3种动载荷加载方法

[本例提示]本例将学习ANSYS中载荷步控制方法以及施加动态载荷的三种加载方法：多载荷步法、表载荷法和函数载荷法。

之阿布丰王创作
1.问题描述
一个下端固定的圆柱顶面上承受如图3—1所示的动态压力载荷，试确定其顶面位移响应。

已知圆柱长度为0.15m，直径为0.03m，资料的弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。

p/MPa
t/s
图3-1动态载荷示意图
2.多载荷步法
多载荷步法求解思路为：首先，为每一个载荷步施加载荷并设置载荷步参数。

然后，将每个载荷步写入载荷步文件，最后一次性求解所有载荷步。

对于本问题：
定义载荷步1：
–在要求的部位上添加约束；
–在要求的节点上施加载荷0；
–规定施加此力的终止时间(1e-6)，指出时间步长0.05和变更方式为Ramp方式；
–规定输出控制，
–将此载荷步写入载荷步文件1中。

定义载荷步2：
–在要求的节点上施加载荷22.5；
–规定施加此力的终止时间(0.5)，指出时间步长0.05和变更方式为Ramp方式；
–规定输出控制，
–将此载荷步写入载荷步文件2中。

定义载荷步3：
–改变载荷值为10.0；
–规定终止时间 (1.0)。

其他设置同前；
–将此载荷步写入载荷步文件3中。

定义载荷步4：
–删除力或将其值设置为零；
–规定终止时间 (1.5) ，变更方式为Stepped方式；其他设置同前。

–将此载荷步写入载荷步文件4中
•前处理
[步骤1]画模型
(1)绘制立方块：选择菜单Main Menu: Preprocessor→
Modeling→Create→Volume→Cylinder→Solid Cylinder，
输入底面圆心坐标(0,0)、半径0.03/2、高度0.15/2，单击
OK按钮。

(2)保管几何模型：选择菜单Utility Menu：File→Save As，
在存储数据库对话框中的Save Database to中输入数据库
名：Geometry.db。

[步骤2]设属性
(1)定义单元类型：选择菜单Main Menu: Preprocessor→
Element Type→Add/Edit/Delete，在单元类型对话框中单
击Add按钮，在弹出的单元库对话框中选择Solid和Brike
8 node 185（即选Solide185单元），单击OK按钮，再单
击Close按钮。

(2)定义资料属性：选择菜单Main Menu: Preprocessor→
Material Props→Material Model→在弹出的资料属性窗口
中依次双击Structural, Linear, Elastic和Isotropic，
在弹出的对话框中设置EX（弹性模量）为 2.06e+11；PRXY
（泊松比）为0.3，单击OK按钮。

在Material Models Available列表框中单击路径：Structural→Density，在
密度DENS一栏中输入7800，单击OK按钮。

退出资料定义
窗口。

[步骤3]分网格
(1)定义单元尺寸：选择菜单Main Menu: Preprocessor→
Meshing→MeshTool，单击MeshTool对话框Global项中的
Set按钮，在单元尺寸对话框中，设置Size=5(单元长度为
5)，单击OK按钮。

(2)分格：选择菜单Main Menu: Preprocessor→Meshing→
MeshTool，选中Mesh栏中的Sweep单选钮，单击MeshTool
对话框中的Mesh按钮，在绘图区单击选中圆柱，单击左侧
的拾取对话框中的OK按钮。

[步骤4]保管网格模型：选择菜单Utility Menu：File→Save As，在存储数据库对话框中的Save Database to中输入数据库名：Mesh.db。

2．求解
[步骤1]指定分析类型：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，选Transient单选钮，选中Full（完全法）单选钮，单击OK按钮。

[步骤2]对第一个载荷步施加载荷
a)添加约束：选择菜单Main Menu: Solution→Define
Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在
图形区中单击圆柱底面，单击左侧的拾取对话框中的
Apply按钮，在施加约束对话框中选择All，单击OK按
钮。

b)添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define
Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形
区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。

在施加载荷对话框中设
VALUE=0，单击OK按钮。

c)设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis
Type→Sol’s Control，如图2-16所示，在求解控制对话
框的Basic卡中完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）为1e-6，Number of substep（子载荷
步数）为5，Frequency为write Every substep（存储所
有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置
选中Ramped loading单选钮，单击OK按钮。

d)写载荷步文件1：选取菜单途径选择菜单Main menu→
Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。

