ANSYS INCORPORATED ANSYS 结构分析指南（上） 线性静力、疲劳、断裂、复合材料、 P-方法、梁分析 V0205 090012000
ANSYS结构分析指南(上 目录 目录 第一章构分析概述 1.1结构分析定义 1-1 1.3结构分析所使用的单元 1.4材料模式界面 1-2 1.5求解方法 第二章鲒构线性静力分析 2-1 21静力分析的定义… 22线性静力分析与非线性静力分析 23静力分析的求解步骤 3.1建模 2.31.1注意事项 2-1 232设置求解控制 3.21进入求解控制对话框 22 2322 Basic标签 2.3.23 Transient标签…1 2324 Sol'n Options标签… 2-3 2325 Nonlinear标签 2326 Advanced NL标签 2.3.3设置其他求解选项 5 2.33.1应力刚度效 2332 Newton-Raphson选 项 2-5 2.333预应力效应计算 25 2334质量矩阵公式 2-6 2.335参考温度 2336模态数 23.37蠣变准则 2-6 2338输出选项 26 2.34施加载荷 2341载荷类型 2-6 234.2在模型上施加载荷 234.3计算惯性解除 27 23.5求解 2-8 23.6检查分析结果 236.1后处理 23.62注意事项 23.63检查结果数据 2364典型的后处理操作 24静力分析示例(GU方法) -1 24.1问题描述 2-l 242几何和材料特性…1111 2-11 243求解 2-11 25静力分析示例命令流方法) …2-19 26更多的静力分析示例 第三章寰劳. 31疲劳的定义…… 311 ANSYS程序处理疲劳问题的过程 3-1
ANSYS结构分析指南(上) 3.12基本术语 3.2疲劳计算 3.2.1进入POST1和恢复数据库 3.22建立疲劳计算的规模、材料疲劳性质和疲劳计算的位置 3.2.3储存应力、指定事件循环次数和比例因子 3.23.1储存应力. 3.23.2列表、显示或删除储存的应力 32.33设定事件重复次数和比例系数 32.34获得准确的耗用系数 324激活疲劳计算 32.查看计算结果… 326其它记数方法…… 327疲劳分析示例(命令流方法) 3-8 第四章断裂力学, 41断裂力学的定义 42断裂力学的求解… 4444 4.2.1裂纹区域的模拟 4.2.1.12-D断裂模型…… 4-2 4.2.1.23-D断裂模型,… 42.2计算断裂参数 42.2.1应力强度因子 4.2.2.2J积分 42.2.3能量释放率 第五章复合材料 51复合材料的相关概念 52建立复合材料模型 521选择合适的单元类型 522定义材料的叠层结构 52.21定义各层材料的性质 …5-2 5.2.2.2定义本构矩阵 522.3夹层(“三明治”)结构和多层结构 5-3 5224节点偏置 523定义失效准则 5.24应遵循的建模和后处理规则. 53复合材料分析实例(GU方法).… 53.1问题描述…… 5-6 5.3.2GUI方式 5-7 第六章P方法结构静力分析 61P-方法分析的定义 62应用P方法的优点 63应用P方法 6.3.1选择p方法 632建模… 6321定义单元类型 62.2.2指定材料特性和或实常数 6323定义几何实体… 632.4把模型离散成实体或壳单元 63.3建模的其他信息 6.3.1查看单元模型 6.332耦合 634施加载荷和求解 6-6 63.5常见问题解答
ANSYS结构分析指南(上) 6.3.6检查结果..1 6361p单元子网, 6.37查询子网结果 6.38打印和显示节点和单元结果 6-10 63.81特殊的p方法显示和列表… 6-10 64P方法分析示例(GU方法)… 6-10 641问题描述 6-610 64.2几何与材料特性… 6-10 643求解 6-11 6.5P方法分析示例(命令流方法)…… .6-13 第七章梁分析和横截面形状 7-1 7l梁分析概况… 7-1 72何为横截面… 7-1 73如何生成横截面 7.31定义截面并与截面号关联, 涂丰 7-2 732定义横截面几何特性和设置截面属性点 7-2 73.21确定要定义的格数 7.33用BEAM44 BEAM88 BEAMI89单元模拟线模型 7-3 74建立截面 7-3 7.4.1使用梁工具生成通用横截面… 7.4.2通过用户定义网格建立自定义截面…… …7-4 7.4.3用网格加密和多种材料建立自定义截面… 7-5 744定义复合截面 7-5 75管理横截面和用户网格库. 7-5 7.6横向扭转屈曲分析实例(GU方式)… 76.1问题描述 7-6 7.62问题特性参数 7-6 7.6.3草图 7-6 7.64特征值屈曲和非线性破坏分析 7-6 7.6.5设置分析名称和定义模型的几何实体 7 7.6.6定义单元类型和横截面信息 7-7 767定义材料特性和定位节点 7-7 76.8对线划分网格并确认梁的定位…… 7-8 769定义边界条件 …17-8 7.6.10进行特征值屈曲分析 7-8 7.6.11作非线性屈曲分析求解 79 76.12显示和检查结具… 79 77悬臂梁求解实例(命令流方法) 7-10 78其他示例
