第9章工程结构线性静力分析

第9章工程结构线性静力分析2工程结构线性静力分析•结构分析是有限元方法中最常用的一个领域。结构分析用于确定结构的位移、变形、应力、应变等。结构这个术语是一个广义的概念，它包括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。3•结构分析主要有以下7种类型:①静力分析：用于求解在静力载荷作用下结构的位移与应力等。静力分析包括线性和非线性分析。非线性分析包括塑性、大变形、大应变、接触、超弹性、应力刚化和蠕变等。②模态分析：用于求解结构的固有频率与模态。③谱分析：用于计算由于随机振动(响应谱或PSD输入)引起的应力和应变。谱分析是模态分析的扩展。④谐响应分析：用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。工程结构线性静力分析4工程结构线性静力分析⑤瞬态动力学分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且考虑到静力分析中的非线性行为。⑥屈曲分析：用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。结合瞬态动力学分析可以实现非线性的屈曲分析。⑦显示动力学分析：用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。结构分析除了以上7种常见类型以外，ANSYS还可进行断裂分析，复合材料分析，疲劳分析等。5工程结构线性静力分析9.1静力分析概述9.2静力分析的求解步骤9.3综合实例——内六角螺栓扳手9.4本章小结69.1静力分析概述•静力分析计算结构在固定不变的载荷作用下的响应。它不考虑惯性和阻尼的影响，也不考虑载荷随时间变化。固定不变的载荷和响应是一种假设，即假定载荷和结构的响应随时间变化非常的微小。因此，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）。79.1静力分析概述•静力分析中的所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力；稳定的惯性力(如重力和离心力)；位移载荷；温度载荷(对于温度应变)；能流(对于核能膨胀)。•静力分析包括线性和非线性分析。非线性分析包括塑性、大变形、大应变、接触、超弹性、应力刚化和蠕变等。本节主要讨论线性静力分析，非线性静力分析在第十章中介绍。89.2静力分析的求解步骤ANSYS的静力分析一般包括以下6个步骤：建模；设置求解控制；设置其他求解选项；施加载荷；求解；检查分析结果.99.2静力分析的求解步骤•9.2.1建模•建模包括指定工作文件名和分析标题，定义单元类型、实常数、材料属性、创建几何模型和划分网格。这一步是对线性和非线性分析都是必须的，也是其他类型分析中所必须要做的工作。完成上述设置后，生成有限元模型。其中，单元类型必须指定为线性或非线性结构单元类型。材料属性可以是线性或非线性，各项同性或正交各向异性，常数或与温度相关的：必须定义材料刚度(如弹性模量EX、超弹性系数等)；对于惯性载荷(如重力、加速度等)，必须定义材料的质量(如密度DENS)；对于温度载荷，必须定义热膨胀系数ALPX。划分网格时，对于网格的密度，原则上网格密度越大，单元越多，结果就更符合实际，但是由于网格密度的提高会直接影响到求解时间，所以在应力或应变急剧变化的区域可细分网格；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。109.2静力分析的求解步骤•9.2.2设置求解控制•设置求解控制包括定义分析类型、一般分析选项和指定载荷步选项。当进行结构静力分析时，用户可通过“求解控制”对话框来设置。该对话框对于大多数结构静力分析都已设置有合适的默认，用户仅需做一些微小的设置调整即可。119.2静力分析的求解步骤•在静力求解的控制，首先应选择分析类型为静力（GUI：【ANSYSMainMenu】/【Solution】/【AnslysisType】/【NewAnalysis】/【Static】）。默认的结构分析类型即为静力分析，所以分析类型如果是静力分析可以不进行设定，若非静力分析，则需要设定。对于静力分析而言，如果问题的模型比较大，一般可以选择迭代求解器进行求解，这样求解速度会比直接求解器快很多。结构的迭代求解器一般选择PCG（预条件共轭梯度求解器），详见Sol'nOptions标签。129.2静力分析的求解步骤(1)求解控制对话框•用户可通过GUI路径(【ANSYSMainMenu】/【Solution】/【AnslysisType】/【Sol’nControls】)进入“求解控制”对话框，如图9-1所示。下面简要的介绍一下各个标签中的选项。对于这些选项的设置，用户可以按该标签的Help进入帮助系统，得到详细的介绍。139.2静力分析的求解步骤图9-1“求解控制”对话框149.2静力分析的求解步骤(2)Basic标签•Basic标签，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。在按OK按钮以后，设置存储到ANSYS数据库，并关闭对话框。用户在Basic标签的设置选项如图9-1及表9-1所示。159.2静力分析的求解步骤表9-1Basic标签选项选项用途AnalysisOptions指定分析类型(小变形，大变形的静力与瞬态分析)TimeControl控制时间设置，包括载荷步末的时间，自动时间步，在一个载荷步中的子步数，最大最小载荷步等。WriteItemstoResultsFile设置写到数据库中的结果数据169.2静力分析的求解步骤•在设置AnalysisOptions时，如果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。如果预期有大挠度(如弯曲的长细杆)或大应变(如金属形成问题)，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“RestartCurrentAnalgsis”项。