在Load step file number n处
输入1，单击OK按钮。

图3-2求解控制对话框
[步骤3]对第二个载荷步施加载荷
a)添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define
Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形
区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。

在施加载荷对话框中设
VALUE=22.5，单击OK按钮。

b)设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis
Type→Sol’s Control，在求解控制对话框的Basic卡中
完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）
为0.5，Number of substep（子载荷步数）为5，
Frequency为write Every substep（存储所有计算结
果），单击OK按钮。

c)写载荷步文件2：选取菜单途径选择菜单Main menu→
Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。

在Load step file number n处
输入2，单击OK按钮。

[步骤4]对第三个载荷步施加载荷
a)添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define
Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形
区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。

在施加载荷对话框中设
VALUE=10，单击OK按钮。

b)设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis
Type→Sol’s Control，在求解控制对话框的Basic卡中
完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）
为 1.0，Number of substep（子载荷步数）为5，
Frequency为write Every substep（存储所有计算结
果），单击OK按钮。

c)写载荷步文件3：选取菜单途径选择菜单Main menu→
Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。

在Load step file number n处
输入3，单击OK按钮。

[步骤5]对第四个载荷步施加载荷
a)添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define
Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形
区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。

在施加载荷对话框中设
VALUE=0，单击OK按钮。

b)设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis
Type→Sol’s Control，在求解控制对话框的Basic卡中
完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）
为 1.5，Number of substep（子载荷步数）为5，
Frequency为write Every substep（存储所有计算结
果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中
Stepped loading单选钮，单击OK按钮。

c)写载荷步文件4：选取菜单途径选择菜单Main menu→
Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。

在Load step file number n处
输入4，单击OK按钮。

[步骤6]求解：选择菜单Main Menu→Solution→Solve→From LS File，弹出Solve Load Step Files对话框。

在Starting LS file number处输入1；在Ending LS file number处输入4。

单击OK按钮。

当求解完成时会出现一个Solution is done的提示对话框。

单击close。

3.结果处理
POST26观察节点146的位移时间历程结果
[步骤1]定义结果变量：选择菜单Main Menu: TimeHist Postpro，单击按钮，单击Nodal Solution→DOF Solution→Z-
compnent of displacement，设Valu Name为Xiangying，单击OK按钮，在图形区单击顶面上的节点，单击拾取对话框中OK按钮。

[步骤2]绘制位移响应曲线：选择菜单Main Menu: TimeHist Postpro，选中前面定义的Xiangying变量，单击按钮，绘制位移响应曲线，见图3-9(a)。

图3-1位移响应曲线
Finish
/Clear
/PREP7
CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15
ET,1,SOLID185
MP,EX,1,2.06e11
MP,PRXY,1,0.3
MP,DENS,1,7800
ESIZE,0,5,
VSWEEP,All
FINISH
/SOL
ANTYPE,4
TRNOPT,FULL
NSUBST,5,0,0
OUTRES,ERASE
OUTRES,ALL,ALL
KBC,0
TIME,1e-6
DA,1,ALL,
SFA,2,1,PRES,0 LSWRITE,1,
TIME,0.5
SFA,2,1,PRES,22.5 LSWRITE,2,
TIME,1.0
SFA,2,1,PRES,10 LSWRITE,3,
TIME,1.5
KBC,1
SFA,2,1,PRES,0 LSWRITE,4, LSSOLVE,1,4,1,
FINISH
/POST26
FILE,'file','rst','.' NSOL,2,96,U,Z, UZ_2 PLVAR,2,
3.表格载荷法
表格载荷法的求解思路为：首先，将载荷-时间历程用表格暗示。

然后，用数组参数定义载荷随时间变更的表。

最后，施加表载荷，作为一个载荷步一次性求解。

表格载荷法的加载过程：定义表格参数表→施加已有表载荷→表格载荷步控制。

对于本问题的载荷表为：
表3-1 载荷-时间历程表
•前处理
重复多载荷步求解中的相应步调或打其保管的网格模型数据库Mesh.db。

•求解
[步骤1]指定分析类型：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，选Transient单选钮，选中Full（完全法）单选钮，单击OK按钮。

[步骤2]添加约束：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structure→Displacement→On Area，在图形区中单击圆柱底面，单击左侧的拾取对话框中的Apply按钮，在施加约束对话框中选择All，单击OK按钮。