NsYS结构分析指南(上) 第一章结构分析概述 1.1结构分析定义 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念,它包括 土木工程结构如桥梁和建筑物,汽车结构如车身骨架,海洋结构如船舶结构,航空结构如飞杋机身 还包括机械零部件如活塞、传动轴等。 1.2结构分析的类型 在 ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量(节点自由度) 是位移。其他的一些未知量,如应变、应力和反力可通过节点位移导出。 包含结构分析功能的 ANSYS产品有:ANYS/ Multiphysics, ANSYS/ Mechanical, ANSYS/ Structural和 ANSYS/ Professional。 下面简单列出了这七种类型的结构分析: 静力分析一用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。包括线性和非线性分析。非线 模态分析-用于计算结构的固有频率和模态。提供了不同的模态提取方法。 谐波分析一用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应 瞬态动力分析一用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应,并且可计及上述静 力分析中提到的所有的非线性特性 谱分析—是模态分析的扩展,用于计算由于响应谱或PSD输入(随机振动)引起的应力和应 变 屈曲分析一用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。 ANSYS可进行线性(特征值屈曲和非线性 曲屈分析。 ·显式动力分析一 ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学问题和复杂的接触问题。 此外,除前面提到的七种分析类型外,还可以进行如下的特殊分析: 断裂力学 复合材料 疲劳分析 p-Method 梁分析 1.3结构分析所使用的单元 从简单的杆单元和梁单元,一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元,绝大多数的 ANSYS 单元类型都可用于结构分析。 注意一显式动力分析只能采用显式动力单元(LINK160、BEAM161、 PLANE162、 SHELL163、 SOLID164 COMBI165、MASS166、LINK167)。 表1-1结构单元类型 明 杆 LINKI, LINK8,LNK180 LINKIO BEAM3, BEAM4 梁BEAM54,BEAM44 BEAM23, BEAM24 BEAM188, BEAM189 PIPE16, PIPE17. PIPE18 管回Psg PIPE20, PIPE60 PLANE42, PLANE82. PLANE182. PLANE183
ANSYS结构分析指南(上) HYPER84. HYPER56, HYPER74 2-D实体ICO88 VISCO106, VISCO108 PLANE83, PLANE25 PLANE145. PLANE146 单元,§6 SOLID45 SOLID95,SOLIDI85.SOLID186 SOLID92,SOLID187 SOLID46, SOLID191 3D实体围 SOLID4,soLm65 HYPER86, HYPER58, HYPER158 VISCO89 VISCO1O7 SOLID147, SOLID148 单元,§6 SHELL93, SHELL63, SHELL41.SHELL43, SHELL181 SHELL51, SHELL61 壳 SHELL91,SHEL9 SHELL28 SHELLI50 p单元,§6 CONTAC48, CONTAC49, CONTA171, CONTA172, CONTA173 CONTA174 接触 CONTAC2, CONTAC52 ITARGE169, TARGE170 FLUID29. FLUID30. FLUID129 FLUID130. INFIN110. INFINIII PLANE13, SOLID5, SOLID98 耦合场 PLAnE PLANE13.SOLID5,SOLID62,SOL FLUID38, FLUID79, FLUID80, FLUID81 FLUID116 COMBIN14. COMBIN40, COMBIN39 COMBIN37 特殊 SURF153sURF54 COMBIN7 MATRIX27,MATRIX50 NK160 BEAM161 PLANE162 显式动国SHEL63 力分析OLD64 COMBI165 IMASSI66 LINK167 1.4材料模式界面 对于本书论述的分析,如果采用GUI交互式操作,用户可以通过直观的“材料模式交互界面”来 定义材料特性。这种方法采用树状结构的材料分类,使用户在分析中选择合适的材料模式变得更加 简单。具体方法见《 ANSYS Basic Analysis guide》§1.2.4.4。对于显式动力分析( ANSYS/LS-DYNA), 材料定义见《 ANSYS/ LS-DYNA USer' s Guide》§7.1 1.5求解方法 在A\SYS产品中,求解结构问题有两种方法:h方法和p方法。h-方法可用于任何类型的结构 分析,而-方法只能用于线性结构静力分析。根据所求的问题,h-方法通常需要比p-方法更密的网 格。p方法在应用较粗糙的网格时,提供了求得适当精度的一种很好的途径。本书主要讨论h-方法, 而§6则专门研究p方法
