ANSYS Workbench 结构线性静力学分析与优化设计分析
ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践 第6章 静力学分析
6.4 线性静力学分析实例——壳单元分析实例
• 壳单元是有限元分析经常需要使用的单元类型，本例将通过壳单元 对管道结构进行静力学分析，使读者掌握壳单元的使用方法，同时 与实体结构分析结果进行对比，查看两种单元分析结果的误差，使 读者对壳单元的使用有更加全面的认识。
6.4.1 问题描述
• 图6-32所示为管道连接结构，纵向小管道受到50kN的外力作用， 横向大管道两端约束，现采用壳单元对整个结构进行仿真校核。
2．几何特征删减
• 完成无关结构的删减之后，由于几何模型中存在诸多螺栓孔、定位孔，如左图 所示，这些螺栓孔、定位孔对分析结果也不产生直接影响，且不是分析中关注 的内容，所以要再次对模型进行特征删减，去除支架及横梁结构中存在的螺栓 孔、定位孔，最终得到可以用于分析的模型，如右图所示。
3．导入几何模型
6.4.3 材料属性设置
• 本例中采用Structure Steel材料，各项参数设置按照图所示进行设置，其他按 照软件默认即可，然后通过Model中Geometry下的Assignment将材料赋予几何 模型。
6.4.4 网格划分
• 采用六面体主体网格划分方法，右键单击Mesh，插入Method，采用自动划分 方法；同时单击鼠标右键，插入Sizing，设置所有薄板单元尺寸为8mm，生 成网格，结果如图所示。
• 下面通过实体模型的计算，来与壳单元计算结构进行对比。操作步骤如下。 • （1）导入实体几何模型进行网格划分，采用六面体主体网格划分技术，网格
大小设置为10mm，划分结果。 • （2）同壳单元边界及载荷设置一致，固定大管道两端，同时在-x方向施加
50kN载荷，结果。 • （3）模型求解。
6.5 本章小结
• 本章通过移动龙门架和外伸梁结构的静力分析实例，详细介绍了在WB 19.0中 进行静力学分析的基本思路和步骤，在第一个实例中介绍如何通过Imprint Faces施加载荷，第二个实例中详细介绍了如何创建和使用梁单元进行静力分 析，通过每一步详细操作，确保读者对静力分析能有清晰全面的认识和掌握， 最后通过实体单元和壳单元的对比分析，为读者提供使用两种不同类型单元处 理问题的方法。
Workbench有限元静力学分析.ppt
固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和 结构相应随时间的变化非常缓慢。
2.1 结构静力分析简介
静力分析所施加的载荷类型有
外部施加的作用力和压力 稳态的惯性力 强迫位移 温度载荷 能流
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.4 结构线性静力分析实例1
GUI分析步骤 b. 模型剖分
5)模型剖分：为了对应力集中区域进行较准确的捕捉，划分 有限元网格之前，通常需要对几何模型进行适当的剖分，以 利于网格的划分。选择Utility Menu>WorkPlane>Display Working Plane，然后选择Utility>WorkPlane>Offset WP by Increments，在Offset WP对话框的Degrees框中输入：0,-90,0 然后点击OK确定。
Basic>Analysis Options:选择Small Displacement Static Sol’n Option选项指定采用的求解器 实际上，求解控制对话框的绝大多数默认选项对于静力线性分
析是合适的，用户只需要作很少的设置。
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.2 施加载荷并求解
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.1 建模
选择的材料特性可以是线性或者是非线性，可以是各 向同性或者各向异性材料，并且可以随温度变化或者 与温度无关。
GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>-ConstantIsotropic/Orthotropic
选项获得结果数据，如应力和应变等。
如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
在ansys workbench中拓扑优化分析流程如下所示。
以下图所示结构为例，演示拓扑优化分析的过程，优化条件如下：
最大应力小于1000PSI；质量去除50%；结构材料为结构钢；结构承受750psi的内压，两端的安装孔固定约束。
拓扑优化的边界条件设置如下，设置对应的优化区域，载荷约束条件区域为非优化区域，设置最大应力和去除质量的约束条件。
优化前后的结果对比，优化后材料质量取出来42%
基于SCDM模块，对优化后的片面模型进行几何处理，并将模型一键转为为实体模型，进行优化后模型的验证分析。
验证分析的流程如下所示，通过workbench的一键传递，自动生成验证分析的静力学模块，按照上图所示的几何模型，完成几何处理，最后进行验证分析。
验证前后的结果对比如下所示，初始模型的变形为0.00032in，优化后模型的变形为
0.00061，初始模型的最大应力为8208psi，优化后模型的最大应力为9636psi，满足优化要求。
workbench16.0基础教程2
2. 基本操作
3）ansys工作界面简介
Utility Menu实用菜单i 命令输入栏
Main Menu 主菜单
视图显示 材料属性
当前坐标系
7
2. 基本操作
4）计算中的量纲问题
量纲 长度 载荷 质量 时间 应力 能量 密度
SI
SI（mm）
m
