ANSYS膜结构分析
密封机构ANSYS 分析图
图一
图二
彭老师您好，上面两图所示是我依据谭老师的问题建立的一密封机构部件图，此密封座由端盖1（材料为Q235）、O型橡胶密封圈2（材料为丁腈橡胶6个）、不锈钢垫片3（5个）、密封座4（材料为Q235）和套筒5（材料为Q235）组成。
图一是端盖封闭前的图样，图二是端盖封闭后的图样。
从图二中，可明显的看出，端盖合好以后，橡胶密封圈因挤压而变形了，每个O型圈的变形量不同，总变形量为8mm，不考虑不锈钢垫片与密封座之间的摩擦。
现在需要用ANSYS进行变形后的如下分析：
1.每一个O型橡胶密封圈的变形及应力分布；
2.每一个不锈钢垫片的变形及应力分布；
3.端盖及密封座的变形及应力分布。
现在存在的问题：
1.如何对这6个密封圈加载，因为每个密封圈的变形量都是不同的。
2.对于这种已知总体变形量却不知道每一个密封圈的受力情况，该怎样入
手？
我查阅了国内一些关于O型密封圈的ANSYS分析的文献，但是里边的都只分析了装有一个密封圈的情况，对于这种多个密封圈串起来，不知该如何下手了。
还请彭老师指点一下我该查阅哪学方面的资料，去尽早的解决这个问题。
ansys结构分析基本原理
1 应力-应变关系本文将介绍结构分析中材料线性理论，在后续再介绍材料非线性的理论。
在线弹性理论中应力-应变关系：(1)其中：{σ}：应力分量，即在ANSYS软件里以S代替σ形式出现。
[D]：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。
利用(14)～(19)给出了其具体表达式。
(4)给出了其逆矩阵的表达式。
通过给出完整的[D]可以定义少数的各向异性单元。
在ANSYS中利用命令：TB,ANEL来输入具体数值。
：弹性应变矢量。
在ANSY中以EPEL形式输出。
{ε}：总的应变矢量，即{εth}：热应变矢量，(3)给出了其定义式，在ANSYS中以EPTH形式给出。
注意：{εel}：是由应力引起的应变。
软件中的剪切应变( εxy、εyz和εxz)是工程应变，他们是拉伸应变的两倍。
ε通常用来表示拉伸应变，但为了简化输出而采用此表示。
将在材料的非线性分析中说明总应变的分量，以EPTO形式输出。
图1 单元的应力矢量图如图1给出了单元应力矢量图。
ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正，压缩时为负。
(1)式还可以被写作以下形式：(2)三维情况下，热应变矢量为：(3)其中：：方向的正割热膨胀系数。
ΔT=T-T refT：问题中节点当前温度。
：参考温度也就是应变自由时的温度。
用TREF或MP命令输入。
Tref柔度矩阵的定义：(4)其中：E x: 方向上的杨氏模量，在MP命令中用EX输入。
v xy:主泊松比，在MP命令中用PRXY输入。
:次泊松比，在MP命令中用NUXY输入。
vyxG: 平面上的剪切模量，在MP命令中用GXY输入。
xy此外，[D]-1是对称矩阵，因此(5)(6)(7)由(5)～(7)，可知νxy 、νyz 、νxz 、νyx 、νzy 和νzx是不独立的，因此程序中必须输入νxy 、νyz 和νxz (以PRXY, PRYZ, and PRXZ 标记输入)或νyx 、νzy 和νzx(以NUXY, NUYZ, and NUXZ 标记输入)。
ANSYS张拉索-膜结构找形分析技术
ANSYS张拉索－膜结构找形分析技术一．前言索膜结构是应用非常广泛的一种结构形式，由于索膜在无应力情况下没有刚度，不具有承载力和一定的形状，所以必须施加适当的预应力来使其产生足够的刚度并确定性状。
其设计中主要涉及到三个关键环节：找形、载荷分析、裁剪分析。
找形也叫形态分析，指的是给定预应力分布以及控制点(即约束点，通常为实际的支座点)坐标，通过适当的方法确定该预应力分布下索膜结构的平衡形态。
载荷分析是用来分析预应力索膜结构在外载荷作用下的应力、位移，确定其承载能力，以验证结构是否具有足够的刚度（此刚度为预应力刚度）以及在外载荷作用下是否会出现皱褶。
裁剪分析是将通过找形荷载荷分析确定的膜面（通常为不可展曲面）预应力释放，并根据几何拓扑理论进行适当的剖分，然后将剖开的膜片展开为平面，作为施工下料的依据，以保证施工安装后的膜面形状与分析得到的形状相吻合。
裁剪分析涉及到几何拓扑理论，单纯用有限元分析工具解决有一定困难，需要综合有限元工具以及其它一些特殊的技术来解决，需要有限元以外的专门研究与开发，所以本文不准备讨论ANSYS在这方面的应用。
载荷分析是一个预应力索膜结构的典型有限元分析，对于ANSYS没有任何困难，只要在给预应力作为初应力施加于相应单元，同时打开大变形效应，施加其它载荷，ANSYS就会考虑预应力的预应力刚度进行计算得到相应的结果。
所以没有任何困难，本文也将不去讨论。
找形是载荷分析和裁剪分析的基础，是索膜设计的出发点，也是一个难点，需要找到给定预应力分布下的平衡形态，因为预先并不知道该形态，在初设形态下预应力一般不能平衡，需要通过适当的方法进行迭代计算来确定能够使预应力分布平衡的位移形态。
本文将探讨这种计算方法，并给出ANSYS解决方案以及相应的验证算例。
二．ANSYS的找形方法1．单元类型采用SHELL181和LINK180。
其原因如下分析。
ANSYS提供了膜单元（SHELL41）以及其它的壳单元（SHELL181、SHELL63等），膜单元考虑了膜的性质，不抗弯、不抗压。
实验四-五：结构静力分析与ANSYS模态分析
3.设置材料属性:MainMenu>Ｐreprocｅssor＞materｉａl proｐｓ> matｅrial mｏdelｓ,弹出一个对话框，在materialｍodels avaiablｅ下面的对话框中双击打开ｓtruｃｔuｒal>linｅaｒ>ｅｌastic>isoｔropic又弹出linｅarｉsoｔropicproｐｅrｔiesｆorｍateｒiａｌNumbeｒ １对话框,在ＥX后面输入1.9E１1,在ＰＲXＹ后面输入栏中输入0.3,在双击deｎsity,在DENS后面输入2.33e3，单击OＫ,然后单击ｍateｒial>exｉt,完成材料属性的设置。如图4-2１．
