ANSYS静力分析实用教案.ppt

第二章￿ANSYS静力分析(fēnxī)•主要内容•结构静力分析简介•结构线性静力分析基本步骤(bùzhòu)•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(bùzhòu)、线性屈曲分析实例、接触分析实例•思考题第1页/共75页第一页，共76页2.1￿结构静力分析(fēnxī)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）的作用等价静力风载）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移(wèiyí)(wèiyí)、应力、应变和力。

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第2页/共75页第二页，共76页2.1￿结构静力分析(fēnxī)简介•静力分析所施加的载荷(zài￿hè)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(zài￿hè)•能流•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第3页/共75页第三页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)基本步骤•性静力分析中，主要有以下几个( jǐ￿ɡè)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第4页/共75页第四页，共76页2.2￿结构(jiégòu)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(tèxìng)、模型的几何参数￿•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第5页/共75页第五页，共76页。

2.2￿结构(jiégòu)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 (ɡè￿xiànɡ￿yì￿xìnɡ)材料，并且可以随温度变化或者与温度无关•GUI:￿Main￿Menu>Preprocessor>Material￿Props>-Constant-Isotropic/Orthotropic•Command:￿MP第6页/共75页第六页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)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(móxíng)并划分网格得到有限元模型(móxíng)•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￿第7页/共75页第七页，共76页2.2￿结构(jiégòu)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(fēnxī)类型并对求解进行控制•分析(fēnxī)类型选New￿Analysis￿(GUI:￿Solution>New￿Analysis)，进入求解控制对话框（GUI:￿Solution>Sol’n￿Contros）•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(fēnxī)是合适的，用户只需要作很少的设置。

第8页/共75页第八页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析基本步骤•2.2.2￿施加载荷并求解￿•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(shèzhì)，不设置(shèzhì)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第9页/共75页第九页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析基本步骤•2.2.3￿计算结果( jiē￿guǒ)的后处理与分析•在结构的静力分析中，其计算结果( jiē￿guǒ)将被写入结果( jiē￿guǒ)文件Jobname.RST中，一般结果( jiē￿guǒ)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第10页/共75页第十页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)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(gēnzōng)。

•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￿第11页/共75页第十一页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)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(rúguǒ)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第12页/共75页第十二页，共76页2.2￿结构(jiégòu)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(xiǎnshì)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第13页/共75页第十三页，共76页。

2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)基本步骤•2.2.3￿计算结果的后处理与分析•在结构( jiégòu)线性静力分析中，后处理常用命令如下•列出节点单元的支反力和反力矩•Command:￿PRESOL,￿F(or￿M)•列出节点力和反力矩的和•GUI:￿Main￿Menu>General￿Postproc>List￿Results>Eelement￿Solution•GUI:￿Main￿Menu>General￿Postproc>Nodal￿Calcs>Total￿Force￿Sum•Command:￿FSUM第14页/共75页第十四页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)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•d.￿单元的结果处理•GUI:￿Main￿Menu>General￿Postproc>Element￿Table>Define￿Table•Command:￿ETABLE•对于线性单元体，例如梁单元、杆单元、管单元等可以(kěyǐ)通过此选项获得结果数据，如应力和应变等￿第15页/共75页第十五页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析基本步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•问题描述•具有圆孔的矩形板在拉伸状态下的应力分布。

1.0￿m×2.0￿m的矩形板，厚度为0.03￿m，中心圆孔直径为0.25￿m，弹性模量(tán￿xìnɡ￿mó￿liànɡ)为207GPa，泊松比0.3，端部受拉伸载荷600￿N第16页/共75页第十六页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•GUI分析步骤•a.￿建立几何模型•1)￿定义任务标题(biāotí)：Utility￿Menu>File>Change￿Title，输入“Tensile￿Loading￿of￿a￿Rectangular￿Plate￿with￿a￿Hole”，单击OK•Command:￿/TITLE,￿Tensile￿Loading￿of￿a￿Rectangular￿Plate￿with￿a￿Hole•2)定义单元类型：Main￿Menu>Preprocessor>Element￿Type>Add/Edit/Delet ，出现Element￿Types列表框单击Add出现单元类型库对话框，左侧列表中选择Structural￿Shell，右侧列表中选择Elastic￿4node63，单击OK确定•Command:￿ET,￿1,￿SOLID45第17页/共75页第十七页，共76页。

