ansys适合初学者教程-第三章 加载和求解

第三章加载和求解在建立有限元模型之后，就可以根据结构在工程实际中的应用情况为其指定位移边界和载荷，并选择合适的求解器对其求解得到感兴趣的结果。3.1加载有限元分析的主要目的是检查结构对一定载荷条件的响应。因此在分析中指定合适的载荷条件也是很关键的一步。在ANSYS程序中，可用各种方式对模型加载，而且借助于载荷步选项，可以控制在求解中载荷如何使用。3．1．1关于载荷的一些概念在ANSYS的术语中，载荷（Loads）包括边界条件和外部（或内部）作用力，即位移边界和力边界。在不同的学科中，载荷的具体含义也不尽相同，在结构分析中的载荷实例为：位移、力、压力、温度（热应变）和重力。3．1．1．1载荷的分类ANSYS中载荷分为六类：DOF（自由度）约束、力（集中载荷）、表面载荷、体积载荷、惯性力以及耦合场载荷。zDOFConstraint（DOF约束）：将某个自由度用一已知值固定。在结构分析中约束被指定为位移边界条件或者对称边界条件，在热力分析中为温度和热通量平行的边界条件。zForce（力）：为施加于模型节点的集中载荷。在结构分析中被指定为力和力矩；热分析中为热流速率。zSurfaceload（表面载荷）：施加于某个表面上的分布载荷。在结构分析中为压力；在热力分析中为对流和热通量。zBodyload（体积载荷）：为体积载荷或场载荷。在结构分析中为温度；热力分析中为热生成速率。zInertialoads（惯性载荷）：由物体的惯性引起的载荷，如重力加速度，角速度和角加速度。主要在结构分析中使用。zCoupled-fieldloads（耦合场载荷）：为以上载荷的一种特殊情况，将一种分析的结果用作另一分析的载荷。例如，可施加磁场分析中计算的磁力做为结构分析中的力载荷。3．1．1．2关于载荷步和子步载荷步（loadstep）仅仅是为了获得解答的载荷配置。在线性静态（或稳态）分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合：例如在第一个载荷步中施加风载荷，在第二个载荷步中施加重力载荷，在第三个载荷步中施加风和重力载荷以及一个不同的支承条件等等。在瞬态分析中，多个载荷步加到载荷历程曲线的不同区域，如图3.1显示了一个需要三个载荷步的载荷历程曲线：第一个载荷步用于线性载荷，第二个载荷步用于不变载荷，第三个载荷步用于卸载。载荷值在载荷步的结束点达到全值（指定的值）。图3.1使用多个载荷步表示瞬态载荷历程子步（substep）为载荷步中进行行求解的点。由于不同的原因，有时需要使用载荷子步。z在非线性静态和稳态分析中，使用子步逐渐施加载荷以便能提高求解精确度。z在线性或非线性瞬态分析中，使用子步满足瞬态时间累积法则（为获得较精确的解常规定一个最小的累积时间步长）。z在谐波分析中，使用子步获得谐波频率范围内多个频率处的解。3．1．1．3时间的作用在所有静态和瞬态分析中，ANSYS使用时间做为跟踪参数，而不论分析是否依赖于时间。其好处是：在所有情况下可以使用一个不变的“计数器”或“跟踪器”，不需要依赖于具体的分析的术语。此外，时间总是单调增加的，且自然界中大多数事情的发生都经历一段时间，而不论该时间是多么短暂。在瞬态分析或与速率相关的静态分析（蠕变或粘塑性）中，时间是指具体的代表实际的、按年月顺序的时间，用秒表示。在指定载荷历程时，在每个载荷步的结束点赋时间值。然而，在不依赖于速率的分析中，时间仅仅称为一个识别载荷步和载荷子步的计数器，而不再表示具体的时间值。这样计算得到的结果也将是与时间有关的函数，只不过在静力分析中，时间取为常量0；在瞬态等与速率相关的分析中，时间做为表示真实时间历程的变量在变化；在其它分析中，时间仅仅做为一个计数器识别求解时所采用的不同载荷步。从时间的概念上来讲，载荷步就是作用在给定时间间隔内的一系列载荷；子步为载荷步中的时间点，并在这些点上求得中间解。两个连续的子步之间的时间差称为时间步长或时间增量。3．1．1．4阶跃载荷与斜坡载荷虽然前文已经提及，在载荷步的终点的载荷值为指定的值，但当在一个载荷步中指定一个以上的子步时，就出现了载荷应为阶跃载荷（steppedload）或是线性斜坡载荷（rampedload）的问题，即出现了在一个载荷步的起点与终点之间，载荷的具体施加过程的问题。z如果载荷是阶跃的，那么，全部载荷施加于第一个载荷子步，且在载荷步的其余部分，载荷保持不变。如图3.2（a）所示。z如果载荷是逐渐递增的，那么在每个载荷子步，载荷值逐渐增加，且全部载荷出现在载荷步结束时。如图3.2（b）所示。图3.2阶跃载荷与斜坡载荷3．1．2载荷的施加大多数载荷既可以施加于实体模型（关键点、线和面）上也可以施加于有限元模型（节点和单元）上。但ANSYS的求解器期望所有载荷应该依据有限元模型，因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时，ANSYS会自动将这些载荷转换到节点和单元上，当然也可以通过命令转换。3．1．2．1实体模型载荷与有限元模型载荷的优缺点载荷施加于实体模型上有如下优点：z实体模型载荷独立于有限元网格。所以可以改变单元网格而不必改变施加的载荷。z与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体（点线面图元相对于节点和单元来讲要少许多）。因此，选择实体模型的实体并在这些实体上施加载荷要容易得多，尤其是通过GUI操作时。载荷施加于实体模型上有如下缺点：zANSYS网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中。网格划分命令生成的节点使用整体笛卡儿坐标系（也可以参照2.9.4.1节所述方法进行改变）。因此，实体模型和有限元模型可能具有不同的坐标系，加载的方向也会因此而不同。z在缩减分析中，实体模型载荷不是很方便。此时，载荷施加于主自由度（只能在节点而不能在关键点定义主自由度）。z不能显示所有实体模型载荷。如前所述，在开始求解时，实体模型载荷将自动转换到有限元模型。ANSYS将改写任何已存在于对应有限元实体上的载荷。载荷施加于有限元模型有如下优点：z在缩减分析中，可将载荷直接施加在主节点。