ANSYS WORKBENCH 11.0静力结构分析

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ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程(DS)
第四章
静力结构分析
序言
•在DS中关于线性静力结构分析的内容包括以下几个方面:
–几何模型和单元
–接触以及装配类型
–环境(包括载荷及其支撑)
–求解类型
–结果和后处理
•本章当中所讲到的功能同样适用与ANSYS DesignSpace Entra及其以上版本.
–本章当中的一些选项可能需要高级的licenses,但是这些都没有提到。

–模态,瞬态和非线性静力结构分析在这里没有讨论,但是在相关的章节当中将会有所阐述。

线性静力分析基础
•在线性静力结构分析当中,位移矢量{x} 通过下面的矩阵方程得到:在分析当中涉及到以下假设条件:
–[K] 必须是连续的
•假设为线弹性材料
•小变形理论
•可以包括部分非线性边界条件
–{F} 为静力载荷
•不考虑随时间变化的载荷
•不考虑惯性(如质量,阻尼等等)影响
•在线性静力分析中,记住这些假设是很重要的。

非线性分析和动力学分析将在随后的章节中给予讨论。

[]{}{}
F x K =
A. 几何结构
•在结构分析当中,可以使用所有DS 支持的几何结构类型.
•对于壳体,在几何菜单下厚度选项是必须要指定的。

•梁的截面形状和方向在DM已经指定并且可以自动的传到DS模型当中。

–对于线性体,仅仅可以得到位移结果.
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
Structural x
Mechanical/Multiphysics x
…Point Mass
•Point Mass 在“Geometry”分支在模拟没有明确建模的重量
–只有面实体才能定义point mass
–可以用以下方式定义point mass位置:
•在任意用户定义坐标系中(x, y, z)坐标
•选择点/边/面来定义位置
–重量/质量大小在“Magnitude”中输入
–在结构静力分析中,point mass只受“加速度”,“标准重力加速度,”和“旋转速度”的作用.
–质量和所选面相连通时它们之间没有刚度. 这不是一个刚度区域假设而是一个类似与分布质量的假设
–没有旋转惯性项出现.
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…Point Mass
•point mass 将会以灰色圆球出现
–前面提到,只有惯性力才会对point mass 起作用。

.
–这意味着在线性静力结构分析中引入point mass 只是为了考虑结构中没有建模的附加重量同时必须有惯性力出现.
–Point Mass 本身没有结果
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…材料属性
•在线性静力结构分析当中,材料属性只需要定义杨氏模量以及泊松比。

–材料输入在“Engineering Data”分支下, 并且在每个
“Geometry”菜单下都有材料的配给选项。

–假如有任何惯性载荷,密度是必须要定义的。

–热膨胀系数和传热系数在有热载荷的时候需要指定
–在ANSYS 的结构模块下没有热载荷选项
–可以输入负热膨胀系数
–在选定应力结果提取工具的时候,应力极限需要指定
–假如打开疲劳分析是需要定义疲劳的
•需要Fatigue Module add-on license
–特定的载荷以及结果提取工作将在后面讨论
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…材料属性
•在Engineering Data view 中显示材料属性:
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
B. 装配体–实体接触
•当输入实体的组合体时,两个实体之间自动生成接触。

–面对面接触允许在两个实体边界上的不匹配的单元划分
–用户可以在“Contact”菜单下,指定探测自动接触距离的滑块来控制容差
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace x
Professional x
Structural x
Mechanical/Multiphysics x
…装配体–实体接触
•在DS中,在每个接触对中都要定义目标面和接触面。