2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•GUI分析步骤•a.￿建立几何模型(móxíng)•3)定义材料特性：Main￿Menu>Preprocessor>Material￿Props>Material￿Modes在Define￿Material￿Model￿Behavior窗口中，双击Structural>Linear>Elastic>￿Isotropic在出现的对话框中，EX输入207E9，PRXY输入0.3，单击OK，Material￿Model￿Number￿1出现在Material￿Models￿Defined窗口左侧列表中，选择菜单Material>Exit退出￿•Command:￿MPDATA,￿EX,￿1,,207e9￿￿•MPDATA,￿PRXY,￿1,,0.3￿￿第18页/共75页第十八页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析(fēnxī)实例1•GUI分析(fēnxī)步骤•a.￿建立几何模型•4)建立几何模型：Main￿Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By￿Dimensions，出现Create￿Block￿by￿Dimensions对话框，X1，X2￿X-coordinates分别填入-1,1，Y1，Y2￿Y-coordinates分别填入-0.5,0.5，Z1，Z2￿Z-coordinates分别填入-0.015,0.015，单击OK确定。

然后Main￿Menu>￿Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>By￿Dimensions，弹出Create￿Cylinder￿by￿Dimensions对话框，RAD1输入0.1，Z1,Z2,输入-0.1,0.1，THETA1输入0，THETA2输入360，单击OK退出第19页/共75页第十九页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•GUI分析步骤(bùzhòu)•a.￿建立几何模型•4)建立几何模型：矩形板中心出现一个圆柱体Main￿Menu>￿Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volume，出现Subtract￿Volumes选择框，先选择矩形板单击OK，点击subtract￿volume中的apply，然后选择圆柱体选择next，选择的模型颜色会发生变化，被切除部分为红色，单击OK￿，单击Subtract￿Volumes￿中的OK最后得到的模型就是中心带有孔的矩形板，如图2.1所示￿•Command:￿BLOCK,￿-1,1,-0.5,0.5,-0.015,0.015•￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿CYLIND,0.1,￿,-0.1,0.1,0,360,•￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿VSBV,￿1,￿2￿第20页/共75页第二十页，共76页。

2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•GUI分析步骤•a.￿建立( jiànlì)几何模型图2.1 中心(zhōngxīn)带孔的矩形板模型 第21页/共75页第二十一页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)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 (wǎnɡ￿ɡé)之前，通常需要对几何模型进行适当的剖分，以利于网格(wǎnɡ￿ɡé)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确定第22页/共75页第二十二页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例(shílì)1•GUI分析步骤•b.模型剖分•5)模型剖分：然后选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Modeling>Operate>Booleans>Divide>Volu￿by￿WrkPlane ，选择Pick￿All，图形窗口中将显示模型被工作平面一分为二。

1.工作平面和要分割的面垂直，所以要旋转工作平面（沿Z方向切绕X轴转；沿X轴方向切绕Y轴转；沿Y轴方向切绕Z轴转)•2.要移动工作平面和你要切的面的位置相交，并且交线不能是面的边线类似地，通过移动工作平面的位置，最后将几何模型剖分为如图2.2所示最后，选择Main￿Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>￿Glue>Volumes ，在对话框中选择Pick￿All，将剖分开的各部分模型粘接在一起第23页/共75页第二十三页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)基本步骤•2.2.4￿结构( jiégòu)线性静力分析实例1•GUI分析步骤•b.模型剖分图2.2 几何(jǐ hé)模型的剖分示意图 第24页/共75页第二十四页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•GUI分析步骤•c.￿网格划分•6)有限元网格划分：选择Main￿Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh￿Tool ，出现如图2.3所示的Mesh￿Tool 对话框选择Size￿control>Lines>set，将圆孔周边的线段和中线小正方型的线段都设定为10段，厚度方向的线段设定为6段，如图2.3所示。

