ansys有限元分析软件 第五章加载求解-xia

说明： 说明：压力数值为正表示其方向指向表面
体载荷
体载荷 是分布于整个体内或场内的载荷。 是分布于整个体内或场内的载荷。
定义
体载荷
举例
• 结构分析中的温度载荷。 结构分析中的温度载荷。 • 热分析中生热率。 热分析中生热率。 • 电磁场分析中电流密度。 电磁场分析中电流密度。 • 体载荷可以添加到关键点或节点上。 (关键点上的体载荷最终将转化成各个节 体载荷可以添加到关键点或节点上。 关键点上的体载荷最终将转化成各个节 点上的一组体载荷。 点上的一组体载荷。)
half symmetry model
reentry corner
…集中荷载
不选底部角点附近的节点和单元，可以 在孔附近得到预期的应力 SMAX (7,895)。
加载 & 求解
• 所有的力，位移，和其它与方向有关的节点量都可以在节点坐标 中说明。 – 输入量: • 力和力矩 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ • 位移约束 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ • 耦合和约束方程 • 其它 – 输出量: • 计算出的位移 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ • 反力 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ • 其它
...力载荷
• 施加一个力需要有以下信息: – 节点号(您可以通过施取确定) – 力的大小 (单位应与您正在使用的单位系统保持一 致) – 力的方向 — FX, FY, 或 FZ 使用: – Solution > -Loads- Apply > Force/Moment – 或命令 FK 或 F • 问题: 在哪一个坐标系中 FX, FY, 和FZ 有说明？
1st point pinned- 3 translational constraints
2nd point constrained in both directions normal to line between 1st & 2nd constrained points
加载
加载约束载荷
1. ..... 2. ..... 3. ..... procedure
定义
自由度约束
举例
• 结构分析中的固定位移 零或者非零值) 。大多数自由度约束用作： 结构分析中的固定位移(零或者非零值 大多数自由度约束用作： 零或者非零值 – 对称性边界条件或者称作“built-in”边界条件 对称性边界条件或者称作“ 边界条件 – 指定刚体位移。 指定刚体位移。 • 热分析中的指定温度。 热分析中的指定温度。
体载荷
体载荷分布复杂情形
体载荷分布一般都很复杂， 体载荷分布一般都很复杂，必 须通过其它分析才能得到， 须通过其它分析才能得到，例 如通过热应力分析获得温度分 在某些情况下， 布。在某些情况下，体载荷是 由当前分析结果决定， 由当前分析结果决定，这就需 要进行耦合场分析。 要进行耦合场分析。
结构分析模型上温度分布
集中载荷
集中载荷 就是作用在模型的一个点上的载荷。 就是作用在模型的一个点上的载荷。
定义
集中载荷
举例
• 结构分析中的力和弯矩。 结构分析中的力和弯矩。 • 热分析中热流率。 热分析中热流率。 • 集中载荷可以添加到节点和关键点上。(添加到关键点上的力将自动 集中载荷可以添加到节点和关键点上。 添加到关键点上的力将自动 转化到相连的应节点上。 转化到相连的应节点上。)
面载荷
在块顶面上施加均布压力
面载荷
变化面载荷情形
梯度 在面载荷中可能 会使用到。 会使用到。你可以给一 按线性变化的面载荷指 定一个梯度， 定一个梯度，例如水工 结构在深度方向上受到 静水压。
加载
加载面力载荷（ 加载面力载荷（续）
500 L3 VALI = 500 500
