有限元分析培训(第4讲-ANSYS-Workbench结构静力分析&模态分析)

有限元分析培训FiniteElementAnalysisTraining邵世林喻炜董大鹏设计CAD制造试验批量生产重新设计循环传统设计过程概念设计设计CADCAE制造试验批量生产CAE驱动设计过程优化循环选择分析求解器划分有限元网格施加约束及载荷边界条件导入或建立几何模型HyperMesh、ANSA、Patran、SimXpert、MEDINA、FEMAP等选择分析求解器Nastran、ABAQUS、ADINA、Ls-Dyna、Marc、ANSYS、Samcef、MADYMO、Radioss等划分有限元网格施加约束及载荷边界条件设置材料特性及单元特性设置分析参数提交分析结果后处理有限元一般分析流程非线性分析流体分析ANSYSSamcefLinearNastranOptiStructFEPG（国产）FluentMSCMarcADINAStar-CDStar-CCM+XFlowPowerFlowSamcefMecano显式分析LS-DYNAMSCDytranRadiossMADYMO有限元分析系列课程ANSYSWorkbench篇第四讲结构静力分析&模态分析细长杆件构成的系统，主要受力为轴向拉压（二力杆），主要变形为轴向变形。如桁架结构。在杆系基础上增加考虑了弯曲、扭转等效应，线位移和角位移都考虑。研究对象为薄板。受平行于板面且不沿厚度变化的面力或约束。研究对象为等截面薄板。受平行于横截面且不沿长度变化的面力或约束。构件的几何形状、约束及外力都对称于空间的某一个（或多个）轴，通过该轴的平面称为对称面，所有的应力、应变和位移也关于该轴对称。多采用圆柱坐标系（r，θ，z）。一结构静力分析概述杆-梁系问题结构静力分析平面问题3D问题梁系结构杆系结构平面应力问题平面应变问题轴对称问题（线体模型）（面体模型）线体的截面和方向，在DesignModeIer里进行定义。●连续性假设。是指将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地充满整个物体空间。固体内部任何一点的力学性质都是连续的，例如密度、应力、位移和应变等，就可以用坐标的连续函数来表示（因而相应地被称为密度场、应力场、位移场和应变场等），而且变形后物体上的质点与变形前物体上的质点是一一对应的。这一假设意味着构件变形时材料既不相互离开，也不相互挤入，时刻满足变形协调条件，而且，无论取多么小的一个体积研究都是可能的。●均匀性假设。认为所研究的可变形固体是内同一类型的均匀材料所构成的。因此，其各部分的物理性质那是相同的，并不因坐标位置的变化而变化。例如，固体内各点的弹性性质都相同。根据均匀性假定，在研究问题的时候，就可以从固体中取出任一单元来进行分析，然后将分析的结果用于整个物体。●各向同性假设。假定可变形固体内部任意一点在各个方向上都具有相同的物理性质，因而，其弹性常数不随坐标方向的改变而改变。●弹性假设。在一定的温度下，应力和应变之间存在一一对应的关系，且应力不超过它的屈服应力点；与加载过程无关，与时间无关；载荷卸载后结构可恢复到原来状态，不产生残余应力和残余应变。●小变形假定。假定固体在外部因素（外力、温度变化等）作用下所产生的变形，远小于其自身的几何尺寸。即要求结构的变形挠度远小于结构的截面尺寸。●缓慢加载和卸载过程。即载荷的施加和卸载过程足够慢，可以看作静态过程，而不至于引起结构的动响应（如动应力、动应变等）。在这个过程中，结构的内外力满足平衡方程。一结构静力分析概述结构静力分析的六个基本假设◆创建分析项目：将结构静力分析(StaticStructural)调入工程项目流程图◆创建或导入几何模型◆在工程数据(EngineeringData)中定义材料属性◆定义零件行为◆定义连接关系：接触关系，关节弹簧等◆对模型进行网格划分◆创建分析设置◆施加载荷及约束◆设置求解选项并求解◆结果后处理一结构静力分析概述ANSYSWorkbench结构静力分析流程一结构静力分析概述结构静力分析的六个基本假设一结构静力分析概述其它分析的流程动态分析二定义材料二定义材料二定义材料二定义材料材料（Materials）在ANSYSWorkbench当中是赋给Body的。