第1篇《ANSYS应用基础篇》.docx

1、第1篇ANSYS应用基础篇有限元软件ANSYS提高讲义目 录第一篇 结构有限元分析基础 1第1章 有限元理论 11.1 有限单元法介绍 11.2 杆件有限元理论计算与ANSYS软件计算 11.2.1 有限元理论求解计算步骤 11.2.2 ANSYS软件分析计算步骤 3第2章 各种单元类型分析计算实例 52.1 杆单元分析计算 52.1.1 概述 52.1.2 桁架结构的应力变形分析 52.2 梁单元分析计算 92.2.1 概述 92.2.2 组合门字架梁受力变形分析 112.3 平面板单元分析计算 232.3.1 概述 232.3.2 厚壁圆筒的平面应变有限元分析 232.4 轴对称单元分析计

2、算 282.4.1 概述 282.4.2 厚壁圆筒的轴对称有限元分析 292.5 空间实体单元分析计算 362.5.1 概述 362.5.2 连杆受力分析 372.6 壳单元分析计算 442.6.1 概述 442.6.2 受内压圆柱壳有限元分析 45第3章 网格划分技巧及实例讲解 513.1 面的自由与映射网格划分 513.1.1 面的自由网格划分 513.1.2 面的映射网格划分 513.2 体的自由与映射网格划分 523.3 体的扫略、拖拉网格划分 523.3.1 体的扫略网格划分 535.9.2 体的拖拉网格划分 55第一篇 结构有限元分析基础第1章 有限元理论1.1 有限单元法介绍有限

3、元法(FEA，Finite Element Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。1.2 杆件有限元理论计算与ANSYS软件计算一个台阶式杆件上方固定后，在下方以一个Y轴方向集中力，试以有限元法手算和用ANSYS软件求B点与C点

4、的位移，见图1.1。已知：杨氏模量El=E2=3.0107lbf/in2，截面积Al=5.25in2和A2=3.75in2，长度L1=L2=12in，P=100 1bf。(本例题源于有限元分析ANSYS与Matlab第117页)图1.1 台阶式杆件示意1.2.1 有限元理论求解计算步骤1. 分解为两单元可将台阶式杆件先分成单元与单元，如图(2)所示。2. 求单元的刚度矩阵 节点i=1，j=2。该单元的刚度系数为： (1)说明：由材料力学可知：伸长量与作用力的关系为。该单元的力平衡方程式为： (2)3. 求单元的刚度矩阵 节点i=2，j=3。该单元的刚度系数为： (3)该单元的力平衡方程式为：

5、(4)4. 合并两单元之后将两单元的力平衡方程式合并在一起，得到： (5)接着将各条件代入力平衡方程式中，可得： (6)5. 加入边界条件其中F2外力作用。故F2=0；F1为固定端，故为反作用力R，位移为0；又因其为固定端，所以可将其忽略，而得到新的力平衡方程式： (7)也就是： (8)6. 计算刚度系数接着求出两单元的刚度系数为：1bf/in1bf/in将上式代入(8)，可得：7. 解出节点位移最后求出各节点的位移：1.2.2 ANSYS软件分析计算步骤1定义工作文件名及工作标题(1)定义工作文件名：Utility MenuFileChange JobnameChange Jobname输入

6、文件名truss0OK。(2)定义工作标题：Utility MenuFileChange TitleChange Title输入truss-link1OK。2定义单元类型和材料属性(1)定义单元类型：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteAdd在左列表框中选择LINK，在右列表框中选择2D spar 1OK。(2)定义实常数：Main MenuPreprocessorReal ConstantsAddType 1OKReal Constant Set No.：1, AREA：5.25Apply，Real Constant Set

7、No.：2, AREA：3.75OKClose。(3)设置材料属性：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructural Linear ElasticIsotropicEX：3.0e7，PRXY：0.3OK。3建立模型(1)定义节点：Main Menu Preprocessor Create Nodes In Active CS依次输入13个节点坐标1(0,0,0)，2(12,0,0)，3(24,0,0)OK。(2)定义单元：定义截面积为5.25in2的单元：Main MenuPreprocessorCreateElement

8、sAuto NumberedThru Nodes拾取节点1和2OK。定义截面积为3.75in2的单元：Main MenuPreprocessorCreateElementsElem Attributes Real constant set number 2OK。Auto NumberedThru Nodes依次拾取节点2和3OK。4施加边界条件并求解(1)施加约束：Main Menu Solution Define loads Apply Structural Displacement On Nodes拾取节点1OKLab2：All DOFOK(2)施加载荷：Main Menu Solutio

9、n Define loads Apply Structural Force/Moment On Nodes拾取节点3OKLab：FX，VALUE：100OK。(3)求解前保存模型：Utility MenuFilesSave as输入link0_load.dbOK。(4)求解：Main Menu Solution Solve Current LSFileCloseSolve Current Load StepOKSolution is doneClose。(5)保存结果文件：Utility MenuFilesSave as输入link0_solve.dbOK。5后处理(1)查看各节点位移：云图显

