ANSYS加载与求解(第3章)

第3章ANSYS加载和求解中南大学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。3.1载荷的基本概念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关键的一步。在ANSYS的术语中，载荷(Loads)包括边界条件和外部或者内部作用力。在不同的学科中，载荷的具体含义也不尽相同，下面为不同学科中所指的载荷术语。结构分析：位移、力、压力、温度、重力；热力分析：磁场、热流速率、对流、内部热生成、无限表面等；磁场分析：磁场、磁通量、磁场段、源流密度、无限表面；电场分析：电势（电压）、电流、电荷、电荷密度、无限表面等；流体分析：流速、压力等对不同学科的载荷而言，程序中的载荷可以分为六类：•DOFconstraint(DOF约束）:定义结点的自由度值，也就是将某个自由度赋予一个已知值。在结构分析中该约束被指定为位移和对称边界条件；在热力分析中被指定为温度和热通量平行的边界条件。3.1.1关于载荷的一些概念第3章ANSYS加载和求解中南大学•Force（集中载荷或力载荷）：施加于模型结点上的集中载荷。在结构分析中被指定为力和力矩；在热分析中为热流速率；在磁场分析中为电流段。•Surfaceload(表面载荷)：为施加于模型某个表面上的分布载荷。在结构分析中被指定为压力；在热分析中为对流和热通量。•Bodyload(体积载荷)：为施加于模型上的体积载荷或者场载荷。在结构分析中为温度；热力分析中为热生产率。•Inertiaload（惯性载荷）：由物体的惯性引起的载荷，如重力加速度、角速度、角加速度。主要在结构分析中使用。•Coupled-fieldloads（耦合场载荷）：为以上载荷的一种特殊情况，是从一种分析得到的结果作为另一种分析的载荷。例如可以施加磁场分析中计算的磁力作为结构分析中的力载荷。3.1.2载荷步和子步1)载荷步(loadstep):载荷步就是我们平时讲的分步施加加载荷，以模拟真实的载荷配置。左图所示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。载荷值在载荷部的结束点达到全值。TimeLoad第3章ANSYS加载和求解中南大学2)载荷子步子步(Substep):将一个载荷步分成几个子步施加载荷。3)时间的作用在所有静态和瞬态分析中，ANSYS使用时间作为跟踪参数，而不论分析是否依赖于时间。在指定载荷历程时，在每个载荷步的结束点赋予时间值。时间也可作为一个识别载荷步和载荷子步的计算器。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；在瞬态分析中，时间作为表示真实时间历程的变量在变化；在其它分析中，时间仅作为一个计算器识别求解时所采用的不同载荷步。从时间的概念上讲，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。3.1.3载荷的方式及其优缺点在ANSYS程序中，用户可以把载荷施加在实体模型（关键点、线、面体等）上，也可以施加在有限元模型（结点、单元）上。这两种情况各有各自的优缺点。(1)施加在实体模型上•优点：通过图形拾取来加载时，因为实体较少，所以施加载荷简易；模型载荷独立于有限元网格之外，这样就不必因为网格重新划分而重新加载。第3章ANSYS加载和求解中南大学•缺点：不能显示所有的实体模型载荷；关键点上的载荷很难施加。在开始求解时，实体模型载荷将自动转换到有限元模型。(2)施加在有限元模型上•优点：因为载荷可以直接施加在主结点上，所以在简化分析时不会有任何问题；可用简单地选取所需要的结点，并直接指定约束条件。•缺点：任何对于有限元网格的修改都使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格上重新施加载荷；不方便处理线载荷和面载荷，因为原来施加在一条线上的载荷需要逐个结点来拾取，原来施加在一个面上的载荷需要逐个单元来拾取，非常麻烦。在结构分析涉及到的所有载荷中，惯性载荷相对于整体相对于整体笛卡儿坐标系施加于整个模型，除此之外，其它载荷既可以施加于实体图元（点、线、面），也可以施加在有限元模型上（结点、单元）。载荷可以进行施加(Apply)、删除(Delete)、运算(Operate)。3.2载荷的施加第3章ANSYS加载和求解中南大学施加载荷可以通过下列途径操作：[Main]Preprocessor|Loads|…或[Main]Solution|Loads|…或命令。上页图示菜单为第一种方式。弹出相应对话框后：(1)选择载荷形式：如Displacement(位移),Force/Moment(力和力矩),Pressure(压力)、Temperature（温度）等；(2)选择加载的对象：如:OnKeypoints、OnLines、OnAreas、OnNodes、OnElement等；(3)指定载荷的方向和数值3.2.1施加DOF约束在结构分析中，DOF约束中相应的自由度有平移和旋转，共有6个，即UX、UY、UZ(X、Y、Z方向平动自由度）及RTOX、RTOY、RTOZ（X、Y、Z方向的转动平动自由度），它可以施加在线上，也可以施加在结点上。位移方向与轴向相同时取正值，否则取负值。DOF的复杂情况如下：施加对称或者反对称DOF约束施加耦合DOF约束第3章ANSYS加载和求解中南大学3.2.2施加力（集中载荷）在结构分析中，集中载荷包括力（FX、FY、FZ，即在X轴、Y轴、Z轴方向的集中力和力矩（MX、MY、MZ，即绕X轴、Y轴、Z轴的力矩）。它们只能施加在关键点和结点上面GUI：MainMenu|Preprocessor|Loads|Apply|Displacement|Force/MomentMainMenu|Solution|Loads|Apply|Displacement|Force/Moment3.2.2施加表面载荷在结构分析中，表面载荷就是施加的压力。当表面载荷方向指向物体内部时取正值，否则取负值，ANSYS不仅可以将表面载荷施加在线上、面上，还可以将表面载荷施加在结点和单元上。集中载荷包括力（FX、FY、FZ，即在X轴、Y轴、Z轴方向的集中力和力矩（MX、MY、MZ，即绕X轴、Y轴、Z轴的力矩）。它们只能施加在关键点和结点上面GUI：MainMenu|Preprocessor|Loads|Apply|Displacement|PressureMainMenu|Solution|Loads|Apply|Displacement|PressureANSYS程序给出了两种表面载荷，一种是均匀分布的表面压力，还有一种是线性增加的表面压力，不要搞错第3章ANSYS加载和求解中南大学3.2.3施加体积载荷在结构分析当中，体积载荷有温度和流量两种。在ANSYS程序当中，体积载荷可以施加在结点、关键点、线、面、体、单元上GUI：MainMenu|Preprocessor|Loads|Apply|TemperatureMainMenu|Solution|Loads|Apply|TemperatureGUI：MainMenu|Preprocessor|Loads|Apply|Other|FluenceMainMenu|Solution|Loads|Apply|Other|Fluence3.2.4施加惯性力载荷在结构分析中，惯性载荷有加速度、角加速度、角速度等。惯性载荷只有在模型具有质量的时候才有效。GUI：MainMenu|Preprocessor|Loads|Apply|GravityMainMenu|Solution|Loads|Apply|Gravity列表显示惯性载荷：UtilityMenu|List|Status|Solution|InertiaANSYS程序不允许用户删除惯性载荷，要取消惯性载荷只需将其值设为0第3章ANSYS加载和求解中南大学3.2.5施加耦合场载荷略3.3载荷的重新设置、运算(1)重新设置载荷ANSYS程序允许用户重新设置载荷GUI：MainMenu|Preprocessor|Loads|Setting|Replacevs.AddMainMenu|Solution|Loads|Setting|Replacevs.Add(2)按比例放大、缩小载荷第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学第3章ANSYS加载和求解中南大学80mm20mmR50mmR20mm