然后选择Mesh处下拉菜单为volume，shape设定为sweep，点击sweep，然后点击select￿all，然后点击OK确定(quèdìng)，最后得到模型的有限元网格如图2.4所示￿第25页/共75页第二十五页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析基本步骤•2.2.4￿结构线性静力分析(fēnxī)实例1•GUI分析(fēnxī)步骤•c.￿网格划分图2.3 划分网格(wǎnɡ ɡé)的参数设定 图2.4 带孔平板的网格划分 第26页/共75页第二十六页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析实例1•GUI分析步骤•d.￿施加载荷及边界条件•7)载荷与边界条件：选择Main￿Menu>Solution>Define￿Loads>Apply>Displacement>On￿Areas，选择图形窗口最左端的面，约束这些面上所有节点UX方向的自由度然后选择Main￿Menu>Solution>Define￿Loads>Apply>Pressure>On￿Ares，选择图形窗口最右端的所有面，输入(shūrù)压力为-2000，点击OK确定。

最后得到模型上的边界条件和载荷如图2.5所示￿第27页/共75页第二十七页，共76页2.2￿结构(jiégòu)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(bùzhòu)•d.￿施加载荷及边界条件图2.5 划分网格(wǎnɡ ɡé)的参数设定 第28页/共75页第二十八页，共76页2.2￿结构线性静力分析基本(jīběn)步骤•2.2.4￿结构线性静力分析(fēnxī)实例1•GUI分析(fēnxī)步骤•e.￿求解及后处理•8)求解：选择Main￿Menu>Solution>Solve>Current￿LS，点击OK开始计算•9)结果分析(fēnxī)：选择Main￿Menu>General￿Postproc>Plot￿Results>Contour￿Plot>Nodal￿Solu，在Contour￿Nodal￿Solution￿Data对话框中选择Nodal￿Solution>Stress>von￿Mises￿Stress，点击OK，图形窗口将出现如图2.6所示的von￿Mises应力云图分布第29页/共75页第二十九页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)基本步骤•2.2.4￿结构线性静力分析(fēnxī)实例1•GUI分析(fēnxī)步骤•e.￿求解及后处理图2.6 计算结果显示Mises应力(yìnglì)云图 第30页/共75页第三十页，共76页。

2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•问题描述•如图所示，长度为L=2m的悬臂梁，自由端受集中力F=6000N作用，弹性模量E=200GPa，柏松比μ=0.25，梁的界面为工字型，并且已知梁的截面形式和具体( jùtǐ)尺寸如下：b=0.06m，h=0.08m，t1=t2=t3=0.01m，如图2.7所示图2.7 悬臂梁自由(zìyóu)端受集中力的作用 第31页/共75页第三十一页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤•1)建立有限元模型￿•定义分析标题：File>Change￿Title，输入“Bending￿of￿a￿I-Shaped￿Beam”，单击OK•定义单元类型：Main￿Menu>Preprocessor>Element￿Type>Add/Edit/Delet ，出现Element￿Types列表框单击Add，出现单元类型库对话框，在左侧(zuǒ￿cè)列表中选择Structural￿Beam，右侧列表中选择3D￿tapered￿44，单击OK第32页/共75页第三十二页，共76页。

2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤•1)建立有限元模型￿•定义材料特性：Main￿Menu>Preprocessor>Material￿Props>Material￿Models，定义各向同性线弹性材料，弹性模量EX为200E9，PRXY输入0.25，然后退出材料属性对话框￿•定义截面形状：Main￿Menu>Preprocessor>Sections>beam>Common￿Sections，出现Beam￿Tool对话框，在Sub-Type下拉菜单中选择(xuǎnzé)“工”字型梁截面，输入截面参数：W1=0.06，W2=0.06，W3=0.08，t1=0.01，t2=0.01，t3=0.01，单击OK第33页/共75页第三十三页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)实例•2.2.5￿结构线性静力分析(fēnxī)实例•求解步骤•1)建立有限元模型￿•建立模型：Main￿Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>In￿Active￿CS，依次建立坐标为(0,0,0)￿和￿(2,0,0)的两个个关键点。

执行Main￿Menu>￿Preprocessor>Create>Lines>Straight￿Line，选择1、2关键点，生成一条直线段•划分网格：Main￿Menu>Preprocessor>Mesh￿Tool ，将线段分为20段，然后在Mesh￿Tool 对话框单击Mesh，选择以上的线段生成有限元单元第34页/共75页第三十四页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤(bùzhòu)•2)施加载荷进行静力求解与分析￿•定义分析类型：Main￿Menu>Solution>Unabridged￿Menu>New￿Analysis，选择Static，单击OK•施加载荷：Main￿Menu>Solution>Loads>Apply>Displacement>On￿Nodes，将图形窗口中最左端的节点的所有自由度约束执行Main￿Menu>Solution>Apply>Force/Moment>On￿Nodes，选择最右端节点，单击OK，在Lab选择FY，VALUE输入-6000，单击OK，在梁的自由端出现集中力标识第35页/共75页第三十五页，共76页。

