ANSYS结构分析教程篇

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。因此在实际应用中更多的情况下是利用形函数的性质来构造形函数。

形函数的性质：

1）相关节点处的值为1，不相关节点处的值为0。

2）形函数之和恒等于1。

这里我们称为的相关节点，为的相关节点，其它点均为不相关节点。

三、单元分析

目的：计算单元弹性应变能和外力虚功。

使用最小势能原理，需要计算结构势能，由弹性应变能和外力虚功两部分构成。结构已经被离散，弹性应变能可以由单元弹性应变能叠加得到，外力虚功中的体力、面力都是分布在单元上的，也可以采用叠加计算。

2、计算单元外力功

从前面推导可以看出：

单元弹性应变能可计算的部分只有单元刚度矩阵，单元外力虚功可计算的部分只有单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量。在实际分析时并不需要进行上述推导，只需要将假定的

位移插值函数代入本节推导得出的单元刚度矩阵、等效体力载荷向量和等效面力载荷向量的计算公式即可。

所以我们说有限元分析的第三步是计算单元刚度矩阵、等效体力载荷向量和等效面力载荷向量。

几点说明：

1）单元刚度矩阵具有正定性、奇异性和对称性三各重要特性。所谓正定性指所有对角线元素都是正数，其物理意义是位移方向与载荷方向一致；奇异性是说单元刚度矩阵不满秩是奇异矩阵，其物理意义是单元含有刚体位移；对称性是说单元刚度矩阵是对称矩阵，程序设计时可以充分利用。

2）按照本节公式计算的单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量称为一致载荷向量。实际分析时有时也采用静力学原理计算单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量，实际应用表明在大多数情况下，这样做可以简化计算，同时又基本上不影响分析结果。

二、预处理总述

1、实体分析可是3D或2D，3D分析采用的高阶单元(SOLID186或SOLID187)划分的四面体(TET)或六面体(HEX)单元，2D分析采用的高阶单元的三角形(TRI)或四边形(QUA)单元，2D分析时需要在创建项目时在GEOMETRY的分析类型项选择2D,实体分析得每个节点结构上只有3个自由度，如下图所示

2、面体分析几何上是2D但离散元是3D，通常面体厚度给予赋值。面体网格划分采用壳单元，具有6个自由度。

3、线体几何上是1D,离散元是3D,截面形状可通过line body进行设置，

线体网格划分采用梁单元，具有6个自由度。

4、同个part下的所有body共享相交边界，网格划分时共用交界上的节点，不需要设置接触。

5、NameSelection的使用技巧，在model模块下，可点击右键insert NameSelection，一般Nameselection的选择方法可用几何选取，直接在模型上鼠标点选。另一种实用的选取方法为Worksheet，可以添加多种条件进行筛选，模型划分网格后，可以精确到对每个单元的选取。

三、网格划分

1、relevance选项控制网格的精度，值在-100到100间，越小越粗糙，越大越精密。relevance center 控制relevance中间点的精度，element size控制整个模型的最大单元尺寸。

2、网格的高级尺寸控制

a)接近度和曲度结合控制

b)曲度

c)邻近度

d)固定尺寸

曲度对于一些含曲线特征的几何体，可以控制其划分网格的精密度

邻近度可以控制某个区域两个邻近的几何特征间的网格划分密度

2、网格的高级选项

形状检测：标准力学-线性分析、模态和热分析

进阶力学-大变形分析、材料的非线性分析

3、局部网格划分控制

Method 选择Automatic 首先若能SWEEP则选用sweep划分HEX网格，否则选用patchconforming划分TET网格。四面体TET网格划分有两种方法：patchconforming和patch independent。

对于不能通过sweep得到六面体的几何体可以选用Hex dominant或者Multizone 划分方法

4、尺寸控制Sizing

可以通过element size(单元最大尺寸)、Number of divisions(每个边的单元数量)、Sphere of influence(控制影响区，可设置影响半径)来调节网格划分尺寸。Contact sizing可设置接触面的尺寸。