–接触区域的其中一个表面构成“接触”面,此区域的另一个表面构成“目标”面。

–接触中利用目标面的渗透量(在给定容差范围内)来限制接触面上的积分点。

但是其相反的情况是不正确的。

•当一个面为目标面而另一个面为接触面时称为不对称接
触。

而当两面都为接触面或者目标面时则称为对称接触,
因为任何一边都可以渗透到另一边。

•在缺省情况下,DS对组合体定义的是对称接触。

对于
ANSYS Professional licenses 以及结构模块,用户需要根
据上述介绍将其改变成非对称接触。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace/
Professional x
…装配体–实体接触
•四种接触类型可供选择:
Contact Type Iterations Normal Behavior (Separation)Tangential Behavior (Sliding) Bonded1Closed Closed
No Separation1Closed Open
Frictionless Multiple Open Open
Rough Multiple Open Closed
–绑定的和不分离的接触是最基础的线性行为,仅仅
需要一次迭代
–无摩擦以及粗糙接触是非线性行为,需要多次迭代。

但是,需要注意的是仍然利用了小变形理论的假设。

•当需要利用这些选项时,可以在相应的菜单下设定
“Actual Geometry (and Specified Offset)”或
“Adjusted to Touch”,其中允许用户调整ANSYS
模型的间隙到‘刚刚接触’的位置
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace x
Professional x
…装配体–实体接触
•对于高级用户,接触的另外一些选项可以进行修改
–方程式可以从“Pure Penalty”修改到
“Augmented Lagrange”,“MPC”或
“Normal Lagrange”.
•“MPC”仅仅适用于绑定的接触
•“Augmented Lagrange”应用于规则的
ANSYS模型中
–在绑定的接触中,纯粹的罚函数法可以想象为在接触面间施加了十分大的刚度系数
来阻止相对滑动。

这个结果是在接触面间
的相对滑动可以忽略的情况下得到的。

–MPC 方程当中对接触面间的相对运动定义了约束方程,因此没有相互的滑动。


个方程经常作为罚函数法的最好的替代。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace
Professional x
…装配体–实体接触
•高级选项(续):
–如第三章所述,pinball region可以
自己定义和显示出来
•pinball region定义了近距离开放式接
触的位置。

而超出pinball region 范围
之外的为远距离开放式接触。

•最初,pinball region 作为十分有效的
接触探测器使用,但是它也用于其它
方面,例如绑定接触等。

•对于绑定或者不分离的接触,假如间
隙或者渗透小于pinball region,则间
隙/渗透自动被删除。

•其它的高级选项将在以后的章节中讨
论。

ANSYS License Availability DesignSpace Entra
DesignSpace
Professional x In this case, the gap between the two parts is bigger than the pinball region, so no automatic gap closure will be performed.
…装配体—面与实体接触
•ANSYS Professional1licenses 及其以上版本支持壳和实体的混合装配体
–允许十分复杂的组合体,在应用中利用了壳的优点
–更多的接触选项可供用户选择
–可以进行接触的后处理操作(后面有介绍)
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace
Professional x1
Structural x
…装配体—面与实体接触
•边缘接触是生成接触的一个子集–包括壳面或者实体边的接触,只有定
义绑定或不分离的接触类型。

–对于包括壳边缘的接触,只能定义
MPC 形式的绑定行为。

•对于以MPC为基础的绑定接触,用户可
以将搜索器设定为目标法向或是pinball
region(这种方法需要给定多点的约
束)。

•假如存在间隙(这在壳的组合体中经常出
现),pinball region 可以用来作为探测
越过间隙的接触探测器。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace
Professional x1
…装配体–接触总结
•DS 中接触类型及其可供的选项总结如下表所示:
–这个表在DS 的在线帮助当中也有。

利用这个张表将有助于用户决定哪些选项可供选择。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra DesignSpace /Professional x Contact Geometry Solid Body Face Solid Body Edge
Surface Body Face Surface Body Edge All types
Bonded, No Separation Bonded, No Separation Bonded only All formulations
All formulations All formulations
MPC formulation Symmetry respected
Asymmetric only
Symmetry respected Asymmetric only Bonded, No Separation Bonded, No Separation Bonded only All formulations All formulations MPC formulation Asymmetric only
Asymmetric only
Asymmetric only Bonded, No Separation Bonded only All formulations
MPC formulation Symmetry respected
Asymmetric only Bonded only MPC formulation Asymmetric only
Solid Body Face
Solid Body Edge
Surface Body Face
Surface Body Edge
…装配体–焊点
•焊点提供了一种在不连续位置处连接壳组合体的方式。