[步骤3]定义表格载荷
a)定义表格：选择菜单Utility Menu: Parameter→Array
Parameter→Define/Edit，在数组定义对话框中单击Add
按钮，在新数组对话框中设Parameter Name为Table load，Parameter Type为Table，设I,J,K为（5,1,1），
Var1为Time，单击OK按钮完成表定义。

b)填充表格：选择菜单Utility Menu: Parameter→Array
Parameter→Define/Edit，在数组定义对话框中选中前面
定义的表格Table load，单击Edit按钮，在表填充对话
框中输入时间_载荷历程表，如图所示，单击菜单File
→Apply/Quit，单击OK按钮完成表填充。

[步骤4]施加表载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。

在施加载荷对话框中设[SFA]下拉式列表框为Existing Table，在弹出的表载荷选择对话框中选中Table Load表载荷，单击OK按钮。

[步骤5]设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如图2-16所示，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）为 1.5，Number of substep（子载荷步数）为50，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中Ramped loading单选钮，单击OK按钮。

图3-3求解控制对话框
[步骤6]求解：选择菜单Main Menu→Solution→Solve→Current LS ，单击OK按钮。

当求解完成时会出现一个Solution is
done的提示对话框。

单击close。

结果处理
重复多载荷步求解中的相应步调，POST26观察顶面位移时间历程结果。

Finish
/Clear
/PREP7
CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15
ET,1,SOLID185
MP,EX,1,2.06e11
MP,PRXY,1,0.3
MP,DENS,1,7800
ESIZE,0,5,
VSWEEP,All
FINISH
*DIM,Tab_Load,TABLE,5,1,1,Time, ,
!*
*SET,TAB_LOAD(1,0,1) , 0
*SET,TAB_LOAD(2,0,1) , 0.5
*SET,TAB_LOAD(2,1,1) , 22.5
*SET,TAB_LOAD(3,0,1) , 1
*SET,TAB_LOAD(3,1,1) , 10
*SET,TAB_LOAD(4,0,1) , 1.001
*SET,TAB_LOAD(5,0,1) , 1.5
/SOLU
ANTYPE,4
TRNOPT,FULL
LUMPM,0
!*
NSUBST,50,0,0
OUTRES,ERASE
OUTRES,ALL,ALL
TIME,1.5
DA,1,ALL,
SFA,2,1,PRES, %TAB_LOAD%
SOLVE
FINISH
/POST26
FILE,'file','rst','.'
NSOL,2,51,U,Z, UZ_2
PLVAR,2,
3.函数载荷法
函数载荷法的求解思路为：首先，将载荷-时间历程用函数工具暗示。

然后，将载荷-时间函数转换为表格载荷。

最后，施加已有表载荷，作为一个载荷步一次性求解。

函数载荷法的加载过程：定义函数关系式→转换为表格载荷→施加已有表载荷→表格载荷步控制。

图所示的载荷-时间历程函数为：
（）
3.前处理
重复多载荷步求解中的相应步调或打其保管的网格模型数据库Mesh.db。

•求解
[步骤1]指定分析类型：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，选Transient单选钮，选中Full（完全法）单选钮，单击OK按钮。

[步骤2]添加约束：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structure→Displacement→On Area，在图形区中单击圆柱底面，单击左侧的拾取对话框中的Apply按钮，在施加约束对话框中选择All，单击OK按钮。

[步骤3]定义函数载荷
a)定义函数载荷：选择菜单Utility Menu: Parameter→
Function→Define/Edit，在函数编辑窗口的Function卡
中选中Multivalued function based on regime variable（分段函数）单选钮，在下拉式列表框中选择
<regime var>为TIME。

在regime1卡片中，设自变量范围
为[0,0.5]，Result=45*{TIME}（{TIME}不克不及输入，列
表框中选择TIME）。

重复上述步调，在regime2卡片中，
设自变量范围为[0.5,1.0]，Result=-25*{TIME}+35。

在
regime3卡片中，设自变量范围为[1.0,1.5]，Result=0。

在函数编辑窗口中单击菜单File→Save，在文件保管对话
框中设文件名为Load，单击OK按钮，在函数编辑窗口中
单击菜单File→Close，完成载荷函数定义。

b)转换为表格载荷：选择菜单Utility Menu: Parameter→
Function→Read from File，选中前一步保管的函数
Load.fun，在函数载荷对话框的Table parameter name
（表格载荷名称）中输入Fun_load，单击OK按钮，将载
荷函数转化为表格载荷。

c)施加表载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define
Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形
区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。