ANSYS结构分析指南(上) 第二章结构线性静力分析 2.1静力分析的定义 静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应,它不考虑惯性和阻尼影响一如结构受随时间 变化载荷作用的情况。可是,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 价静力风载和地震载荷)的作用。 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,即假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢。静 力分析所施加的载荷包括 外部施加的作用力和压力 稳态的惯性力(如重力和离心力) 强迫位移 温度载荷(对于温度应变) ●能流(对于核能膨胀) 关于载荷,还可参见§2.3.4。 2.2线性静力分析与非线性静力分析 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所有类型的非线性:大变形、 塑性、蠕变、应力刚化、接触(间隙)单元、超弹性单元等。本章主要讨论线性静力分析。对非线性 静力分析只作简单介绍,其详细论述见《 ANSYS Structural Analysis Guide》§8 2.3静力分析的求解步骤 2.3.1建模 首先用户应指定作业名和分析标题,然后通过PREP7前处理程序定义单元类型、实常数、材料 特性、模型的几何元素。这些步骤是大多数分析类型共同的,并已在《 ANSYS Basic Analysis Guide》 §1.2论述。有关建模的进一步论述,见《 ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2.3.1.1注意事项 在进行静力分析时,要注意如下内容 1、可以采用线性或非线性结构单元。 材料特性可以是线性或非线性,各向同性或正交各向异性,常数或与温度相关的: 必须按某种形式定义刚度(如弹性模量EX,超弹性系数等)。 对于惯性载荷(如重力等),必须定义质量计算所需的数据,如密度DENS。 ·对于温度载荷,必须定义热膨胀系数ALPX 3、对于网格密度,要注意: 应力或应变急剧变化的区域(通常是用户感兴趣的区域),需要比应力或应变近乎常数的区 域较密的网格 在考虑非线性的影响时,要用足够的网格来得到非线性效应。如塑性分析需要相当的积 分点密度,因而在高塑性变形梯度区需要较密的网格。 2.3.2设置求解控制
AsS结构分析指南(上) 设置求解控制包括定义分析类型、设置一般分析选项、指定载荷步选项等,当进行结构静力分 析时,可以通过“求解控制对话框”来设置这些选项,该对话框对于大多数结构静力分析都己设置 有合适的缺省值,用户只需作很少的设置就可以了。我们推荐采用该对话框进行设置 如用户不喜欢采用求解控制对话框,则可应用 ANSYS的标准求解命令集和相应的菜单(Main Menu Solut ion Unnbr idged Menw>opt ion}来设置求解控制选项,关于求解控制对话框的总体情况, 见《 A\SYS BaSiC Analysis Guide)3.11 2.3.2.1进入求解控制对话框 用户可通过选择 in Menu> ion)- Analysis Type- Sol' n Control)进入求解控制对话框 下面诸小节简要论述该对话框中各标签的选项,关于如何设置这些选项,可在按该标签的Help按 钮进入帮助系统,得到详细介绍 2.3.2.2 Basic标签 在求解控制对话框中共有五个标签,这些标签按从基本到高级的顺序排列,根据这种排列方式, 可使求解设置较为平顺,在进入求解控制对话框时,缺省激活的是 Basic标签 Basic标签中的设置,提供了分析中所需的最少数据,一旦在 Basic标签中的设置满足以后,就 不需要设置其他标签中的选项,除非因为要进行高级控制而修改其他缺省设置,按O按钮以后, 设置存储到 ANSYS数据库,并关闭对话框 用户可以在 Basic标签中设置的选项如表2-1所示,有关详细说明见该标签的Help帮助系统 表2-1 详细信息 指定分析类型[ ANTYPE, NLGEOM《 ANSYS Basic Analysis Guide》§1.2.6.1 KANSYS Structural Analysis Guide)3 8 (ANSYS Basic Analysis Guide)$3.16 制时间设置,包括载荷步结束的【《 ANSYS Basic Anal ysis Guide)52.4 时间[TME,自动时间步[Aos1, ANSYS Basic