载荷约束Workbench14静力学

4-1Workbench-MechanicalIntroduction第四章静力结构分析StaticStructuralAnalysis4-2TrainingManual概要•本章，将练习线性静力结构分析，模拟过程中包括：A.几何和单元B.组件和接触类型C.分析设置D.环境，如载荷和约束E.求解模型F.结果和后处理•本节描述的应用一般都能在ANSYSDesignSpaceEntra或更高版本中使用。–尽管本章中讨论的一些选项可能需要更高级的许可，但都给了提示。StaticStructuralAnalysis4-3TrainingManual线性静态结构分析基础•对于一个线性静态结构分析（LinearStaticAnalysis），位移{x}由下面的矩阵方程解出：假设：–[K]是一个常量矩阵•假设是线弹性材料行为•使用小变形理论•可能包含一些非线性边界条件–{F}是静态加在模型上的•不考虑随时间变化的力•不包含惯性影响（质量、阻尼）•记住关于线性静态结构分析的假设是很重要的。非线性静态分析和动态分析在后面章节讲解。[]{}{}FxK=StaticStructuralAnalysis4-4TrainingManualA.几何模型•在结构分析中，可能模拟各种类型的实体。•对于面实体，在Detailsofsurfacebody中一定要指定厚度值。•线实体的截面和方向，在DesignModeler里进行定义，并自动导入到Simulation（模拟）中。StaticStructuralAnalysis4-5TrainingManual…质量点•在模型中添加一个质量点来模拟结构中没有明确建模的重量体：–质量点只能和面一起使用。–它的位置可以通过下面任一种方法指定：•用户自定义的坐标系中指定（x，y，z）坐标值•通过选择顶点/边/面指定位置–质量点只受包括加速度、重力加速度和角加速度的影响。–质量是与选择的面联系在一起的，并假设它们之间没有刚度。–不存在转动惯性StaticStructuralAnalysis4-6TrainingManual…材料特性•在线性静态结构分析中需要给出杨氏模量和泊松比：–在EngineeringData中输入材料参数–存在惯性时，需要给出材料密度–当施加了一个均匀的温度载荷时，需要给出热膨胀系数–在均匀温度载荷条件下，不需要指定导热系数–想得到应力结果，需要给出应力极限–进行疲劳分析时需要定义疲劳属性•在许可协议中需要添加疲劳分析模块StaticStructuralAnalysis4-7TrainingManualB.组件–实体接触•在导入实体装配体时，在实体之间会自动创建接触对。–面对面接触允许在两个实体边界划分的单元不匹配–Contact下的Tolerancecontrols（容差控制），可以让用户使用滚动条指定自动接触检查的容差StaticStructuralAnalysis4-8TrainingManual…组件–实体接触•在模拟中，每个接触对都要定义接触面和目标面：–接触区域的一个表面视作接触面，另一表面即为目标面–接触面不能穿透目标面•当一面被设计为接触面为另一面被设为目标面，这就是非对称接触•如果两边互为接触面（C）和目标面（T），那就叫对称接触•默认的实体组件间的接触是对称接触•用户可以根据需要将接触类型改为非对称接触（ANSYSProfessional或更高版本）对称接触非对称接触StaticStructuralAnalysis4-9TrainingManual…组件–实体接触•可以使用的五种接触类型：–Bonded和NoSeparation是线性接触并只需要一次迭代–Frictionless，Rough和Frictional是非线性接触并需要多次迭代•非线性接触类存在一个InterfaceTreatment（界面处理）选项：•Offset：给初始调整指定一个0或非0的值•AdjustedtoTouch：ANSYS把间隔缩小到恰好接触的位置（ANSYSProfessional或更高版本）ContactTypeIterationsNormalBehavior(Separation)TangentialBehavior(Sliding)Bonded1NoGapsNoSlidingNoSeparation1NoGapsSlidingAllowedFrictionlessMultipleGapsAllowedSlidingAllowedRoughMultipleGapsAllowedNoSlidingFrictionalMultipleGapsAllowedSlidingAllowedStaticStructuralAnalysis4-10TrainingManual…组件–实体接触•界面调整选项：Offset：接触面在正向或相反方向上偏移一个指定的距离（可以程序设置偏移量）Adjustedtotouch：不考虑实际的间距，把接触面移向目标面，给出一个初始接触TCCTStaticStructuralAnalysis4-11TrainingManual…组件–实体接触•Advanced选项（更多细节参见第三章的pinball区域的细节设置）：–PinBallRegion：•Insidepinball=near-fieldcontact•Outsidepinball=far-fieldcontact•使求解器更有效的进行接触计算•对ANSYSProfessional或更高版本而言，支持壳体和实体的混合组件与更多的接触选项本例中，两部件间的间距比pinball区域大，故不会自动闭合它们键的间隔。StaticStructuralAnalysis4-12TrainingManual…组件–点焊•Spotweld提供了在分离点上连接壳体组件的方法：–Spotweld在CAD软件中进行定义。目前，只有DesignModeler和Unigraphics支持点焊定义（Spotweld）。