mm
N
N
Kg
Tonne(10^3kg)
s
s
Pa（N/m2） Mpa(N/mm2)
（4）
式中，D为弹性矩阵；������������为弹性应变张量。通过有限元离散，可以得到结构节点位移与载
荷之间的方程为：
K������ = ������
（5）
16
5. 理论基础
通过结构分析，得到的结构总体刚度方程是奇异的，外在表现为结构的各元件（单元）连接成为一 个整体后，虽然元件之间的相对位置不再发生变化，但仍然存在由于整体约束不足而引起的整体刚性位 移（总体平移或者转动）的任意性。
——线性结构的静力分析
参考书籍
基本操作
分析流程
分析内容 理论基础
实战演练
总结
1
参考书籍
2
参考书籍
3
参考书籍
4
2. 基本操作
1）直接在windows中启动：程序>ansys16.0>ansys Product Laucher
文件名
工作空间
5
2. 基本操作
2）设定存储空间>点击下方Run便开始进入ansys工作界面
9
2. 基本操作
5）ANSYS中没有专门的操作返回功能（undo），若有操作失误：
（1）可以使用ANSYS中的File>Resume Jobname.db来调出上次所储存的数据文件（这需要在操 作过程中及时储存，可以使用File>Save as Jobname.db）; （2 ）也可以就一些简单的操作进行删除处理，如：当使用Loads>Define Loads>Apply>Structure Force,若施加的力有错误，则可以使用Loads>Define Loads>Delete>Structure Force来进行对应的 删除。 （3 ）若有完整的命令流，还可以在文本编辑中就命令流的相应语句进行修改。
AnsysWorkbench工程实例之——梁单元静力学分析
AnsysWorkbench工程实例之——梁单元静力学分析本文可能是您能在网络上搜索到的关于Ansys Workbench梁单元介绍最详细全面的文章之一。
梁单元常用于简化长宽比超过10的梁与杆模型，比如建筑桁架、桥梁、螺栓、杠杆等。
Workbench中的梁单元有Beam188（默认）与Beam189两种，Beam188无中节点，Beam189有中节点。
在全局网格设置下，梁单元的中节点设置Element MIdside Nodes默认为dropped(无中节点），即默认使用Beam188单元，如果改为kept(有中节点)，则将改变为Beam189单元。
类型单元形状中节点自由度形函数Beam188 3D梁无 6 线性Beam189 3D梁有 6 二次Beam188Beam1891 梁单元分析概要1.1 建模与模型导入线框模型可在DM中创建，也可导入stp/igs等模型。
以下分别介绍通过DM创建与通过CAD软件创建导入过程。
1.1.1 梁线体的创建方法1，简单的线体模型可以在DM中创建，一般在XY平面绘制草图或点，再通过Concept——Lines From Sketches、Lines From Points或3D Curve等创建。
区别在于Lines From Sketches是提取草图所有的线条，如果线条是相连接的，提取的结果为一个线几何体。
Lines From Points或3D Curve用于将草图的点（可以是草图线条的端点）连接成为线体，结合Add Frozen选项，可以创建多个线几何体。
操作3次后多个线条可以通过From New Part功能组合为一个几何体，组合后两条线共节点，相当于焊接在一起。
选中后右击方法2，通过CAD软件创建后导入。
如果读者使用的是creo建模，可在草图中创建点，退出草图后选择基准——曲线——通过点的曲线。
操作3次后输出时需要注意，可另存为stp或igs格式，在输出对话框中必须勾选基准曲线和点选项。
一线工程师总结AnsysWorkbench之Mechanical应用——分析设置
一线工程师总结AnsysWorkbench之Mechanical应用——分析设置对于结构静力学中的简单线性问题，不需要对其进行设置，但是对于复杂的分析需要设置一些控制选项。
分析设置是在Mechanical分析树的Static Structural下的Anslysis Settings细节设置中。
本文主要对载荷步控制、求解器控制、重启控制、非线性控制、输出控制、分析数据管理进行介绍。
1 载荷步控制载荷步控制用于指定求解步数和时间。
在非线性分析时，用于控制时间步长。
载荷步控制也用于创建多载荷步，如螺栓预紧载荷。
1.1 载荷步与子步载荷步、子步和平衡迭代是控制加载求解过程的三个载荷时间历程节点。
1.1.1 载荷步在线性静力学分析或稳态分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合。
在瞬态分析中，可以将多个载荷步加载到同一加载历程曲线的不同时间点。
注意：载荷可以分步，约束不能分步。
实例1，固定矩形条一端，在另一端分3步加载载荷，第一步只加载100N的力，第二步只加载10000Nm的逆时针扭矩，第三步推力与扭矩共同作用，求每一步的变形。
Step1，设置零件材料，接触关系，网格划分，过程略。
Step2，分析设置，将载荷步设置为3，其余默认。
Step3，设置边界条件，如下图。
载荷默认都是渐增(斜坡)加载的，用一个载荷步将载荷从0增加到设定值。
选中分析树中的Force，在信息窗口中出现了Tabular Data表格和Graph图表，代表了Force的加载历程，在第一步中，力从0渐变到100，并在第二三步中保持。
对于静力学分析，渐增加载与恒定加载计算无区别，本例将力与扭矩都改为恒定加载，在表格第一行将数字改为设定值。
要想Force在第二步不起作用，只需要点击图表的第二步区域或表格对应行，右击选择Activate/Deactive at this step!（在此步激活/取消），此载荷便在第二步中消失。
