ansys平面问题分析实例

第七章平面问题分析实例本章将介绍工程常见的一大类问题：平面问题。平面问题的模型上可以大大简化而又不失精度。平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。本章中将对平面应力问题举例进行介绍，平面应变问题的分析过程和要求与平面应力问题基本一致，所区别的只是单元的行为方式选项设置不同而已，平面应力要求选择的是PlaneStress，而平面应变问题选择PlaneStrain。本章中通过对高速旋转的光盘的应力分析来介绍ANSYS中关于平面应力问题分析的基本过程和注意事项。7．1问题描述标准光盘，置于52倍速的光驱中处于最大读取速度（约为10000转/分），计算其应力分布。标准光盘参数：外径：120mm内孔径：15mm厚度：1.2mm弹性模量1.6×10MPa4密度：2.2×10Kg/m337．2建立模型虽然本实例模型比较简单，但是也包含了ANSYS分析的各个过程，其中包括设定分析作业名和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。下面就结合本实例进行介绍，本实例中的单位为应力单位MPa，力单位为N，长度为mm。7．2．1设定分析作业名和标题在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名，并在图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。（1）选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeJobname，将ChangeJobname（弹出修改文件名）对话框，如图7.1所示。图7.1设定分析文件名（2）在Enternewjobname（输入新文件名）文本框中输入文字“CH07”，为本分析实例的数据库文件名。（3）单击按钮，完成文件名的修改。（4）选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeTitle，将弹出修改标题（ChangeTitle）对话框，如图7.2所示。图7.2设定分析标题（5）在Enternewtitle（输入新标题）文本框中输入文字“staticanalysisofahigh-speedrotatingCD”，为本分析实例的标题名。（6）单击按钮，完成对标题名的指定。（7）选取菜单路径UtilityMenu|Plot|Replot，指定的标题“staticanalysisofahigh-speedrotatingCD”将显示在图形窗口的左下角。（8）选取菜单路径MainMenu|Preference，将弹出PreferenceofGUIFiltering（菜单过滤参数选择）对话框，选中Structural复选框，单击按钮确定。7．2．2定义单元类型在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本例中选用4节点四边形板单元PLANE42，PLANE42不仅可用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。（1）选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete，将弹出ElementTypes（单元类型）对话框。（2）单击按钮，将弹出LibraryofElementTypes（单元类型库）对话框,如图7.3所示。图7.3单元类型库对话框（3）然后在左边的列表框中选择“Solid”，选择实体单元类型。（4）在右边的列表框中选择“Quad4node42”，选择4节点四边形板单元PLANE42。（5）单击按钮，将PLANE42单元添加，并关闭单元类型库对话框，同时返回到第一步弹出的单元类型对话框，如图7.4所示。图7.4单元类型及选项对话框（6）单击按钮，弹出如图7.5所示的PLANE42elementtypeoptions（单元选项设置）对话框，对PLANE单元进行设置，使其可用于计算平面应力问题。图7.5单元选项设置对话框（7）在Elementbehavior（单元行为方式）下拉列表选择Planestressw/thk（带有厚度的平面应力）选项。（8）单击按钮，接受选项，关闭单元选项设置对话框，返回到图7.4所示的单元类型对话框。（9）单击按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。7．2．3定义实常数本实例中选用带有厚度的平面应力行为方式的PLANE42单元，需要设置其厚度实常数。（1）单击MainMenu|Preprocessor|RealConstants|Add/Edit/Delete，弹出如图7.6所示Realconstants（实常数）对话框。图7.6实常数添加对话框（2）单击按钮，弹出如图7.7所示ElementTypeforRealConstants（实常数单元类型）对话框，要求选择欲定义实常数的单元类型。图7.7选择单元类型（3）本例中只定义了一种单元类型，在已定义的单元类型列表中选择“Type1PLANE42”，将要为PLANE42单元类型定义实常数。（4）单击按钮确定，关闭选择单元类型对话框，弹出RealConstantSet（实常数集）对话框，如图7.8所示。图7.8实常数定义对话框（5）在Thickness（厚度）文本框中输入“1.2”。（6）单击按钮，关闭实常数输入对话框，返回到实常数添加对话框，如图7.9所示，显示已经定义了一组实常数。图7.9已经定义的实常数（7）单击按钮，关闭实常数添加对话框。7．2．4定义材料属性考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下：（1）选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels，将弹出DefineMaterialModelBehavior（定义材料模型）对话框，如图7.10所示。