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1、第5章 ANSYS静力分析实例中南大学5.1 结构静力学分析中用到的单元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、应变、应力和力。稳态外载荷包括稳 定的惯性力（如重力、旋转件所受的离心力）和能够等效为静 载荷的随时间变化的载荷。这种分析类型有很广泛的应用，如 确定确定结构应力集中程度，预测结构最大应力等。类别形状和特性单元类型1. 杆普通LINK1,LINK8双线性LINK102. 梁普通BEAM3,BEAM4截面渐变BEAM54,BEAM44塑性BEAM23,BEAM24考虑剪切变形BEAM188,BEAM189第5章 ANSYS静力分析实例中南大学类别形状
2、和特性单元类型 3. 管普通PIPE16，PIPE17，PIPE18 浸入PIPE59 塑性PIPE20，PIPE60 4. 二维实体三角形PLANE2 四边形PLANE42，PLANE82，PLANE182超弹性单元HYPER84，HYPER56，HYPER74 粘弹性VISCO88 大应变VISO106，VISO108 谐单元PLANE83，PLANE25 P单元PLANE145，PLANE146第5章 ANSYS静力分析实例中南大学类别形状和特性单元类型 5. 三维实体块SOLID45，SOLID95，SOLID73， SOLID185 四面体SOLID92，SOLID72 层SOLID
3、46 各向异性SOLID64，SOLID65 超弹性单元HYPER86，HYPER58，HYPER158 粘弹性VISO89 大应变VISO107 P单元SOLID147，SOLID148 6. 壳 四边形SHELL93，SHELL63，SHELL41， SHELL43，SHELL181 轴对称SHELL51，SHELL61层SHELL91，SHELL99 剪切板SHELL28 P单元SHELL150第5章 ANSYS静力分析实例中南大学类别 形状和特性单元类型 7. 接触单元面面TARGET169，TARGET170，SURF171，SURF172 ，SURF173 点面SURF174点点C
4、ONTAC48，CONTAC49刚性表面CONTAC12，CONTAC52，CONTAC26 8. 专业单元 弹簧COMBIN14，COMBIN39，COMBIN40质量MASS21控制单元COMBIN37表面效应单元SURF19，SURF22，SURF153，SURF154铰COMBIN7线性激发器LINK11矩阵MATRIX27，MATRIX50第5章 ANSYS静力分析实例中南大学类别 形状和特性单元类型9. 耦合场声学TARGET169，TARGET170， SURF171，SURF172，SURF173 压电 热应力SURF174 磁结构CONTAC48，CONTAC49 流体结构C
5、ONTAC12，CONTAC52， CONTAC26第5章 ANSYS静力分析实例中南大学5.2 结构静力学分析的类型静 力 分 析线性静力分析非线性静力分析非线性静力分析允许 有大变形、蠕变、应 力刚化、接触单元、 超弹性单元等。线性静力分析根据结构 特征和所受外载荷的形 式通常归结为如下几个 问题：平面问题、轴对 称问题、周期对称问题 、三维问题等。第5章 ANSYS静力分析实例中南大学5.2.1 平面问题平 面 问 题平面应变平面应力特点：物体沿某坐标轴（如Z轴）的尺寸远大于其它 两个坐标轴的尺寸；垂直于Z轴各截面的形状和尺寸 均相同；所有外力与Z轴垂直且不随Z坐标变化；物体 的约束条件
6、不随Z坐标而变化。在这种情况下，可以 认为物体沿Z轴方向各截面没有z向位移，而沿x和y向 的位移对各截面均相同（与z坐标无关），各截面内 将产生平面应变。任何机械零部件，一般说来都是空间结构。但是在某些条件 下，它们可以简化为平面问题来处理。平面问题包括平面应变问 题和平面应力问题两类。特点：物体沿某坐标轴（如Z轴）的尺寸远小于其它两 个坐标轴的尺寸；外力沿周边作用且与XY平面平行， 且体积力也垂直于z轴；由于物体在z方向厚度很小， 故外载的表面力和体积力都可看成是沿z向不变化的。 约束条件在XY平面内。在这种情况下，可以认为物体 沿Z轴方向无应力，所有应力都发生在XY平面内。第5章 ANSY
7、S静力分析实例中南大学 5.2.2 轴对称结构问题与周期对称结构问题轴对称结构问题周期对称结构问题特点：（1）结构为回转体（截面绕它的回转中心 轴旋转而形成）；（2）载荷关于轴心线对 称。ANSYS软件中提供了专门的分析方法对 这类问题进行求解，与普通方法相比可以节 约大量的人力和计算机资源，大大提高求解 问题的效率。特点：如果结构绕其轴旋转一个角度，结构（包 括材料常数）与旋转前完全相同，则将这种 结构称为周期对称结构（循环对称结构）。 符合这一条件的最小旋转角第5章 ANSYS静力分析实例中南大学5.3 杆系结构分析实例第5章 ANSYS静力分析实例中南大学问题描述：图5-1所示为一平面桁
8、架，长度L=0.1m，各杆横截 面面积均为A=1 10-4m2 ，力P=2000N，计算各杆 的轴向力Fa、轴向应力a。图5-1 平面桁架实例1 平面桁架分析第5章 ANSYS静力分析实例中南大学杆轴向力Fa/N轴向应力 a/MPa 10001001000100-1414.2-141.400-1414.2-141.4思考: 根据静力平衡条件，很容易计算出轴向力Fa、轴向 应力a，如表5-1所示。表5-1 各杆的轴向力和轴向应力第5章 ANSYS静力分析实例中南大学求解步骤： 创建单元类型 选择Structusral Beam类的2D elastic 3。 定义实常数 定义AREA=1E-4。
