ANSYS有限元分析第09讲加载和求解

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1、加载加载 & 求解求解第第 9 讲讲INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解概述概述迄今为止迄今为止, 我们已经知道了如何施加以下类型的荷载我们已经知道了如何施加以下类型的荷载:位移位移 (DOF 约束约束)压力和对流荷载压力和对流荷载 (表面荷载表面荷载)重力重力(惯性荷载惯性荷载)“结构结构” 温度温度 (体荷载体荷载)这些荷载占了五种荷载类型中的这些荷载占了五种荷载类型中的4种。在这一章中，我们将讲述剩种。在这一章中，我们将讲述剩下的一种荷载下的一种荷载 集中荷载集中

2、荷载, 比如应力分析中的结点荷载。比如应力分析中的结点荷载。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解概述概述在这一章中我们将就以下问题进行讨论在这一章中我们将就以下问题进行讨论:A. 集中荷载集中荷载B. 结点坐标结点坐标C. 求解器求解器D. 多重荷载步多重荷载步E. 练习练习INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解A. 力荷载力荷载一个力就是可以在一

3、个节点或关键点处一个力就是可以在一个节点或关键点处施加的集中荷载施加的集中荷载(也可以叫也可以叫 “点荷载点荷载”) 和力一样，点荷载适合于线状模型，如和力一样，点荷载适合于线状模型，如梁，桁架，弹簧等。梁，桁架，弹簧等。在实体单元或壳单元中在实体单元或壳单元中, 点荷载往往引起点荷载往往引起应力异常，但当您忽略了附近的应力时，应力异常，但当您忽略了附近的应力时，它仍然是可接受的。记住，您可以通过它仍然是可接受的。记住，您可以通过选择来忽略附近施加了点荷载的单元。选择来忽略附近施加了点荷载的单元。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO

4、 ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.力荷载力荷载在左下角展示的二维实体单元中，我们注意到在加力位置出现最大在左下角展示的二维实体单元中，我们注意到在加力位置出现最大应力应力 SMAX (23,854)。当在力附近的结点和单元不被选中时，当在力附近的结点和单元不被选中时，SMAX (12,755) 就会移到底就会移到底部角点处，这是由于在该角点处约束引起的另一处应力异常。部角点处，这是由于在该角点处约束引起的另一处应力异常。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载

5、加载 & 求解求解.力荷载力荷载通过不选底部角点附近的结点和单元，您就可以在上孔附近得到预通过不选底部角点附近的结点和单元，您就可以在上孔附近得到预期的应力期的应力 SMAX (8,098)。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.力荷载力荷载注意，对于轴对称模型注意，对于轴对称模型:在全部在全部 360范围内输入力的值。范围内输入力的值。同样在全部同样在全部 360范围内输出力的值范围内输出力的值 (反力反力)。例如例如, 设想一个半径为设想一个半径为r的圆柱形壳体边缘

6、施加有的圆柱形壳体边缘施加有 P lb/in 的荷载。把这个的荷载。把这个荷载施加在二维轴对称壳体模形上荷载施加在二维轴对称壳体模形上(比如比如SHELL51单元单元), 您就要施加一您就要施加一 2p prP的力。的力。rP lb/in2prP lbINTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.力荷载力荷载施加一个力需要有以下信息施加一个力需要有以下信息:结点号结点号(您可以通过选取确定您可以通过选取确定)力的大小力的大小 (单位应与您正在使用的单位系统保持一致单位应与您正在

7、使用的单位系统保持一致)力的方向力的方向 FX, FY, 或或 FZ使用使用:Solution -Loads- Apply Force/Moment或命令或命令 FK 或或 F问题问题: 在哪一个坐标系中在哪一个坐标系中 FX, FY, 和和FZ 有说明？有说明？INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解B.结点坐标系结点坐标系所有的力，位移，和其它与方向有关的结点量都可以在结点坐标中所有的力，位移，和其它与方向有关的结点量都可以在结点坐标中说明。说明。输入量输入量:力和力矩

8、力和力矩 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ位移约束位移约束 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ耦合和约束方程耦合和约束方程其它其它输出量输出量:计算出的位移计算出的位移 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ反力反力 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ其它其它INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.结点坐标系结点坐标系结点坐标系和模型中的每个结点有关。结点坐标系和模型中的每个结点有关。缺省时缺省时, 结点坐标系

