第三章ANSYS分析基本过程析Word下载.docx

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2.06E11N/m2（即2.06×

1011N/m2）

泊松比：

0.3

集中力：

P=120kN

2、理论值

根据材料力学知识：

支反力：

RA=60kN；

RB=60kN。

梁中点挠度：

下面使用ANSYS对该问题求解，作为第一个例子，本节将详细叙述操作步骤，并在步骤加一些说明，以便用户养成良好的分析习惯。

3.3.2选取学科

1、启动ANSYS并设置工作目录和工作文件名称

在windows系统下，运行【开始】>

【程序】>

ANSYS11.0>

ANSYSProductLauncher命令，弹出交互式启动对话框，设置好工作目录和工程名。

这里，建议工作目录设置为D:

\ansys\working（该目录必须已经存在，只有通过资源管理器创建工作目录之后，才可以使用该目录，ANSYS自己并不能创建工作目录），工程名为设置为beam，如图3-2所示。

然后单击对话框下面的Run按钮，进入到图形用户交互界面。

图3-2设置工作目录和工作文件名称对话框

2、选取学科

选择MainMenu>

Preferences命令，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structure”复选框（因为我们分析的学科只涉及到了结构），如图3-3所示，然后单击“OK”按钮，表示只进行结构分析。

这个步骤并不是必须的，但它可以对通用菜单及相应的图形界面进行过滤，为后续选择带来方便。

所以推荐使用。

图3-3选择结构分析类型

3.3.3创建几何模型

简支梁几何结构是简单而规则的，所以，在ANSYS中创建很简单。

（1）创建关键点：

本例题将利用带有两个关键点的线来模拟简支梁，梁的截面高度、横街面积等初始条件将在实常数中设置。

选择菜单路径：

MainMenu>

Preprocessor>

Modeling>

Create>

Keypoints>

InActiveCS，单击弹出“CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem”对话框，如图3-4所示。

也就是说，提示在当前坐标系下（默认笛卡尔坐标系）创建关键点。

在“Keypointnumber”后面的输入栏输入“1”，表示创建的是1号关键点。

在“LoacationinactiveCS”后面的三个输入栏分别输入“0、0、0”，表示创建的1号关键点的坐标系（x,y,z）=（0,0,0）。

单击“Apply”按钮，继续输入。

图3-4创建关键点对话框

Ø

在“Keypointnumber”后面的输入栏输入“2”。

在“LoacationinactiveCS”后面的三个输入栏分别输入“4、0、0”。

在“Keypointnumber”后面的输入栏输入“3”。

在“LoacationinactiveCS”后面的三个输入栏分别输入“8、0、0”。

单击“OK”按钮，完成三个关键点的创建，此时图形窗口出现三个关键点。

校验输入的关键点是否正确：

UtilityMenu>

List>

Coordinatesonly，单击弹出一个信息窗口显示所以关键点及其坐标，如图3-5所示。

确认无误后，关闭信息窗口。

3-5显示关键点坐标

（2）创建直线：

在关键点创建完成以后，就可以在关键点之间创建直线了。

Lines>

InActiveCoord，单击弹出“LinesinActive…”拾取框，如图3-6所示。

在图形窗口分别拾取1、2号与2、3号关键点，单击“OK”按钮，创建1号直线与2号直线。

也可以在拾取框的输入栏中输入1后按回车键，再输入2后按回车键，同样也能创建一条直线，这个功能在复杂图形中拾取点非常有用。

复杂图形在同一处往往有很多点，这样在图形窗口很难准确拾取到所需的点，这时，可以采用在拾取框中直接输入点号的方法拾取点，早期的ANSYS版本没有这种功能，只能在图形窗口拾取点。

