ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践 第6章 静力学分析

6.4 线性静力学分析实例——壳单元分析实例
• 壳单元是有限元分析经常需要使用的单元类型，本例将通过壳单元 对管道结构进行静力学分析，使读者掌握壳单元的使用方法，同时 与实体结构分析结果进行对比，查看两种单元分析结果的误差，使 读者对壳单元的使用有更加全面的认识。
6.4.1 问题描述
• 图6-32所示为管道连接结构，纵向小管道受到50kN的外力作用， 横向大管道两端约束，现采用壳单元对整个结构进行仿真校核。
2．几何特征删减
• 完成无关结构的删减之后，由于几何模型中存在诸多螺栓孔、定位孔，如左图 所示，这些螺栓孔、定位孔对分析结果也不产生直接影响，且不是分析中关注 的内容，所以要再次对模型进行特征删减，去除支架及横梁结构中存在的螺栓 孔、定位孔，最终得到可以用于分析的模型，如右图所示。
3．导入几何模型
6.4.3 材料属性设置
• 本例中采用Structure Steel材料，各项参数设置按照图所示进行设置，其他按 照软件默认即可，然后通过Model中Geometry下的Assignment将材料赋予几何 模型。
6.4.4 网格划分
• 采用六面体主体网格划分方法，右键单击Mesh，插入Method，采用自动划分 方法；同时单击鼠标右键，插入Sizing，设置所有薄板单元尺寸为8mm，生 成网格，结果如图所示。
• 下面通过实体模型的计算，来与壳单元计算结构进行对比。操作步骤如下。 • （1）导入实体几何模型进行网格划分，采用六面体主体网格划分技术，网格
大小设置为10mm，划分结果。 • （2）同壳单元边界及载荷设置一致，固定大管道两端，同时在-x方向施加
50kN载荷，结果。 • （3）模型求解。
6.5 本章小结
• 本章通过移动龙门架和外伸梁结构的静力分析实例，详细介绍了在WB 19.0中 进行静力学分析的基本思路和步骤，在第一个实例中介绍如何通过Imprint Faces施加载荷，第二个实例中详细介绍了如何创建和使用梁单元进行静力分 析，通过每一步详细操作，确保读者对静力分析能有清晰全面的认识和掌握， 最后通过实体单元和壳单元的对比分析，为读者提供使用两种不同类型单元处 理问题的方法。
6.4.2 几何建模
• 创建静力学分析项目，然后进入DM编辑窗口导入几何模型。下面针对模型创 建薄板结构，操作如下：依次选择菜单栏中的ToolsMid-Surface，对几何模 型进行中面抽取。在弹出的窗口中分别选择管道内外表面，同时将Selection Method设置为Automatic，然后单击Generate生成薄板结构模型，最终生成 的分析模型。
• 本例将通过支架的静力学分析，帮助读者掌握基本的模型简化和求解设置方法， 通过详细操作步骤了解静力学分析的一般思路。
6.2.1 问题描述
• 移动龙门支架是工厂车间常用的自动化装卸设备，其常见结构如图所示。 • 根据基本的材料力学知识可知，当移动升降机运动至横梁中间偏右位置时，整
个机构的变形将最大，所以只需要计算在中间位置时刻支架的受力及变形，就 可以初步判断移动升降机的整个过程中处于任意位置是否满足设计要求。
6.3 线性静力学分析实例——口型梁静力分析
• 本例以常见材料力学问题为对象，介绍如何使用梁单元在WB 19.0中实现对静 力学问题的求解，通过实例对梁单元的建模、网格划分以及边界设置进行详细 讲解，为读者对梁单元的使用提供指导。
6.3.1 问题描述
• 梁结构是静力学分析中经常遇到的一类问题，本例通过图6-17所示 的外伸梁结构详细介绍在WB 19.0中如何进行梁结构问题的建模及 单元使用，材料属性与WB 19.0中Structure Steel默认一致。
6.3.4 网格划分
• 在Mesh中创建网格单元，具体操作如下。 • （1）插入Body Sizing，设置单元大小为50mm。 • （2）插入单元生成方法，软件默认使用Automatic进行网格划分。
6.3.5 载荷及约束设置
• 载荷的创建及约束设置步骤如下。 • （1）创建载荷。 • （2）边界约束施加。
材料，定义密度、弹性模量和泊松比三种属性，分别输入ρ=7.86e9tonne/mm3，Ε=2.12e5MPa、μ=0.288。 • （3）完成材料定义后添加到分析模型中即可。
6.2.4 网格划分
• 进入Mesh划分步骤，插入Body Size，选择所有实体，然后在Element Size中 输入网格尺寸为25mm。同时插入网格划分方法Method，选择四面体网格 Tetrahedrons划分，设置完成之后单击Mesh选择Generate Mesh生成网格， 如图所示。
65本章小结?本章通过移动龙门架和外伸梁结构的静力分析实例详细介绍了在wb190中进行静力学分析的基本思路和步骤在第一个实例中介绍如何通过imprintfaces施加载荷第二个实例中详细介绍了如何创建和使用梁单元进行静力分析通过每一步详细操作确保读者对静力分析能有清晰全面的认识和掌握最后通过实体单元和壳单元的对比分析为读者提供使用两种不同类型单元处理问题的方法
