ANSYS静力学APDL建模实例-应力集中

计算分析模型如图所示, 习题文件名: scf
材料参数：E=205GPa, v = 0.3
力载：4500N
注意单位的一致性：使用N, mm, MPa单位制
建模教程
在ANSYS工作文件夹内新建“stress concentration factor”目录，以存放模型文件。

注意定期保存文件，注意不可误操作，一旦误操作，不可撤销。

1.1 进入ANSYS
开始→程序→ANSYS 14.5→Mechanical APDL Product Launcher14.5→然后在弹出的启动界面输入相应的working directory及文件名scf
如通过Mechanical APDL 14.5进入，则进入预设的working directory
working directory必须设置在电脑最后一个分区（因为教学用电脑只有最后一个分区不受系统保护）
至此ANSYS静力学分析模块启动，ANSYS在“stress concentration factor”目录下自动创建了.log、.err等必要的文件。

2.2设置计算类型
ANSYS Main Menu: Preferences →select Struc tural → OK
2.3选择单元类型
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4 node 182 →OK (back to Element Types window)→ Options… →select K3: Plane Strs w/thk →OK→Close (the Element Type window)
2.4定义实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants →Add/Edit/Delete →Add →OK →THK 1.2 →OK
2.5定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural→Linear →Elastic→Isotropic→input EX:205e3, PRXY:0.3→ OK
2.6生成几何模型
✓生成特征点（8个）
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS→依次输入四个点的坐标：input:1(0,0,0) ,2(75,0,0) ,3(75,4.5,0) ,4(120,4.5,0) ,5(120,19.5,0),6(75, 19.5,0) ,7(75, 24,0) ,8(0, 24,0)→Apply/OK（开始点Apply，最后一个点OK）
Tips：如何用ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →On Working Plane →又该如何操作才能生成同样的点？？
✓直线（8条）
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Lines →Straight Lines→跳出对话框，用鼠标（左键）依次选择点1、2生成直线1，依次类推生成直线2-8。

Tips：如何显示线的编号？？
✓生成圆导角（2条）
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Line Fillet→跳出对话框，用鼠标（左键）依次选择直线2、3 →Apply→跳出对话框，在RAD输入3→OK生成第1个圆导角。

按照相同的操作在直线5、6之间生成第2个圆导角。

✓生成薄壁钢板的面
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →By Lines →选择所有的线（包括直线和圆导角，不能遗漏，否则生不成面）→OK
2.7 网格划分
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Element Attributes) Global set →跳出Meshing Attributes对话框，检查整体单元的相关信息，不改动该表，即只看不动→(Size Controls) Global:Set →跳出Global Element Sizes对话框，在SIZE输入: 2 →OK→(back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Mapped →Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close( the Mesh Tool window)
此处只看不改（目的为了解单元相关的单元类型、材料、实常数等信息）
Tips：
（1）设置单元尺寸时可否选Areas（即在Size Controls里选Areas），如何可以，该如何做相应操作以获得想要的单元及网格？
（2）可否生成三角形网格？该如何操作？
（3）Mesh中的Shape、Free、Mapped的功能如何？试通过具体操作加以验证。

本教程采用四边形网格，但学生在完成大作业进行网格测试时，可选用三角形网格。

2.8 模型施加约束
✓给左端施加固定约束（约束住全部自由度）
ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Displacement→ On lines→pick the lines （选取左边端部线）→OK →跳出对话框，选择All DOF，在Value中输入0→OK。

✓给右端施加x方向的分布载荷（按照圣维南定理，将左边的集中力转换为等效的均布
力系，即应力F/A=4500N/(15*1.2mm2)=250MPa）
ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Pressure→ On lines→pick the lines （选取右边端部线）→OK →跳出对话框，保持Constant value不变，在V ALUE中输入-250→OK。

Tips：可不可以直接对右端加点力？如果可以加在右端某一节点处，模拟结果与分布载荷的情况相比如何？
2.9分析计算
ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS→OK(to close the solve Current Load Step window) →OK
2.10结果显示
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape… → select Def + Undeformed →OK (back to Plot Results window)→Contour Plot →Nodal Solu… →select: Stres s ,von Mises Stress→OK
可见：在导角处出现最大应力（最大值为363.653MPa），因此在构件中一旦出现尖、圆角确确会在导角出出现不同程度的应力集中现象，在设计零件时应尽力避免或减缓应力集中现象，此教程中的应力集中因子Kt根据提供的公式计算得到为：363.653MPa/250MPa=1.4546
因以该例为基础，通过网格收敛测试得到可靠的应力集中因子Kt。

例如：当细化一倍后，网格和载荷为：
模拟结果为：
此时，最大应力为420.507MPa，相应的应力集中因子为1.682。

此时，最大应力为452.576MPa，相应的应力集中因子为1.810。

网格收敛准则：
当各种细网格的解之间非常接近且相互之间的相对误差≤5％以内时，即可认为收敛。