建华 . 实用遥控器原理与制作 [M] . 北京 : 人民邮电出版社 ,1996.
【静力分析】AnsysWorkBench验证应力集中系数
【静⼒分析】AnsysWorkBench验证应⼒集中系数应⼒集中是在零件上普遍存在的现象，有各种各样的应⼒集中被计算出来，这次使⽤板中央有孔的零件来计算应⼒集中系数。
新建静⼒分析（Static Structural）导⼊模型后，在DM中打开模型，右键Import1 > Generate，⽣成模型。
使⽤Manual（⼿动⽅式）⽣成中⾯。
点击Tools > Mid-Surface > 选择模型的两个⾯ > Apply（系统默认使⽤⼿动⽅式）；右键Midsurf1 > Generate，⽣成中⾯。
使⽤⾃动⽅式⽣成中⾯。
⽣成中⾯可以使问题简化，求解更加快速。
点击Tools > Mid-Surface > Selection Method ：Aotumatic；在Min和Max Threshold处分别填1和3，代表最⼩壁厚为1mm，最⼤壁厚为3mm；Find Face Pairs Now：Yes，⽴即查找⾯对，此时在Face Pairs处出现数字1，表⽰已经⾃动找到⼀个⾯对。
右键Midsurf2 > Generate，⽣成中⾯。
退出DM，进⼊静⼒分析。
划分⽹格。
设置⽹格尺⼨右键Mesh > Insert > Sizing > 选中中⾯ > Apply；Element Size：0.5mm。
设置映射⽹格右键Mesh > Insert > Face Meshing > 选中中⾯ > Apply右键Mesh > Generate，⽣成⽹格。
设置边界条件设置固定约束点击A5 > Supports > Fixed Support > 选中中⾯的⼀个短边 > Apply设置⼒点击A5 > Loads > Force > Magnitude ：100N；Direction：选择⼀个长边，将板拉伸。
ANSYSWorkbench工程应用之——应力奇异与应力集中（二）
ANSYSWorkbench工程应用之——应力奇异与应力集中
（二）
2 应力奇异
2.1应力奇异现象
应力奇异是指物体由于几何关系，在求解应力函数的时候出现的应力无穷大。
在有限元计算中表现为：随着网格加密，应力始终增加而且不收敛。
现实中，由于任何物体都是有一定的强度的，不可能出现应力无穷大。
所以在实际结构中是不会出现应力奇异的。
应力奇异是由于数学算法的问题（可以理解为在有限元仿真中出现的问题），应力奇异点一般出现在尖角或刚性约束处。
如下图，箭头所指处应力显著增大，是应力集中处，但是随着网格细化，此处最大应力收敛于21MPa左右，即表现出网格无关性，说明不是应力奇异点。
注意：读取应力最大值时应排除应力奇异点，很多时候，应力最大值与应力奇异点重合，此时直接读取最大值时没有任何意义的。
2.2模型尖角处的应力奇异及处理方法2.2.1模型尖角处的应力奇异现象在软件中，由于离散化误差，所以奇异点并不会产生无穷大的应力解，而是会随着网格细化，局部应力显著增大呈现不收敛或收敛很慢的现象。
应力奇异处必然是应力集中处，但是应力集中处不一定应力奇异。
讨论应力奇异的目的是在于找出应力奇异点，分析哪些奇
异点影响结构强度，再通过修改设计避免应力奇异现象。
实例1，L型支架竖边长50，横边长35，厚20，边界条件如下图，计算3mm，2mm，1mm，0.5mm网格下的奇异应力（最大应力）。
随着网格不断细化，直角处应力呈现显著增加且不收敛现象，这就是应力奇异现象（此处也是应力集中点）。
ANSYS静力学 裂纹钻孔止裂前后及不同钻孔直径下的应力分析
Ansys 作业：裂纹钻孔止裂前后及不同钻孔直径下的应力分析裂纹钻孔止裂前后及不同钻孔直径下的应力分析目前钢结构广泛应用于桥梁、机械、工业和公共建筑，对其维护的重要性也显得越来越突出。
疲劳裂纹是一种钢结构常见的破坏形式，当发现钢结构构件中萌生了疲劳裂纹时，可以采用钻孔止裂技术,在裂纹尖端钻孔消除裂纹尖端的应力集中,从而延长钢结构构件的疲劳寿命,既确保了安全，又避免了不必要的损失。
而钻孔止裂技术的止裂效果取决于疲劳裂纹在止裂孔边的再生寿命,止裂孔直径的大小将直接影响疲劳裂纹的再生寿命，因此,对构件进行钻孔止裂分析十分重要。
一、创建有限元模型以钢板分析为例: 长100m 宽80m 厚0.002m裂纹区域坐标 (-40,0.01,0) (-40,0.01,0,) (-39.9,0,0)弹性模量泊松比建模时，只建立面，以矩形中心为坐标原点，厚度在中如下设置划分后的单元二、设定载荷并求解左上点、右下点固定段约束上下两边压强三、后处理模型1变形情况：Mises应力云图四、不同钻孔直径下的Mises应力云图1、直径0.002m2、直径0.004m3、直径0.006m4、直径0.008m五、数据分析：/减小，裂纹尖端的应力集中现象的得到改善。
本次模拟试验为验证性试验,实际应用中裂纹尖端钻孔可以降低应力集中现象，但改善情况一般在30%以内，本次模拟实验的到的应力改善情况偏大，应该是划分单元的粗细程度不同引起的。
3、纵向比较不同直径的钻孔可知：应力集中现象的最大的应力值随孔径的增大而减小。