9、与总体笛卡尔坐标系一致，例如，所有施加的结点坐标系与总体笛卡尔坐标系一致，例如，所有施加的力和位移约束缺省时都是在笛卡尔坐标中。力和位移约束缺省时都是在笛卡尔坐标中。XYXnYnXnYnXnYnXnYnINTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.结点坐标系结点坐标系必要时，您可以转换结点坐标必要时，您可以转换结点坐标的方向。的方向。例如例如:模拟一个斜的滚动支座。模拟一个斜的滚动支座。施加径向力施加径向力.施加径向约束施加径向约束 (比如模拟一个比如模拟一个承受压力的刚性销承

10、受压力的刚性销)。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.结点坐标系结点坐标系旋转结点坐标分为四步旋转结点坐标分为四步:1. 选择需要旋转的结点。选择需要旋转的结点。2. 激活您要旋转的结点所在的坐标系激活您要旋转的结点所在的坐标系(或者生成一个局部坐或者生成一个局部坐标系标系)例如：例如：CSYS,1。3. 选择选择 Preprocessor Move/Modify -Rotate Node CS- To Active CS, 然后在拾取器中按然后在拾取器中按 Pick

11、 All 或者使用或者使用NROTAT,ALL命令。4. 激活所有结点。激活所有结点。注意注意: 当您在非对称边界条件下施加对称约束时，当您在非对称边界条件下施加对称约束时，ANSYS 自动旋转边界上的所有结点。自动旋转边界上的所有结点。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.结点坐标系结点坐标系演示演示:恢复恢复 文件。文件。把工作平面移至底圆圆心处把工作平面移至底圆圆心处 (使用关键点的中间位置使用关键点的中间位置)。在工作平面上激活柱坐标系（或建立一个局部坐标系）。

12、在工作平面上激活柱坐标系（或建立一个局部坐标系）。选择半径在选择半径在 r = 0.35 上的点并画出它们。上的点并画出它们。在当前激活的坐标系中旋转所有被选择结点的坐标系。在当前激活的坐标系中旋转所有被选择结点的坐标系。在所有选择的结点上施加一个在所有选择的结点上施加一个 UX 位移约束位移约束 (或者施加一个或者施加一个 FX 的力的力)。注意极注意极径方向。径方向。激活笛卡尔坐标激活笛卡尔坐标系系(CSYS,0).在当前激活的坐标系中旋转所有选择结点的坐标系。在当前激活的坐标系中旋转所有选择结点的坐标系。重新画出结点，注意新荷载的方向。重新画出结点，注意新荷载的方向。INTRODUCTI

13、ON TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解C. 求解器求解器求解器的功能是求解代表结构自由度个数的线性联立方程。求解器的功能是求解代表结构自由度个数的线性联立方程。求解的速度主要取决于模型的大小和您的计算机的速度，所用时间求解的速度主要取决于模型的大小和您的计算机的速度，所用时间可以是几秒，也可以是几小时。可以是几秒，也可以是几小时。只有一个荷载步的线性静态分析只需一次求解，而非线性或瞬态分只有一个荷载步的线性静态分析只需一次求解，而非线性或瞬态分析可能需要几十个，几百个甚至几千次求解。析可能需

14、要几十个，几百个甚至几千次求解。因此，选择求解器的类型是很重要的。因此，选择求解器的类型是很重要的。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.求解器求解器ANSYS 中可用的求解器可以分为三类中可用的求解器可以分为三类:直接消元直接消元 求解器求解器波前求解器波前求解器稀疏求解器稀疏求解器 (缺省缺省)迭代迭代求解器求解器PCG (预制条件共轭梯度求解器预制条件共轭梯度求解器)ICCG (不完全不完全 Cholesky 共轭梯度求解器共轭梯度求解器)JCG (Jacobi共

15、轭梯度求解器共轭梯度求解器)并行并行求解器求解器 (special license required)AMG (代数多极运算求解器代数多极运算求解器)DDS (分布域求解器分布域求解器)INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.求解器求解器直接消元直接消元 求解器求解以下内容求解器求解以下内容:1. 计算计算单元刚度矩阵。单元刚度矩阵。2. 读取第一个单元的自由度。读取第一个单元的自由度。3. 删除所有已知自由度或通过其它自由度可以删除所有已知自由度或通过其它自由度可以表示