2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤•2)施加载荷进行静力求解与分析￿•保存数据(shùjù)库文件：Save_DB•求解：Main￿Menu>Solution>Solve>Current￿LS，查看求解信息，关闭求解状态窗口，单击OK开始求解，求解完成后单击Close关闭求解信息框￿•3)查看分析结果￿•进入POST1，读入结果数据(shùjù)：Main￿Menu>General￿Postproc>Read￿Results-LastSet •观察结构变形：Main￿Menu>General￿Postproc>Plot￿Results>Deformed￿Shape，选择Def+undeformed，单击OK，结构变形前后的形状同时出现在图形窗口，如图2.8所示第36页/共75页第三十六页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析(fēnxī)实例•求解步骤•3)查看分析(fēnxī)结果￿图2.8 梁变形(biàn xíng)前后的形状改变图第37页/共75页第三十七页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤(bùzhòu)•3)查看分析结果￿•显示梁单元空间形状：PlotCtrls>Style>Size￿and￿Shape，出现Size￿and￿Shape对话框。

激活[ESHAPE]选项为ON，单击OK，图形窗口出现梁单元的空间三维效果显示梁单元截面上的应力：Main￿Menu>General￿Postproc>Plot￿Results>contour￿plot>￿Nodal￿Solution ，在左侧Item列表中选择Stress，在右侧的Comp列表中选择SX，单击OK，梁单元上出现应力分布图，如图2.9所示第38页/共75页第三十八页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤•3)查看(chákàn)分析结果￿图2.9 梁上沿X方向(fāngxiàng)应力分布图第39页/共75页第三十九页，共76页2.2￿结构线性静力分析(fēnxī)实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤•3)查看分析结果￿•列表显示(xiǎnshì)反作用力：Main￿Menu>General￿Postproc>List￿Results>Reaction￿Solu ，在右侧列表中选All￿Items，单击OK，得到反作用力列表•绘制弯矩图：首先定义单元表：Main￿Menu>General￿Postproc>Element￿Table>Define￿Table，得到Element￿Table￿Data 列表框。

单击Add，在Lab框中输入MI，Items列表框选中By￿sequence￿num,￿Comp列表中选取SMISC，输入2，单击OK第40页/共75页第四十页，共76页2.2￿结构(jiégòu)线性静力分析实例•2.2.5￿结构线性静力分析实例•求解步骤•3)查看分析结果￿•按照类似的方法将SMISC，15添加到单元表，并命名为MJ执行Main￿Menu>General￿Postproc>Plot￿Results>Line￿Elem￿Res ，LabI选择MI，LabJ选择MJ，单击OK，在图形窗口中得到(dé￿dào)弯矩图•（6）图形输出：PlotCtrls>HardCopy>To￿File￿第41页/共75页第四十一页，共76页课后练习•一个口径为10mm的通用扳手，在它的末端承受100N的水平力和20N竖直向下(xiànɡ￿xià)的力试确定该扳手在这两个载荷作用下的应力强度值第42页/共75页第四十二页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)￿•2.4.1￿屈曲分析的概念•屈曲分析是一种用于确定结构开始(kāishǐ)变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。

•ANSYS在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Structural以及ANSYS/Professional中，提供两种结构屈曲载荷和屈曲模态的分析方法：•特征值（线性）屈曲•非线性屈曲分析第43页/共75页第四十三页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.1￿屈曲分析的概念•特征值（线性）屈曲分析•特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度该方法相当于教科书中的弹性屈曲分析方法例如，一个柱体结构的特征值屈曲分析的结果，将与经典欧拉解相当但是，当初始缺陷和非线性使得很多实际结构都不是在其理论弹性屈曲强度处发生屈曲因此，特征值屈曲分析经常( jīngcháng)得出非常保守结果，通常不能用于实际的工程分析•非线性屈曲分析•非线性屈曲分析比线性屈曲分析更精确，故建议用于对实际结构的设计或计算该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷，如图所示应用非线性技术，模型中就可以包括诸如初始缺陷、塑性、间隙、大变形响应等特征此外，使用偏离控制加载，用户还可以跟踪结构的后屈曲行为第44页/共75页第四十四页，共76页。