10、示：Main Menu General Postproc Plot ResultsContour PlotNodal Solu选择DOF solution 下的X-Component of displacement OK。 列表显示：Main Menu General Postproc List Results Nodal solu选择DOF solution 下的X-Component of displacementOK。对于的ANSYS求解节点位移为 NODE UX 1 0.0000 2 0.76190E-05 3 0.18286E-04三、APDL求解步骤!- -/PREP7ET,1,L

11、INK1 !单元类型1R,1,5.25 !实常数1R,2,3.75 !实常数2MP,EX,1,3.0e7 !材料1MP,PRXY,1,0.3N,1,0,0,0 !定义节点N,2,12,0,0N,3,24,0,0E,1,2 !定义单元REAL,2 !实常数2E,2,3 FINISH/SOLU !进入求解器D,1,ALL !施加约束F,3,FX,100 !施加载荷SOLVE !求解FINISH/POST1/POST1 PLNSOL, U,X, 0,1.0 !画位移云图PRNSOL,U,X !列节点位移值!-第2章 各种单元类型分析计算实例2.1 杆单元分析计算2.1.1 概述(1)常用的杆单元是L

12、INK1，LINK1单元可用于不同的工程应用中，依具体的应用，该单元可模拟桁架、链杆及弹簧等。该二维杆单元每个节点的自由度只考虑x和y两个方向的线位移，是一种可承受单轴拉压的单元。因为只用于铰接结构，故本单元不能承受弯矩作用。(2)LINK8三维杆(或桁架)单元。单元是有着广泛的工程应用的杆单元，比如可以用来模拟：桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系x、y、z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。(3)LINK180是一个适用于各类工程应用的三维杆单元

13、。根据具体情况，该单元可以被看作桁架单元、索单元、链杆单元或弹簧单元等等。本单元是一个轴向拉伸-压缩单元，每个节点有三个自由度：节点坐标系的x、y、z方向的平动。本单元是一种顶端铰接结构，不考虑单元弯曲。本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形和大应变功能。缺省时，当考虑大变形时(NLGEOM,ON)任何分析中LINK180单元都包括应力刚化选项。本单元支持弹性、各向同性强化塑性、随动强化塑性、Hill各向异性强化、Chaboche非线性强化塑性和蠕变。 图2.1 LINK1单元示意图 图2.2 LINK8和LINK180单元示意图2.1.2 桁架结构的应力变形分析一、问题描述求图2.3中桁架结构各

14、节点的位移和各单元的轴力，并画轴力图，其中AJ、JI、IL、LN、NP、PR杆的截面积为90010-4m2，其余杆的截面积为40010-4m2，且都为实心圆截面，弹性模量E=200GPa，泊松比=0.3。二、GUI求解步骤1定义工作文件名及工作标题(1)定义工作文件名：Utility MenuFileChange JobnameChange Jobname输入文件名truss1OK。(2)定义工作标题：Utility MenuFileChange TitleChange Title输入truss-link1OK。2定义单元类型和材料属性(1)定义单元类型：Main Menu Preproces

15、sor Element Type Add/Edit/DeleteAdd在左列表框中选择LINK，在右列表框中选择2D spar 1OK。(2)定义实常数：Main MenuPreprocessorReal ConstantsAddType 1OKReal Constant Set No.：1, AREA：0.09Apply，Real Constant Set No.：2, AREA：0.04OKClose。(3)设置材料属性：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructural Linear ElasticIsotropicE

16、X：2e11，PRXY：0.3OK。图2.3 桁架结构示意图3建立模型(1)定义节点：Main Menu Preprocessor Create Nodes In Active CS依次输入18个节点坐标1(0,0,0)，2(6,0,0)，3(6,2,0)，4(5.5,2,0)，5(6,4,0)，6(5,4,0)，7(6,6,0)，8(4.5,6,0)，9(6,8,0)，10(4,8,0)，11(6,9,0)，12(8,9,0)，13(8,8,0)，14(10,8,0)，15(10,9,0)，16(12,9,0)，17(12,8,0)，18(14,8,0)OK。(2)定义单元：定义截面积为0.

17、09的单元：Main MenuPreprocessorCreateElementsAuto NumberedThru Nodes拾取节点1和10Apply10和9Apply9和13Apply13和14Apply14和17Apply17和18OK。定义截面积为0.04的单元：Main MenuPreprocessorCreateElementsElem Attributes Real constant set number 2OK。Auto NumberedThru Nodes依次拾取节点2和4Apply4和3Apply3和2Apply4和6Apply6和5Apply5和3Apply5和4App

18、ly6和8Apply8和7Apply7和5Apply7和6Apply8和10Apply9和7Apply9和8Apply10和11Apply11和9Apply11和12Apply12和13Apply12和9Apply12和15Apply15和14Apply15和13Apply15和16Apply16和17Apply16和14Apply16和18OK。4施加边界条件并求解(1)施加约束：Main Menu Solution Define loads Apply Structural Displacement On Nodes拾取节点1和2OKLab2：All DOFOK(2)施加载荷：Main M

