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<<航空工程先进数值计算技术>>
有限元静力学分析
王晓军 航空科学与工程学院固体力学研究所
第二章 ANSYS静力分析
主要内容
结构静力分析简介 结构线性静力分析基本步骤
建模、施加载荷并求解、计算结果的后处理与分析、结构线性 静力分析实例
结构非线性静力分析实例 静力非线性计算的高级应用
屈曲分析的概念、结构线性屈曲分析一般步骤、线性屈曲分析 实例、接触分析实例
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
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构的静力分析中，其计算结果将被写入结果文件 Jobname.RST中，一般结果文件包含了一下数据：
基本数据：主要是关于节点的位移信息（UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ）
导出数据：包括节点和单元应力、节点和单元应变、单元集中 力和节点支反力等
施加载荷，设定载荷步
静力线性分析的载荷可以是DOF约束、集中载荷、分布力、温 度、重力和旋转惯性力
载荷步可以在求解控制对话框中设置，不设置载荷子步
保存数据文件 开始求解计算 退出求解器
Command: Finish GUI: Main Menu>Finish
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下 b. 显示变形结果 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape ▪ Command: PLDISP c. 列表出力和力矩的信息 ▪ 列出节点的支反力和反力矩 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu ▪ Command: PRRSOL
静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的 载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变 和力。
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
2.2.2 施加载荷并求解
进入ANSYS求解器（Main Menu>Solution） 定义分析类型并对求解进行控制
分析类型选New Analysis (GUI: Solution>New Analysis)，进入 求解控制对话框（GUI: Solution>Sol’n Contros）
思考题
2.1 结构静力分析简介
静力分析计算在固定载荷作用下结构的响应，它不 考虑惯性和阻尼影响，如结构受随时间变化载荷作 用的情况
静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构 的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为 等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建 筑规范中所定义的等价静力风载）的作用
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
静力分析既可以是线性的也可以是非线性的
非线性静力分析包括：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、 接触和超弹性等。
本节主要讨论线性静力分析，对非线性静力分析只 作简单介绍
2.2 结构线性静力分析基本步骤
在线性静力分析中，主要有以下几个关键步骤
建模 施加载荷和边界条件并求解 结果的后处理与分析
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.1 建模
为了建模，用户首先应指定作业名（Jobname） 、分析 标题（Title）和单位（Unit），然后应用PREP7前处理 程序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何参 数。
在线性静力分析中，单元类型同样可以使用线性或者是 非线性的单元类型
GUI: Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete Command: ET
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
后处理包括两个模块：
通用后处理其POST1
▪ 检查整个模型在指定时间步（或子步）下的计算结果
时间历程后处理器POST26
▪ 用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。
无论使用哪个后处理器，程序的数据库都必须包含求 解时相同的计算模型，且计算结果文件Jobname.RST必 须可用。
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下
a. 查看结果
▪ 从数据文件中读取数据 ▪ GUI: Utility Menu>File>Resume from ▪ Command: Resume
▪ 读取选定的结果数据 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step ▪ Command: SET ▪ 使用SET命令可以用载荷步、子步或通过时间来选择数据读 取，如果数据文件中没有制定时间点上的数据结果，程序会 通过线性插值计算出该时间点上的结果
Command: MP
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.1 建模
另外在选择材料特性时，还需要注意以下几点：
材料的基本弹性性能参数必须定义：如杨氏模量EX、泊松比 PRXY
如果施加惯性载荷（如重力），必须定义材料的密度DENS
创建几何实体模型并划分网格得到有限元ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型
如果施加温度载荷时，必须定义材料的热膨胀系数ALPX 对应力敏感区域应划分较细的有限元网格
有限元静力学分析
王晓军 航空科学与工程学院固体力学研究所
第二章 ANSYS静力分析
主要内容
结构静力分析简介 结构线性静力分析基本步骤
建模、施加载荷并求解、计算结果的后处理与分析、结构线性 静力分析实例
结构非线性静力分析实例 静力非线性计算的高级应用
屈曲分析的概念、结构线性屈曲分析一般步骤、线性屈曲分析 实例、接触分析实例
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
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构的静力分析中，其计算结果将被写入结果文件 Jobname.RST中，一般结果文件包含了一下数据：
基本数据：主要是关于节点的位移信息（UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ）
导出数据：包括节点和单元应力、节点和单元应变、单元集中 力和节点支反力等
施加载荷，设定载荷步
静力线性分析的载荷可以是DOF约束、集中载荷、分布力、温 度、重力和旋转惯性力
载荷步可以在求解控制对话框中设置，不设置载荷子步
保存数据文件 开始求解计算 退出求解器
Command: Finish GUI: Main Menu>Finish
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下 b. 显示变形结果 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape ▪ Command: PLDISP c. 列表出力和力矩的信息 ▪ 列出节点的支反力和反力矩 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu ▪ Command: PRRSOL
静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的 载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变 和力。
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
2.2.2 施加载荷并求解
进入ANSYS求解器（Main Menu>Solution） 定义分析类型并对求解进行控制
分析类型选New Analysis (GUI: Solution>New Analysis)，进入 求解控制对话框（GUI: Solution>Sol’n Contros）
思考题
2.1 结构静力分析简介
静力分析计算在固定载荷作用下结构的响应，它不 考虑惯性和阻尼影响，如结构受随时间变化载荷作 用的情况
静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构 的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为 等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建 筑规范中所定义的等价静力风载）的作用
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
静力分析既可以是线性的也可以是非线性的
非线性静力分析包括：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、 接触和超弹性等。
本节主要讨论线性静力分析，对非线性静力分析只 作简单介绍
2.2 结构线性静力分析基本步骤
在线性静力分析中，主要有以下几个关键步骤
建模 施加载荷和边界条件并求解 结果的后处理与分析
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.1 建模
为了建模，用户首先应指定作业名（Jobname） 、分析 标题（Title）和单位（Unit），然后应用PREP7前处理 程序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何参 数。
在线性静力分析中，单元类型同样可以使用线性或者是 非线性的单元类型
GUI: Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete Command: ET
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
后处理包括两个模块：
通用后处理其POST1
▪ 检查整个模型在指定时间步（或子步）下的计算结果
时间历程后处理器POST26
▪ 用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。
无论使用哪个后处理器，程序的数据库都必须包含求 解时相同的计算模型，且计算结果文件Jobname.RST必 须可用。
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下
a. 查看结果
▪ 从数据文件中读取数据 ▪ GUI: Utility Menu>File>Resume from ▪ Command: Resume
▪ 读取选定的结果数据 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step ▪ Command: SET ▪ 使用SET命令可以用载荷步、子步或通过时间来选择数据读 取，如果数据文件中没有制定时间点上的数据结果，程序会 通过线性插值计算出该时间点上的结果
Command: MP
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.1 建模
另外在选择材料特性时，还需要注意以下几点：
材料的基本弹性性能参数必须定义：如杨氏模量EX、泊松比 PRXY
如果施加惯性载荷（如重力），必须定义材料的密度DENS
创建几何实体模型并划分网格得到有限元ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型
如果施加温度载荷时，必须定义材料的热膨胀系数ALPX 对应力敏感区域应划分较细的有限元网格