2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.2￿结构线性屈曲分析的一般(yībān)步骤•1.￿建立有限元模型•定义工作文件名、标题和单元；•定义单元类型、单元实常数、材料性质•2.￿施加载荷并获得静力解•方法与一般(yībān)静力分析相同，另外有几点需要说明：•静力求解中必须激活预应力影响（PSTRES命令）；•由于屈曲分析计算出的特征值表示屈曲载荷系数，因此通常只需要施加单位载荷；•求解完成后使用FINISH命令退出求解器￿第45页/共75页第四十五页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.2￿结构线性屈曲分析的一般步骤•3.￿获得线性屈曲解•重新(chóngxīn)进入ANSYS求解器（GUI:￿Main￿Menu>Solution）；•定义分析的类型对求解选项进行设置•分析类型选择Eigen￿Buckling(特征值屈曲分析)（GUI:￿New￿Analysis）•屈曲分析选项（GUI:￿Analysis￿Options）•Command:￿BUCOP,￿Method,￿NMODE,￿SHIFT•Method：指定特征值提取方法•NMODE：指定特征值提取的数目￿第46页/共75页第四十六页，共76页。

2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.2￿结构线性屈曲(qū￿qǔ)分析的一般步骤•3.￿获得线性屈曲(qū￿qǔ)解•定义载荷步选项•只需设置输出选项，控制结构输出•保存数据库文件•开始求解•求解过程是输出特征值，若要得到屈曲(qū￿qǔ)模态形状还需要进行解的扩展•￿￿￿￿￿￿注：有些情况程序可能会计算出负的特征值，这表示结构在相反方向施加载荷也会发生屈曲 (qū￿qǔ)•退出求解器第47页/共75页第四十七页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.2￿结构线性屈曲分析的一般步骤•4.￿扩展解•重新进入( jìnrù)求解器•激活Expansion￿Pass（GUI:￿Main￿Menu>Solution>Expansion￿Pass）•设置扩展模态选项（GUI：Main￿Menu>Solution>Expand￿Modes）•进行输出控制•打印输出控制•数据库和结果文件输出控制•开始扩展处理•退出求解器（FINISH）￿第48页/共75页第四十八页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.2￿结构线性屈曲分析的一般步骤•5.￿查看分析结果•进入后处理器POST1•列出屈曲载荷系数•显示(xiǎnshì)屈曲变形•显示(xiǎnshì)相对应力分布第49页/共75页第四十九页，共76页。

2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例￿•1)问题描述•一端固支，一端自由的柱型壳体，半径为200￿mm，长度L=800￿mm，弹性模量E=200￿GPa，壁厚10￿mm,￿轴向载荷2000￿KN￿•2)￿建模与参数设定•定义分析标题：Utility￿Menu>File>Change￿Title，输入“Buckling￿of￿a￿Shell”，单击OK•定义单元类型：Main￿Menu>Preprocessor>Element￿Type>Add/Edit/Delete ，出现Element￿Types列表框单击Add出现单元类型库的对话框，在左侧列表中选择(xuǎnzé)Structural￿Shell，右侧列表中选择(xuǎnzé)SHELL63，单击OK￿第50页/共75页第五十页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•2)￿建模与参数设定•定义实常数：Main￿Menu>Preprocessor>Real￿Constant>Add/Edit/Delete，出现Real￿Constants列表框单击Add，出现Element￿Type￿for￿Real￿Constants￿ 对话框。

单击OK，出现Real￿Constants￿for￿Set￿number￿1￿Shell63对话框在Shell￿Thickness中输入10，单击Ok单击Close关闭Real￿Constants列表框￿•定义材料特性：Main￿Menu>Preprocessor>Material￿Props>Material￿Models,￿在Define￿Material￿Model￿Behavior窗口(chuāngkǒu)中，双击Strucutral>Linear>Elastic>￿Isotropic在出现的对话框中，EX输入200E9，单击OK，Material￿Model￿Number￿1出现在Material￿Models￿Defined￿窗口(chuāngkǒu)左侧列表中，执行Material>Exit退出第51页/共75页第五十一页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•2)￿建模与参数设定•通过线扫略生成壳模型：Main￿Menu>Proprocessor>Modeling>￿Create>￿Keypoints>In￿Active￿CS，出现Create￿Keypoints￿in￿Active￿Coordinate￿System对话框，分别建立( jiànlì)四个关键点(0,0,0)，(0,￿0,￿800)，(200,￿0,0)，(200,￿0,800)，点击OK关闭对话框。