–ANSYS DesignSpace licenses不支持壳接触,因此焊点就是唯一定义一个壳组合的方法。

–焊点是在CAD软件中进行定义的。

目前DS只认在DM和UG当中所定义的焊点。

–焊点也可以在DS中生成,但是只能在不连续的顶点处生成。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace Structural x
DesignSpace x
Professional x
Structural x
Mechanical/Multiphysics x
DesignModeler x
Pro/ENGINEER
Unigraphics x
SolidW orks
Inventor
Solid Edge
Mechanical Desktop
CATIA V4
CATIA V5
ACIS (SAT)
C. 载荷及支撑
•这里有四种结构载荷的类型可供选择:
–惯性载荷
•这些载荷作用在整个系统中
•需要用到质量的时候密度是必须的
•Point Masses只受这些载荷的作用
–结构载荷
•这种载荷是作用在系统部分结构上的力或者力矩–结构支撑
•这些是利用约束来防止部分范围内的移动
–热载荷
•从结构上讲,热载荷会导致温度区域生成并且在整个模型
上引起热扩散。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
. . . 时间类型
•在特定license 下有时间类型选项.
•载荷的默认时间类型选项为“静力(static)”
•“顺序加载(Sequence)”and “谐响应(harmonic)”是另外两种时间类型选项
•顺序加载定义一系列静态时步然后一次求解•可以分步查看顺序加载的计算结果
ANSYS License Availability
DesignSpace Entra
DesignSpace
Professional x
. . . 时间类型
•在环境(Environment)的Detail定义顺序时步
•首先点亮图形窗口中所希望的子步,然后输入载荷
的大小.
•图形窗口中的图表显示载荷的变化.
. . . 时间类型
•右键选择“Retrieve Results”重新察看感兴趣的顺序求解结果.
…方向载荷
•对大多数有方向的载荷和支撑,其方向多可以在任意坐标系中定义
–坐标系必须在加载前定义而且只有在直角坐标系下才能定义载荷和支撑的方向.
–在Details view 中, 改变“Define By”到
“Components”. 然后从下拉菜单中选择合适
的直角坐标系.
–在所选坐标系中指定x, y, 和z 分量
–不是所有的载荷和支撑支持使用坐标系。

ANSYS License
Availability DesignSpace Entra
x DesignSpace
x Professional
x Load Supports Coordinate Systems
Acceleration No
Standard Earth Gravity No
Rotational Velocity No
Force Yes
Remote Force Location of Origin Only
Bearing Load Yes
Moment Yes
Given Displacement Yes
Loads/Supports not listed in the table do not have direction associated with it, so Coordinate Systems are not applicable.
…加速度与重力加速度
•系统中可以定义加速度
–加速度以长度比上时间的平方为单位作用在整个模型上。

–用户通常对方向的符号感到迷惑。

假如加速度突然施加到系统上,惯性将阻止加速度所产生的变化,从而惯性力的方向
与所施加的加速度的方向相反。

–加速度可以通过定义部件或者矢量进行施加。

•标准的地球重力可以作为一个载荷施加。

–其值为9.80665 m/s2(在国际单位制中)
–标准的地球重力载荷方向可以沿总体坐标轴的任何一个轴。

–由于“标准的地球重力”是一个加速度载荷,因此,如上所述,需要定义与其实际相反的方向得到重力的作用力。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…旋转速度
•旋转速度是另一个可以实现的惯性载荷
–整个模型围绕一根轴在给定的速度下旋转
–可以通过定义一个矢量来实现,应用几何结构定义的轴以及定义的旋转速度
–可以通过部件来定义,在总体坐标系下指定初始和其组成部分
–由于模型绕着某根轴转动,因此要特别注意这个轴。

–缺省旋转速度需要输入每秒所转过的弧度值。

这个可以在路径“Tools > Control Panel > Miscellaneous > Angular
Velocity”里改变成每分钟旋转的弧度(RPM)来代替。