坡度压力载荷沿起始关键点(I) 坡度压力载荷沿起始关键点 线性变化到第二个关键点 (J)。 。
自由度约束
固定位移约束举例: 固定位移约束举例 对称边界条件的添加
对称性或反对称边界 条件可以添加到线、 条件可以添加到线、 面或平面的节点上。 面或平面的节点上。 ( 它们中的每一个最后 成为各个节点上的一 组约束。 组约束。) 在大多数 情况下， 情况下，ANSYS将自 将自 动确定约束的方向。 动确定约束的方向。
•
结构实体单元 的切向 (或其它 或其它 方向) 压力。 方向 压力。 实体热单元的 辐射描述。 辐射描述。
•
加载
加载面力载荷 Main Menu: Solution > -Loads- Apply > Pressure > On Lines
拾取 Line
输入一个 压力值即为 均布载荷, 均布载荷 两个数值 定义 坡度压力
加载
1. ..... 2. ..... 3. ..... 步骤
实体模型加载: 实体模型加载 Main Menu: Solution > -Loads- Apply >
自由度约束
自由度约束就是给某个自由度 自由度约束就是给某个自由度(DOF)指定一已知数值 (值不一定 就是给某个自由度 指定一已知数值 值不一定 是零)。 是零 。
中国矿业大学（北京） 中国矿业大学（北京）
有限元分析软件 ANSYS
夏昌敬
加载& 加载&求解
wenku.baidu.com
加载
• 求解是对模型施加荷载，然后通过求解器计算有限元 解。 • 荷载可以在前处理器或求解器中施加。
定义荷载
• 荷载可以分为五类：
自由度约束 集中荷载 表面荷载 体荷载 惯性荷载
指定自由度值。诸如应力分析中的位移或 热分析中的温度。 点荷载。如力或热流率。 分布在表面的荷载，如压力或对流。 体或场荷载，如温度（引起膨胀）或内部 热生成率。 由于结构质量或惯性引起的荷载，如重力 或转动速度。
添加载荷应遵循的原则
举例: 举例 向结构添加匹配载荷
需要约束Y方向上的一个点 你可能 需要约束 方向上的一个点 - 但这样做会在约束点位置产生应力奇 异...
constrained point
stress singularity
添加载荷应遵循的原则
举例: 举例 向结构添加匹配载荷
如果你将整个左边边界的垂直自由度全部约束，可能会更好些，但人为阻碍“ 如果你将整个左边边界的垂直自由度全部约束，可能会更好些，但人为阻碍“ 泊松效应” 一个方向上的应力引起其它方向上的应变）， ），造成应力场局 泊松效应”（即，一个方向上的应力引起其它方向上的应变），造成应力场局 部失真。 部失真。
集中载荷
对于结构分析而言
• 集中载荷通常是向由梁 集中载荷通常是向由梁(beam)、杆(spars)和弹簧 、 和弹簧(springs)构成的非连续性 和弹簧 构成的非连续性 的模型添加载荷的一种途径。 的模型添加载荷的一种途径。 • 对于由壳单元 对于由壳单元(shells)、平面单元(XY plane elements)或者三维实体单元 、平面单元 或者三维实体单元 (3-D solids)等组成连续性模型，集中载荷意味存在应力奇异点。 等组成连续性模型， 等组成连续性模型 集中载荷意味存在应力奇异点。 – 你可以用等效集中载荷代替静力分布载荷，并添加到模型上。 你可以用等效集中载荷代替静力分布载荷，并添加到模型上。 – 如果你不关心 集中载荷作用)节点处的应力，这样做是可以接受的。 如果你不关心(集中载荷作用 节点处的应力 这样做是可以接受的。 集中载荷作用 节点处的应力，
载荷考虑
• • 与其它单个分析因素相比，选择合适的载荷对你的分析结果影响更大。 与其它单个分析因素相比，选择合适的载荷对你的分析结果影响更大。 将载荷添加到模型上一般比确定是什么载荷要简单的多。 将载荷添加到模型上一般比确定是什么载荷要简单的多。
…定义荷载
• 可以对实体模型加载或对有限元模型直接加载（节点和 单元） 。
例 要固定一边， 要固定一边，只 要拾取关键点6、 要拾取关键点 、 7,并设置 all 并设置 DOFs = 0 和 KEXPND = yes.