点击Main￿Menu>Proprocessor>Modeling>￿Create>Lines>￿Lines>Straight￿Line，分别选取点3和点4，点击OK关闭对话框•点击Main￿Menu>Proprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Lines>About￿Axis，拾取line￿1，点击Ok确定，然后分别拾取Keypoint￿1和Keypoint￿2，点击OK确定，出现Sweep￿lines￿about￿axis对话框在ARC输入360，￿NSEG文本框输入4，点击OK确定，生成壳模型第52页/共75页第五十二页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•2)￿建模与参数设定•划分有限元网格：Main￿Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh￿Tool ，跳出MeshTool对话框，点击Size￿Controls:￿Lines后的Set按钮，然后选取壳沿轴向的任意一条线段，点击OK确定，出现Elements￿Sizes￿on￿Picked￿Lines对话框，然后在NDIV文本框输入30。

采用统一的办法将任意一端圆周上的线段均分为(fēn￿wéi)10段选择Main￿Menu>Preprocessor>Meshing>￿MeshTool ，在MeshTool对话框中shape选中Quad和map，然后点击sweep按钮，生成如图2.10所示有限元网格￿第53页/共75页第五十三页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲(qū￿qǔ)分析实例•2)￿建模与参数设定图2.10 圆壳的有限元网格(wǎnɡ ɡé)第54页/共75页第五十四页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•3)￿施加载荷进行静力分析•定义分析类型：Main￿Menu>Solution>Abridged￿Menu>Analysis￿Type>New￿Analysis，出现(chūxiàn)New￿Analysis对话框选择Static，单击OK执行Main￿Menu>Solution>￿Analysis￿Options，出现(chūxiàn)Static￿or￿Steady-State￿Analysis 对话框在[SSTIF][PSTRES]中选定Prestress￿ON，单击OK。

￿第55页/共75页第五十五页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•3)￿施加(shījiā)载荷进行静力分析•施加(shījiā)载荷：Main￿Menu>Solution>Define￿Loads>Apply>Strucutral>￿Displacement>On￿Lines，出现Apply￿U,￿ROT￿on￿Lines对话框，在图形窗口中选择Z=0的所有圆周上的四条弧线，单击OK，在对话框中选择ALL￿DOF，单击OK执行Main￿Menu>Solution>Define￿Loads>Apply>Structural>￿Force/Moment>On￿Nodes，选择Z=800的所有节点（共40个），在Apply￿F/M￿on￿Nodes对话框中，选择Direction￿of￿force/mom为FZ，VALUE设定为-500，点击OK￿第56页/共75页第五十六页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•3)￿施加载荷(zài￿hè)进行静力分析•保存数据库文件，ANSYS￿Toolbar>SAVE_DB 。

•求静力解：Main￿Menu>Solution>Solve-Current￿LS，查看求解信息，单击OK开始求解，求解完成后单击Close.第57页/共75页第五十七页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲(qū￿qǔ)分析实例•4)特征值屈曲(qū￿qǔ)分析•定义分析类型：Main￿Menu>Solution>New￿Analysis，忽略跳出的警告窗口，在New￿Analysis对话框中选取Eigen￿Buckling，单击OK•屈曲(qū￿qǔ)分析选项设置：Main￿Menu>Solution>Analysis￿Options,￿出现Eigenvalue￿Buckling￿Options,￿选定Block￿Lanczos提取模态，提取模态数输入4，单击Ok￿第58页/共75页第五十八页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•4)特征值屈曲分析•模态扩展选项：Main￿Menu>Solution>Load￿Step￿Opts>ExpansionPass>￿Single￿Expand>Expand￿Modes，在NMODE中输入4，单击OK。