同样设置Moment载荷，使它在第一步中不起作用。
AnsysWorkbench静力学分析详细实例.pdf
AnsysWorkbench静力学分析详细实例.pdfAnsys静力分析实例：1 问题描述：如图所示支架简图，支架材料为结构钢，厚度10mm，支架左侧的两个通孔为固定孔，顶面的开槽处受均布载荷，载荷大小为500N/mm。
2 启动Ansys Workbench，在界面中选择Simulation启动DS模块。
3 导入三维模型，操作步骤按下图进行，单击“Geometry”，选择“From File”。
从弹出窗口中选择三维模型文件，如果文件格式不符，可以把三维图转换为“.stp”格式文件，即可导入，如下图所示。
4 选择零件材料：文件导入后界面如下图所示，这时，选择“Geometry”下的“Part”，在左下角的“Details of ‘Part’”中可以调整零件材料属性。
5 划分网格：如下图，选择“Project”树中的“Mesh”，右键选择“Generate Mesh”即可。
【此时也可以在左下角的“Details of ‘Mesh’”对话框中调整划分网格的大小（“Element size”项）】。
生成网格后的图形如下图所示：6 添加分析类型：选择上方工具条中的“New Analysis”，添加所需做的分析类型，此例中要做的是静力分析，因此选择“Static Structural”，如下图所示。
7 添加固定约束：如下图所示，选择“Project”树中的“Static Structural”，右键选择“Insert”中的“Fixed Support”。
这时左下角的“Details of ‘Fixed Support’”对话框中“Geometry”被选中，提示输入固定支撑面。
本例中固定支撑类型是面支撑，因此要确定图示6位置为“Face”，【此处也可选择“Edge”来选择“边”】然后按住“CTRL”键，连续选择两个孔面为支撑面，按“Apply”确认，如下图所示。
8 添加载荷：选择“Project”树中的“Static Structural”，右键选择“Insert”中的“Force”，如下图所示。
Ansysworkbench结构线性静力学分析
Ansysworkbench结构线性静力学分析01基础知识•1.1 结构线性静力分析的主要对象包括：（1）平面问题（平面应力、平面应变、轴对称）（2）杆系与梁系问题（3）板壳问题（4）3D问题•1.2Ansys workbench中求解线性静力学分析是由Mechanical模块求解的。
在Mechanical模块中，关于结构静力分析的内容包括几何模型和单元、接触和装配类型、环境（包括在和及其约束）、求解类型、结果和后处理等方面。
02实例-受拉力作用的平板建立工程导入Geometry 和 Static Structural 模块。
确定分析类型。
设置类型和厚度双击moedel,进入Mechanical，设置分析类型和平板厚度。
划分网格结果如图插入载荷插入Equivalent Stress.计算结果聚仪网微信号：juyitest聚仪网依托国内多家顶尖高校和研究所资源，提供各类科研测试服务，网站仪器众多，测试种类齐全，价格透明。
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基于ANSYSWorkbench的堆垛机结构分析与优化
向平面轴的惯性矩；Il =4.66×10-4m4；E—材料弹性模量，Q235
钢；E=2.1×108kN/m2。
2
2
B 代入上式：f0 =2.85+0.32
-3Bb2 +3b2 B
由推导公式可知，静刚度值受到堆垛机结构参数 B 和 b2 影响。
4.2 仿真分析
实验条件：静态、载货台处于最高位满载、货叉伸出状态。输入
（a）应力云图
（b）应变云图
图 5 堆垛机静态结构分析
4 结构优化
4.1 确定优化函数
立柱的静刚度是影响堆垛机停位精度和工作平稳性的决定
因素，其刚度计算便成为堆垛机设计计算的重要环节。立柱的静
刚度是以载货台满载位于立柱最高位置时，顶端在巷道纵向平面
内的挠度来表征。静刚度计算公式如下：
33
f0
=
Mz 2EIlx
分的几何体能否被扫掠。具体地说如何几何体（即不能被扫掠），
程序就自动产生四面体。反之如果几何体规则（即能被扫掠时）就
产生六面体网格[5]，应用 Solid186 单元可以适应不规则模型的网
格划分。按照力学模型，给模型添加载荷与约束。后轮轴圆周面上
添加 x，y 移动约束和 x 转动约束；前轮轴圆周面上添加 y 方向移
3.2 有限元模型
为提高计算机分析效率，有必要简化三维模型，将次要部件
进行简化或用力等效代替 。导入 Workbench 后，定义材料
Q235A，杨氏模量 Pa，泊松比 0.3，密度 7.83kg/m3。利用 ANSYS
Workbench 自动划分网格功能划分模型，如图 4（a）所示。自动划
分实际就是在四面体与扫掠型划分之间自动切换，这取决与被划
ANSYS Workbench 结构线性静力学分析与优化设计解析
工程仿真结算方案： ANSYS Workbench 培训
张胜伦
博士
西安交通大学
西安嘉业航空科技有限公司
结构线性静力分析
西安嘉业航空科技有限公司
线性静力学分析的基本假设 连续 结构材料 均匀 各向同性 线性 非线性 静态 动态
对于纤维结构材料、粒子强化材料等各向异性非均匀材料 要特别注意、特别处理。 1、材料的变形范围在弹性范围，且材料的变形量较小， 方便建立静力学方程； 2、对于塑性变形或大变形，必须考虑材料非线性和几 何非线性。