19、enu Solution Define loads Apply Structural Force/Moment On Nodes拾取节点14和18OKLab：FY，VALUE：-1000Apply拾取节点17Lab：FY，VALUE：-2000OK。(3)求解前保存模型：Utility MenuFilesSave as输入link1_load.dbOK。(4)求解：Main Menu Solution Solve Current LSFileCloseSolve Current Load StepOKSolution is doneClose。(5)保存结果文件：Utility MenuFil

20、esSave as输入link1_solve.dbOK。5后处理(1)查看各节点位移：云图显示：Main Menu General Postproc Plot ResultsContour PlotNodal Solu选择DOF solution 下的Displacement vector sumOK。 列表显示：Main Menu General Postproc List Results Nodal solu选择DOF solution 下的Displacement vector sumOK。 (2)查看各单元轴力：定义link1单元的轴力单元表：Main Menu General Pos

21、tproc Element TableDefine Table(见图1.4)，Lab：输入FXItem：选择By sequence numComb：选择SMISC，在SMISC后面输入“1”OK。查看轴向应力：Main Menu General Postproc Element TableList Element Table选择FXOK记录各个单元的轴力FileClose。(3)画轴力图：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotLine Elem Res(见图1.5)LabI选择FX，LabJ选择FXOK。6退出ANSYS软件Utili

22、ty MenuFileExitQuit-No SaveOK。图2.4 建立单元表对话框图2.5 画线单元结果对话框三、APDL求解步骤!- -/PREP7 !进入前处理ET,1,LINK1 !单元类型1R,1,0.09 !实常数1R,2,0.04 !实常数2MP,EX,1,2e11 !材料1MP,PRXY,1,0.3N,1,0,0,0 !定义节点N,2,6,0,0N,3,6,2,0N,4,5.5,2N,5,6,4,0N,6,5,4,0N,7,6,6,0N,8,4.5,6N,9,6,8,0N,10,4,8,0N,11,6,9,0N,12,8,9,0N,13,8,8,0N,14,10,8,0N,1

23、5,10,9,0N,16,12,9,0N,17,12,8,0,N,18,14,8,0E,1,10 !定义单元E,10,9E,9,13E,13,14E,14,17E,17,18 REAL,2 !实常数2E,2,4 E,4,3E,3,2E,4,6E,6,5E,5,3E,5,4E,6,8 E,8,7E,7,5E,7,6E,8,10E,9,7E,9,8E,10,11E,11,9E,11,12E,12,13E,12,9E,12,15E,15,14E,15,13E,15,16E,16,17E,16,14 E,16,18FINISH/SOLU !进入求解器D,1,ALL !施加约束D,2,ALLF,14,F

24、Y,-1000 !施加载荷F,18,FY,-1000F,17,FY,-2000SOLVE !求解FINISH/POST1PLNSOL, U,SUM, 0,1.0PRNSOL,U,COMPETABLE,FX,SMISC,1PRETAB,FXPLLS,FX,FX,1,0 !轴力图!-2.2 梁单元分析计算2.2.1 概述(1)BEAM3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。图2.1 BEAM3单元示意图(2)BEAM4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度：x、y、z三个方向的线位移和绕

25、x,y,z三个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形(有限旋转)的分析。图2.2 BEAM4单元示意图(3)BEAM188三维线性有限应变梁单元。单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。BEAM188是三维线性(2节点)或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)0(缺省)时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自

26、由度(横截面的翘曲)。这个单元非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。当NLGEOM 打开的时候，BEAM188的应力刚化，在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题(用弧长法)分析特征值屈曲和塌陷。BEAM188/BEAM189可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite及secread定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型(不考虑横截面子模型)。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。BEAM188从6.0版本开始忽略任何实参数，参考seccontrols命令来定义横向剪切刚度和附加质量。单元坐标系统(/psy

27、mb,esys)与BEAM188单元无关。图2.3 BEAM188单元示意图以矩形截面为例，说明BEAM3、BEAM4、BEAM188梁单元坐标系及截面信息，见图2.1。图2.1 梁单元坐标系及截面信息2.2.2 组合门字架梁受力变形分析一、问题描述一个门字架，跨度L=4m，均布外载荷w=50kN/m，弹性模量E=210GPa，泊松比=0.3。工字钢截面W1=W2=140mm，W3=360mm，t1=t2=12.8mm，t3=7.5mm；槽钢截面W1=W2=60mm，W3=140mm，t1=t2=7.5mm，t3=4.4mm。试用二维梁单元BEAM3、三维梁单元BEAM4、BEAM188单元计

28、算在均布载荷作用下的转角、轴力和弯矩，其中BEAM188单元的截面采用常用截面法、自定义截面法分别计算。图2.2 组合门字架力学模型示意图二、GUI求解步骤(一)BEAM188常用截面法GUI求解步骤1定义工作文件名及工作标题(1)定义工作文件名：Utility MenuFileChange JobnameChange Jobname输入文件名BEAM188_1，框选YesOK。(2)定义工作标题：Utility MenuFileChange TitleChange Title输入BEAM188_1OK。2定义单元类型和材料属性(1)定义单元类型：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteAdd在左列表框中选择Beam，在右列表框中选择2 node 188OK。(2)设置材料属性：Main MenuPreprocessorMateria