但由实际可知，钻孔并非越大越好，故上述结论在一定范围内是成立的。
ANSYSWorkbench工程应用之——应力奇异与应力集中（五）
ANSYSWorkbench工程应用之——应力奇异与应力集中
（五）
2.3 刚性约束处的应力奇异及处理方法2.
3.1 刚性约束处的应力奇异现象在《Ansys Workbench边界条件——载荷与约束实例详解》一文我们介绍过，固定约束FixedSupport与强制位移约束Displacement由于是刚性约束，容易产生应力奇异。
实例4，截面为10mm×10mm×30mm的矩形条拉伸说明此问题，固定矩形条一端，另一端施加10000N的拉力，使用网格自动细化功能，最大细化循环次数设置为5，研究最大应力增长是否能收敛到5%以内。
根据材料力学理论，矩形条的应力应该为σ =F/A=10000/100=100MPa。
但是本例中，最大应力远远大于此值，且不收敛，固定约束处出现了应力奇异现象。
2.3.2 刚性约束处的应力奇异处理方法大多数情况下，我们不关心固定约束处的应力值，它不影响结构强度，我们可以忽略它，使用应力探针探测我们关心处的应力，或者选择局部模型进行显示。
当我们需要关心固定约束处的应力时，可以使用远程位移功能施加6向约束，以其代替固定约束，远程约束设置中Behavior默认为Deformable(柔性)，即允许约束面受力时变形，所以不会出现应力奇异现象。
支撑平台静力分析ANSYS详细操作步骤
支撑平台静力分析一．题目如图为一个具有板梁结构的支撑平台的几何模型，求在平台上施加均布压力时，整个结构的应力分布。
板中间位置有分布载荷（相当于一个振动源，例如电动机）。
结构材料为结构钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7.8*10-6kg/mm3,板面为2000*1000mm2的壳，厚度为20mm，平台的高度为1000mm，支撑柱为梁，截面积为15*15mm2.pressure=0.01MPa.图一俯视图：图二建议桌面使用单元：Shell Elastic 4node 63 ;腿使用单元：Beam 2D elastic 3二．ANSYS操作步骤1.进入文件进入程序> ANSYS 12.0 > Mechanical APDL Product Launcher > File Management在File Management标签下，修改Working Directory（工作目录）和Job Name （作业名）,然后单击Run，其中工作目录中先要设置一个存放文件的文件夹，打开ANSYS界面后，点击Preferences，在Electromagnetic标签中选择Structural。
2.前处理模块（1）设置分析类型（静力分析）在ANSYS界面中：Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis 选择Static，然后单击OK（2）设置单元类型在ANSYS界面中：Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete进入Defined Element Types标签, 单击Add进入Library of Type标签，选择Shell 63和Beam188单元类型。
（3）设置实常数（用SHELL63单元类型在此例中所建的shell单元的厚度为20mm）在ANSYS界面中：Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete进入Defined Real Constant Sets标签, 单击Add，在choose element type 标签中选择SHELL63，再单击OK在Shell thickness at node I TK(I)、at node J TK(J) 、at node K TK(K) 、at node L TK(L) 标签中填写[20e-3],再单击OK（4）设置材料常数（弹性模量、泊松比和密度）在ANSYS界面中：Main Menu > Preprocessor > Material Prop > Material Models > Structural > Linear > Elastic > Isotropic在EX标签中填写[2.1e11],在PRXY标签中填写[0.3]，单击OKStructural > Density，在弹出窗口的DENS标签栏中填写[7800],单击OK（5）设置梁单元截面参数（截面尺寸15mm*15mm）在ANSYS截面中：Main Menu > Preprocessor > Sections > Beam > Common Sections,在弹出的窗口中，Sub-Type选择矩形截面（默认），在B标签后输入[15e-3],在H标签后输入[15e-3]，单击OK（6）创建桌面1）创建两个面在ANSYS界面中：Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners 在弹出窗口中Width标签后输入[2]，Height标签后输入[1]，单击Apply，在弹出窗口WP X标签后输入[0.5]，在WP Y标签后输入[0.25]，Width标签后输入[1]，Height标签后输入[0.5]，单击OK2)BOOL运算在ANSYS界面中：Modeling > Operate > Booleans > Overlap > Areas弹出选择菜单后分别大矩形面和小矩形，单击OK,将两个面重叠。