图４-14
6.施加约束：MaiｎＭenｕ>sｏｌuｔion>defｉne loａds>aｐｐly＞sｔrｕcturaｌ>ｄisplacｅｍｅnt>onareas.拾取圆的周围面，如图:然后单击OK．又出来一个对话框,选择AＬL DOF.单击OＫ。如图4－15.
图4-1５
7.施加载荷：ＭａinＭenu>ｓolution>defｉnelｏads>apｐlｙ>ｓtructural>pressure>ｏｎAreas．出现拾取框,拾取图形上垂直与Ｚ轴并且是穿过坐标（0，0,１３.8８7)的面，然后单击ＯK。出现一个对话框，在ｖalｕeloａｄｐresValuｓ后面输入1000０0，单击OK。如图4－16.
图4-1９
２..设置单元类型:MaｉnＭｅｎu>Preprocessor>eｌemｅｎt tyｐｅ>aｄd／edit／ｄeｌｅte,弹出一个对话框,点击add,显示libｒaryｏfｅlemｅｎｔtype对话框如图:在ｌｉbrarｙof element type下拉列表框中选择stｒuctｕｒal sｏlide项，在其右侧下拉表框中选择brick 8node 45选项，单击OK.在点击close.如图4－20.
基于ANSYS的恒张力薄膜外载荷作用下变形分析
关键词 ： 恒张力， 薄膜， 分析方法 ， 线性有限元法， 非 变形 １ ＇ ７题
中 图分 类 号 ： Ｕ３ ２ Ｔ １ 文 献 标识 码 ： Ａ
薄膜材料质量轻 、 柔性好 ， 在一 定预 紧力 作用下 能够抵抗 外
载［ 。平面薄膜结构简单 ， 于张紧和控制 ， 便 广泛用于建筑 、 工业 等诸 多领域之 中。对于 固定 边界 的薄膜长期 使用后 容易产生 徐 变， 常需要二次 张紧才能保证工作 性能 。一些 自动化控 制的场 ２
数 的最 小 值 。具 体 分 析过 程 如 下 ：
到之后 ， 具体时间应选 择在气 温相对 为最低 时 ； ） ３ 后浇带 的填筑 ［ ］ 李富民． 筋混凝 土框 架结构伸缩缝 间距计 算［ ］ 中 国矿 １ 钢 Ｊ． 材料应选择微膨胀混凝土。 参考文献 ： 业大学学报 ，０５ ５ ：２２ ． ２ ０ （ ）２ —４ ［ ］ 曾 燕． ２ 伸缩缝间距设置的讨ｉ ［］建筑结构 ， ０ （）３－３ ｇＪ ． － ２ ２５ ： ３ ． ０ ０
Байду номын сангаас
１ 恒 张力薄 膜模型 及分析 方法
软件提供参 数化 的编程语言 ， 可方便的实现用户的二次开发。
恒张力薄膜受 到外载荷 作用时 ， 通过 卷筒收 、 放卷来 维持 恒 ２ 算 例 定 的张力 。如图 １ 所示 ： 中虚线部分 表示 卷简 ， 其 工作状 态时 ， 薄 恒 张力 薄膜模型 如图 １所示 ： Ｂ端 固定 ， Ｄ 端 张力控制 ， Ａ Ｃ 膜Ａ Ｂ端固定 ， Ｄ 端与卷筒连接 ， Ｃ 并做恒 张力控制 。如果建立 薄 长度均 为 ５ｍ； ＡＤ， Ｃ 为 自由边 ， 度均 为 ６ｍ。张力 大小 为 Ｂ 长
基于 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ的恒 张 力薄膜 外 载 荷作 用下 变形 分析
(完整版)ANSYS模态分析实例和详细过程
均匀直杆的子空间法模态分析1.模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结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，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、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谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。
前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。
ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。
2.模态分析操作过程一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。
(1).建模模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。
(2).施加载荷和求解包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。
指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。
指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND.定义主自由度，仅缩减法使用。
索膜结构的Ansys分析方法_顾冬生
索膜结构的Ansys分析方法顾冬生 郭正兴李瑞刚(东南大学土木工程学院 南京 210096)(广州宏达工程顾问有限公司 广州 510635)摘 要 索膜结构找形可以通过提升初始状态的指定点到指定位置的方法进行。
在这个过程中小弹性模量理论得到了应用,最后真实的材料弹性模量必须能够重新赋予结构,以克服目前普遍应用小弹性模量不能恢复弹性模量真实值的不足。
考虑到目前有限元通用程序的广泛使用,着重研究了这一方法在A nsy s上的实现过程,为使用A nsy s进行索膜结构设计提供了理论解释。