图7.10定义材料属性对话框（2）依次双击Structural|Linear|Elastic|Isotropic，展开材料属性的树形结构。将弹出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图7.11所示。图7.11线性各向同性材料的弹性模量和泊松比（3）在对话框的EX文本框中输入弹性模量为1.6e4，在PRXY文本框中输入泊松比为0.3。（4）单击按钮，关闭对话框，并返回到定义材料属性对话框，在定义材料属性会话框的左边一栏出现刚刚定义的参考号为1的材料属性。（5）依次双击Structural|Density，弹出定义密度对话框，如图7.12所示。图7.12定义材料密度（6）在DENS文本框中输入密度数值“2.2e-9”，单位为吨/立方毫米。（7）单击按钮，关闭对话框，并返回到定义材料属性对话框，在定义材料属性会话框的左边一栏参考号为1的材料属性下方出现密度项。（8）在DefineMaterialModelBehavior对话框中，单击菜单项Material|Exit，或者单击对话框右上角的按钮退出材料模型定义对话框，完成对材料模型的定义。7．2．5建立盘面模型本实例的模型比较简单，仅有一个平面。需要注意的是使用PLANE系列单元时，要求模型必须位于全局XY平面内。默认的工作平面即位于全局XY平面内，因此可以直接在默认的工作平面内创建圆环面，为了对圆环面划分有限元网格还需要将圆环面切开分成两半。（1）单击MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas|Circle|Annulus，弹出AnnularCircularArea（圆环面）对话框，如图7.13所示。图7.13创建圆环面对话框（2）在WPX文本框中输入圆环面圆心的X坐标（相对于工作平面）“0”；在WPY文本框中输入圆环面圆心的Y坐标“0”；在Rad-1文本框中输入内孔半径“7.5”；在Rad-2文本框中输入外环半径“60”。（3）单击按钮确认，关闭对话框，同时ANSYS在当前工作平面的原点位置创建内径为7.5，外径为60的圆环面。（4）单击菜单路径UtilityMenu|PlotCtrls|Numbering，弹出PlotNumberingControls（显示图元编号控制），如图7.14所示。图7.14显示图元编号控制对话框（5）单击Keypointnumbers（关键点编号）复选框使其选中。（6）单击按钮，使设置生效，并对图形窗口进行重绘，如图7.15所示。图7.15创建的圆环面（7）单击菜单路径MainMenu|Modeling|Create|Lines|Lines|StraightLine，弹出关键点选择对话框，要求选择要创建的直线的两个端点。（8）用鼠标在图形窗口中点取关键点1和3（或者在选择对话框的输入框中输入“1,3”然后回车），创建出端点为关键点1，3的直线。（9）单击按钮，关闭选择对话框。（10）单击UtilityMenu|Plot|Multi-Plots，在图形窗口显示所有图元，如图7.16所示。图7.16创建的盘面和切割盘面的线（11）单击MainMenu|Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Divide|AreabyLine，弹出面选择对话框，要求选择欲被分割的面。（12）选择创建的圆环面，并单击选择对话框的按钮，又弹出线选择对话框，要求选择分割面的线。（13）选择在第8步中创建的线，并单击选择对话框的按钮，ANSYS将进行布尔运算，将选定的面分割开来成为两个面。如图7.17所示。图7.17被分割后的两个面7．2．6对盘面划分网格本小节中将选用PLANE42单元对盘面划分映射网格。（1）单击MainMenu|Preprocessor|Meshing|MeshTool，弹出MeshTool（网格工具），如图7.18所示。图7.18网格工具（2）单击Lines域按钮，弹出线选择对话框，要求选择欲定义单元分划数的线。单击按钮，选择所有的线，弹出ElementSizesonPickedLines（选定线上单元分划数）设定对话框，如图7.19所示。图7.19设定单元分划数对话框（3）在对话框中的No.ofelementdivisions（单元分划数）文本框中输入“10”，然后单击按钮，结束设定，关闭对话框。（4）在网格工具中选择分网对象为Area，网格形状为Quad（四边形），选择分网形式为Mapped（映射）。附加选项中选择“Pickcorners”。（5）单击按钮，弹出面选择对话框，要求选择欲划分网格的面。选择一个面后单击按钮，弹出点选择对话框，要求选择所选面的四个顶点（参见2.11.5.1节相关内容）。（6）依次点取图7.17中的四个关键点3，7，6，1（也可在点选择对话框的输入文本框中输入“3,7,6,1”，然后回车），当选择完四个顶点后单击按钮ANSYS将对选择的面进行网格划分并返回到面选择对话框，要求继续选择欲划分网格的面。（7）选择另外一个面，选定后单击面选择对话框的按钮，弹出点选择对话框。（8）依次点取图7.17中的四个关键点3，7，6，1（也可在点选择对话框的输入文本框中输入“3,7,6,1”，然后回车），当选择完四个顶点后单击按钮ANSYS将对选择的面进行网格划分。（9）单击菜单路径UtilityMenu|Plot|Elements，图形窗口中将只显示刚刚生成的单元。如图7.20所示。图7.20对面划分的网格（10）单击按钮，保存数据库。7．3定义边条并求解建立有限元模型后，就需要定义分析类型和施加边界条件及载荷然后进行求解。本实例中载荷为10000转的转速形成的离心力，位移边界为将内孔边缘节点的周向位移固定。7．3．1施加位移边界本实例的位移边界条件为将内孔边缘节点的周向位移固定，为施加周向位移，需要将节点坐标系旋转到柱坐标系下（参看2.9.4节相关内容）。具体步骤如下：（1）单击UtilityMenu|WorkPlane|ChangeActiveCSto|GlobalCylindrical，将激活坐标系切换到