基于ANSYS+Workbench的理论应力集中系数的求法
带孔平板的等效应力最大值为 189.19MPa，如图 4 所示。
-3-
ｉＬ。
一｝詈掌。虹
图 4 等效图应力云图
2.6 结果后处理
ANSYS Workbench 中采用应力线性化工具，可以将穿过截面的应力分解成常量应力（membrane 膜应力）和线性应力（bending 弯曲应力）。应力线性化工具使用由两个点定义的路径，如图 1 中截 面由路径相匹配的两个端点（点 N1 和点 N2）和 47 个中间点（通过自动线性插值）定义。点 N1 和 N2 通常设定在自由表面上。
-5-
一种有效途径。
4 参考文献
[1] Budynas−Nisbett.Shigley’s Mechanical Engineering Design·8th(M).McGraw−Hill Primis，2006 [2] 孙训方.材料力学(M).北京：高等教育出版社，2002，8 [3] 王勖成.有限单元法(M).北京：清华大学出版社，2003，7 [4] ANSYS Inc.ANSYS Help，2010
时，才能够使用该方法得出的应力集中系数。如果没有执行网格研究而沿着危险截面路径上网格数
量不足，那么不能使用该
K t
值，这样会导致
K t
偏小。
3 结论
通过本文的研究得出了一种使用 ANSYS Workbench 中应力线性化工具通过膜应力求出应力集中 系数的方法，该方法具有不受几何形状和实验数据缺少的限制，可以作为求解理论应力集中系数的
腱。。有上述计算结果，可得出圆孔处的理论应力集中系数为：
K t
=σ Biblioteka ax σm=188.81 79.417
= 2.38
[1]
根据查阅工程手册 的图表可知，该圆孔处的理论应力集中系数为 2.28 与计算结果很接近。
ANSYS静力学研究分析APDL建模实例-应力集中
ANSYS静力学分析APDL建模实例-应力集中————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：计算分析模型如图所示, 习题文件名: scf材料参数：E=205GPa, v = 0.3力载：4500N注意单位的一致性：使用N, mm, MPa单位制建模教程在ANSYS工作文件夹内新建“stress concentration factor”目录，以存放模型文件。
注意定期保存文件，注意不可误操作，一旦误操作，不可撤销。
1.1 进入ANSYS开始→程序→ANSYS 14.5→Mechanical APDL Product Launcher14.5→然后在弹出的启动界面输入相应的working directory及文件名scf如通过Mechanical APDL 14.5进入，则进入预设的working directoryworking directory必须设置在电脑最后一个分区（因为教学用电脑只有最后一个分区不受系统保护）至此ANSYS静力学分析模块启动，ANSYS在“stress concentration factor”目录下自动创建了.log、.err等必要的文件。
2.2设置计算类型ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK2.3选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4 node 182 →OK (back to Element Types window)→ Options… →select K3: Plane Strs w/thk →OK→Close (the Element Type window)2.4定义实常数ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants →Add/Edit/Delete →Add →OK →THK 1.2 →OK2.5定义材料参数ANSYS Main Menu: Prepr ocessor →Material Props →Material Models →Structural→Linear →Elastic→Isotropic→input EX:205e3, PRXY:0.3→ OK2.6生成几何模型✓生成特征点（8个）ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS→依次输入四个点的坐标：input:1(0,0,0) ,2(75,0,0) ,3(75,4.5,0) ,4(120,4.5,0) ,5(120,19.5,0),6(75, 19.5,0) ,7(75, 24,0) ,8(0, 24,0)→Apply/OK（开始点Apply，最后一个点OK）Tips：如何用ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →On Working Plane →又该如何操作才能生成同样的点？？✓直线（8条）ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Lines →Straight Lines→跳出对话框，用鼠标（左键）依次选择点1、2生成直线1，依次类推生成直线2-8。