此时，图形窗口如图3-7所示。

图3-6点拾取框图3-7创建的梁几何模量

尽管上述建立的几何模型的过程是如此的简单，但它代表了一个基本而重要的步骤。

许多性质复杂的模型就是对这些简单原型进行处理后建立起来的。

另一方面，对复杂模型，建模是一件相当繁琐的事，需要花费大量精力，而且还有许多注意事项，详细内容参见第四章。

3.3.4划分网格

在划分网格之前，需要设置网格单元类型、材料属性等。

而且，如果采用直接生成网格方法建模，就需要在建模前选择好单元属性。

事实上，多数人喜欢在一开始就设置单元属性。

然后，需要决定采用什么样的网格，如何设置分网网格。

完成单元属性和网格设置后，就可以分网了。

单元属性包括单元类型、单元选项、实常数、材料属性和横截面，依据单元的不同，有些是必须的，有些设置是可选的。

（1）选取单元类型

单元是网格的基础，对单元的选取是非常重要，这依赖于用户的专业知识，以及对问题的理解。

在ANSYS提供的100多个单元中，选取最适合分析任务的单元并不是一件容易的事情，尤其是对初学者，以及那些区别不是很明显的单元。

但在满足某些基本条件下，有多种单元都能满足分析任务。

这些基本条件是：

维数、自由度、以及线性单元还是二次单元等。

本例而言，选择的单元是BEAM3。

该单元是二维梁单元，有三个自由度UX、UY、ROTZ，是有两个节点的弹性梁单元。

选择弹性梁单元，是因为梁的变形属于弹性范围之内。

图3-8单元类型列表对话框图3-9单元类型库对话框

选择：

Preprocessor>

ElementType>

Add/Edit/Delete，单击弹出“ElementTypes”单元类型列表对话框，如图3-8所示，由于没有定义单元，对话框列表中没有单元存在。

单击“Add…”按钮，弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框，如图3-9所示。

在该对话框中左面滚动栏中选择“StructureBeam”，在右边的滚动栏中选择“2Delastic3”，单击“OK”按钮，回到单元类型列表对话框，此时对话框列表中有一个“BEAM3”单元，表示生成了一个“BEAM3”单元。

最后单击“Close”按钮，关闭单元类型对话框，完成单元的添加。

（2）定义单元实常数

单元的几何特性很多不是用几何图形可以直接表示出来的，必须通过添加实常数来补充几何信息。

像杆单元和梁单元的界面面积、管单元的外径和壁厚，壳单元的厚度等。

图3-10实常数对话框图3-11单元类型对话框图3-12定义BEAM3实常数对话框

RealConstants>

Add/Edit/Delete，弹出“RealConstants”实常数列表对话框，如图3-10所示。

由于没有定义过实常数，列表中没有实常数。

单击“Add…”按钮，弹出“ElementTypes…”对话框，如图3-11所示，用以选择需要添加实常数的单元类型。

本例只有一个单元类型，所以选择BEAM3即可。

单击“OK”，弹出“RealConstantsforBEAM3”定义BEAM3实常数对话框，如图3-12所示。

定义BEAM3实常数对话框中，在AREA后面输入栏输入“0.0072”，在IZZ后面输入栏输入“0.0002108”，在HEIGHT后面输入栏输入“0.42”。

本例不考虑剪切变形、初始应变和附加质量，所以其它3个实常数不作定义，ANSYS自动默认为0。

单击“OK”，完成实常数定义，回到实常数列表对话框，此时列表中有一个已经定义的实常数。

单击“Close”，关闭实常数列表对话框。

（3）定义材料属性

材料属性是材料的物理性质，与单元一样，可以定义多种材料属性。

不同属性用不同材料号来表示。

材料属性可以分为各向同性和各向异性的，分为温度无关的和温度相关的，分为线性的和非线性的。

这里由于只对简支梁进行线弹性分析，而钢材料基本上是各向同性、与温度无关的线性属性，所以只需定义材料的弹性模量和泊松比。

而且，尽管材料具有多种属性，但某些属性对分析无关的。

如，在这个分析中，材料的导热率就对分析没有意义。

可以从材料库中输入材料属性，也可以自己定义材料属性，这里，采用自己定义的方式。

由于ANSYS材料库中的材料牌号属于国外牌号，与国内材料牌号不能完全一一对应。

因此，多数人喜欢采用自定义的方式来定义材料属性。

MaterialProps>

MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图3-13，在右边的栏中连续双击“Structure>

Line>

Elastic>

Isotropic”后，又弹出“LineIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，如图3-14所示，在该对话框中，在“EX”（杨氏模量）后面的输入栏输入“2.06E11”，在“PRXY”（泊松比）后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”，回到“DefineMaterialModelBehavior”对话框，查看左边栏中的已定义材料类型，确认无误后，选择“Material>