ANSYS License Availability
DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…力和压力
•压力载荷:
–压力只能施加在表面并且通常与表面的法向一致
–正值代表进入表面(例如压缩)
负值代表从表面出来(例如抽气等)
–压力的单位为每个单位面积上力的大小
•力载荷:
–力可以施加在结构的最外面,边缘或者表面。

–力将分布到整个结构当中去。

这就意味着假如
一个力施加到两个同样的表面上,每个表面将
承受这个力的一半。

力单位为质量乘以长度比
上时间的平方。

–力可以通过定义矢量,大小以及分量来施加。

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DesignSpace x
Professional x
…轴承载荷
•轴承载荷:
–螺栓载荷仅适用于圆柱形表面。

其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷。

径向压力载荷的分布如下图所示。

轴向载
荷分量沿着圆周均匀分布。

–一个圆柱表面只能施加一个螺栓载荷。

假如一个圆柱表面切分为两个部分,那么在施加螺栓载荷的时候一定要保证这两
个柱面都要选中。

–载荷的单位同力的单位
–螺栓载荷可以通过矢量和幅值或
者部件来定义。

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DesignSpace x
Professional x
…力矩载荷
•力矩载荷:
–对于实体,力矩可以施加在任意表面
–假如选择了多个表面,那么力矩将分摊在这些表面上。

–力矩可以用矢量及其大小或者分量来定义。

当用矢量
表示时,其遵守右手法则。

–在实体表面,力矩也可以施加在顶点或边缘,这与通过矢量或部件定义的以表面为基础的力矩类似。

–力矩的单位为力乘上长度。

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DesignSpace x
Professional x
…平移载荷
•远端载荷:
–允许用户在面或者边上施加偏置的力
–用户设定力的初始位置(利用顶点,圆或者x,y,z的坐标)
–力可以通过向量和幅值或者分量来定义
–这个在面上将得到一个等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩
–这个力分布在表面上,但是包括了由于偏置力而引起的力矩
–力的单位为质量*长度/时间2
偏移载荷的表面
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Professional x
…螺栓载荷
•螺栓载荷:
–在圆柱形截面上施加预紧载荷以模拟螺栓连接;
–施加预紧载荷(力)或者位移(长度)为初始条
件;
–顺序加载会出现其他选项;
…螺栓载荷
•在静力分析中预紧载荷施加在初始求解中,而其他
载荷施加在子步求解中;
–注意,这样的两步顺序是自动而且明显的。

•在第二步求解时,螺栓连接会自动被锁死;
•除第一步求解以外,在顺序求解的每一步中你可以
选择是否打开螺栓连接;
…螺栓载荷
•螺栓连接注意:
–只能在3D模拟中采用;
–能够运用到圆柱形表面或者实体,对于实体需要一个以z轴为主方向的局部坐标系;
–在螺栓连接处推荐单元细化(螺栓长度方向上的单元数必须大于1)。

…约束(常规)
•固定约束:
–在顶点,边缘或面上约束所有的自由度
–对于实体,限制x,y和z的平移
–对于壳和梁,限制x,y和z的平移和转动
•给定位移:
–在顶点,边缘或面上给定已知的位移
–允许在x,y和z方向给予强制位移
–输入“0”代表此方向上即被约束
–不设定某个方向的值则意味着实体在这个方向上自
由运动
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DesignSpace x
Professional x
…约束(实体)
•无摩擦约束:
–在面上施加法向约束
–对于实体,这个约束可以用施加一个对称边面界条
件来实现,因为对称面等同于法向约束
•圆柱面约束:
–施加在圆柱表面
–用户可以指定是轴向,径向或者切向约束
–仅仅适用于小变形(线性)分析
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Professional x
…约束(实体)
•仅有压缩的约束:
–在任何给定的表面可以施加法向仅有压缩的约束。