西安嘉业航空科技有限公司 作业6 问题描述：如右图模型（螺旋桨），其 材料为聚乙烯，模型如图所示方向的 1000rad/s的角加速度惯性载荷；模型内圈 用圆柱面约束且轴向为0，径向和周向为 free；螺旋桨面施加压力载荷0.5MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致不得少于60万个节点（或者 运用膨胀层网格划分方法）；求解结果显 示模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
4、弹性假设： 应力—应变存在一一对应关系； 应力不超过屈服应力点； 载荷卸载后结构可恢复到原来的状态，不产生残余 应力和参与应变。 5、小变形假设： 在载荷作用下的变形，远小于其自身的几何尺寸； 结构变形的挠度远小于结构的截面尺寸。
西安嘉业航空科技有限公司
6、缓慢加载过程： 载荷的施加和卸载过程足够慢； 不引起结构的动响应； 满足内外力平衡方程。
西安嘉业航空科技有限公司 作业5 问题描述：如右图模型（支撑座-4-切 向），其材料为铜合金，模型受如图所示 方向的314rad/s的角加速度惯性载荷；模 型内圈用圆柱面约束且轴向为0，径向和周 向为free；模型外圈施加径向轴承载荷 1000N。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致在筋板厚度方向至少划分11 个节点（或者运用refineing网格划分方 法）；求解结果显示模型的整体变形和等 效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。来自西安嘉业航空科技有限公司
(完整版)ANSYSWorkbench结构线性静力学分析与优化设计解析
要求：运用适当的网格划分方法，阶梯 和圆角处网格细化；求解结果显示模型的 整体变形和等效应力。
截图：材料添加，网格划分效果，受拉 伸载荷的变形、应力，受弯曲载荷的变形、 应力，受扭转载荷的变形、应力。共15张 截图。
要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致不得少于60万个节点（或者 运用膨胀层网格划分方法）；求解结果显 示模型的整体变形和等效应力。
截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
西安嘉业航空科技有限公司
作业7
截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
西安嘉业航空科技有限公司
作业6 问题描述：如右图模型（螺旋桨），其
材料为聚乙烯，模型如图所示方向的 1000rad/s的角加速度惯性载荷；模型内圈 用圆柱面约束且轴向为0，径向和周向为 free；螺旋桨面施加压力载荷0.5MPa。
西安嘉业航空科技有限公司
作业3 问题描述：如右图模型（连接件），其
材料为不锈钢，模型两个小孔固定，一个 大孔上施加轴承载荷500N，另一个大孔上 施加力载荷800N，且耳内侧受静水压力 5MPa。
要求：运用适当的网格划分方法，两个 小孔和两个大孔处网格细化（或者运用多 区域网格划分方法）；求解结果显示模型 的整体变形和等效应力。
1、材料的变形范围在弹性范围，且材料的变形量较小， 方便建立静力学方程； 2、对于塑性变形或大变形，必须考虑材料非线性和几 何非线性。
西安嘉业航空科技有限公司
ANSYS_Workbench线性结构静力分析实例
Apply/Cancel标签。把Angle设成360度，其它选项取默认值。单击Generate 键生成实体。
为了便于划分网格，这里我们就这个零件划分为两个部件。进行旋转时，在弹出的细节浏览窗口Operation项值由Add Material修改为Add Frozen，冻结实体。单击Generate生成实体。点击主菜单栏Create菜单，在下拉菜单中选择Slice(Create>Slice)进行切片，左击细节窗口中Base Plane，选择XYPlane，左击Apply，单击Generate。结果如下：
Sketching: > Modify>Fillet 对草图进行倒圆角，半径为2mm，完成后如图示：
3.完成Sketch1，将其绕Y轴旋转360度建立混合器的主体。点击菜单栏中的 Revolve 键以弹出细节浏览窗口以进行旋转3D操作，窗口会切换至建模窗口，在细节浏览窗口，Axis box中应该有Apply 和Cancel 标签。若有这些标签，左击局部Y坐标轴，再左击Apply。如果在Axis box中显示为NotSelected，那就必须先左击调出
Static Structural（ANSYS）项至A2栏，即（Geometry）。 4.双击Model项，打开Static Structural。打开MechanicalApplication Wizard。设置单位，逐步单击Units-Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。
1.打开Workbench程序，在Component Systems下选择Geometry，双击或者移动至右边的Project Schematic窗口，此时会出现一个几何块A，即（Geometry）。双击A2项打开DesignModeler模块，在弹出的窗口选择Millimeter，单击OK。使用草图标签切换到草图模式，注意用Look At图标（或鼠标右键操作）来确定图形的法向方向。选定平面后，选择Sketching标签建立一个新的草图，保持Sketching模式。然后操作如下：
Ansys Workbench基础操作和结构静力学分析
2024/7/4
8
属性窗口
属性窗口提供了输入数据的列表， 会根据选取分支的不同自动改变。
白色区域: 显示当前输入的数据。 灰色区域: 显示信息数据，不能
被编辑。
黄色区域: 未完成的信息输入。
2024/7/4
9
图形窗口