缺点：z任何对于有限元网格的修改都将使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格上重新施加载荷。z不便使用图形拾取施加载荷。除非仅包含几个几点或单元。3．1．2．2施加载荷在结构分析涉及到的的所有载荷中，惯性载荷相对于整体笛卡儿坐标系施加于整个模型。除此之外，其他载荷既可施加于实体图元（关键点、线、面），也可以施加在有限元模型上（节点、单元）。表3.1列出了结构分析可用的载荷及其施加路径和命令。表3.1结构分析可用的载荷及其对应GUI路径载荷形式类别命令GUI途径Displacement（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ）ConstraintsDMainMenu|Preprocessor|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|DisplacementForce/Moment（FX,FY,FZ,MX,MY,MZ）ForcesFMainMenu|Preprocessor|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|Force/MomentPressure（PRES）SurfaceLoadsSFMainMenu|Preprocessor|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|PressureTemperature（TEMP）Fluence（FLUE）BodyLoadsBFMainMenu|Preprocessor|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|TemperatureGravity,Spinning,etcInertiaLoadsMainMenu|Preprocessor|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|Other在分析过程中可以施加、删除载荷，或对载荷进行运算（比例缩放和将实体模型载荷转换到有限元模型）、列表。表3.2列出了在结构分析中可用于加载的命令。当然，所有的载荷操作均可通过GUI方式实现。步骤是：（1）在MainMenu|Solution|DefineLoads菜单中选择载荷操作，如：Apply（施加），Delete（删除），Operate（对载荷进行运算）等；（2）选择载荷形式，如：Displacement（位移）、Force/Moment（力和力矩）、Pressure（压力）、Temperature（温度）等；（3）选择加载的对象，如：OnKeypoints（关键点）、OnLines（线）、OnAreas（面）、OnNodes（节点）和OnElements（单元）等；（4）指定载荷的方向和数值。例如要在一个节点上加位移载荷，可按如下步骤操作：（1）单击GUI菜单：MainMenu|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|Displacement|OnNodes，将会弹出节点选择对话框，要求选择欲施加位移约束的节点（如图3.3）。图3.3拾取欲施加位移载荷的节点（2）从有限元模型中拾取所要施加位移约束的节点，然后单击按钮，将弹出ApplyU,ROTonNodes（在节点上施加位移约束）对话框（如图3.4）。图3.4施加节点位移约束对话框（3）根据实际问题的情况在DOFstobeconstrained（欲约束的自由度）下拉列表中选择节点的某个或某几个自由度并设置其初始位移值（在Displacementvalue文本框中输入初始值，默认为零）。表3.4结构分析中用于加载的各种命令载荷形式实体或FE模型图素施加删除列表运算加载设置SolidModelKeypointsDKDKDELEEKLISTDTRANSolidModelLinesDLDLDELEDLLISTDTRANSolidModelAreasDADADELEDALISTDTRANDisplacementFiniteElemNodesDDSYMDDELEDLISTDSCALEDCUMSolidModelKeypointsFKFKDELEFKLISTFTRANForceFiniteElemNodesFFDELEFLISTFSCALEFCUMSolidModelLinesSFLSFLDELESFLLISTSFTRANSFGRADPressureSolidModelAreasSFASFADELESFALISTSFTRANSFGRADFiniteElemNodesSFSFDELESFLISTSFSCALESFGRADSFCUMFiniteElemElementsSFESFBEAMSFEDELESFELISTSFSCALESFGRADSFFUNSFCUMSolidModelKeypointsBFKBFKDELEBFKLISTBFKTRANFiniteElemNodesBFBFDELEBFLISTBFSCALEBFCUMTemperatrueFiniteElemElementsBFEBFEDELEBFELISTBFSCALEBFCUMInertiaACELOMEQA列出已加在所有节点上的自由度约束，可通过如下GUI路径：UtilityMenu|List|Loads|DOFConstraints|OnAllNodes来进行。需要注意的是，惯性载荷仅当模型具有质量时才有效。惯性载荷通常要求指定模型的密度才能使其真正起到作用，也可以通过质量单元来使惯性载荷有效。3．1．2．3载荷步选项载荷步选项包括普通选项和非线性选项，这里主要讲解普通载荷步选项，非线性选项将在后面非线性分析篇中进行详细讲解。通过GUI路径：MainMenu|Solution|LoadStepOpts|Time/Frequence|Time&TimeStep，可以得到TimeandTimeStepOptions（时间和时间步选项）对话框，如图3.5所示。图3.5时间选项和时间步选项还可以通过其它不同的方式设置这些通用选项：MainMenu|Solution|LoadStepOpts|Time/F