第08章 轴对称结构的静力分析

第八章轴对称结构的静力分析

在工程实践所应用的结构中，有许多结构是可以由一个截面绕某固定轴旋转而生成的，如果这种结构所受的外载荷和边界条件也沿此轴对称，则称此结构为轴对称结构。在有限元理论中对于此类结构有专门的简化方法，在ANSYS中也可以通过结构的轴对称性简化模型，减少模型规模、缩短计算时间，提高计算效率。

本章所介绍的实例是带有鼓桶的压气机盘结构件，在进行整体分析时，可以通过对模型的简化（比如去除盘上小孔等）将模型简化为符合轴对称性质的结构，从而可以用轴对称方法对压气机盘组件进行整体分析。

8．1 问题描述

某型压气机盘鼓结构件如图8.1所示，在整体分析时不对叶片和压气机上的孔建模，将叶片的离心效果作为线分布力施加于轮盘的边缘。

图8.1 压气机盘鼓件

图中所标各点坐标如表8.1所示。

表8.1 盘上各关键点坐标

点编号 1 2 3 4 5 6 7 8

X 226226 157 237.5229.2237.5126 138

Y 208.8258.7 258.7 220.3220.3208.8276.7276.7 点编号9 10 11 12 13 14 15 16 17 X 102.5102.5 237.5 237.5135 243.85243.85229.2 162.5

Y 263 248.7 273.8 264.1248.7273.8254.8254.8 264.1

盘转速为11373转/分，盘材料TC4钛合金，其弹性模量为：1.15×10MPa ，泊松比

为0.30782，密度为4.48×10吨/立方毫米。

59−叶片数目为74个，叶片和其安装边总共产生的离心力等效为628232N （沿径向等效），这些力假定其均匀作用于轮盘边缘。

位移约束施加于鼓桶上，在鼓桶的上表面施加径向约束，在鼓桶的侧面施加轴向约束。

8．2 建立模型

本实例的模型为一平面模型，其位于总体XY 平面内，为便于划分网格，在建立盘面

模型后还需要对其进行适当的切分。

本实例中的应力单位为MPa ，力单位为N ，长度为mm 。

8．2．1 设定分析作业名和标题

在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名，并在图形输出窗口中定

义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。

（1）选取菜单项Utility Menu | File | Change Jobname ，将弹出Change Jobname （修改

文件名）对话框，如图8.2所示。

图8.2 设定分析文件名

（2）在Enter new jobname （输入新文件名）文本框中输入文字“CH08”，为本分析

实例的数据库文件名。

（3）单击按钮，完成文件名的修改。

（4）选取菜单项Utility Menu | File | Change Title ，将弹出Change Title （修改标题）对

话框，如图8.3所示。

图8.3 设定分析标题

（5）在Enter new title（输入新标题）文本框中输入文字“static analysis of compressor structure”，为本分析实例的标题名。

（6）单击按钮，完成对标题名的指定。

（7）选取菜单项Utility Menu | Plot | Replot，指定的标题“static analysis of compressor structure”将显示在图形窗口的左下角。

（8）选取菜单项Main Menu | Preference，将弹出Preference of GUI Filtering（菜单过滤参数选择）对话框，选中Structural复选框，单击按钮确定。

8．2．2 定义单元类型

在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合分析实例的有限元单元。本例中选用4节点四边形板单元PLANE42，PLANE42可以通过控制单元行为方式的选项设置其为轴对称单元。

（1）选取菜单项Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，将弹出Element Types（单元类型）对话框，如图8.4所示。

图8.4定义单元类型

（2）单击按钮，将弹出Library of Element Types（单元类型库）对话框,如图8.5所示。

图8.5 单元类型库对话框

（3）然后在左边的列表框中选择“Solid”，选择实体单元类型。

（4）在右边的列表框中选择“Quad 4node 42”，选择4节点四边形板单元PLANE42。

（5）单击按钮，将PLANE42单元添加，并关闭单元类型库对话框，同时返回到第一步弹出的单元类型对话框，如图8.6所示。

图8.6 单元类型及选项对话框

（6）单击按钮，弹出如图8.7所示的PLANE42 element type options（PLANE42单元选项）设置对话框，对PLANE42单元进行设置，使其可用于分析轴对称结构。

图8.7 单元选项设置对话框

（7）在Element behavior（单元行为方式）下拉列表选择Axisymmetric（轴对称）选项。

（8）单击按钮，接受选项，关闭单元选项设置对话框，返回到图8.6所示的单元类型对话框。

（9）单击按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加和单元选项的定义。8．2．3 定义材料属性

本例中选用的单元类型不需定义实常数，故略过定义实常数这一步骤而直接定义材料属性。

考虑惯性力的静力分析中需要定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下：