模型和结果都将显 示在这个区域中， 包括：
Geometry Worksheet PrintPreview ReportPreview
2024/7/4
6
工具条
常用工具条 图形工具条
Hale Waihona Puke 2024/7/47
结构树
结构树包含几何模型的信息和整个分析 的相关过程。
一般由Geometry、Connections、Mesh、 分析类型和结果输出项组成，分析类型里包 括载荷和约束的设置。
说明分支全部被定义 说明输入的数据不完整 说明需要求解 说明被抑制，不能被求解 说明体或零件被隐藏
2024/7/4
19
分析流程操作
初步确定
前处理 求解 后处理
分析类型：静力分析、模态分析 单元类型：壳单元、实体单元
模型类型：零件、组件 建立、导入几何模型
定义材料属性 划分网格
施加载荷和约束 求解
查看结果 得出结论 检验结果的正确性
分析流程操作
1 导入模型 2 定义材料属性 3 设定网格划分参数并划分网格 4 选择分析类型 （Static Analysis、Modal…） 5 施加载荷与约束（设置边界条件） 6 设定求解参数并求解 7 后处理
2024/7/4
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视图显示
2、结构树 Expand All：展开结构树 Collapse Environments：
Beam计算错误释义_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共6页]
![Beam计算错误释义_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共6页]](https://img.taocdn.com/s3/m/56dc7c3fb8f67c1cfbd6b80a.png)
③如前例设置求解分析设置，边界条件加载如图4-2-48所示。
图4-2-48 边界条件定义④计算结果读者自行尝试，螺栓实体模型与梁模型计算结果有差别，但是两者结果数量级相当，这是因为实体模型用等效应力进行校核，梁模型用截面正应力和弯曲应力的线性组合应力进行校核，两者完全不同，所以数值上有差异。
对于实体模型，用等效应力校核较为常见；而梁模型虽然也可提取类似等效应力，但一般取组合应力较为合理。
（2）在WB里面还可以用什么方法模拟螺栓连接？答题要点：除了前面两种方法以外，还可以使用接触（Connections）里面的Beam连接，这种方法省略了第一种方法的Beam建模步骤，操作更加简单方便。
4.2.5 Beam计算错误释义Beam单元计算可能出现的Error提示：Solver pivot warnings or error have been encountered during the solution. This is usually a result of an ill conditioned matrix possibly due to unreasonable material properties, an under constrained model, or contact related issues. Check results carefully.下面举例说明错误出现的原因及解决方法。
（1）DM建模过程。
在XY平面的Sketch1建立一个门式框架（Line1），如图4-2-49所示。
以XY平面的Sketch2建立一个斜拉梁（Line2），如图4-2-50所示。
图中1区选择Add Frozen，这是因为将赋予Line1和Line2不同的截面属性。
注意图中2区的小点，这意味着建模过程中Line1和Line2已经共点。
– 94 –– 95 –图4-2-49 Line1定义图4-2-50 Line2定义定义不同的截面属性，分别赋予到Line1和Line2上，然后将Line1、Line2用Form New Part 组合为一个组件Part （具体操作见前文描述），如图4-2-51所示。
ANSYSWORKBENCH静力结构分析
ANSYSWORKBENCH静力结构分析ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程（DS）第四章静力结构分析序言在DS中关于线性静力结构分析的内容包括以下几个方面:–几何模型和单元–接触以及装配类型–环境（包括载荷及其支撑）–求解类型–结果和后处理本章当中所讲到的功能同样适用与ANSYS DesignSpace Entra及其以上版本.–本章当中的一些选项可能需要高级的licenses，但是这些都没有提到。
–模态，瞬态和非线性静力结构分析在这里没有讨论，但是在相关的章节当中将会有所阐述。
线性静力分析基础在线性静力结构分析当中，位移矢量{x} 通过下面的矩阵方程得到: 在分析当中涉及到以下假设条件:–[K] 必须是连续的假设为线弹性材料?小变形理论可以包括部分非线性边界条件–{F} 为静力载荷不考虑随时间变化的载荷不考虑惯性（如质量，阻尼等等）影响在线性静力分析中，记住这些假设是很重要的。
非线性分析和动力学分析将在随后的章节中给予讨论。
[]{}{}F x K =A. 几何结构在结构分析当中，可以使用所有DS 支持的几何结构类型.对于壳体，在几何菜单下厚度选项是必须要指定的。
梁的截面形状和方向在DM已经指定并且可以自动的传到DS模型当中。