在施加载荷对话框中设
[SFA]下拉式列表框为Existing Table，在弹出的表载荷
选择对话框中选中Table Load表载荷，单击OK按钮。

[步骤4]设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如图2-16所示，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）为 1.5，Number of substep（子载荷步数）为50，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中Ramped loading单选钮，单击OK按钮。

图3-4求解控制对话框
[步骤5]求解：选择菜单Main Menu→Solution→Solve→Current LS ，单击OK按钮。

当求解完成时会出现一个Solution is done的提示对话框。

单击close。

结果处理
重复多载荷步求解中的相应步调，POST26观察顶面位移时间历程结果。

Finish
/Clear
/PREP7
CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15
ET,1,SOLID185
MP,EX,1,2.06e11
MP,PRXY,1,0.3
MP,DENS,1,7800
ESIZE,0,5,
VSWEEP,All
FINISH
! 定义函数
*DEL,_FNCNAME
*DEL,_FNCMTID
*DEL,_FNCCSYS
*SET,_FNCNAME,'Fun_Load'
*SET,_FNCCSYS,0
! /INPUT,Load.func,,,1
*DIM,%_FNCNAME%,TABLE,6,5,4,,,,%_FNCCSYS%
! Begin of equation: {TIME}
*SET,%_FNCNAME%(0,0,1), 0.0, -999
*SET,%_FNCNAME%(2,0,1), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(3,0,1), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(4,0,1), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(5,0,1), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(6,0,1), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(0,1,1), 1.0, 99, 0, 1, 1, 0, 0 *SET,%_FNCNAME%(0,2,1), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,3,1), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,4,1), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,5,1), 0
! End of equation: {TIME}
! Begin of equation: 45*{TIME}
*SET,%_FNCNAME%(0,0,2), 0.5, -999
*SET,%_FNCNAME%(2,0,2), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(3,0,2), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(4,0,2), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(5,0,2), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(6,0,2), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(0,1,2), 1.0, -1, 0, 45, 0, 0, 1 *SET,%_FNCNAME%(0,2,2), 0.0, -2, 0, 1, -1, 3, 1 *SET,%_FNCNAME%(0,3,2), 0, 99, 0, 1, -2, 0, 0 *SET,%_FNCNAME%(0,4,2), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,5,2), 0
! End of equation: 45*{TIME}
! Begin of equation: -25*{TIME}+35
*SET,%_FNCNAME%(0,0,3), 1.0, -999
*SET,%_FNCNAME%(2,0,3), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(3,0,3), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(4,0,3), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(5,0,3), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(6,0,3), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(0,1,3), 1.0, -1, 0, -25, 0, 0, 1
*SET,%_FNCNAME%(0,2,3), 0.0, -2, 0, 1, -1, 3, 1 *SET,%_FNCNAME%(0,3,3), 0, -1, 0, 35, 0, 0, -2 *SET,%_FNCNAME%(0,4,3), 0.0, -3, 0, 1, -2, 1, -1 *SET,%_FNCNAME%(0,5,3), 0.0, 99, 0, 1, -3, 0, 0 ! End of equation: -25*{TIME}+35
! Begin of equation: 0
*SET,%_FNCNAME%(0,0,4), 1.5, -999
*SET,%_FNCNAME%(2,0,4), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(3,0,4), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(4,0,4), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(5,0,4), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(6,0,4), 0.0
*SET,%_FNCNAME%(0,1,4), 1.0, 99, 0, 0, 0, 0, 0 *SET,%_FNCNAME%(0,2,4), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,3,4), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,4,4), 0
*SET,%_FNCNAME%(0,5,4), 0
! End of equation: 0
!-->
/SOL
ANTYPE,4
TRNOPT,FULL
LUMPM,0
NSUBST,50,0,0 OUTRES,ERASE
OUTRES,ALL,ALL
TIME,1.5
DA,1,ALL,
SFA,2,1,PRES, %FUN_LOAD% SOLVE
FINISH
/POST26
FILE,'file','rst','.' NSOL,2,81,U,Z, UZ_2 PLVAR,2,。