5、其他设置

element refinement可设置选择几何体的网格密度加密倍数；

mapped face meshing 可设置映射面生成结构化网格；可通过side、corner、end 点的定义来设置映射策略。

inflation control设置膨胀层，主要用于流体分析的边界层划分。

pinch 可以移出一些不必要的小的几何特征，划分网格时可以去掉一些小的凸起部分。

划分网格前有个小圆台

采用pinch划分网格后没有凸台

Master选择蓝色线，Slave选择红色线，tolerance的值要比凸台的高度大。

6、虚拟拓扑的应用

虚拟拓扑有助于优化几何模型，可以合并面，分割面或边来提高网格划分质量。虚拟拓扑可以自动控制

虚拟拓扑合并面

虚拟拓扑分割边

虚拟拓扑设置：

behavior可以设置拓扑搜寻深度。

7、子模型的应用

当原几何模型较大，网格数量有限，为了对模型局部进行更精确的计算分析，可以采用子模型。

子模型的一般创建方法：

先对整体模型(项目A)进行分析计算，然后copy原项目得到项目B,对项目B中几何进行切割细化网格，将项目A的solution栏拖到Setup栏，最好在B项目求解设置下的submodeling插入边界条件，子模型的切割边界应远离高应力区。

四、静力学分析

线弹性静力分析假设：

a)各向同性线弹性材料

b)小变形理论

c)无时间、无阻尼效应

1、point mass，质量点可以通过坐标或选择几何面、线、点加载在几何体上，质量点只受Acceleration，Standard earth gravity，Rotational velocity影响。

2、求解设置

可设置求解步数，定义每步的终止时间，静力分析中的time只是一个跟踪量

求解器选择：自动，直接求解(Direct)，迭代求解(Iterative)

弱弹簧的使用：为了满足静止约束，程序可自动添加弱弹簧，可以在结果中查看弱弹簧的反力，应该是一个很小的值，并不影响结构的应力分析。

惯性释放：当物体受力不平衡产生加速度时，利用惯性释放可以产生一个惯性力进行静力分析，惯性释放只能用于线性结构分析。

惯性释放下的应力：

静力平衡下的应力

3、施加载荷

加速度、角速度、压力、力，静水压力(模拟水压)

轴承力(Bearing Load)，施加在整个圆柱面上。

remote force(定义力的作用点)

螺栓预紧力(Bolt Pretension)施加在圆柱面上，可以定义预紧力或伸长量。Thermal condition，计算热应力，需要设置reference temperature

4、施加约束

Fix support 约束点、线、面的所有自由度。

Displacement 位移约束

Elastic Support 无摩擦的弹性支持面

Frictionless Support，约束面的法向运动，作用在平面上等同于对称边界条件作用在圆柱面上约束径向运动

cylindrical support 只作用在圆柱面上，可以设轴向，径向，切向三个自由度compression only support 基于罚函数方法对目标面建立一个刚性接触面simply supported 作用于点或边，面体或线体，约束所有平动除了转动自由度Fixed rotation 约束转动，放开平动

nodal load and support 必须通过name selection 来选取node

tools-Solve process settings可以设置求解用的计算机CPU数

五、接触基本设置

接触是一种高度非线性特征，接触一般通过接触对描述，包括接触面(contact)和目标面(target),程序一共有5种接触方式，其主要特征如下：

Bonded 和no separation 都是线性接触，bonded使两个接触面固定在一起，无间隙不能相对滑动而no separation 允许有较小的滑动，其他接触都是非线性。contact 接触行为behavior分为对称和非对称两种行为。