关键词 索膜结构 找形 有限元模型 小弹性模量THE ANALYSIS OF CABLE MEMBRANE STRUCTURE WITH ANSYSG u D ongsheng G uo Zhengxing(Department of Civil Engineering,Southeast University Nanjing 210096)Li Ruigang(Guangzhou Hongda Engineering Consultant Co.,Ltd Guangzhou 510635)ABSTRAC T T he form-finding o f cable membrane structure can be accomplished with the specific pedestals′up-lift to the specific place.I n this process,the low elasticity modulus method is used,and the real elasticity modulus should be redefined to the material in the end,which can overcome the deficiency of the method used now.T hinking of wide use of the finite element sof tw are,the realization of this process w ith A nsy s is discussed,w hich provides a theoretical explanation of using A nsy s to desig n a cable membrane structure.KEY W ORDS cable membrane structure fo rm-finding finite element model low elasticity modulus metho d 索膜结构造型活泼优美,富于时代气息。
王秀红 用ANSYS实现索膜结构第二次找形与第一次找形结果比较
用ANSYS 实现索膜结构第二次找形与第一次找形结果比较王秀红（石家庄铁道学院四方学院土木系）摘要：本文简单介绍了利用非线性有限元法进行索膜结构找形分析的相关理论和相应的有限元计算公式，提出二次找形的必要性。
应用ANSYS 大型设计软件，通过算例，主要从应力分布、总面积、支座反力及两次找形位移差四方面进行了比较。
关键词：索膜结构，二次找形，非线性有限元1.引言索膜结构是近几十年发展较为迅速的大跨空间柔性体系，由于其自重轻，建筑造型优美，适合建造大跨结构等优点，因而受到广大建筑师、结构师的青睐。
但索膜结构是一种柔性结构，它的结构分析与传统的刚性结构有显著的不同。
要进行索膜结构设计，必须要经历找形分析、裁剪分析、荷载分析及风振响应分析等几个阶段。
其中找形分析是进行索膜设计的第一步，是关键性的一步，它关系到建筑师提出的结构外形能否被实现。
国内外很多学者都对找形问题进行了研究，提出了各种找形分析方法。
主要有力密度法、动力松弛法及非线性有限元法等。
其中非线性有限元法精度最高，是最常用的一种方法。
非线性方程为：[][][](){}{}{}G E L e e eK K K U R F ++⋅∆=- （1） 2 二次找形的方法2．1二次找形概念的提出需要注意的是，几何形状确定完全是静力平衡问题，与结构的材料性能弹性模量没有关系，在第一次找形时取了虚假的弹性模量（一般为实际值的1/100-1/1000），即为“小弹性模量法”，使得初始位形向目标位形过渡过程中产生的附加应力很小，从而使得找形后的曲面上可以保持初始设定的预应力状态，是传统观点所认为的最优化的膜结构。
同时，在非线性求解过程中，小弹性模量对加强收敛也有明显的作用。
但是，我们找形的过程并不代表真正的膜结构施工过程，在进行有限元计算时又取了虚假的索膜弹性模量，因此尽管找形后得到的曲面上索、膜内应力分布均匀，但内力的分布没有任何实际意义。
由于真正实际结构的存在和抵抗外荷载时，必须同时满足弹性力学中的三大方程，如果忽略掉材料的本构关系，这样得到的膜结构外形是不真实的。
基于ANSYS的整体张拉索膜结构荷载响应分析-张国军
基于ANSYS的整体张拉索膜结构荷载响应分析*张国军1李晓通2张曼生1(1中国航空规划建设发展有限公司，北京100120；2北京工业大学，北京100124)[ 摘要] ANSYS作为工程模拟的大型通用有限元计算软件，经过几十年的发展，在理论和算法上都趋于成熟，特别是在结构非线性的求解分析方面具有独特的优越性，因此基于ANSYS的索膜结构分析和研究越来越受到重视。
本文结合某一实际工程的算例分析来阐述ANSYS软件在整体张拉索膜结构体系设计研究中的应用。
通过分析，揭示了本文中索膜结构体系的静力性能、弹塑性性能和动力特性，为工程实践提供指导，并证明了ANSYS 能够对索膜结构的承载过程及其非线性特性进行准确的模拟和计算。
[ 关键词]ANSYS，整体张拉索膜结构，非线性，载荷分析Loading analysis of All-tension cable-membrane structurebased on ANSYSZhang Guojun1，Li Xiaotong2, Zhang Mansheng1(1 China aeronautical Project and Design Institute, Beijing 100120,China；2 Beijing University of Technology ,Beijing 100124,China )[ Abstract ] ANSYS, as a large general finite element software in engineering simulation, are becoming more and more mature in the theory and algorithm