弹性力学及有限元法ansys实例演示

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1、弹性力学及有限元法 ANSYS实例演示 图1 用户界面 ANSYS界面介绍 在启动ANSYS后，就可以打开如图1所示的图形 用户界面(GUI)。 (1) 应用菜单：包括一些在整个分析过程中都有可能用 到的一些命令，比如文件类命令、选取类命令以及图 形控制和一些参数设置等。 (2) 标准工具栏：包括一些常用的命令按钮，这些按钮 对应的命令都可以在应用菜单中找到对应的菜单项 ANSYS界面介绍 (3) 命令输入窗口：通过这个窗口，可以直接输入 ANSYS支持的命令，以前所有输入过的命令以下拉列 表的形式便于再次输入。 (4) 快捷菜单：允许用户自定义一些按钮来执行一些 ANSYS命令或者函数。 (

2、5) 主菜单：包括一些基本的ANSYS命令，以处理器的 类型来组织(预处理器、求解器等)，具体的命令是否 可用，与ANSYS当前所处的处理器位置有关。 ANSYS界面介绍 (6) 图形窗口：是ANSYS的图形输出区域，一般的交互 式图形操作也在此区域进行。 (7) 状态栏：显示当前操作的有关提示。 (8) 输出窗口：如图2所示。输出窗口接受ANSYS软件运 行时所有的文本输出，比如命令的响应、注释、警告 、错误以及其他的各种信息。一般情况下，这个窗口 隐藏在主窗口后面。 ANSYS界面介绍 图2 信息输出窗口 ANSYS界面介绍 ANSYS参数化设计语言(APDL)是一门可用来自动完 成有限元

3、常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模 型的脚本语言，用建立职能化分析的手段为用户提供自动 完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据制定的 函数、变量以及选用的分析类型来做决定，是完成优化设 计和自适应网格的最主要的基础。APDL允许复杂的数据 输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权，如 分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件施加的位 置和网格的密度等。APDL扩展了传统有限元分析的范围 ，并扩展了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数化建 模、设计修改和设计优化等 。 APDL简介 APDL具有下列功能 标量参数 数组参数 表达式和函数 分支和循环 重复功能和缩写 宏 用户

4、程序 APDL简介 ANSYS软件中结构静力分析用来分析由于稳态 外载荷引起的系统或部件的位移、应力、应变和力、 静力问题。适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对 结构响应的影响并不显著的问题。静力分析能够分析 稳定的惯性力(如重力和旋转件所受的离心力)和能够 被等效为静载荷的随时间变化的载荷作用下结构响应 的问题。这种分析类型有很广泛的应用，如确定结构 倒角处的应力集中程度，或预测结构中由温度引起的 应力。 静力学分析 通常动力分析的工作主要有系统的动力特性分析 (即求结构的固有频率和振型)，和系统在受到一定载 荷时的动力响应分析两部分构成。根据系统的特性可 分为线性动力学分析和非线性动力学分

5、析两类。根据 载荷随时间变化的关系可以分为稳态动力学分析和瞬 态动力学分析。 动力学分析 动力学分析 1. 模态分析 模态分析用语确定设计机构或机器部件的振动特性 (固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是 承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作 为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态分析、谐响应 分析和谱分析。其中模态分析也是进行谱分析或模态叠 加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必须的前期分析过 程。 任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周 期响应(谐响应)。谐响应分析是用于确定线性结构在承 受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的一 种技术。分析的目的是计算出结

6、构在几种频率下的响应 并得到一些响应值(通常是位移)对频率的曲线。从这些 曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对 应的应力。该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考 虑发生在激励开始时的瞬态振动。 2. 谐响应分析 动力学分析 瞬态动力学分析(也称时间历程分析)是用于确定 承受任意的随时间变化载荷的结构的动力学响应的一 种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷、 瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化 的位移、应变、应力和力。载荷和时间相关性使得惯 性力和阻尼力作用比较重要。如果惯性力和阻尼作用 不重要，就可以用静力学分析代替瞬态动力分析。 3. 瞬态分析 动力学分析 下

7、面用个例子来简单介绍一下动力学分析和静力学分析 。 图3 中速轴图4 中速轴受力图 实例 上图为二级减速器中速轴，如图3和图4所示，具体参数 如下： 转速： 外载：小齿轮： 大齿轮： 齿数：小齿轮：n1=24，大齿轮：n2=96 实例 模型的导入 实例静力学分析 静力学分析 为了方便建模，我们一般在CAE软件进行 一些复杂的建模。这里使用solidworks软件进 行建模辅助。我们先在solidworks里建立齿轮 -轴系统的平面图，并储存为中间格式 parasolid(x_t)。然后将平面导入到ANSYS里 ：File-Import。在Import里我们能看到6中可 以导入到ANSYS里的文

8、件类型，我们这里选 择PARA(如图1.1)。 图1.1 点开PARA就会出现如图1.2 所示的对话框。在右边的对话 框里选择文件所在位置，左边 对话框显示所选文件里的x_t文 件。 这里要注意一下，由于我 们要导入ANSYS里是面，所以 在右下方的Geomelty Type选项 要选择Surface Only或者All Entities。导入之后如图1.3所示 。 图1.2 图 1.3 导入之后的面 实例静力学分析 l 定义单元 定义单元和材料属性 在前处理模块 (Preprocessor)里，选 择Element Type Add/edit/delete，如图 2.1所示 实例静力学分析