接触面的处理interface treatment：adjust to touch程序自动取消两个接触面的间隙。

add offset 可以设置偏移量，正值使两个接触面靠近(可以模拟过盈配合)，负值使两个接触面远离。

Pinball region 可以设置判断接触区域的大小，当两个面都进入pinball region时程序则判定为发生接触。

mesh connections建立网格连接

connection worksheet表格查看连接信息

joint 定义约束副，共有九种约束形式来约束body-body 或者body-ground。

定义joint时需要定义reference和mobile regions，几何窗口左边显示的自由度，其中灰色的是被约束的，彩色的是自由的

joint configure可以定义约束的初始状态

Set定义初设状态，revert恢复原始状态。

对于旋转面或圆柱面的约束类型，可以定义扭转刚度和扭转阻尼。

大多数joints都可以通过stops来定义他的运动区域

spring and beam：spring可以通过弹簧来连接body，可以定义初始值和弹簧刚度，beam可以定义材料和圆形截面半径。

六、remote边界条件

1、Remote boundary conditions provide a means to apply a condition whose center of action is not located where the condition is scoped , “remotely”).

Remote 边界条件包括point mass，springs，joints，remote displacement，remote force and moment loads。

所有的remote边界条件都是采用MPC约束方程进行计算，几何行为可以设置为rigid，deformable and coupled，remote计算更耗时。

设置remote边界一般先定义remote point，可以直接选择几何特征或给定坐标定义，也可以在定义remote边界条件时通过右键“promote remote point”定义。

2、behavior control

rigid，deformable and coupled

3、pinball control 可以通过pinball大小来定义约束方程的数量

4、constraint equations 可以多个remote point间的相互约束关系。

七、MultiStep的设置应用

1、对于多步分析中的每一步，软件都作为一个独立的分析过程，载荷约束都可以单独设置。

对于某些载荷或约束可以通过右键激活或抑制该步

当查看计算结果选择两个载荷步之间的时间节点时，如0与1步的，则程序通过线性插值的方式得到的计算结果。

2、Solution Combination(结果组合)

Solution Combination可以通过不同的计算环境(共享几何网格)进行组合

Solution Combination也可以通过同一计算环境的不同载荷步进行组合

八、模态分析(自由振动)

其中K-刚度矩阵和M-质量矩阵是常量，忽略阻尼C和外力F，应用线弹性材料和小变形理论，结构可以是约束的或非约束的，φ为模态坐标是个相对量。

1.结构载荷和热载荷步，非线性接触不适用于模态分析，但可以施加约束或预应力。

2.可以定义求解阶数和频率范围。

3.由于并没有外部激励，模态变形只是一个相对量，并且是一个质量归一化的量。

4.拉伸预应力将会增大自然频率，而压缩预应力将会降低自然频率。

九、稳态热分析

1.不考虑瞬态影响，K和Q可以是常量也可以是温度的函数，可以施加固定温度的边界条件。壳单元不考虑厚度方向的温度变化，线单元不考虑截面上的温度变化。

接触中热传递：

如果接触是bonded或no separation，热传递将会发生在pinball区域内的表面

热接触通过以下公式进行传热：

TCC默认被设为一个较大的数值用来模拟完美传热，同样可以人为设置较低的数值来模拟热阻。

2.边界条件

heat flow 热流量(j/s)，可应用于点、线、面

heat flux 热通量(j/m2/s)，只能应用于面(2D时可用于线)

internal heat generation 热源(j/m3/s) 只能用于实体

perfectly insulated 绝热，默认应用于所有未设置边界条件的地方temperature 恒定温度，应用于点、线、面、实体

convection 对流

只能应用于面，其中h-对流传热系数，Tam-环境温度，用户可以自己设置。radiation 热辐射

其中σ-玻尔兹曼常数，程序自动给定；

ε-发射率，用户输入。

F-form factor角系数，当correlation设为To ambient-F=1，即所有的辐射能都与周围环境进行交换

当correlation设为surface to surface ，辐射能只参与面面之间的交换，这时你可以设置Enclosure（每个辐射面应该设置相同的enclosure number)和Enclosure type(可设为open或perfect,如果计算报错可将其设为open)。

十、结果处理