弹性力学及有限元法 ANSYS实例演示

ANSYS界面介绍
(6) 图形窗口：是ANSYS的图形输出区域，一般的交 互式图形操作也在此区域进行。
(7) 状态栏：显示当前操作的有关提示。 (8) 输出窗口：如图2所示。输出窗口接受ANSYS软件
运行时所有的文本输出，比如命令的响应、注释、 警告、错误以及其他的各种信息。一般情况下，这 个窗口隐藏在主窗口后面。
图4.2
图4.3
实例——静力学分析
加外部激励 选择求解模块里的Define Loads→Apply→Structural→
Force/Moment→On Nodes，如图4.4。然后选择大小齿轮外圆中点 ，如图3.15中所示，点击OK。会弹出图4.5中的对话框。
图4.4
图4.5
实例——静力学分析 选择载荷所沿坐标轴的方向，然后在下方输入载荷
图1.1
实例——静力学分析
点开PARA就会出现如图 1.2所示的对话框。在右边的 对话框里选择文件所在位置 ，左边对话框显示所选文件 里的x_t文件。
这里要注意一下，由于 我们要导入ANSYS里是面， 所以在右下方的Geomelty Type选项要选择Surface Only 或者All Entities。导入之后如 图1.3所示。
图3.8
，我们可以把单元划分 点。选择MeshTool上方的
S的m细art致S一ize，图3.8。可拖动滑块来改变网格划分的
细
致程度，数字越小，网格越密。
实例——静力学分析
这里我们选择 等级4，然后点 Mesh，得到图3.9。 我们可以看到，图 3.9的网格质量就要 比图3.7好很多。
图3.9
实例——静力学分析
图3.6
实例——静力学分析
之后我们会会
得到如图3.7所示
的网格图。我们可
以看到由于我们之
前对线段1和线段2
进行了人为的划分
，所以，线段1和
图3.7
线段2分别是4个单 圈的部分)。
元和2个单元(画红
实例——静力学分析
我们可以看到，由
于是自由划分，所以 网
格的质量比较差，单元
大小不一。为了改善网
格质量，提高计算精度
最后，我们通过旋转的 方式来生成轴。选择前处理 模块中的 Modaling→Operate→ Extrude，再选Elem Ext Opts ，就会弹出如图3.10所示的 对话框。这里，我们要把单 元类型选成实体单元 solid186。在对话框下面有 个单元划分数量的对话框， 至少要写1，这里我们划分4
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图2 信息输出窗口
APDL简介
ANSYS参数化设计语言(APDL)是一门可用来自动 完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分 析模型的脚本语言，用建立职能化分析的手段为用户提 供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根 据制定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定，是 完成优化设计和自适应网格的最主要的基础。APDL允 许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属 性有控制权，如分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、 边界条件施加的位置和网格的密度等。APDL扩展了传 统有限元分析的范围，并扩展了更高级运算包括灵敏度 研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化等 。
图3.11 图3.12
实例——静力学分析
显示单元。在使用菜单中，选plot→element(图3.15) ，就能显出如图3.14所示的模型了。
图3.13
图3.14
实例——静力学分析
加载求解
确定分析类型 在主菜单中选择求解模块solution，然
后选择Analysis Type→New Analysis命令，出现New
Analysis对话框。选择分析类型为Static(静力分析)，如
图4.1所示。单击OK关闭该对话框。
图4.1
实例——静力学分析
加约束 选择求解模块里的Define Loads→Apply→Structural→ Displacement→On Areas如图4.2。然后选择图3.15中1轴和2轴的表 面，单击OK。弹出如图4.3所示的对话框，选择需要约束的自由度 。
动力学分析
3. 瞬态分析