16、的自由度表示的自由度, 然后把方程写入然后把方程写入 .tri 文件。文件。保留的自由度组成波阵面。保留的自由度组成波阵面。4. 对所有单元重复对所有单元重复2，3步骤直到所有的自由度步骤直到所有的自由度都被消元。现在的都被消元。现在的 .tri 就包含了一个三角化就包含了一个三角化的矩阵。的矩阵。5. 回代求解自由度回代求解自由度,然后使用单元矩阵计算单元然后使用单元矩阵计算单元解。解。计算单元矩阵计算单元矩阵组集并三角化总体矩阵组集并三角化总体矩阵回代求解回代求解.ematfile.trifileresultsfileINTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1IN

17、TRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.求解器求解器由于自由度仍不能被排除，所以波阵面是对角化过程中保留在求解由于自由度仍不能被排除，所以波阵面是对角化过程中保留在求解器中的自由度数。它随着求解的进行增大或缩小，当最后自由度消器中的自由度数。它随着求解的进行增大或缩小，当最后自由度消元完成后，波阵面变为零。元完成后，波阵面变为零。波阵面直接影响到计算的速度：值越大，速度越慢。波阵面直接影响到计算的速度：值越大，速度越慢。重新排列单元重新排列单元 为求解器选择一个合适的单元编号顺序为求解器选择一个合适的单元编号顺序 可以减可以减小波阵面。小波阵

18、面。 ANSYS 在一开始就自动对单元重新编号。在一开始就自动对单元重新编号。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.求解器求解器迭代迭代 求解器通过以下步骤求解求解器通过以下步骤求解:1. 计算单元刚度矩阵。计算单元刚度矩阵。2. 组组集总体刚度矩阵。集总体刚度矩阵。3. 开始时把所有自由度的值设为零，然后一直开始时把所有自由度的值设为零，然后一直迭代到收敛迭代到收敛(基于输入的残余力的容许值基于输入的残余力的容许值)。4. 用单元刚度矩阵计算单元解。用单元刚度矩阵计算

19、单元解。在在 ANSYS 中迭代求解器和中迭代求解器和 PCG, JCG, ICCG 的主要区别是所使用的预制控制不同。的主要区别是所使用的预制控制不同。计算单元矩阵计算单元矩阵组集总体矩阵组集总体矩阵迭代求解迭代求解.emat文件文件.full文件文件结果结果文件文件INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.求解器求解器INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 &

20、求解求解.求解器求解器并行求解器并行求解器 (需特殊许可需特殊许可)AMG (代数多极运算求解器代数多极运算求解器)迭代求解器可以在单处理器或多处理器环境下使用。迭代求解器可以在单处理器或多处理器环境下使用。DDS (分布域求解器分布域求解器)把大模型分解为小的域，然后把这些小的域送到多处理器中处把大模型分解为小的域，然后把这些小的域送到多处理器中处理。理。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解.求解器求解器选择求解器选择求解器:Solution -Analysis Ty

21、pe- Soln Control, 然后选择然后选择 Soln Options 标号标号或者使用或者使用 EQSLV 命令命令缺省是缺省是“程序选择程序选择” 求解器求解器 eqslv,-1, 它常常是稀疏矩阵直接求解它常常是稀疏矩阵直接求解器。器。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解D. 多荷载步求解多荷载步求解到现在为止到现在为止, 我们已经学会了如何在一组荷载条件下求解，例如，我们已经学会了如何在一组荷载条件下求解，例如，单荷载步求解。单荷载步求解。输入或生成模型

22、输入或生成模型网格化网格化施加荷载施加荷载求解求解 (单荷载步单荷载步)观察结果观察结果INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解多荷载步求解多荷载步求解如果您是在多组荷载条件下求解，可以选择如果您是在多组荷载条件下求解，可以选择下面两种方法中的一种下面两种方法中的一种:把所有荷载放在一起求解把所有荷载放在一起求解或者分别施加荷载作为多组荷载求解。或者分别施加荷载作为多组荷载求解。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION T