•开始(kāishǐ)特征值屈曲分析：Main￿Menu>Solution>Solve-Current￿LS，单击Ok开始(kāishǐ)求解￿•5)￿查看求解结果•读入结果数据：Main￿Menu>General￿Postproc>Read￿Results>First￿Set •列出屈曲载荷系数：Main￿Menu>General￿Postproc>List￿Results>Detailed￿Summary第59页/共75页第五十九页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•5)￿查看求解结果•观察屈曲变形和应力云图(yún￿tú)：Main￿Menu>General￿Postproc>Plot￿Results>Contour￿Plot>Nodal￿Solu，出现Contour￿Nodal￿Solution￿Data对话框选择Nodal￿Solution>Stress>displacement￿vector￿sum，在Undisplaced￿shape￿key的下拉菜单中选择Deformed￿shape￿with￿undeformed￿edge，单击Ok，结构变形前后的形状同时出现在图形窗口，如图2.11所示。

￿第60页/共75页第六十页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.3￿线性屈曲分析实例•5)￿查看求解(qiú￿jiě)结果图2.11 一阶屈曲(qū qǔ)模态的von Mises应力分布图 第61页/共75页第六十一页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•问题描述(miáo￿shù)•经典的赫兹接触问题：衬底材料的弹性模量为60GPa，泊松比为0.3，尺寸如图2.12所示；刚性压头的半径为1￿mm，压入载荷20KN材料之间的摩擦系数为0.15￿图2.12 赫兹接触(jiēchù)模型第62页/共75页第六十二页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•接触分析过程(guòchéng)•定义任务名称：启动ANSYS，选择材料File>Change￿Title...，输入“Contact￿Analysis”，单击OK退出•设定参数变量：选择主菜单下Parameters>Scalar￿Parameters...，弹出Scalar￿Parameters对话框在Section下分别定义Contact=1.5、Radius=1、Thick=2和Length=12，然后退出Scalar￿Parameters对话框。

￿第63页/共75页第六十三页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•接触分析过程•定义单元类型：选择Main￿Menu>Preprocessor￿>Element￿Type>Add/Edit/￿Delete ，分别添加Solid下的4node￿182单元、Contact下的2D￿target￿169和2￿nd￿surf171单元，点击OK退出该对话框•定义实常数：选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Real￿Constants，选择Type￿2￿TARGE169 ，不修改任何数据，单击OK退出单击Add...，选择Type￿3￿CONTA171 ，设定参数(cānshù)FKN为1，FTOLN为0.1，PMAX为0.1，PMIN为0.01，然后退出Real￿Constants对话框￿第64页/共75页第六十四页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触( jiēchù)分析实例•接触( jiēchù)分析过程•定义材料模型：选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Material￿Props>Material￿Models，定义材料模型1为各向同性材料，EX=60e9，PRXY=0.3。

回到Define￿Material￿Model￿Behavior对话框，选择Structural>Friction￿Coefficient，设定MU=0.15•建立几何模型：选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Modeling>Create>Keypoints>In￿Active￿CS，依次分别建立坐标为(0,0,0)、(Contact,0,0)和(Length,0,0)的三个关键点第65页/共75页第六十五页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•接触分析过程•建立几何模型：选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Modeling>Copy>Keypoints，弹出Copy￿Keypoints对话框，选定pick￿all￿设定DY=thick，单击OK退出(tuìchū)选择Main￿Menu>Preprocessor>Modeling>￿Create>Areas>￿Arbitrary>Through￿Keypoints，依次单击1,2,5,4关键点，点击Apply，然后单击2,3,6,5，单击OK完成面的建立第66页/共75页第六十六页，共76页。

2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•接触分析过程•建立几何模型：选择Utility￿Menu>WorkPlane>￿Offset￿WP￿to>XYZ￿Locations￿+，在Global￿Cartesian栏输入0，thick+radius，单击OK选择Utility￿Menu>WorkPlane>Local￿Coordiante￿Systems>Create￿Local￿CS>At￿WP￿Origin...，弹出Create￿Local￿CS￿at￿WP￿Origin对话框，在KCS栏中输入Cylindrical￿1，单击OK退出•选择Main￿Menu>Preprocessor>Modeling>Create￿>Keypoints>In￿Active￿CS，依次建立编号为20-23的四个关键点，其坐标分别(fēnbié)为(radius,180,0)、(radius,-90,0)、(radius,0,0)和(0,0,0)选择Main￿Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In￿Active￿Coord，分别(fēnbié)将关键点20,21以及21,22连成线。