–对于线性体，仅仅可以得到位移结果.ANSYS License AvailabilityDesignSpace Entra xDesignSpace xProfessional xStructural xMechanical/Multiphysics x…Point MassPoint Mass 在“Geometry”分支在模拟没有明确建模的重量–只有面实体才能定义point mass–可以用以下方式定义point mass位置:在任意用户定义坐标系中(x, y, z)坐标选择点/边/面来定义位置–重量/质量大小在“Magnitude”中输入–在结构静力分析中,point mass只受“加速度”，“标准重力加速度,”和“旋转速度”的作用.–质量和所选面相连通时它们之间没有刚度. 这不是一个刚度区域假设而是一个类似与分布质量的假设–没有旋转惯性项出现.ANSYS License AvailabilityDesignSpace Entra xDesignSpace xProfessional x…Point Masspoint mass 将会以灰色圆球出现–前面提到，只有惯性力才会对point mass 起作用。
基于Ansys_Workbench_的平头塔式起重机臂架结构优化分析
基于Ansys Workbench的平头塔式起重机臂架结构优化分析黄江涛 高崇仁 王国涛 田星宇 周芳宇太原科技大学 太原 030024摘要：由于臂架是平头塔式起重机质量占比较大的结构，对整机的性能影响至关重要，故对臂架结构进行优化设计可大大提高整机的工作性能。
为此，文中采用许用应力法完成对平头塔式起重机臂架结构的初步设计计算，并对整机工作环境进行分析，了解起重臂架的工况，并使用Ansys Workbench软件对臂架进行静力学分析，以通过求解得到的应力云图和形变云图验证臂架结构设计计算的强度和刚度。
另外，对起重臂架进行模态分析，获取结构自身前六阶的固有频率和振型，为结的故障诊断和预警提供了可靠的理论依据。
在保证结构强度和刚度的前提下，通过对起重臂架各弦杆截面进行优化，从而降低臂架自重，提升材料的利用率，为起重臂架的轻量化设计提供参考思路。
关键词：平头塔式起重机；臂架结构；有限元；优化分析；模型中图分类号：TH.213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）16-0037-06Abstract: Boom occupies a large proportion in the mass of flat-top tower crane, which has a great influence on the performance of the whole machine. Therefore, the optimization design of boom structure can greatly improve the performance of the whole machine. Therefore, the authors completed the preliminary design and calculation of the boom structure of the flat-top tower crane by using the allowable stress method, and analyzed the working environment in order to understand the working conditions of the boom. The static analysis of the boom was carried out by Ansys Workbench software, and the strength and stiffness in the design and calculation of the boom structure were verified by the stress nephogram and deformation nephogram obtained by solving. In addition, the modal analysis of the boom was carried out in order to obtain the first six natural frequencies and vibration modes, which provides a reliable theoretical basis for fault diagnosis and early warning. Under the condition of ensuring the structural strength and stiffness, the cross section of each chord of the boom is optimized, so as to reduce the self-weight of the boom and improve the utilization rate of materials, which provides a reference for the lightweight design of the boom.Keywords:flat-top tower crane；boom structure；finite element method；optimization analysis；model0 引言近年来，随着国家绿色发展政策的推进和回收体系的完善，作为占比20%的再生资源废纸的回收量持续增长，使纸品公司对存储环境的空间利用率提出了更高要求。
Ansys_Workbench_静力分析讲义详解
Training Manual
Surface Body Edge
Solid Body Face (Scope = Target) Solid Body Edge (Scope = Target) Surface Body Face (Scope = Target)