Analysis Guide)2.7.1 在一个载荷步中的子步数[ NSUBST 或[ DELTIM 设置写到数据库中的结果数据《 ANSYS Basic Analysis Guide)2.7.4 LOUTRES safm aptos Noranear AdvanceD I te Ite to Reits Fle Tune Cantrol nw otitis ime at en cf lantra Number of sestet Mox ne of wete 在静力分析中需要特别注意的选项主要有: 在设置 ANTYPE和 NLGEOM时,如进行一个新的分析并忽略大变形效应(如大挠度、大转角 大应变)时,请选择“ Small Disp lacement Static"项,如预期有大挠度(如弯曲的长细杆)
5YS结构分析指南(上) 或大应变(如金属成形问题),则选择“ Large Displacement Static”,如想重启动一个失 败的非线性分析,或者用户已进行了完整的静力分析,而想指定其他载荷,则选择“ Restart Current Analysis”项 在设置TI时,记住这个载荷步选项指定该载荷步结束的时间,缺省值为1.对于后续的 载荷步,缺省为1加上前一个载荷步指定的时间,虽然在静力分析(除蠕变,粘塑性或其他率 相关材料行为外)中,时间没有物理意义,但可以用于追踪时间步和子步,见 CANSYS Basic Analysis guide》2 在设置OTRE时,请记住:缺省时只有1,000个结果集记录到结果文件( Jobname.RsT)中,如 果超过这一数目(基于用户的 OUTRES设置),程序将出错停机。可以通过 CONFIG,NRES命 令来增大这一限值,见《 ANSYS Basic Analysis Guide》§20 2.3.2.3 Transient标签 Transient标签设置瞬态分析控制,只有在 Basic标签中选择了瞬态分析时才能激活这一标签 如果在 Basic标签中选择了静态分析,则这一标签不能设置,所以在这里暂不讨论 2.3.2.4Sol' n Options标签 sol' n Opt ions标签用于设置表2-2所列的选项。详细说明可从Help按钮进入帮助系统而得到 表2-2 参见《 ANSYS Basic Analysis Guide 脂定方程求解器[EsL 325310 对于多重启动指定参数 3.16.2 RESCONTROL sion options Cornea [Advanced N Eauation suven upstart Contr ⊙ Dug am nbr af tat fees to write pre cMti nn last westen on C d et 在静力分析中设置ESLV时,选择下列求解器之 程序选择求解器( ANSYS将根据问题的领域自动送择一个求解器)t 稀疏矩阵求解器(对线性和非线性,静力和完全瞬态分析,为缺省项) PCG求解器(对于大模型高波前,巨形结构推荐使用) 的求解器(其应用与PCG求解器相同,但提供并行算法:在用于多处理器环境时,转向更 快》: DD5求解器,通过网络在多处理器系统中提供并行算法: 达代求解器(自动选择:只适用于线性静力/完全瞬态结构分析,或稳态温度分析:推荐) 波前直接求解器
45YS结构分析指南(上 注意一AMG和Ds求解器,是 ANSYS并行算法的一部分,需要单独购买,见 ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》§9 2.3.2.5 Nonlinear标签 onlinear标签用于设置表2-3所列的选项,详细内容可通过Hep按钮进入帮助系统 表2-3 参见《 ANSYS Structural Analysis Guide 激活线性搜索 LNSRCH 8.5.2.8.5 §8.10.2.3 D料的预测D 58.5.28.4 指定每个子步的最大达代次数 88.5.2.8.3 NEAT 指明是否包括变计[RAE] 8.3.1.6 58.5.3.2.1 段置收致准则[CNTL 585282 控制三分 CUTCONTROL 8.5.2.8.6 ninsar Datuan cutts Control Limits on phaal vases tu neram becton: DOt south fnn, Fats stran 15 alot owp rat Tatnam Iteratio moli orea ratio ta agement moon Ponit ner cycle Creep Upton a Ditman accordin to pettee m r Icus strain rate attest c Awan iterate to 2) erpaabrsam 2.3.2.6 Advanced N标签 Advanced n标签用于设置表2-4所列的选项,详细内容见该标签中的elp帮助系统 参见《 ANSYS Structural Analysis Guide 指顶分析结束准[NN 85283 激活和终止弧长法控制 ARLEN58.10.2.4 ARCTRM 2-4