ANSYS Workbench 结构线性静力学分析与优化设计解析
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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。
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。
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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；
静水压力
西安嘉业航空科技有限公司 作业4 问题描述：如右图模型来自百度文库支撑座-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。
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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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。
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。
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。
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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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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。
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。
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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。
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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。
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。
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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；
静水压力
西安嘉业航空科技有限公司 作业4 问题描述：如右图模型来自百度文库支撑座-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。
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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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。
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。
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。
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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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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。
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。
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结构优化设计
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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。