Exit”退出材料属性定义。

图3-13材料属性设置对话框

图3-14定义钢线性各向同性材料属性图3-15另存为对话框

（4）保存模型文件

到此为止，我们已经完成了简支梁几何模型的建立，并定义了单元类型、实常数和材料属性。

下一步就是对模型划分网格，进行求解计算。

但是在进行此项工作之前，应该把模型存盘。

我们用一表示模型的文件名保存几何模型，这样如果要重新划分网格可以直接调用几何模型文件。

file>

Saveas…，弹出另存为对话框中，如图3-15所示，以beamgeom.db保存几何模型文件，单击“OK“退出。

再单击工具栏中的“SAVE_DB”命令按钮，以保存beam.db工作文件。

（3）分网控制和分网

如果有多种类型的单元、多个单元实常数、多种材料或者多个单元坐标系，则要定义点、线、面、体需要用到其中的那一类。

Meshing>

MeshAttributes>

AllLines，弹出线网格属性对话框，如图3-16所示。

由于本例只有一种单元类型、一种实常数和一种材料属性，所以采用默认选项即可，单击“OK”按钮完成给材料给几何模型赋属性。

图3-16设置线网格属性对话框图3-17网格工具

控制网格密度有两种方法：

通过MainMenu>

Meshing-下的选项，可以设置网格尺寸设置、分网器选项、连接、网格的划分、修改、检查和删除等。

使用网工具（MeshTool）对话框。

该对话框上集成了与分网有关的操作。

这里我们选用第二种方法。

MeshTool，弹出MeshTool网格工具对话框，如图3-17所示，在网格工具对话框的“SizeControls”选项组中，单击“Lines”右边的“Set”按钮，弹出“ElementSizeon…”对话框，如图3-18，该对话框可以拾取需要进行网格尺寸控制的线，它有多种拾取方法，用户可以任意选择一种，本例非常简单，可以直接点“PickAll”按钮，选取所有的线图元。

接着弹出“ElementSizeonPickLines”线单元网格控制对话框，在“Elementedgelength”后面的输入栏输入“0.5”，表示线单元每条边的长度是0.5，单击“OK”退出。

图3-18线拾取框图3-19线单元网格控制对话框

单击网格工具对话框中的“Mesh”按钮，弹出一个线拾取框，单击该对话框中的“PickAll”按钮完成对所有的线进行网格划分。

此时每条线被分成8个线单元（每条边长为4），每个线单元的长度都是0.5。

3.3.5施加载荷和约束

有限元分析的目的是确定物体对载荷的响应，正确地分析和简化载荷，并正确施加载荷，是有限元分析的关键一步。

首先要了解物理系统所受到的所有载荷，包括DOF（自由度）约束、集中载荷、表面载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷、初始条件和边界条件；

然后确定那些因素是主要的，那些因素是次要的；

最后，要确定载荷的特性，如是时变的，还是静态的。

（1）施加载荷

本例中，梁本身的自重相对于外力而言是很小的，所以不予考虑。

只需要施加外力，这是一个集中载荷。

载荷可以施加在实体模型（关键点、线、面、体）上，也可以施加在有限元模型（节点、单元）上，施加在实体上的载荷不因网格的清除或改变而改变，但施加在有限元模型上的载荷会因单元的改变而删除。

Solution>

DefineLoads>

Apply>

Structural>

Force/Moment>

OnKeypoints，弹出拾取点对话框，拾取图形窗口中的2号关键点，单击对话框中的“OK”按钮，完成点的拾取。

会弹出一个“ApplyF/MonKPs”对话框，在该对话框“Directionofforce/mom”后面的下拉式选择栏中选择“FY”，表示在关键点2上施加的集中力方向是y方向。

在“Force/momentvalue”后面的输入栏中输入“-120000”。

单击“OK”按钮退出，完成施加载荷的工作。

图3-20给关键点施加y方向集中力

（2）施加约束

Displacement>

OnKeypoints，弹出拾取点对话框，拾取图形窗口中的1号关键点，单击“OK”按钮，弹出“ApplyU,ROTonKPs”对话框，如图3-21所示，在该对话框“DOFstobeconstrained”后面的列表框中选择“UX”和“UY”，然后单击“Apply”按钮完成点1施加约束的工作，这表示1号关键点x、y方向的位移自由度都被束缚。