瞬态动力学分析(也称时间历程分析)是用于确 定承受任意的随时间变化载荷的结构的动力学响应 的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静 载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随 时间变化的位移、应变、应力和力。载荷和时间相 关性使得惯性力和阻尼力作用比较重要。如果惯性 力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬 态动力分析。
图2.5
实例——静力学分析
划分单元
用前处理模块 中meshing模块来 划分网格。在 meshing模块里， 我们使用划分工具 栏(meshtool)来进 行划分，如图3.1 。
图3.1
实例——静力学分析
首先我们要确定要使 用单元，先选择图3.1中 ①所示选项，会弹出如 图3.2所示的对话框。在 第一个选项单元类型编 号中，我们可以看到， 之前定义的两个单元 plan42和solid186都在里 面，由于我们现在要划
动力学分析
通常动力分析的工作主要有系统的动力特性分 析(即求结构的固有频率和振型)，和系统在受到一 定载荷时的动力响应分析两部分构成。根据系统的 特性可分为线性动力学分析和非线性动力学分析两 类。根据载荷随时间变化的关系可以分为稳态动力 学分析和瞬态动力学分析。
动力学分析
1. 模态分析
模态分析用语确定设计机构或机器部件的振动特性 (固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是 承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作 为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态分析、谐响应 分析和谱分析。其中模态分析也是进行谱分析或模态叠 加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必须的前期分析过 程。
图1.2 图 1.3 导入之后的
面
实例——静力学分析
定义单元和材料属性
定义单 元 在前处理模块
(Preprocessor)里， 选择Element
Type→
Add/edit/delete，如
图2.1所示
图2.1
实例——静力学分析
之后会弹出如图2.2所示的对话框。根据我们的实 际需要来选择单元，这里我们选择plan42面单元和 solid186体单元，如图2.3所示。
动力学分析
2. 谐响应分 析 任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周
期响应(谐响应)。谐响应分析是用于确定线性结构在承 受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的一 种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应 并得到一些响应值(通常是位移)对频率的曲线。从这些 曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对 应的应力。该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考 虑发生在激励开始时的瞬态振动。
Beam188是三位线性或者二次梁单元。每个节 点有六个或者七个自由度。这个单元非常适合线性 、大角度转动和非线性大应变问题。
实例——动力学分析
下面是单元的几何示意图
实例——动力学分析
建立模型
建模过程和其他类型分析类似，但要注意以下两点： 在模态分析中只有线性行为是有效的。 材料兴致可以是线性的或非线性的、各向同性的或正交
由于实体建模单元数多，计算慢，效率低，所 以，这种轴对称模型我们一般用梁单元(beam)和壳 单元(shell)来模拟。这种简化单元具有精度高，运 算速度快，效率高的优点。
下面我们先简单介绍一下Beam188单元
实例——动力学分析
Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的 梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑 了剪切变形的影响。
图3.10
实例——静力学分析
在Areas下拉菜单中 选择About Axis，如图 3.11。然后选择需要旋转 的面，点OK。再选择旋 转轴上的两点，如图3.9 红圈所示，点OK。会弹 出如图3.12所示对话框， 在下面一栏里，填上一周 所分体数量，这里把体一 周分成4份，然后点OK， 得到图3.13。