after decades of development. ANSYShas an unique advantage in the aspect of structure nonlinear analysis; so the analysis andresearch of cable-membrane structure based on ANSYS are taken seriously. This paperexpounds the application of ANSYS in the all-tension cable-membrane structure design andresearch combining with a practical engineering. The static performance, elastic-plasticperformance and dynamic characteristics of the structure are revealed and that will provideguidance for engineering practice. This paper also proves that ANSYS can make accuratesimulation and calculation in the loading process and nonlinearity of the cable-membranestructure.[ Keyword ] ANSYS, All-tension cable-membrane structure, Nonlinearity, Loading analysis.*北京市科技计划课题（Z131110*********），北京市科技新星计划项目（Z121106002512098）.张国军，博士，高级工程师，sanduo@1 前言索膜结构造型优美，富于时代气息，从其诞生起，就得到了工程界的广泛重视并且得到了长足的发展。
ANSYS的索膜结构找形系统研究
例种方法各有利弊，在实际操作中，可以综合应用 支座位移提升法和节点平衡法，进行找形。操作步骤 大致如下：采用小弹性模量技术，耀支座位移提升法得 到结构的最小越面，在魏结梅的扎何位形土更囊节点 坐标释放预应力，然后重颓设定结构真实的材料常数 和预廒力分布，在此基础上进符自平衡迭代求解，当前 后迭代的求解结果精度在设定容差内便终止求解，得 到的形态便是结构的真实形态。索膜结构找形的程序 流程图如图ｌ所示。
万方数据
８８
重庆建筑大学学报
第３０卷
构形态。提取建立几何投影模型所需要的参数，应提取 尽量少的参数，来确定这些结构的形态，这样可以更简 洁的创建模型。创建模型所需要的参数采用对话框的 方式与用户进行交互，用户输入数值为这些参数赋值。
预应力分布态的设置，索采用设置初应变的方式， 用户在赋值时，需要将初始拉力转变为初始应变；膜采 用降温法来实现施加预应力的效果。由于边界约束的 存在，在给出膜材热膨胀系数的条件下，只要计算出需 要降低的温度，就可以等效成需要施加的预应力，计算 公式为ｅ—ａ出。材料热膨胀系数口的取值，由于材料 热膨胀系数的作用仅仅是为了从数学上传递温度应 力，因此实际的做法没必要取用真实的热膨胀系数，可 以根据需要进行设置。求解设置模块需要根据找形过 程中的需要，采用对话框进行设定载荷步数。应力刚 化、大变形效应、线形搜索等开关则直接打开。对于找 形过程中，不需要经常改变的参数，比如根据力的收敛 准则，设定的收敛容差，可以直接用常数代替。 ３．２找形程序的具体实现
利用ＡＮＳＹＳ对索膜结构进行找形分析时，索单 元瘸Ｌｉｎｋｌ０来模羧，设置单元属性，使抒单元只麓承 受拉力，当承受疰力时，逯＆计算，鑫予索走预张力引 起的内力远大于重力引起的内力，所以这种单元是可 以较好模拟索的。膜单元用Ｓｈｅｌｌ４１（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｈｅｌｌ）来模拟，划分时采用三节点平面单元［６］。三角 形平顾单元是目前普遍使用的膜单元有限元力学模 型，它比较简单、实用，能够满怒一般的计算精度要求， 每个麓点有ｚ、Ｙ、ｚ三个方向位移。抒单元预应力通 过设宠羧应变来实现，膜单元颈应力震降温法来实现。
ANSYS模态分析实例和详细过程
均匀直杆的子空间法模态分析1。
模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结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，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、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谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。
前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析.ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace）、分块法(block lancets），缩减法(reduced/householder）、动态提取法(power dynamics）、非对称法（unsymmetric），阻尼法（damped)， QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。
ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等,即使被定义了也将被忽略。
2。
模态分析操作过程一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。