(Scope = Contact) Bonded, No Separation All formulations Asymmetric only 1 Not supported for solving Bonded, No Separation All formulations Asymmetric only Bonded, No Separation Bonded, No Separation All formulations Symmetry respected All formulations Asymmetric only Bonded only MPC formulation Asymmetric only
Training Manual
•
本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使 用。
– 尽管本章中讨论的一些选项可能需要更高级的许可， 但都给了提示。
4-2
Static Structural Analysis
线性静态结构分析基础
Training Manual
• 对于一个线性静态结构分析（ Linear Static Analysis ），位移{x}由下面的矩 阵方程解出：
– 质量点只受包括加速度、重力加速度和角加速度的影响。 – 质量是与选择的面联系在一起的，并假设它们之间没有刚度。 – 不存在转动惯性
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ANSYS WORKBENCH优化设计详细教程
1文件存储（1）仿真模块与优化模块文件夹如下图所示：（2）仿真流程Workbench界面流程节点，对应后台文件如下图所示。
1.材料文件；2.几何文件；3.设置及网格、结果文件2优化参数设置左侧为输入输出参数界面，右侧为工况列表。
目标：提取结果最小值3ANSYS WORKBENCH优化设计3.1目标驱动优化(Driven optimization)和多学科项目类似。
算例：Direct_optimization.wbpj3.1.1确定输入输出参数输入输出参数如下图所示：3.1.2设置优化目标设置一个或者多个优化目标，如将质量最小化作为目标，并设置质量范围，如下图所示。
3.1.3输入参数范围设置两个输入参数范围如下图所示：3.1.4优化方法（1）是否保留工况点求解数据（2）目标驱动的优化方法•Screening•MOGA•NLPQL•MISQP•Adaptive Single-Objective•Adaptive Multiple-Objective（3）设置工况数量，最小6个（4）设置残差结果残差设置：1e-6（5）设置候选工况数残差达不到要求，增加候选节点继续优化计算。
3.1.5求解开始求解显示当前求解工况仿真各个节点状态显示计算候选工况3.1.6优化完毕3.1.6.1 输入参数变化曲线显示两个输入参数变化曲线3.1.6.2 工况数据列表3.1.6.3收敛判断描述优化目标，优化算法，是否收敛，最优工况等，类似于设置总结3.1.6.4 结果设置参考点，计算工况残差，优化目标结果满足1e-6标准，即可认为收敛。
工况DP7为参考点，DP11残差为0，则最优点为DP7。
工况结果分布散点图3.1.6.5 输入输出分布算例：parameter_correlation.wbpj3.2.1参数设置（1）是否保留工况点数据DX计算完成后是否保留相关数据（2）失败工况管理(failed design points management)尝试计算次数（Number of retries）：失败后重新尝试计算的次数计算延迟时间（Retry delay）：两次重新计算之间要经过多少时间。
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工程仿真结算方案： ANSYS Workbench 培训
张胜伦
博士
西安交通大学
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结构线性静力分析
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线性静力学分析的基本假设 连续 结构材料 均匀 各向同性 线性 非线性 静态 动态
对于纤维结构材料、粒子强化材料等各向异性非均匀材料 要特别注意、特别处理。 1、材料的变形范围在弹性范围，且材料的变形量较小， 方便建立静力学方程； 2、对于塑性变形或大变形，必须考虑材料非线性和几 何非线性。
构件变形时材料既不相互分离，也不相互挤入，时
刻满足变形协调条件。
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2、均匀性性假设： 可变行固体是由同一类型的均匀材料构成； 各部分的物理性质都相同，且不因坐标的变化而变 化。 3、各向同性假设： 可变性固体内部任意一点在各个方向上都具有相同 的物理性能，弹性常数不变。
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工程数据——材料添加
常规材料 常规非线性材料 显性材料 超弹性材料 磁性B-H曲线 热力学材料 流体材料 复合材料
铝合金 混凝土 铜合金 灰口铸铁 镁合金 聚乙烯 各向异性的硅 不锈钢 结构钢 钛合金
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4、弹性假设： 应力—应变存在一一对应关系； 应力不超过屈服应力点； 载荷卸载后结构可恢复到原来的状态，不产生残余 应力和参与应变。 5、小变形假设： 在载荷作用下的变形，远小于其自身的几何尺寸； 结构变形的挠度远小于结构的截面尺寸。