图3.3
实例——静力学分析
会弹出图3.4所示对
话框，在划分单元数中
，输入你想划分的单元
数，这里我们选择把线
段1分成4份，点击OK
图3.4
。对线段2进行同样的
处理，这里我们把线段
2分成2份，最后得到图
3.5。
图3.5
实例——静力学分析
接下来我们对整个 面进行划分网格。我们 这里选择默认的自由划 分，点击Mesh，会提示 你让你选择想要划分的 面(图3.6)，点击这个面 或者选pick all。
实例
下面用个例子来简单介绍一下动力学分析和静力学分析 。
图3 中速轴
图4 中速轴受力图
实例
上图为二级减速器中速轴，如图3和图4所示，具体参数 如下： 转速： 外载：小齿轮： 大齿轮： 齿数：小齿轮：n1=24，大齿轮：n2=96
实例——静力学分析
静力学分析
模型的导入
为了方便建模，我们一般在CAE软件进 行一些复杂的建模。这里使用solidworks软 件进行建模辅助。我们先在solidworks里建 立齿轮-轴系统的平面图，并储存为中间格 式parasolid(x_t)。然后将平面导入到 ANSYS里：File-Import。在Import里我们 能看到6中可以导入到ANSYS里的文件类 型，我们这里选择PARA(如图1.1)。
ANSYS界面介绍
(3) 命令输入窗口：通过这个窗口，可以直接输入 ANSYS支持的命令，以前所有输入过的命令以下拉 列表的形式便于再次输入。
(4) 快捷菜单：允许用户自定义一些按钮来执行一些 ANSYS命令或者函数。
(5) 主菜单：包括一些基本的ANSYS命令，以处理器 的类型来组织(预处理器、求解器等)，具体的命令 是否可用，与ANSYS当前所处的处理器位置有关。
图3.2
分的是面，所以选择面 单元plan42。
实例——静力学分析
由于我们要确定在齿轮中 心要有节点，方便以后加载力 ，所以，我们要人为的把齿轮 部分特殊等份，要对线进行划 分。首先选择图3.1中②所示选 项，会让你选择你想要划分的 线，如图3.3所示。然后我们选 择图1.1中的线段1，点击OK。
图2.2
图2.3
实例——静力学分析
定义材料属性
材料我们在前处理模 块里的Material Props→Material Models中 设置，如图2.4 。
图2.4
实例——静力学分析
点开之后，会看到如图2.5所示的对话框，左侧是以 定义的材料，右侧是具体需要定义的材料属性。这里我 们需要定义的弹性模量，泊松比以及密度。然后关闭对 话框。
各向异性的、恒定的或和温度相关的。 下面是用梁单元建立的有限元模型。其中轴承部分
APDL简介
APDL具有下列功能
标量参数
数组参数
表达式和函数 分支和循环
重复功能和缩写 宏 用户程序
静力学分析
ANSYS软件中结构静力分析用来分析由于稳态 外载荷引起的系统或部件的位移、应力、应变和力 、静力问题。适合于求解惯性及阻尼的时间相关作 用对结构响应的影响并不显著的问题。静力分析能 够分析稳定的惯性力(如重力和旋转件所受的离心力 )和能够被等效为静载荷的随时间变化的载荷作用下 结构响应的问题。这种分析类型有很广泛的应用， 如确定结构倒角处的应力集中程度，或预测结构中 由温度引起的应力。
弹性力学及有限元法 ANSYS实例演示.ppt
ANSYS界面介绍
图1 用户界面
ANSYS界面介绍
在启动ANSYS后，就可以打开如图1所示的图 形用户界面(GUI)。 (1) 应用菜单：包括一些在整个分析过程中都有可能用 到的一些命令，比如文件类命令、选取类命令以及 图形控制和一些参数设置等。 (2) 标准工具栏：包括一些常用的命令按钮，这些按钮 对应的命令都可以在应用菜单中找到对应的菜单项
Nodal，弹出如图5.2所示的对话框，然后选择Nodal Solution查看不
同结果。
图5.1
图5.2
实例——静力学分析 位移变形图
X方向位移
Y方向位移
Z方向位移
整体位移
实例——静力学分析 受力图
X方向受力
Z方向受力
Y方向受力 整体受力
Байду номын сангаасises应力图
实例——动力学分析
动力学分析 单元的选择
的大小。这里，载荷的正负号表示沿某一坐标轴正方向 和负方向。单击OK完成加载，加载之后如图4.6所示。
图4.6
实例——静力学分析 求解 选择Solution→Solve，点击OK，开始求解运算， 如图4.6。
图4.6
实例——静力学分析
查看求解结果
在主菜单中选择General Postproc→Plot Result→Contour Plot→