这个约束仅仅限制这个表面在约束的法向正方向的移动。

–解释这个约束的一种方法就是将它想象为一个“刚性”结构,它与选择的表面有相同的形状。

注意到这些接触(压缩)面事
先不知道。

–可以在一个圆柱面上模拟“扣牢的圆柱约束”,这个约束可以适用于7.1版本,但是它是“仅有压缩约束”的一种特例。

如右图
所示,显示出了没有变形的圆柱的轮廓。

有压缩力的表面阻

原始圆柱变形,而可伸长的表面自由变形。

–这个需要一个迭代(非线性)求解器来求解。

•由于事先不知道压缩面的行为,所以需要利用
迭代求解器来判断哪个表面显示的是压缩行为。

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DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…约束(梁/壳)
•简单约束:
–可以施加在梁或壳体的边缘或者顶点上
–限制平移但是所有旋转都是自由的•固定旋转:
–可以施加在壳或量的表面,边缘或者顶点上
–约束旋转,但是平移不限制
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DesignSpace x
Professional x
…约束概括
•约束和接触对都可以归结为边界条件。

–接触对模拟在两个已知模型之间的一个“柔性”边界条件
–固定约束在被模拟部件之间提供一个“刚性”边界条件,刚性的固定部件不必建立模型。

Type of Support Equivalent Contact Condition at Surfaces of Part
Fixed Support Bonded contact with a rigid, immovable part
Frictionless Support No Separation contact with a rigid, immovable part
Compression Only Support Frictionless contact with a rigid, immovable part
•假如对部件A和B之间连接比较感兴趣,那么就要考虑两个部分是否都需要分析(通过接触)或者仅提供部件B对A的影响的固定约束是否足够。

–换句话说,部件B相对于A来说是‘刚性的’?假如是的话,可以仅仅模拟对部件A的一个固定约束。

假如不是则需要模拟两者
之间的摩擦。

…热载荷
•模型当中,温度会引起热膨胀
–热应变计算如下式:
其中α是热膨胀系数(CTE ), T ref 是热应变为零时的参考温度,T 是施加的温度,εth 是热应变。

–热应变自身不会引起应力。

而当约束、温度梯度或者热膨胀系数不相匹配是才会产生应力。

–CTE 在“Engineering”下拉菜单中定义并且其单位为单位温度下的应变
–参考温度在“Environment”下拉菜单下定义
()x y z th th th
ref T T εεεα===−ANSYS License
Availability DesignSpace Entra
x DesignSpace
x Professional
x
…热载荷
•热载荷可以施加在模型上
–任何温度载荷都可以施加(详见第六章热分析)
–DS通常首先进行热分析,然后在结构分析时将计算
所得的温度域作为载荷输入。

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DesignSpace x
Professional x
•作业4.1 –线性结构分析
•目标:
–分析一个由5个部分构成的推进式泵
,其皮带上承受100N 的预载
.
D.
作业4.1
E. 求解选项
•求解选项可以在“Solution”菜单下定义
–ANSYS在设置了“Save ANSYS db”之后可以保存数据库•假如要是想在ANSYS中打开一个数据库,这种方法是有用的–在DS中有两种求解器可以使用
•求解器是自动选取的,尽管求解后有许多信息让用户知道所选用的是何种求解器。

在路径“Tools > Options …>
Simulation: Solution > Solver Type”下设置默认选项
•“直接”求解器在包含薄面和细长体的模型中是有用的。

它是个很有力的求解器并且可以处理任何情况。

•“迭代”求解器在处理体积大的模型是十分有效的。

尽管它对梁和壳来说不是很有效,但是可以很好的处理大的模型。

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DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…求解选项
•在稳定模型中可以施加弱弹簧
–如果设置了“Program Controlled”,DS将预测受约束的模型。

如果选择了“Fixed Support”,这个模型可以施加
弱弹簧并且提供了可供用户知道程序是如何处理的信
息。

–这个可以设置为“On”或“Off”。

可以在路径“Tools >Control Panel > Solution> Use Weak Springs”下设置
默认选项.
–在某些情况下,用户期望模型是在平衡状态下而不是约束所有可能的刚性模型。

弱弹簧可以通过阻止奇异矩阵
来实现帮助。

–然而,约束所有可能的刚体运动是很好的习惯。

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Professional x
…求解选项
•可以提供丰富的信息:
–显示分析的类型,例如本章当中描述的“静力结构”情况。