一个由多个Body构成的多体部件（Part），可以有不超过其拥有Body数目的不同材料。三几何再处理模型检查三几何再处理虚拟拓扑三几何再处理虚拟拓扑三几何再处理导入缺失几何三几何再处理几何替换三几何再处理添加质量点三几何再处理构造几何构造几何（ConstructionGeometry）可以指定路径或者表面对象，用于将结果映射到路径或者表面。定义方式：♣指定起点和终点：直接定义两点：TwoPoint网格与X轴相交：XAxisIntersection♣指定边：Edge用于映射线体结果。离散点包括线体网格划分的所有节点，可以是多条连续边。路径（Path）使用路径，可以再指定的空间曲线上获得需要的结果（沿路径的应力，应变等曲线关系）。表面（Surface）以表面形式创建的构造几何，可以显示出切平面的效果。定义方式：→Step1：选中模型树中Model(B4)，单击ConstructionGeometry→Step2：在构造几何工具栏中选择Surface对象→Step3：定义局部坐标系，该局部坐标系的X-Y平面用于切平面。PathSurface三几何再处理构造几何三几何再处理远端控制点四连接关系四连接关系接触类型绑定（Bonded）AWBMechanical默认的接触设置。如果接触区域被设置为粘结，不允许面或线间有相对滑动或分离。可以将此区域看作被连接在一起。因为接触长度／面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。不分离（NoSeparation）与绑定类似。它只适用于面，不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。无摩擦（Frictionless）如果出现分离，则法向压力为零。只适用于面接触。因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。它是非线性求解，因为在载荷施加过程小接触面积可能会发生改变。假设摩擦系数为零，允许自由滑动。使用这种接触方式时，需注意防止出现欠约束。粗糙的（Rough）和无摩擦类似。表现为完全的摩擦接触，没有相对滑动。只适用于面接触。不会自动消除间隙。这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大，可用于非线性接触。摩擦（Frictional）在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为接触压力的一部分。一旦剪应力超过此值，两个面将发生相对滑动。只适用于面接触。摩擦系数可以是任意非负值，可用于非线性接触。对于理想无限大的Knormal,零穿透.但对于罚函数法，这在数值计算中是不可能，但是只要Xpenetration足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。四连接关系接触类型PurePenalty和AugmentedLagrange公式使用积分点探测，NormalLagrange和MPC公式使用节点探测(目标法向)。节点探测在处理边接触时会稍好一些，但是，通过局部网格细化，积分点探测也会达到同样的效果。对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束(MPC)算法，内部添加约束方程来关联接触面间的位移。MPC算法支持大变形计算。一般用“ProgramControlled”或NormalStiffnessFactor为1，弯曲为主时NormalStiffnessFactor设置为0.01～0.1之间的数值。接触问题法向刚度选择一般准则：绑定接触，一般选择PurePenalty公式配合大法向刚度，MPC算法是另一个好的选择。如果不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用NormalLagrange方法，配合使用直接求解器(DirectSolver)。