ANSYS结构分析指南

ANSYS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，航空结构如飞机机身，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：ANSYS/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--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。非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变等。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--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--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--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--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--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结构单元类型分类单元名说明杆LINK1,LINK8,LINK180LINK10梁BEAM3,BEAM4BEAM54,BEAM44BEAM23,BEAM24分类单元名说明BEAM188,BEAM189管PIPE16,PIPE17,PIPE18PIPE59PIPE20,PIPE602-D实体PLANE42,PLANE82,PLANE182,PLANE183PLANE2HYPER84,HYPER56,HYPER74VISCO88VISCO106,VISCO108PLANE83,PLANE25PLANE145,PLANE146p-单元,§63-D实体SOLID45,SOLID95,SOLID185,SOLID186SOLID92,SOLID187SOLID46,SOLID191SOLID64,SOLID65HYPER86,HYPER58,HYPER158VISCO89VISCO107SOLID147,SOLID148p-单元,§6壳SHELL93,SHELL63,SHELL41,SHELL43,SHELL181SHELL51,SHELL61SHELL91,SHELL99SHELL28SHELL150p-单元,§6接触CONTAC48,CONTAC49,CONTA171,CONTA172,CONTA173,CONTA174CONTAC12,CONTAC52CONTAC26TARGE169,TARGE170耦合场FLUID29,FLUID30,FLUID129,FLUID130,INFIN110,INFIN111PLANE13,SOLID5,SOLID98PLANE13,SOLID5,SOLID98PLANE13,SOLID5,SOLID62,SOLID98FLUID38,FLUID79,FLUID80,FLUID81FLUID116特殊COMBIN14,COMBIN40,COMBIN39MASS21COMBIN37分类单元名说明SURF153,SURF154COMBIN7LINK11MATRIX27,MATRIX50显式动力分析LINK160BEAM161PLANE162SHELL163SOLID164COMBI165MASS166LINK1671.4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《ANSYSBasicAnalysisGuide》§1.2.4.4。对于显式动力分析(ANSYS/LS-DYNA)，材料定义见《ANSYS/LS-DYNAUser‘sGuide》§7.1。1.5求解方法在ANSYS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p-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。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--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《ANSYSStructuralAnalysisGuide》§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《ANSYSBasicAnalysisGuide》§1.2论述。有关建模的进一步论述，见《ANSYSModelingandMeshingGuide》。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。2、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已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(MainMenuSolutionUnabridgedMenuoption)来设置求解控制选项。关于求解控制对话框的总体情况，见《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.11。2.3.2.1进入求解控制对话框用户可通过选择(MainMenuSolution-AnalysisType-Sol‘nControl)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。2.3.2.2Basic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OK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选项详细信息指定分析类型[ANTYPE,NLGEOM]《ANSYSBasicAnalysisGuide》§1.2.6.1《ANSYSBasicAnalysisGuide》§8选项详细信息《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.16控制时间设置，包括载荷步结束的时间[TIME],自动时间步[AUTOTS],在一个载荷步中的子步数[NSUBST或[DELTIM]《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2.4《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2.7.1设置写到数据库中的结果数据[OUTRES]《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2.7.4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“SmallDisplacementStatic”项。如预期有大挠度(如弯曲的长细杆)或大应变(如金属成形问题)，则选择“LargeDisplacementStatic”。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“RestartCurrentAnalysis”项。在设置TIME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《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2。在设置OUTRES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《ANSYSBasicAnalysisGuide》§20。2.3.2.3Transient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‘nOptions标签Sol‘nOptions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选项参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》指定方程求解器[EQSLV]§3.2～§3.10对于多重启动指定参数[RESCONTROL]§3.16.2在静力分析中设置EQSLV时，选择下列求解器之一：程序选择求解器(ANSYS将根据问题的领域自动选择一个求解器)；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)；AMG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)