(1）。
建模模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤.(2).施加载荷和求解包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项,并进行固有频率的求解等。
指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。
指定分析选项，Main Menu—Solution—Analysis Type-Analysis Options,选择MODOPT(模态提取方法〕,设置模态提取数量MXPAND。
定义主自由度,仅缩减法使用。
基于ANSYS的硬质氧化铝薄膜_铝合金基体系统热屈曲变形有限元分析
收稿日期:2008-12-31基金项目:湛江师范学院科研基金资助项目(L0807)1作者简介:弓满锋(1973—),男,陕西宝鸡人,湛江师范学院物理科学与技术学院讲师,硕士,从事计算结构力学、材料加工技术等方面研究. 2009年6月第30卷第3期湛江师范学院学报J OU RNAL O F ZHANJ IAN G NORMAL COLL EGE J un 1,2009Vol 130 No 13基于ANSYS 的硬质氧化铝薄膜/铝合金基体系统热屈曲变形有限元分析弓满锋,梅 芳,张 沛(湛江师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048) 摘 要:假设薄膜和基体界面处于理想结合状态下,且不考虑薄膜中缺陷的影响,采用有限元软件(ANSYS 8.0)分析了(5～30)μm 厚氧化铝薄膜/铝合金基体系统中的热屈曲变形.结果表明:矩形薄板热屈曲后的拱高值随薄膜厚度的增加而增加,弦长和曲率值则随薄膜厚度的增加而减小.对应于(5～30)μm 厚度区间,拱高变化量分布在(0.0681～0.2876)mm 范围内,弦长变化量分布在(0.05817～0.05536)mm 范围内,氧化铝薄膜/铝合金基体系统翘曲变形的曲率值分布在(1091～4610)mm 的范围内,且曲率随薄膜厚度变化的非线性特征显著.矩形薄板x 方向位移U X 和z 方向位移U Z 均是关于y 轴对称的1另外,根据U Z 的变形特点可知拱顶位于x =0处,该处弯曲程度最为严重,易造成氧化铝薄膜开裂而失效.关键词:硬质氧化铝;铝合金;热屈曲;变形;有限元中图分类号:TB125 文献标识码:A 文章编号:1006-4702(2009)03-0057-050 引 言铝合金基体上制备的氧化铝薄膜具有非常高的硬度、良好的耐磨性和耐热冲击性、极高的抗氧化性以及近乎完美的表面修饰等优异的力学性能[1-2],故而广泛地应用于汽车、农业、机械、微电子和医疗器械等工业领域[3-6].然而,铝合金基体上沉积的电镀氧化铝薄膜在使用过程中表面常常萌生大量的微观裂纹或宏观开裂现象,甚至出现薄膜直接从基体上剥离而导致材料过早失效.这些失效行为又极大地限制了氧化铝薄膜的进一步应用.究其原因是铝合金基体和氧化铝薄膜两种材料之间热力学性能的不匹配性,而热力学性能的不匹配又必然造成薄膜和基体系统中产生热残余应力.过大的热残余应力会导致氧化铝薄膜力学性能的严重退化,比如薄膜自身抗拉强度的降低[7]和薄膜/基体界面结合强度的降低[8].为了改善电镀氧化铝薄膜/铝合金基体系统的力学性能和延长其服役寿命,对其热残余应力的研究显得非常重要[9].图1 基于应变协调理论的单面薄膜/基体系统理论模型1 理论模型单面沉积电镀氧化铝薄膜/铝合金基体系统的理论模型如图1所示.假设薄膜与基体界面结合良好,处于理想结合状态,即薄膜和基体系统在热膨胀时是满足应变协调条件.计算中基体选用4043铝合金材料,基体试样为矩形薄板状,具体尺寸是50mm ×10mm ×1mm (长×宽×厚).采用硫酸电镀—阳极氧化法在4043铝合金基体上沉积单面氧化铝电镀硬质薄膜,薄膜厚度为(5～30)μm.假设沉积的薄膜层厚度均匀,结构完整且各向同性的.湛江师范学院学报(自然科学)第30卷有限元计算中所采用的有关氧化铝薄膜/4043铝合金基体系统的力学性能参数见表1所示.表1 4043铝合金和氧化铝材料力学性能参数材 料弹性模量/E (GPa )密度/(g ・cm -3)泊松比/μ热膨胀系数/α(℃)-14043铝合金[10]702.700.3423.6×10-6氧化铝[11]3723.990.268.4×10-6 当薄膜/基体系统的各部分温度发生变化时,体系将由于热变形而产生线应变α(T -T 0),其中α是材料的线膨胀系数,T 和T 0分别是当前温度值和初始温度值,在此根据电镀工艺取T 0=-5℃,当前环境温度T =100℃.根据热应力理论[10]可知,如果材料的热变形不受任何约束,则系统内有变形而不引起应力,此时薄膜和基体中因为温度变化而产生的热应变ε分别是εc =αc ・(T -T 0)=αc ・ΔT εs =αs ・(T -T 0)=αs ・ΔT (1)其中:下标“c ”和“s ”分别表示薄膜和基体.当体系由于约束或各部分温度变化不均匀,热变形不能自由进行时,则在系统内产生应力,物体由于温度变化而引起的应力称为热应力或热残余应力.若不考虑其它外载荷、只有温度载荷作用时,体系会在薄膜和基体的热应力作用下产生热屈曲.由于约束和温度变化,实际上在薄膜/基体系统中产生一个相互协调的热变形ε,即εc =εs =ε=(αs -αc )・ΔT (2)考虑到载荷和结构x 向和y 向的对称性,为简化计算过程,只需选取体系的1/4部分进行有限元计算.有限元分析中采用SH ELL99壳单元,它是一种8节点3D 单元,每个节点有6个自由度[13].对于单面薄膜,可将SH ELL99壳单元设定为2层计算,在前处理过程中,对薄膜和基体设置不同的材料常数和属性值.2 结果分析与讨论2.1 z 方向变形U Z图2为10μm 厚氧化铝薄膜/4043铝合金基体系统上,由于温度变化而产生的z 向(即垂直于薄膜表面的方向)位移等值线图.