StaticStructuralAnalysis4-13TrainingManual…组件–接触总结•在模拟中可以使用的接触类和选项的总结：1–对于面边接触，面通常被设计为目标面而边被指定为接触面ContactGeometrySolidBodyFace(Scope=Contact)SolidBodyEdge(Scope=Contact)SurfaceBodyFace(Scope=Contact)SurfaceBodyEdge(Scope=Contact)AlltypesBonded,NoSeparationBonded,NoSeparationBondedonlyAllformulationsAllformulationsAllformulationsMPCformulationSymmetryrespectedAsymmetriconlySymmetryrespectedAsymmetriconlyNotsupportedforsolving1Bonded,NoSeparationNotsupportedforsolving1BondedonlyAllformulationsMPCformulationAsymmetriconlyAsymmetriconlyBonded,NoSeparationBonded,NoSeparationBonded,NoSeparationBondedonlyAllformulationsAllformulationsAllformulationsAugmentedLagrange,PurePenalty,andMPCformulationSymmetryrespectedAsymmetriconlySymmetryrespectedAsymmetriconlyNotsupportedforsolving1BondedonlyNotsupportedforsolving1BondedonlyMPCformulationAugmentedLagrange,PurePenalty,andMPCformulationAsymmetriconlyAsymmetriconlySolidBodyFace(Scope=Target)SolidBodyEdge(Scope=Target)SurfaceBodyFace(Scope=Target)SurfaceBodyEdge(Scope=Target)StaticStructuralAnalysis4-14TrainingManualC.分析设置•detailsofAnalysisSettings中提供了一般的求解过程控制：•StepControls（求解步控制）：–人工时间步控制和自动时间步控制–指定分析中的分析步数目和每个步的终止时间–在静态分析里的时间是一种跟踪机制（后面讨论）•SolverControls（求解控制）：–两种求解方式（默认是ProgramControlled）：•直接求解（ANSYS中是稀疏矩阵法）•迭代求解（ANSYS中是PGC（预共轭梯度法））.–Weaksprings：•尝试模拟得到无约束的模型StaticStructuralAnalysis4-15TrainingManual...分析设置-AnalysisDataManagement•AnalysisDataManagement（分析数据管理器）：–SolverFilesDirectory：给出了相关分析文件的保存路径–FutureAnalysis：指定求解中是否要进行后续分析（如预应力模型）。如果在projectschematic里指定了耦合分析，将自动设置该选项。–ScratchSolverFilesDirectory：求解中的临时文件夹–保存ANSYSDB分析文件–DeleteUnneededFiles：在MechanicalAPDL中，可以选择保存所有文件以备后用–SolverUnits：ActiveSystem或manual.–SolverUnitSystem：如果以上设置是人工的，那当MechanicalAPDL共享数据的时候，就可以选择8个求解单位系统中的一个来保证一致性（在用户操作界面中不影响结果和载荷显示）StaticStructuralAnalysis4-16TrainingManual...分析设置-分析步控制•StepControls（分析步控制）：–在静态分析中允许设置多个分析步，并一步一步的求解。–对于静态分析，终止时间被用作确定载荷步和载荷子步的追踪器。–可以一个分析步一个分析步的查看结果。–在给出的TabularData里可以指定每个分析步的载荷值。在图形窗口中给出了时间和载荷值的关系图StaticStructuralAnalysis4-17TrainingManual...多个分析步•通过选择AnalysisType，然后选择Worksheet表单查看所有不同分析步。StaticStructuralAnalysis4-18TrainingManual•求解完成后，可以选择需要的求解步，然后点击鼠标右键选择RetrieveThisResult，查看每个独立步骤的结果。...多个分析步选择需要的求解步，然后点击鼠标右键选择RetrieveThisResultStaticStructuralAnalysis4-19TrainingManualD.载荷和约束•载荷和约束是以所选单元的自由度的形式定义的。•实体的自由度是x，y和z方向上的平移（壳体还得加上旋转自由度，绕x，y和z轴的转动）•约束，不考虑实际的名称，也是以自由度的形式定义的。•例如，在块体的Z面上施加一个光滑约束，表示它Z方向上的自由度不再是自由的（其它自由度是自由的）。UXUYUZ运动受限光滑面StaticStructuralAnalysis4-20TrainingManual...载荷和约束•载荷类型：–惯性载荷：•这些载荷施加在整个模型上•对于惯性计算时需要知道密度•这些载荷专指