–如果需要非线性求解,同样显示其相应结果。

出现接触行为和仅有压缩支撑的约束,求解就变成非线性了.
这些类型的求解器需要多重反复迭代以及比线性求解
器更长的时间.
–求解器工作目录是在矩阵方程求解过程中保存临时文件的地方.缺省条件下,使用Windows系统环境变量,
尽管这个变量可以在路径“Tools > Control Panel
>Solution > Solver Working Directory”下更改.在扇区
上必须要有足够的自由空间.
–任何出现在求解之后的求解器信息都可以后来在“Solver Messages”中检查
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…模型求解
•求解模型首先需要设定求解结果对象(下面将涉及)并且点击在标准工具条上的“Solve”按钮
–缺省条件下,两个处理器(假如提到的话)将会并行进行计算.设置处理器个数在路径“Tools > Options …> Simulation:
Solution > Number of Processors to Use”下
–点击“Worksheet”键下的“Solution”菜单,可以检查求解输出的详细资料.
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Professional x
F. 结果和后处理
•在后处理中可以得到多种不同的结果:
–各个方向和全部的变形
–应力应变分量、主应力应变或者应力应变不变量。

–接触输出
•需要ANSYS Professional及其以上版本
–支反力
•在DS中,结果通常是在计算前指定的,但是它们也可以在计算完成后指定.
–假如计算一个模态,则可以在计算完成后查询所要结果,点击按
钮“Solve”, 结果就会从新得到. 假如某种结果的类型已经
提前确定则不需要新的求解(比如总体变形提前设定,现在增
加了方向上的变形).
…图形显示结果
•所有的云图和矢量经常在变形的几何体中显示.利用Context Toolbar改变结果的比例或者显示到想要的设
置.
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DesignSpace Entra x
DesignSpace x
Professional x
…变形•模型的变形可以被显示:
–总体变形是一个标量:
–x, y,
和z 方向的变形可以在菜单“Directional”下得到. 因为这里有和部件相联系的方向,假如有“Coordinate System”菜单存在的话,用户可以指定给定的坐标系下的变形.
•例如,这可以简单的解释为利用柱坐标系显示圆柱体在径向的变形.
–矢量方式显示变形也是可取的.
线圈的模型是最简单的矢量显示.
2
22z y x total U U U U ++=ANSYS License
Availability DesignSpace Entra
x DesignSpace
x Professional
x
…变形
•变形结果对线、面和体都适用
–注意到“deformation results”仅仅和移动DOF有关.线和面的旋转DOF不能够直观的显示.
–由于变形(位移)是在DS中计算得到的DOF,因此当利用收敛工具时,其收敛行为很好.
–矢量变形显示不能利用“Alert”或“Convergence”工具,因为它们是矢量(x,y或z)而不是单独的(x或y或z向).在“Total”或
“Directional”中利用Alert或Convergence工具代替.
–“Total”变形是常量,因此“Coordinate Systems”在这个结果中不能应用.而且,“Vector”变形通常在总体坐标系下显示.
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DesignSpace x
Professional x
…应力和应变
•应力和应变可以如图观察:
–“Strains”实际上是弹性应变
–应力和(弹性)应变是张量并且有六个分量
(x, y, z, xy, yz, xz)而热应变何以看作带
有三个分量的一个矢量(x, y, z)
–对于应力和应变,分量可以在“Normal”
(x, y, z)和“Shear”(xy, yz, xz)下指定.
对于热应变,分量在“Thermal”下
•可以指定不同的结果坐标系
•在ANSYS Structural license下不能得到
•仅对壳和实体适用.目前版本线单元只能输出变形结果。

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DesignSpace x
Professional x
…应力工具
•安全系数可以应用四种失败理论来计算:–柔性理论(Ductile)
•最大等效应力
•最大剪切应力
–脆性理论(Brittle)
•Mohr-Coulomb 应力
•最大张应力
–可以画出安全边界和应力率
–注:附录四中由详细介绍
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Professional x。

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