6.3.6 模型求解
• 设置求解结果输出参数，分别插入Total Deformation及Directional ShearMoment Diagram (VY-MZ-UY)，由于剪切-弯矩图的设置需要定义路径Path， 所以在提交计算之前先创建所有曲线的路径。
6.3.7 结果后处理
• 计算完成之后可以得到整个梁结构的变形情况，如图6-29所示的变 形云图。
3．固定载荷
• 线性静力学问题中假设载荷和约束并不随时间发生变化，载荷的加载过程是一 个非常均匀缓慢的过程。
• 只有满足上述3个基本假设才属于我们常见的线性静力学问题，线性静力学比 较关注系统的支反力、变形和应力大小。下面我们将通过具体实例对线性静力 学问题的具体操作和分析进行详细介绍。
6.2 线性静力学分析实例——支架静力分析
第六章
静力学分析
6.1 基本理论介绍
• 力学主要用于分析固定载荷作用下的结构响应，不考虑系统的惯性及阻尼， 其中线性静力学是静力学中最基础的一类问题。
1．小变形
• 在线性静力分析中，系统发生的变形相对于系统整体尺寸非常小，变形并不显 著影响整个系统的刚度。
2．线性材料
• 线性静力学问题考虑的是材料在弹性变形阶段的行为，即满足应力与应变呈正 比关系。
6.3.2 分析模型建模
• 分析模型的几何建模直接在DM中完成，具体操作如下。 • （1）创建直线体。 • （2）创建梁截面。 • （3）槽型截面赋予直线体。
6.3.3 材料属性设置
• 双击进入Model设置界面，由于模型材质默认为Structure Steel，所以无须进 一步创建材料属性。在树形窗口中选择Line Body，可以看到弹出的详细设置 窗口中，软件默认将Structure Steel赋予几何体。
6.2.2 分析模型建模
• 本模型已通过三维建模软件完成建模，因此只需通过WB 19.0的外部几何模型 导入功能完成几何建模。但是单纯导入模型并不能直接进行分析，所以需要对 模型进行事先预处理，完成几何设计模型到有限元分析模型的建模。具体建模 思路如下。
1．删减无关结构
• 将移动龙门支架的附件、螺栓、升降驱动机等与分析无关的结构直接删除，删 除之后，模型进一步简化为图所示。
• 利用第3章讲述的外部几何模型导入操作，设置单位为mm，将两根立柱及一 根横梁几何模型导入DM中，导入之后的结果如图所示。
4．载荷加载区域预处理
• 由于移动升降机的安装宽度为0.3m，所以需要在横梁中部位置截取该部分宽 度的加载区域，可以使用Imprint Faces完成载荷面的获取。如图所示，在横 梁上表面建立矩形草图，然后进行拉伸操作，将Operation设置为Imprint Faces，单击Generate完成载荷面的烙印操作。
• 更多的静力学分析求解方法和实例，感兴趣的读者可以参考WB 19.0帮助文档 进行学习，本章不再做过多介绍。
6.2.3 材料属性设置
• 本例静力分析涉及的材料属性有材料弹性模量、泊松比，选用材料为Q235， 查阅材料手册可知Q235的弹性模量Ε=2.12e5MPa、泊松比μ=0.288、密度 ρ=7.86e3kg/m3，具体设置步骤如下。
• （1）双击Engineering Data进入材料属性设置界面。 • （2）单击Engineering Data Sources窗口，在General Materials中创建Q235
6.4.7 结果后处理
• 计算结束之后查看结果，其变形云图如图6-40所示，应力云图如图上所示， 从图中可以得到最大变形为0.2157mm，最大应力值约为176MPa。查看求解 信息Solution Information，可以看到本实例中所用单元为SHELL181，如图 下所示。
6.4.8 实体模型计算结果对比
6.2.5 载荷及约束设置
• 根据工况描述可知，载荷大小为30kg（G=294N）的重物，装置立柱固定，具 体操作如下。
• （1）施加外载荷。 • （2）施加重力。 • （3）边界约束加载。
6.2.6 模型求解
• 设定求解结果，提交计算机计算
6.2.7 结果后处理
• 进入后处理模块，选择分析结果参数，设置工具栏中的Edges为No WireFrame，显示云图结果。其中应力云图结果如图所示，最大值为 23.44MPa，很显然最大应力值小于Q235的屈服强度，结构强度是不存在问 题的。
6.4.5 载荷及约束设置
• 设置求解的外部载荷和边界条件，操作如下： • （1）单击工具栏中的LoadsForce，然后选择小管道上表面的边线，在-x轴
方向加载50kN的外力。 • （2）设置边界条件。
6.4.6 模型求解
• 设置求解输出参数，右键单击Solution，分别输出Total Deformation和 Equivalent Stress，完成之后提交计算机求解。