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6、缓慢加载过程： 载荷的施加和卸载过程足够慢； 不引起结构的动响应； 满足内外力平衡方程。
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西安嘉业航空科技有限公司 作业3 问题描述：如右图模型（连接件），其 材料为不锈钢，模型两个小孔固定，一个 大孔上施加轴承载荷500N，另一个大孔上 施加力载荷800N，且耳内侧受静水压力 5MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，两个 小孔和两个大孔处网格细化（或者运用多 区域网格划分方法）；求解结果显示模型 的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的变形、应力以及变形和应力的矢量显示 图。共6张截图。
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六个基本假设 1、连续性假设
2、均匀性假设
3、各向同性假设 4、弹性假设 5、小变形假设 6、缓慢加载过程
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1、连续性假设： 可变形固体视为连续密实的物体，即组成固体的质 点无空隙的充满整个空间； 固体内部任何一点的力学性能都是连续的，且变形 前后物体上的质点是一一对应的；
3
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西安嘉业航空科技有限公司 作业8 问题描述：螺栓的预紧力，分三个加载 步，第一步预紧，第二部保持，第三部松 开。 要求：自己建模，运用适当的网格划分 方法，求解结果显示模型的整体变形和等 效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力图。共4张截图。
作业9 工程设计中遇到的问题，自选
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结构优化设计
1、镁钛合金-泡沫夹层复合板的有限元强度计算与结构优化分析
2、设备架强度计算与优化设计
基本材料力学知识
西安嘉业航空科技有限公司 作业1 问题描述：如右图模型（杆-无圆角；杆有圆角），其材料为铝合金，模型大端固 定，小端分别承受拉伸、弯曲载荷各200N， 扭转载荷2N· m。 要求：运用适当的网格划分方法，阶梯 和圆角处网格细化；求解结果显示模型的 整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，受拉 伸载荷的变形、应力，受弯曲载荷的变形、 应力，受扭转载荷的变形、应力。共15张 截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业6 问题描述：如右图模型（螺旋桨），其 材料为聚乙烯，模型如图所示方向的 1000rad/s的角加速度惯性载荷；模型内圈 用圆柱面约束且轴向为0，径向和周向为 free；螺旋桨面施加压力载荷0.5MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致不得少于60万个节点（或者 运用膨胀层网格划分方法）；求解结果显 示模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业7 问题描述：如右图模型（叉壁），其材 料为铝合金，孔1用圆柱面约束，径向、轴 向位移均0，其周向free；孔2受x方向的力 为200N，受z方向的力为100N；孔3约束 为仅有压缩。 要求：运用适当的网格划分方法，各个 孔处细化，两叉壁分叉处细化（运用虚拟 球影响的网格划分方法）；求解结果显示 模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
静水压力
西安嘉业航空科技有限公司 作业4 问题描述：如右图模型（支撑座-3-垂 直），其材料为钛合金，模型外圈用圆柱 面约束且轴向和径向为0，周向为free；模 型内圈施加径向轴承载荷800N；模型端面 施加压力载荷6MPa。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致在筋板厚度方向至少划分11 个节点（或者运用扫略网格划分方法）； 求解结果显示模型的整体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图。共6张截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业5 问题描述：如右图模型（支撑座-4-切 向），其材料为铜合金，模型受如图所示 方向的314rad/s的角加速度惯性载荷；模 型内圈用圆柱面约束且轴向为0，径向和周 向为free；模型外圈施加径向轴承载荷 1000N。 要求：运用适当的网格划分方法，网格 大小均匀一致在筋板厚度方向至少划分11 个节点（或者运用refineing网格划分方 法）；求解结果显示模型的整体变形和等 效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的整体变形、等效应力以及径向变形和应 力的网格显示图、矢量线时图、等值线图。 共8张截图。
西安嘉业航空科技有限公司 作业2 问题描述：如右图模型（轴承座），其 材料为铸铁，模型四个小孔固定，轴承孔 上施加轴承载荷1000N。 要求：运用适当的网格划分方法，四个 小孔和轴承孔处网格细化（或者运用映射 网格划分方法）；求解结果显示模型的整 体变形和等效应力。 截图：材料添加，网格划分效果，结果 的变形、应力以及变形和应力的等值线图。 共6张截图。