9、图2.1 之后会弹出如图2.2所示的对话框。根据我们的实 际需要来选择单元，这里我们选择plan42面单元和 solid186体单元，如图2.3所示。 图2.2 图2.3 实例静力学分析 l 定义材料属性 材料我们在前处理模块 里的Material PropsMaterial Models中设置，如图2.4 。 图2.4 实例静力学分析 点开之后，会看到如图2.5所示的对话框，左侧是以定 义的材料，右侧是具体需要定义的材料属性。这里我们需 要定义的弹性模量，泊松比以及密度。然后关闭对话框。 图2.5 实例静力学分析 用前处理模块中 meshing模块来划分 网格。在meshing模 块里，我们

10、使用划 分工具栏(meshtool) 来进行划分，如图 3.1。 划分单元 图3.1 实例静力学分析 首先我们要确定要使用 单元，先选择图3.1中所 示选项，会弹出如图3.2所 示的对话框。在第一个选 项单元类型编号中，我们 可以看到，之前定义的两 个单元plan42和solid186都 在里面，由于我们现在要 划分的是面，所以选择面 单元plan42。 图3.2 实例静力学分析 由于我们要确定在齿轮中心 要有节点，方便以后加载力，所 以，我们要人为的把齿轮部分特 殊等份，要对线进行划分。首先 选择图3.1中所示选项，会让 你选择你想要划分的线，如图 3.3所示。然后我们选择图1.1中 的线段

11、1，点击OK。 图3.3 实例静力学分析 会弹出图3.4所示对话 框，在划分单元数中，输 入你想划分的单元数，这 里我们选择把线段1分成4 份，点击OK。对线段2进 行同样的处理，这里我们 把线段2分成2份，最后得 到图3.5。 图3.5 图3.4 实例静力学分析 接下来我们对整个面 进行划分网格。我们这里 选择默认的自由划分，点 击Mesh，会提示你让你选 择想要划分的面(图3.6)， 点击这个面或者选pick all 。 图3.6 实例静力学分析 之后我们会会得 到如图3.7所示的网 格图。我们可以看到 由于我们之前对线段 1和线段2进行了人为 的划分，所以，线段 1和线段2分别是4个 单

12、元和2个单元(画红 图3.7 实例静力学分析 圈的部分)。 我们可以看到，由 于是自由划分，所以 网格 的质量比较差，单元大小 不一。为了改善网格质量 ，提高计算精度，我们可 以把单元划分的细致一 图3.8 实例静力学分析 点。选择MeshTool上方的 Smart Size，图3.8。可拖动滑块来改变网格划分的细 致程度，数字越小，网格越密。 这里我们选择等 级4，然后点Mesh， 得到图3.9。我们可以 看到，图3.9的网格质 量就要比图3.7好很多 。 图3.9 实例静力学分析 最后，我们通过旋转的方 式来生成轴。选择前处理模块 中的ModalingOperate Extrude，再选E

13、lem Ext Opts， 就会弹出如图3.10所示的对话 框。这里，我们要把单元类型 选成实体单元solid186。在对 话框下面有个单元划分数量的 对话框，至少要写1，这里我 们划分4份。点击OK。 图3.10 实例静力学分析 在Areas下拉菜单中选 择About Axis，如图3.11。 然后选择需要旋转的面，点 OK。再选择旋转轴上的两 点，如图3.9红圈所示，点 OK。会弹出如图3.12所示 对话框，在下面一栏里，填 上一周所分体数量，这里把 体一周分成4份，然后点OK ，得到图3.13。 图3.11 图3.12 实例静力学分析 显示单元。在使用菜单中，选plotelement(图

14、3.15)， 就能显出如图3.14所示的模型了。 图3.13 图3.14 实例静力学分析 确定分析类型 在主菜单中选择求解模块solution，然后 选择Analysis TypeNew Analysis命令，出现New Analysis对话框。选择分析类型为Static(静力分析)，如图 4.1所示。单击OK关闭该对话框。 图4.1 加载求解 实例静力学分析 加约束 选择求解模块里的Define LoadsApplyStructural DisplacementOn Areas如图4.2。然后选择图3.15中1轴和2轴的表面 ，单击OK。弹出如图4.3所示的对话框，选择需要约束的自由度。 图

15、4.2 图4.3 实例静力学分析 加外部激励 选择求解模块里的Define LoadsApplyStructural Force/MomentOn Nodes，如图4.4。然后选择大小齿轮外圆中点， 如图3.15中所示，点击OK。会弹出图4.5中的对话框。 图4.4 图4.5 实例静力学分析 选择载荷所沿坐标轴的方向，然后在下方输入载荷的 大小。这里，载荷的正负号表示沿某一坐标轴正方向和负 方向。单击OK完成加载，加载之后如图4.6所示。 图4.6 实例静力学分析 求解 选择SolutionSolve，点击OK，开始求解运算，如 图4.6。 图4.6 实例静力学分析 在主菜单中选择Genera

16、l PostprocPlot ResultContour Plot Nodal，弹出如图5.2所示的对话框，然后选择Nodal Solution查看不 同结果。 查看求解结果 图5.1 图5.2 实例静力学分析 位移变形图 X方向位移 Y方向位移 Z方向位移 整体位移 实例静力学分析 实例静力学分析 受力图 X方向受力 Y方向受力 Z方向受力 整体受力 Mises应力图 由于实体建模单元数多，计算慢，效率低，所以 ，这种轴对称模型我们一般用梁单元(beam)和壳单元 (shell)来模拟。这种简化单元具有精度高，运算速度 快，效率高的优点。 下面我们先简单介绍一下Beam188单元 实例动力学分析 动力学分析 单元的选择 Beam188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是三位线性或者二次梁单元。每个节点 有六个或者七个自由度。这个单元非常适合