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ANSYS静力学分析APDL建模实例-应力集中计算分析模型如图所示, 习题文件名: scf
材料参数：E=205GPa, v = 0.3 力载：4500N
注意单位的一致性：使用N, mm, MPa单位制
建模教程
在ANSYS工作文件夹内新建“stress concentration factor”目录，以存放模型文件。
注意定期保存文件，注意不可误操作，一旦误操作，不可撤销。
1.1 进入ANSYS
开始→程序→ANSYS 14.5→Mechanical APDL Product Launcher14.5→然后在弹出的启动界面输入相应的working directory及文件名scf
如通过Mechanical APDL 14.5进入，则进入预设的working directory
working directory必须设置在电脑最后一个分区（因为教学用电脑只有最后一个分区不受系统保护）
至此ANSYS静力学分析模块启动，ANSYS在“stress concentration factor”目录下自动创建了.log、.err等必要的文件。
2.2设置计算类型
ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK 2.3选择单元类型
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add
→select Solid Quad 4 node 182 →OK (back to Element Types window) → Options…→select K3: Plane Strs w/thk →OK→Close (the Element Type window)
1
2.4定义实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants →Add/Edit/Delete →Add
→OK → THK 1.2 →OK
2
2.5定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models
→Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:205e3, PRXY:0.3 → OK
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2.6生成几何模型 ? 生成特征点（8个）
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Acti ve CS →依次输入四个点的坐标：
input:1(0,0,0) ,2(75,0,0) ,3(75,4.5,0) ,4(120,4.5,0) ,5(120,19.5,0) ,6(75, 19.5,0) ,7(75, 24,0) ,8(0, 24,0) →Apply/OK（开始点Apply，最后一个点OK）
Tips：如何用ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →On Working Plane →又该如何操作才能生成同样的点？？ ? 直线（8条）
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Lines
→Straight Lines →跳出对话框，用鼠标（左键）依次选择点1、2生成直线1，依次类推生成直线2-8。
Tips：如何显示线的编号？？
4
? 生成圆导角（2条）
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Line Fillet→跳出对话框，用鼠标（左键）依次选择直线2、3 →Apply →跳出对话框，在RAD输入
3→OK生成第1个圆导角。
按照相同的操作在直线5、6之间生成第2个圆导角。
? 生成薄壁钢板的面
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →By Lines →选择所有的线（包括直线和圆导角，不能遗漏，否则生不成面）→OK
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感谢您的阅读，祝您生活愉快。