可见由于薄膜和基体材料热力学性能的差异,当温度变化时,矩形薄板不再保持平面状态,而是发生z 向变形.这种变形的特点是:在长度方向(x 方向)上矩形薄板两端翘曲,翘曲的方向是有选择的.当温度升高时,铝合金一侧凸起而氧化铝薄膜一侧凹进;反之,铝合金一侧凹进而氧化铝薄膜一侧凸起.这是因为铝合金的热膨胀系数大于氧化铝的热膨胀系数,当两种材料升高相同温度,铝合金材料在长度方向上的变形量大于氧化铝材料的变形量,所以就造成体系凹向变形量小的氧化铝一侧.显然这种翘曲是体系中的薄膜和基体各自面内热残余应力的不同而造成的.图3是(5～30)μm 厚度范围内变化的氧化铝薄膜/铝合金基体系统z 向变形图.可见z 向的翘曲变形是关于y 轴对称的.在氧化铝薄膜比较薄时(h c =5μm ),矩形薄板翘曲相对比较平缓(曲率较大),随着氧化铝薄膜厚度增加,矩形薄板翘曲情况也变得更为严重,反映出薄板两端z 向位移绝对值大幅增加.当h c =30μm 时,薄板弯曲曲率最小.2.2 x 方向变形图4为10μm 厚氧化铝薄膜/4043铝合金基体系统上,由于温度变化产生的x 向(即薄板长度方向)位移等值线图.可见矩形薄板在温度变化的影响下x 向两边伸长.x 方向的变形U x 是关于yoz 平面对称的,y 轴(矩形薄板长度一半的位置)是其x 方向位移量的对称轴.矩形薄板上越靠近y 轴的位置U x 越小;远离y 轴的位置U x 越大,在矩形薄膜两端的位置U x 达到最大值.图5是(5～30)μm 厚度范围内变化的氧化铝薄膜/铝合金基体系统x 向位移图.当x >0时,矩形薄膜x 方向的位移U x 随着x 的增加而线性增大;当x <0时,矩形薄膜U x 随着x 的增加而线性减小.同样在矩形薄板的两端出现x 方向的最大位移,U x 随x 的变化与U z 类似.图中间的两个小图分别对应于左右两个85弓满锋等:基于ANS YS 的硬质氧化铝薄膜/铝合金基体系统热屈曲变形有限元分析虚线圈起位置(即x =-(20～15)mm 和x =(15～20)mm )的U x 局部放大图,目的是为了更清晰地表示不同厚度氧化铝薄膜对系统U x 影响.小图上面第1条斜线对应于0.005mm 厚度氧化铝薄膜U x 变化线,第2条对应于0.010mm 厚度,同理至第6条斜线表示0.030mm 厚度氧化铝薄膜U x 随x 变化关系.这种U x 斜线的上下关系反映出薄膜厚度对U x 的影响程度,也就是说,对应于矩形薄板上一个确定的x 位置,厚度越厚,则矩形薄板上x 方向的位移U x 也越小.图2 10μm 厚度氧化铝/铝合金系统z 方向位移等值线图 图3 不同厚度氧化铝薄膜/铝合金基体系统的z方向变形图图4 10μm 厚度氧化铝/铝合金系统x 方向位移等值线图 图5 不同厚度氧化铝薄膜/铝合金基体系统的x 方向变形图2.3 矩形薄板弯曲曲率表2拱高、弦长和曲率随薄膜厚度变化结果h c /μm f/mm l/mm ρ/mm 50.068150.11644610.1964100.126050.11492491.5076150.175550.11371788.6465200.218150.11261439.1807250.255150.11161230.3568300.287650.11071091.2515根据前面有限元计算得到的U z 值,可以获得矩形薄板弯曲拱高值f ,同理根据U x 值可得矩形薄板弯曲弧段的弦长值l.将其带入以下公式即可计算出矩形薄膜弯曲曲率值ρρ=(l/2)2-f 22f (3)其中l 和f 分别为薄膜/基体系统弯曲后的弦长和拱高.表2即为不同厚度氧化铝薄膜/铝合金基体系统弯曲后弦长、拱高和曲率等随薄膜厚度变化的计算结果.将表2中拱高f 所反映的U z 最大值,弦长所对应的U x 最大值以及曲率随薄膜厚度变化的计算结果绘制成图,如图6所示.由图6(a )可知,U z 最大值随薄膜厚度增加是增加的,而U x 最大值随薄膜厚度增加是减小的,两者表现出的变化关系均为非线性.在薄膜厚度较薄时两者的变化幅度要大于薄膜95第3期湛江师范学院学报(自然科学)第30卷厚度较厚时的变化幅度.在(-5～100)℃温度变化范围内,U z 和U x 的绝对值均相对较小,反映为两者的数量级均是mm 级,相比较而言U z 绝对值要比U x 的大(大约6倍).而曲率随薄膜厚度的非线性变化特点更为明显,如图6(b )所示.随着薄膜厚度增加,曲率总体趋势是不断减少的.当薄膜厚度5μm <h c <10μm 时,曲率随薄膜厚度增加而迅速减小.当薄膜厚度h c >10μm 后,曲率随薄膜厚度变化情况趋于缓和.在(5～30)μm 氧化铝厚度变化区间内,曲率处于(1.091～4.610)m 的变化范围内.曲率的变化情况有助于正确分析体系中的热残余应力,这部分内容将在后续的篇幅中予以介绍.图6 薄膜厚度对拱高、弦长和曲率的影响3 结 论本文应用ANS YS 分析了(5～30)μm 厚氧化铝薄膜/铝合金基体系统中的热屈曲变形,得出以下结论:1)矩形薄板热屈曲后,其拱高值随薄膜厚度的增加而增加,弦长和曲率值则随薄膜厚度的增加而减小.对应于(5～30)μm 厚度区间,氧化铝薄膜/铝合金基体系统翘曲变形的曲率值分布在(1.091～4.610)m 的范围内,且曲率随薄膜厚度变化的非线性特征显著.2)当温度升高时,铝合金一侧凸起而氧化铝薄膜一侧凹进;反之,铝合金一侧凹进而氧化铝薄膜一侧凸起.矩形薄板热变形表现出的U x 值和U z 值x 方向均是关于y 轴对称的.根据U z 的变形特点可知,当薄膜翘曲成一拱形时,薄板上x =0的位置位于拱形顶端,该处弯曲程度最为严重.故氧化铝薄膜/铝合金基体系统的危险区域在上下表面的中心部位,该处的热变形最大,也最容易造成该处薄膜发生胀裂先行失效.