四连接关系接触类型●如果一个表面比另一个表面硬，则硬面为目标面。●如果一个表面大于另一个表面，则大的表面为目标面。●如果一个表面为高阶另一个表面为低阶，则低阶表面为目标面。●如果一个凸表面与一个平面或凹面接触，应该选择平面或凹面为目标面。●如果一个表面有粗糙的网格而另一个表面网格细密，则选择粗糙的网格表面为目标面。四连接关系建立接触四连接关系建立接触四连接关系运动关节运动关节（Joint）用于模拟几何体中两点之间的连接关系，每个点有6个自由度，两点问的相对运动由6个相对自由度描述，根据不同的应用场合，可以在关节连接上施加合适的运动约束。关节坐标系。关节可用参考坐标系和运动坐标系来描述，双坐标系对于同时考虑结构装配和设置有重要参考作用。关节连接类型。关节的连接类型可以应用到体-体之间（Body—Body）或体-地之间（Body—Ground）。体-体之间需要参考坐标系和运动坐标系，而体-地之间假设参考坐标系固定，仅用运动坐标系。四连接关系运动关节四连接关系运动关节◆抗扭刚度(TorsionalStiffness)用来测量轴对扭力的阻力，只对柱关节和扭转关节添加扭转刚度。◆扭转阻尼(TorsionalDamping)用来测量对轴或沿转轴体产生角振动的抗力对轴关节和转动关节添加扭转阻尼。◆行为(Behavior)用来指定几何体为刚性体或可变性体。◆弹球区(PinballRegion)用于关节连接面重合及其他位移约束引起过约束求解失效的情况，也适用连接点出导致求解内存溢出的情况。◆关节停止(Stops)和锁定(Locks)是可选的约束，用于限制相对自由度的自由运动。四连接关系运动关节四连接关系信息检查四连接关系信息检查连接矩阵图颜色标签X网格划分X网格划分X网格划分X网格划分帮助文档五载荷与边界条件载荷总论载荷和约束是以所选单元的自由度的形式定义的。五载荷与边界条件载荷总论ANSYSWorkbench里四种结构载荷：●惯性载荷也可以称为加速度和重力加速度裁荷。这些载荷孺施加在整个模型上，对于惯性计算时需要输入模型的密度，并且这些就专指施加在定义好的质量点上的力(PointMass)。●结构载荷也称集中力和压力，指施加在系统部件上的力或力矩。●结构约束防止在某一特定区域上移动的约束。●热载荷热载荷会产生一个温度场，使模型中发生热膨胀或热传导。五载荷与边界条件惯性载荷1．加速度：Acceleration♣施加在整个喂型上，单位是长度比上时间的平方。♣加速度可以定义为分量或矢量的形式。♣物体运动方向为加速度的反方向。2．重力加速度：StandardearthGravity♣根据所选的单位制系统确定它的值。♣重力加速度的方向定义为整体坐标系或局部坐标系的其中一个坐标轴方向。♣物体运动方向与重力加速度的方向相同。3．角加速度：RotationalVelocity♣整个模型以给定的速率绕轴转动。♣以分量或矢量的形式定义。♣输入单位可以是弧度每秒(默认选项)，也可是度每秒。在进行分析时需要设置重力加速度，在的，而惯性力的方向和所施加的加速度的方程序内部加速度是通过惯性力施加到结构上向相反。五载荷与边界条件结构载荷集中力和压力是作用于模型上的载荷，力载荷可以施加在结构的外面、边缘或表面等位置。压力载荷只能施加在表面，而且方向通常与表面的法向方向一致。1．压力：Pressure与面正交的方向施加在面上，指向面内为正，反之为负。单位是单位面积的力。2．静水压力：HydrostaticPressure在面(实体或壳体)上施加一个线性变化的力，模拟结构上的流体载荷。流体可能处于结构内部或外部，另外还需指定：加速度的大小和方向、流体密度、代表流体自由面的坐标系。壳体则需要指定顶面/底面。3．集中力：Force集中力可以施加在点、边或面上。它将均匀的分布在所在实体上，单位是mass*length/time2。可以以矢量或分量的形式定义集中力。4．远程载荷：RemoteForce给实体的面或边施加一个远离的裁荷。用户指定载荷的原点(附着于几何上或用坐标指定)。可以以矢量或分量的形式定义。给面上施加一个等效力或等效力矩。五载荷与边界条件结构载荷5．轴承载