179.2静力分析的求解步骤•在设置TimeControl时，载荷步选项指定该载荷步末的时间，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，但对于追踪时间步和子步却是一种方便的方法。•在设置OUTRES时，请记住：[警告]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。应用/CONFIG,NRES命令来增大这一限值。189.2静力分析的求解步骤(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应用这一标签，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。Transient标签界面如图9-2所示。199.2静力分析的求解步骤图9-2Transient标签209.2静力分析的求解步骤(4)Sol'nOptions标签•Sol'nOptions标签部分选项及界面如表9-2及图9-3所示。详细内容可参见Help按钮进入帮助系统。表9-2Sol'nOptions标签选项选项用途EquationSolvers指定方程求解器RestartControl对于多重启动指定参数219.2静力分析的求解步骤图9-3Sol'nOptions标签界面229.2静力分析的求解步骤•方程求解器的基本介绍：Programchosensolver：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)；Sparsedirect：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)；Pre-ConditionCG：PCG求解器(对于大模型/高波前，巨形结构推荐使用)；Iterative：叠代求解器(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)239.2静力分析的求解步骤(5)Nonlinear标签Nonlinear标签部分选项及界面如表9-3及图9-4所示。249.2静力分析的求解步骤表9-3Nonlinear标签选项选项用途Linesearch激活线性搜索DOFsolutionpredictor激活DOF解的预测Maximumnumberofiterations指定每个子步的最大迭代次数CreepOption指明是否包括蠕变计算CutbackControl控制二分259.2静力分析的求解步骤图9-4Nonlinear标签界面269.2静力分析的求解步骤(6)AdvancedNL标签•AdvancedNL标签部分选项及界面如表9-4及图9-5所示。表9-4AdvancedNL标签选项选项用途TerminationCriteria终止分析结束准则Arc-lengthoptions激活和终止弧长法控制279.2静力分析的求解步骤图9-5AdvancedNL标签界面289.2静力分析的求解步骤•9.2.3设置其他求解选项•本节讨论的其他求解选项很少使用，并且其默认值设置都很少改变，这些选项并不出现在“求解控制”对话框中。299.2静力分析的求解步骤(1)应力刚度效应•用户可能关闭应力刚度效应的一些特殊情况有：应力刚度仅与非线性分析相关；在分析之前，用户知道结构不会因屈曲(分叉或跳跃屈曲)而破坏。通常，包括应力刚度效应时，可以加速非线性分析收敛。用户可能对一些看起来收敛困难的特殊问题，选择关闭应力刚度效应，如局部破坏。命令：SSTIFGUI：【MainMenu】/【Solution】/【UnabridgedMenu】/【AnalysisOptions】309.2静力分析的求解步骤(2)Newton-Raphson选项•这一选项只能用于非线性分析中，它说明在求解时切线矩阵如何修正。命令：NROPTGUI：【MainMenu】/【Solution】/【UnabridgedMenu】/【AnalysisOptions】319.2静力分析的求解步骤(3)预应力效应计算•这一选项用来在同一模型中执行预应力分析，如预应力模型的分析。缺省值为OFF。应力刚度效应和预应力效应计算二者都控制应力刚度矩阵的生成，因此在一个分析中不以同时应用。如二者都指定，则最后选项将覆盖前者。命令：PSTRESSGUI：【MainMenu】/【Solution】/【UnabridgedMenu】/【AnalysisOptions】329.2静力分析的求解步骤(4)质量矩阵公式•应用这一选项用来在结构中施加惯性载荷(如重力或旋转载荷)。对于静力分析，用户所用的质量矩阵并不明显影响求解精度(假设网格密度足够)。然而，如果想在同一模型上作预应力动力分析，选择质量矩阵公式就可能很重要。命令：LUMPMGUI：【MainMenu】/【Solution】/【UnabridgedMenu】/【AnalysisOptions】339.2静力分析的求解步骤(5)参考温度•这个载荷步选项适用于温度应变计算。命令：TREFGUI：【MainMenu】/【Solution】/【LoadStepOpts】/【Other】/【ReferenceTemp】(6)模态数•这个载荷步选项用于轴对称简谐单元。命令：MODEGUI：【MainMenu】/【Solution】/【LoadStepOpts】/【Other】/【ForHarmonicEle】349.2静力分析的求解步骤(7)蠕变准则•这个非线性载荷步选项为自动时间步指定蠕变准则。命令：CRPLIMGUI：【MainMenu】/【Solution】/【UnabridgedMenu】/【LoadStepOpts】/【Nonlinear】/【CreepCriterion】359.2静力分析的求解步骤(8)输出选项•这个载荷步选项用于指定在输出文件(Jobname.out)中包括任何结果数据。在应用多个OUTPR命令时，