参考文献:[1]Barletta M ,L usvarghi L ,Pighetti F.Epoxy -based thermosetting powder coatings :surface appearance ,scratch adhesionand wear resistance[J ].Surface and Coatings Technology ,2007,201(8):7479-75041[2]Xu Lianyong ,Jin Hongyang ,Huo Lixing ,Zhang Yufeng.Y oung ’s modulus and interface fracture toughness of metal -base ceramic coatings [J ].Transactions of the china welding institution ,2006,27(8):147-1521[3]Krishna L R ,Purnima A S ,Sundararajan G.A comparative study of tribological behavior of microarc oxidation and hardanodized coatings[J ].Wear ,2006,261(10):1095-11011[4]Nie X ,Meletisa E I ,Jianga J C.Abrasive wear/corrosion properties and TEM analysis of Al 2O 3coatings fabricated usingplasma electrolysis[J ].Surf Coat Technol ,2002,149(2-3):245-251.[5]Chkhalo N I ,Fedorchenko M V ,Zarodyshev A V.Al/Al 2O 3new type of mirrors for intense synchrotron radiation beams[J ].Nucl Instr Meth Phys Res.A ,1995,359(1-2):127-130.[6]Pierri J ,Roslindo E B ,Tomasi R.Alumina/zirconia composite coated by biomimetic method [J ].J Non -Cryst Solid 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524048,China )Abstract :The interfaces between Al 2O 3film and Al -alloy subst rate are supposed to be in a perfect state ,and t he flaw effect in Al 2O 3film is also ignored.A finite element software (ANS YS 8.0)has been adopted to analyze t he t hermal flectio ns distortion of Al 2O 3films wit h (5-30)μm t hickness.The result s showed t hat t he arch height increased wit h increasing Al 2O 3films t hickness in t he rectangular t hin metal -sheet ,but t he chord 2lengt h and t he curvat ure decreased wit h increasing t hickness.When t he Al 2O 3filmst hickness changed f rom 5μm to 30μm ,t he U z maximum ,corresponding to t he arch -height change ,dis 2t ributed in t he range of 0.0681～0.2876mm ,t he U x maximum ,corresponding to t he chord -lengt h change ,dist ributed in t he range of 0.05817～0.05536mm ,and t he curvat ure changed f rom 1091mm to 4610mm.It was notewort hy t hat t he curvat ure no nlinearly changed wit h t he films t hickness.The U x and U z values were symmet rical about y axis.The bend extent at t he x =0was t he most serious ,which based on t he analysis of U z distortion characteristic ,and t he Al 2O 3films were easy to crack at t his location.K ey w ords :hard alumina ;Al 2alloy ;t hermal flectio n ;distortion ;FEM 16第3期。
ANSYS结构分析教程篇(45页,详细)(图文)
ANSYS结构分析基础篇一、总体介绍进行有限元分析的基本流程:1.分析前的思考1)采用哪种分析(静态,模态,动态...)2)模型是零件还是装配件(零件可以form a part形成装配件,有时为了划分六面体网格采用零件,但零件间需定义bond接触)3)单元类型选择(线单元,面单元还是实体单元)4)是否可以简化模型(如镜像对称,轴对称)2.预处理1)建立模型2)定义材料3)划分网格4)施加载荷及边界条件3.求解4.后处理1)查看结果(位移,应力,应变,支反力)2)根据标准规范评估结构的可靠性3)优化结构设计高阶篇:一、结构的离散化将结构或弹性体人为地划分成由有限个单元,并通过有限个节点相互连接的离散系统。