9、定义材料特性 输入Ex=2e11，PRXY=0.3。 创建节点 GUI ：Main MenuPreprocessorModelingCreate NodesIn Active cs第5章 ANSYS静力分析实例中南大学在NODE文本框中依次输入节点1、2、3、4的X、Y、Z坐标 节点1：0，0，0； 节点2：0.1，0，0； 节点3：0.2，0，0； 节点4：0.1，0.1，0； 显示节点号、单元号 GUI ：Utility MenuPlotCtrlsNumbering。 在弹出的“Plot Numbering Controls”对话框，将节点号和单元 号打开。 创建单元 GUI ：Main
10、MenuPreprocessorModelingCreateEle MentsAuto NumberedThru Nodes。 弹出拾取窗口，拾取节点1和2，单击拾取窗口的“Apply”按钮 ，于是在节点1和2之间创建了一个单元。重复以上过程，在 节点2和3、1和4、3和4间分别创建单元，建模图形如左图5-2 所示。第5章 ANSYS静力分析实例中南大学图5-2 桁架建模图第5章 ANSYS静力分析实例中南大学 施加约束 GUI ：Main Menu SolutionDefine LoadesApply StructuralDisplacementOn Node。 弹出拾取窗口，拾取节点1，单
11、击ok按钮，在弹出的对话框 列表中选择“UX、UY”，单击Apply按钮。再次弹出拾取窗口 ，拾取节点3，单击 ok按钮，在弹出的对话框列表中选择 “UY”，单击ok按钮，完成对模型的约束施加。 施加载荷 GUI ：Main Menu SolutionDefine LoadesApply StructuralForce/MomentOn Nodes。 弹出拾取窗口，拾取节点4，单击ok按钮，在对话框中选择 Lab为“FY”，在VALUE文本框中输入-2000，单击ok按钮。 求解 GUI ：Main Menu SolutionSolvCurrent LS。第5章 ANSYS静力分析实例中南大学
12、单击“Solution Current Load Step”对话框ok按钮。出现 “solution is done！”提示时，求解结束，即可查看求解结果 。结果显示： 定义单元列表 GUI ： Main MenuGeneral PostrocElement Table Define Table。 弹出“Element Table Data”对话框，单击Add按钮，在Lab文 本框中输入FA，在“Item,Comp”两个列表中分别选择“By sequn-ence num”、“SMISC”,在右侧列表下方文本框输入 SMISC，1，单击Apply按钮，于是定义了单元表FA，该单元 列表保存了各单
13、元的轴向力；在Lab文本框中输入SA，在 “Item,Comp”两个列表中分别选择“By sequnence num”、 “Ls”,在右侧列表下方文本框输入LS，1，单击ok按钮，于是 定义了单元表SA ，该单元列表保存了各单元的轴向应力。第5章 ANSYS静力分析实例中南大学 列表单元表数据 GUI ： Main MenuGeneral PostrocElement TableList Elem Table。 在弹出的对话框的列表中选择FA、 SA，单击ok按钮，即显示 出求解结果。与表5-1对照，二者完全一致。第5章 ANSYS静力分析实例中南大学5.4 梁结构分析实例第5章 ANSYS静
14、力分析实例中南大学实例1简支梁载荷工况组合实例图5-3 简支梁问题描述及解析解： 图5-3（a）所示为一圆截面简支梁，跨度L=1m，圆截面直径 D=30mm，作用在梁上的集中力为P=1000N,作用点距支座A 距a=0.2m，已知弹性模量E=2e11.第5章 ANSYS静力分析实例中南大学由材料力学知识可得： 梁截面的惯性距为最大挠度第5章 ANSYS静力分析实例中南大学思路分析:当进行线性分析时，简支梁的应力、应变和变形等于如图5-3（b ）、（c）所示两个简支梁的结果叠加。如图5-3（b)所示的简支梁结 构和载荷均对称于梁的中点O，故应力、应变和变形也对称于梁的中 点O，进行有限元分析时，
15、可简化为如图5-4(a)所示的模型。如图5- 3(c）所示的简支梁结构、载荷反对称，故应力、应变和变形也反对 称于梁的中点O，因此可简化为如图5-3（b）所示的模型。对如图5-4（b）、（c）所示的模型进行有限元分析，将结果分 别进行相加和相减，即可分别得到如图？所示的简支梁中点左、右 两半部分的结果。第5章 ANSYS静力分析实例中南大学图5-3 简支梁图5-4 简支梁的简化模型第5章 ANSYS静力分析实例中南大学 创建单元类型 选择Structusral Beam类的2D elastic 3 单元。 定义实常数 定义AREA=7.069e-4、IZZ=3.976e-8、HEIGHT=0.03。 定义材料特性 输入Ex=2e11（弹性模量），PRXY=0.3（泊松比）。 创建关键点 GUI： MainMenuPreprocessorModelingCreatKeypoints In Active cs。 在弹出对话框的NPT文本框中输入1，在“X、Y、Z”文本框中 分 别输入0，0，0.单击Apply按钮；在NPT文本框中输入2，“X 、 Y、Z”文本框中分别输入0.5，0，0.单击ok按钮.求解步骤：第5章 ANSYS静力分析实例中南大学 显示关键点号 GUI：Utility