接着又弹出拾取点对话框，拾取图形窗口中的3号关键点，单击“OK”按钮，又弹出“ApplyU,ROTonKPs”对话框，在该对话框“DOFstobeconstrained”后面的列表框中选择“UY”，然后单击“OK”退出。

完成施加模型约束的工作，此时图形窗口中的模型如图3-22所示

图3-21给关键点设置位移约束对话框

图3-22施加了载荷与约束的有模型

3.3.6求解

一般，在求解前，需要设置求解类型、载荷步选项，然后选择是从当前载荷步还是从文件中读取求解数据，是全局求解还是局部求解。

由于本例的问题非常简单，使用程序的默认设置就可以了，即静态问题的一个新分析，使用当前载荷步求解。

Solve>

CurrentLS，弹出求解对话框和摘要信息窗口，该对话框上指示查看摘要信息，如果确认无误后，则在对话框中单击“OK”按钮。

程序将弹出一个警告，忽略该警告，单击“YES”或直接回车，程序开始求解，并显示一个进度条，指示求解进程。

求解结束后，弹出一个求解完毕的对话框，单击“Close”，关闭该对话框。

这样就完成了求解。

3.3.7结果分析

分析的目的是得出结论，作出判断。

结果分析有两个作用：

一是判断分析是否正确，包括判断模型是否与实际相符，计算是否收敛，是否与已有结论一致等；

二是在分析正确的基础上，用所得结果来指导实际的工程设计或分析。

ANSYS中包括两种结果分析：

通用后处理和时间历程后处理。

由于本例是静态分析，只介绍通用后处理器POST1中的部分操作。

（1）读取数据

ANSYS并不自动把结果数据读入到数据库中，所以，首先需要把结果读入到数据库。

此外，还应该选择读取哪一个子步的数据，由于本例只有一个子步，所以，读那一子步的数据并不重要。

GeneralPostproc>

ReadResults>

LastSet，读取数据到数据库。

然后就可以对结果进行显示、列表和分析了。

（2）变形显示

变形显示主要用于图示化结构对外载荷的变形响应。

通过该图，可以得到结构变形的方向及相对大小。

由于变形通常很小的，所以变形图是示意性质的，而不是完全依照变形大小在图上显示（尽管可以准确显示变形，但这通常都不能得到合适观看的结果）。

可以只显示变形后的形状，也可以显示变形前后的形状。

图3-23画结构变形形状对话框

PlotResults>

DeformedShape，弹出“PlotDeformedShape”对话框，如图3-23所示，在该对话框中选择“Def+UndefEdge”单选按钮，表示显示变形后的结构和变形前的结构，如图3-24所示。

图3-24结构变形图

（3）查看支座反力

ListResults>

ReactionSolu，弹出显示反力的信息窗口，如图3-25所示。

可以发现1号节点（1号关键位置的节点）x方向反力是0，y方向反力是6×

104，10号节点（3号关键位置的节点）y方向反力是6×

104（x方向反力没有约束，没有反力），总反力是1.2×

105，与外载荷相等。

图3-25反力信息

（4）查看最大挠度

选择：

SortedListing>

SortNodes，弹出“SortNodes”对话框，可以通过该对话框对节点的计算结果值进行排序。

默认是升序排列，在“Listsortednodesfor”后面的下拉式选择栏中选择“Results”，如图3-26所示，在“Sortnodesbasedon”后左边栏选择“DOFsolution”，右边栏中选择“UY”，单击“OK”，弹出显示排序结果的信息窗口，如图3-27所示。

这是对节点y方向变形按升序进行的排列，节点2（对应的2号关键点的位置）挠度最大，为-0.29467E-1，节点1（对应的1号关键点的位置）与节点10（对应的3号关键点的位置）挠度最小，为0。

图3-26节点排序对话框图3-27节点排序结果

（5）数值解与理论解比较

ANSYS获得的结果是数值解，与理论值通常会有微小的差别，但这种微小差别在工程上是可以容忍的。

本例由于很简单，数值解与理论解精确吻合，比较结果见下表。

表3-1理论值与ANSYS计算值比较

比较项目

理论值

ANSYS

比率

A点支反力RA，N

60,000

1.000

B点支反力RB，N

最大挠度fmax，m

-2.9476×

10-1

最小挠度fmin，m