这一步要解决以下几个方面的问题:1、选择一个适当的参考系,既要考虑到工程设计习惯,又要照顾到建立模型的方便。
2、根据结构的特点,选择不同类型的单元。
对复合结构可能同时用到多种类型的单元,此时还需要考虑不同类型单元的连接处理等问题。
3、根据计算分析的精度、周期及费用等方面的要求,合理确定单元的尺寸和阶次。
4、根据工程需要,确定分析类型和计算工况。
要考虑参数区间及确定最危险工况等问题。
5、根据结构的实际支撑情况及受载状态,确定各工况的边界约束和有效计算载荷。
二、选择位移插值函数1、位移插值函数的要求在有限元法中通常选择多项式函数作为单元位移插值函数,并利用节点处的位移连续性条件,将位移插值函数整理成以下形函数矩阵与单元节点位移向量的乘积形式。
位移插值函数需要满足相容(协调)条件,采用多项式形式的位移插值函数,这一条件始终可以满足。
但近年来有人提出了一些新的位移插值函数,如:三角函数、样条函数及双曲函数等,此时需要检查是否满足相容条件。
2、位移插值函数的收敛性(完备性)要求:1) 位移插值函数必须包含常应变状态。
2)位移插值函数必须包含刚体位移。
3、复杂单元形函数的构造对于高阶复杂单元,利用节点处的位移连续性条件求解形函数,实际上是不可行的。
膜结构初始形态确定有限元分析
膜结构初始形态确定的有限元分析摘要：介绍索膜结构的特征和基本体系，寻找初始平衡态，确定初始形态的非线性有限元方法以及原理，建立相应的几何方程、物理方程和平衡方程；应用一个典型的膜结构工程作为算例分析，说明膜结构形态确定分析在ansys程序中实现的一般过程，最终确定膜结构的初始形态。
关键词：膜结构；初始形态；非线性有限元；ansys膜建筑是20世纪70年代发展university起来的一种新型建筑体系，是空间结构的重要组成部分。
柔性的膜结构的结构组成材料本身没有受压性能，只能通过施加预应力，使膜或者加强索获得必要的张拉刚度，从而形成抵抗外部荷载的结构抗力。
基于这点，结构形态确定就是膜结构设计过程很重要一个环节。
在给定的边界条件下，所施加的预应力的分布和大小与所形成的结构初始形状是相互联系的，合理的确定这一初始形状和相应的自平衡预应力，就是膜结构的初始形态分析。
膜结构的初始形态即结构正常使用时的形态，忽略其自身的微小的自重和自平衡预张力，结构不承受任何外部荷载，此时也成为结构零态。
一、膜结构及其形态确定理论概述（一）非线性有限元法找形的基本原理非线性有限元法找形的基本原理先将索膜结构离散成若干单元，然后针对索膜结构的小应变、大位移特点，应用几何非线性理论，建立以节点位移为基本未知量的非线性有限元方程组，最后用迭代计算方法并结合边界条件求解。
（二）平衡形态分析及基本假定由于初始平衡状态是纯力学平衡问题，与所采用的材料无关，故在计算过程中采用小弹性模量法，以便使结构自由变形，达到平衡。
先假定如下：1．索离散化为空间铰接两结点杆元，膜体离散化为3结点三角形平面应力单元；2．索膜之间没有相对滑动；3．荷载等效化为结点力；4．索膜张拉为小应变，符合hooke定律；5．膜材为正交异性弹性材料，变形前后材料主轴始终保持垂直。
（三）小弹性模量曲面自平衡迭代法分析采用小弹性模量曲面自平衡迭代法，在实际计算中常常把材料弹性模量取得很小，为实际值的1%~0.1%，采用小弹性模量法使得初始位移向目标位移过渡过程中产生的附加应力很小，可以忽略不计，因此，最终得到的目标曲面便可以保持初始设定的预应力状态。
ANSYS结构分析基本原理
ANSYS结构分析基本原理1 应力-应变关系本文将介绍结构分析中材料线性理论，在后续再介绍材料非线性的理论。
在线弹性理论中应力-应变关系：(1) 其中：{σ}：应力分量，即在ANSYS软件里以S代替σ形式出现。
[D]：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。
利用(14)～(19)给出了其具体表达式。
(4)给出了其逆矩阵的表达式。
通过给出完整的[D]可以定义少数的各向异性单元。
在ANSYS 中利用命令：TB,ANEL来输入具体数值。
：弹性应变矢量。
在ANSY中以EPEL形式输出。
{ε}：总的应变矢量，即{εth}：热应变矢量，(3)给出了其定义式，在ANSYS中以EPTH形式给出。
注意：{εel}：是由应力引起的应变。
软件中的剪切应变( εxy、εyz和εxz)是工程应变，他们是拉伸应变的两倍。
ε通常用来表示拉伸应变，但为了简化输出而采用此表示。
将在材料的非线性分析中说明总应变的分量，以EPTO形式输出。
图1 单元的应力矢量图如图1给出了单元应力矢量图。
ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正，压缩时为负。
(1)式还可以被写作以下形式：(2)三维情况下，热应变矢量为：(3) 其中：：方向的正割热膨胀系数。
ΔT=T-T refT：问题中节点当前温度。
T ref：参考温度也就是应变自由时的温度。
用TREF或MP命令输入。
柔度矩阵的定义：(4) 其中：E x: 方向上的杨氏模量，在MP命令中用EX输入。
v xy:主泊松比，在MP命令中用PRXY输入。
v yx:次泊松比，在MP命令中用NUXY输入。
G xy: 平面上的剪切模量，在MP命令中用GXY输入。
此外，[D]-1是对称矩阵，因此(5)(6)(7)由(5)～(7)，可知νxy、νyz、νxz、νyx、νzy和νzx是不独立的，因此程序中必须输入νxy、νyz和νxz(以PRXY, PRYZ, and PRXZ标记输入)或νyx、νzy和νzx(以NUXY, NUYZ, and NUXZ标记输入)。