第67页/共75页第六十七页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•接触分析过程•划分有限元网格：选择Main￿Menu>￿Preprocessor>Meshing>Default￿Attribs,￿选择1￿PLANE182单元，实常数编号为1，•设定网格尺寸(chǐ￿cun)，然后选择Main￿Menu>Preprocessor>Mesh>Areas>3￿or￿4￿sided对面进行网格划分•选择Main￿Menu>￿Preprocessor>Modeling>Reflect>Areas，单击Pick￿All，单击OK，退出Reflect￿Areas对话框•选择Y坐标为thick的Nodes，选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Modeling>Create>￿Elements>Elem￿Attributes，选择3￿CONTA171，实常数编号为2，点击OK选择Main￿Menu>￿Proprecessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Conatct>•Inf￿Acoustic,￿单击OK退出此步不能省，有待查证inf￿acoustic的作用。

第68页/共75页第六十八页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析(fēnxī)实例•接触分析(fēnxī)过程•划分有限元网格：选择Main￿Menu>￿Preprocessor>Numbering￿Ctrls>Merge￿Items，在Label栏中选择All，单击OK退出选择Main￿Menu>Preprocessor>Meshing>Default￿Attribs,￿选择2￿TARGE169单元，实常数编号为2，选择两条弧线段选择Main￿Menu>Preprocessor>￿Meshing>Mesh>Lines，选择刚才的两条弧线段选择Main￿Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>￿Keypoints，选择关键点23，单击OK退出得到如图2.12所示模型第69页/共75页第六十九页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析(fēnxī)实例•接触分析(fēnxī)过程图2.12 衬底材料(cáiliào)的有限元网格第70页/共75页第七十页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例•接触分析过程(guòchéng)•选择Utility￿Menu>WorkPlane>Change￿Active￿CS￿to>Global￿Cartesian。

选择Utility￿Menu>Select>Everything•设置边界条件：约束Y坐标为0的节点的UY自由度，并固定坐标为(0,0)处节点的UX自由度在关键点23处的节点施加FY方向的集中力-20000N，然后退出Apply￿F/M￿on￿Nodes对话框￿第71页/共75页第七十一页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触( jiēchù)分析实例•接触( jiēchù)分析过程•求解：选择Main￿Menu>Solution>Analysis￿Type>New￿Analysis，选择Static，单击Ok退出New￿Analysis对话框选择Main￿Menu>￿Solution>Analysis￿Type>Sol’n￿Controls ，在Analysis￿Options栏中选择Large￿Displacement￿Static，在Automatic￿time￿stepping栏中选择On，在Number￿of￿substeps栏中输入20，在Max￿no.￿of￿substeps栏中输入500，在Min￿no.￿of￿substeps栏中输入10，单击OK退出。

选择Main￿Menu>￿Solution>Solve>Current￿LS，单击OK，进行本载荷步的求解￿第72页/共75页第七十二页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例(shílì)•接触分析过程•后处理：选择Utility￿Menu>PlatCtrls>Style>￿Displacement￿Scaling，弹出Displacement￿Display￿Scaling对话框，在DMULT栏中选择1.0选择Main￿Menu>￿General￿Postproc>Read￿Resutls>By￿Load￿Step ，弹出Read￿Results￿by￿Load￿Step￿Numbe 对话框，在LSTEP处输入1，单击OK退出选择Main￿Menu>General￿Postproc>Plot￿Results>Contour￿Plot>Nodal￿Solu，选择Stresss>von￿Mises￿SEQV，得到应力分布图，如图2.13所示￿第73页/共75页第七十三页，共76页2.4￿静力非线性分析(fēnxī)•2.4.4￿接触分析实例(shílì)•接触分析过程图2.13 衬底材料(cáiliào)的有限元网格第74页/共75页第七十四页，共76页。

感谢您的观赏(guānshǎng)！第75页/共75页第七十五页，共76页内容(nèiróng)总结第二章 ANSYS静力分析9)结果分析：选择Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，在Contour Nodal Solution Data对话框中选择Nodal Solution>Stress>von Mises Stress，点击(diǎn jī)OK，图形窗口将出现如图2.6所示的von Mises应力云图分布第七十六页，共76页。