K6
K7
加载
加载约束载荷（ 加载约束载荷（续）
1. ..... 2. ..... 3. ..... 步骤
在线和面上加载位移约束: 在线和面上加载位移约束 Main Menu: Solution > -Loads- Apply -StructuralDisplacement > On Lines + OR On Areas+
自由度约束
固定位移约束举例: 固定位移约束举例 刚体位移约束
该方块上下面受压。 该方块上下面受压。它需 要仔细选择6个平移自由度 要仔细选择 个平移自由度 ，并约束它们的刚体运动 ，但不能引起附加扭曲应 力。
3rd point constrained normal to plane passing through all 3 constrained points
惯性载荷
惯性载荷 是由物体的惯性（质量矩阵）引起的载荷，例如 是由物体的惯性（质量矩阵）引起的载荷， 重力加速度，加速度，以及角加速度。 重力加速度，加速度，以及角加速度。
定义
惯性载荷
特点
• 惯性载荷只有结构分析中有。 惯性载荷只有结构分析中有。 • 惯性载荷是对整个结构定义的，是 惯性载荷是对整个结构定义的， 独立于实体模型和有限元模型的。 独立于实体模型和有限元模型的。 • 考虑惯性载荷就必须定义材料密度 (材料特性 材料特性DENS)。 材料特性 。
绕Y轴的角速度 轴的角速度
添加载荷应遵循的原则
• •
准则
简化假定越少越好。 简化假定越少越好。 使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合。 使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合。
添加载荷应遵循的原则
举例: 举例 向结构添加匹配载荷
分析一受垂直载荷的托架。 分析一受垂直载荷的托架。 怎样才能使模型左边边界在垂 直方向上不存在运动？ 直方向上不存在运动？
– 实体模型更容易加载，因为可供拾取的实体少。 – 而且，实体模型荷载独立于网格。如果改变网格无需重新加载。
线上施加压力
单元表面施加压力
线约束
节点约束
实体模型
FEA 模型
关键点上的力
节点力
…定义荷载
• 无论怎样加载，求解器都要求荷载加在有限元模 型上。因此，在求解时加在实体模型上的荷载， 将自动转化到有限元模型上。 • 在求解之前，通过使用SBCTRAN命令，可以将实 体模型荷载转化到有限元模型上。在察看实体模 型和有限元模型上所有荷载的时候经常用到。 – 例如，如果压力是加在面上，在绘制单元的时 候将见不到压力，必须通过SBCTRAN 命令或 者在求解之后才能看到。
在关键点加载位移约束: 在关键点加载位移约束 Main Menu: Solution > -Loads- Apply -StructuralDisplacement > On Keypoints +
拾取 keypoints
Expansion option 可使相同的载荷加 在位于两关键点连线的所有节点上
面载荷
面载荷 就是作用在单元表面上的分布载荷。 就是作用在单元表面上的分布载荷。
定义
面载荷
举例
• 结构分析中的压力。 结构分析中的压力。 • 热分析中的对流和热流密度。 热分析中的对流和热流密度。 • 面载荷可以添加到线或面上 (实体模型上的实体 、以及节点或单元上 实体模型上的实体)、 实体模型上的实体 。 • 作用在线或面上的面载荷最终会传到面内各个单元上。 作用在线或面上的面载荷最终会传到面内各个单元上。
1000 500 L3 VALI = 500 VALJ = 1000
如果加载后坡度的方向相反, 如果加载后坡度的方向相反 将 两个压力数值颠倒即可。 两个压力数值颠倒即可。
1000 500 L3 VALI = 1000 VALJ = 500
面载荷
面载荷不是垂直于表面的情形
面效应单元上 某些类型的载荷只能作用在 面效应单元上，这些单元的作用是将载荷传递 到模型的其它单元： 到模型的其它单元：
集中荷载
• 力是施加在节点或关键点的 集中荷载（或“点荷载”）。 • 点荷载适合于线单元模型， 例如，梁，桁架，翼梁，弹 簧等。 在实体单元或壳单元中，点 荷载往往引起应力异常，如 忽略点附近应力，结果仍然 可以接受。请记住：可以通 过选择“忽略”施加点荷载 的单元。
...集中荷载
• 在下面左图所示的二维实体单元中，注意加力位置出 现最大应力 SMAX (24,652)。 当不选择力附近的节点单元时，SMAX (12,279) 就会 移到底部角点处，这是由该角点处约束引起的另一处 Reflected about x-z plane 应力异常。