23、O ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解 多荷载步求解多荷载步求解单荷载步单荷载步 可以被定义为能够得到一个确定解的一组载荷条件可以被定义为能够得到一个确定解的一组载荷条件。应用多载荷步可以应用多载荷步可以:独立地求出结构对于任一载荷条件的响应。独立地求出结构对于任一载荷条件的响应。在后处理过程中，以任意的方式对这些响应进行组合在后处理过程中，以任意的方式对这些响应进行组合 (这被称作荷载工这被称作荷载工况组合，这种操作仅对现行分析有效况组合，这种操作仅对现行分析有效)有两种方式定义和求解多载荷步问题有两种方式定义和求解多载荷步问题:多重载荷求解法多重载荷求解法载荷步

24、文件法载荷步文件法INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解多重荷载求解步骤多重荷载求解步骤多重载荷求解法多重载荷求解法这是单载荷步求解的一种扩展，不用退这是单载荷步求解的一种扩展，不用退出求解处理器即可顺序求解每一个单一出求解处理器即可顺序求解每一个单一载荷步。载荷步。最适合于批处理方式最适合于批处理方式。当应用界面模式时，该方式仅对可以快当应用界面模式时，该方式仅对可以快速求解的模型是有用的速求解的模型是有用的。输入或生成模型输入或生成模型划分网格划分网格加载加载求解求解

25、 (load step 1)施加不同的载荷施加不同的载荷求解求解 (load step 2)施加不同的载荷施加不同的载荷求解求解 (load step 3)Etc.观察结果观察结果INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解多重荷载求解步骤多重荷载求解步骤载荷步文件法载荷步文件法在这种方法中，用将载荷步信息写入文件在这种方法中，用将载荷步信息写入文件（载荷步文件）的方法代替求解各个不同（载荷步文件）的方法代替求解各个不同的载荷步的载荷步:Solution -Load Step

26、Opts- Write LS FileOr use LSWRITE command.载荷步文件的命名为载荷步文件的命名为 jobname.s01, .s02, .s03, etc.在写好所有的载荷步文件后，可以应用一在写好所有的载荷步文件后，可以应用一个命令个命令 LSSOLVE or Solution -Solve- From LS Files 依次读进各个文依次读进各个文件并进行求解件并进行求解。输入或创建模型输入或创建模型划分网格划分网格施加载荷施加载荷写载荷步文件写载荷步文件 (.s01)施加其他载荷施加其他载荷写载荷步文件写载荷步文件(.s02)施加其他载荷施加其他载荷写载荷步文件写

27、载荷步文件(.s03)Etc.应用载荷步文件求解应用载荷步文件求解。查看结果查看结果INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解多重荷载求解步骤多重荷载求解步骤载荷步法的优点是可以首先施加所有的载荷步，然后当离开计算机载荷步法的优点是可以首先施加所有的载荷步，然后当离开计算机时再进行求解。时再进行求解。注意注意: 即使将载荷施加到实体模型，在载荷步中的加载命令也总是即使将载荷施加到实体模型，在载荷步中的加载命令也总是将载荷施加到节点或单元。将载荷施加到节点或单元。INTRODU

28、CTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解多重荷载求解步骤多重荷载求解步骤在以上两种方法中在以上两种方法中:施加到载荷步中的载荷在被删除以前将一直存在数据库施加到载荷步中的载荷在被删除以前将一直存在数据库中，因此要删除当前载荷步所不需要的所有载荷。中，因此要删除当前载荷步所不需要的所有载荷。每一个载荷步的结果都被追加到结果文件中，并以每一个载荷步的结果都被追加到结果文件中，并以load step 1, load step 2, etc 作为区别。作为区别。在后处理中，首先要读入所需的载荷步

29、结果，然后进行在后处理中，首先要读入所需的载荷步结果，然后进行操作操作。数据库中包含求解的最后一个载荷步的载荷和结果数据库中包含求解的最后一个载荷步的载荷和结果。INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解多重荷载求解步骤多重荷载求解步骤演示演示:恢复恢复 rib.db 文件文件Fix left line in UX and bottom line in UYApply pressure = 100 on top lineWrite LS file 1, then list i

30、t and show F.E. load commandsApply pressure = 50 to 100 (tapered) on right lineDelete the top pressure loadWrite LS file 2LSSOLVE,1,2Review results for each load step separatelyINTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1讲义加载加载 & 求解求解E. 练习练习这个练习分为三部分这个练习分为三部分:W11A. 3-D BracketW11B. Connecting RodW11C. Wheel查看您的练习附录获得指导。查看您的练习附录获得指导。