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机械与动力工程学院CAD/CAM工程技术研究中心ANSYSWorkbench静力学有限元分析——前、后处理技术主讲人：张兵2014年12月12日机械与动力工程学院CAD/CAM工程技术研究中心ANSYSWorkbench有限元分析流程：确定分析类型导入CAD模型设置材料属性设置接触关系划分网格添加载荷以及约束求解选项定义分析求解结果后处理生成有限元分析报告主要内容一、静力学有限元分析的前处理技术材料属性载荷及约束的施加单/多载荷步静力求解二、静力学有限元分析的后处理技术分析求解方法结果查看分析结果处理实例操作讲解三、练习一、前处理技术前处理是创建分析模型的阶段，也是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数的过程。在正确建立单元类型、施加载荷及边界条件的材料类型、定义求解器所需的控制卡片等各类满足求解所需的必要信息后，即可得到求解器可以识别的模型文件，然后提交求解器进行解算。一、前处理技术在工具箱中的AnalysisSystem→StaticStructural上按住鼠标左键拖曳到项目管理区中，当项目A的Symmetry红色高亮显示时，放开鼠标创建项目B，此时相关联的项数据可共享，如下图所示。建立分析项目一、前处理技术1.1材料属性定义一、前处理技术添加材料库(1)双击项目A中的A2栏EngineeringData项，进入下图所示的材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。一、前处理技术添加材料库(2)在界面的空白处单击鼠标右键，弹出快捷菜单中选择EngineeringDataSources（工程数据源），此时的界面会变为如下图所示的界面。一、前处理技术添加材料库(3)在EngineeringDataSources表中选择A3栏GeneralMaterials，然后单击OutlineofFavorites表中A11栏StainlessSteel（不锈钢）后的B11栏的（添加），此时在C11栏中会显示（使用中的）标识，如下图左所示，标识材料添加成功。(4)在PropertiesofOutlineRow11:StainlessSteel表中显示出材料的特性，如下图右所示。(5)单击工具栏中的按钮，返回到Workbench主界面，材料库添加完毕。添加材料图材料参数窗口一、前处理技术由于惯性载荷作用在整个系统中，常常与结构的质量有关，因此材料属性中必须有密度！！！一、前处理技术添加模型材料属性添加材料图添加材料后的分析树一、前处理技术1.2载荷施加与约束–惯性载荷•这些载荷作用在整个系统中•需要用到质量的时候密度是必须的–结构载荷•这种载荷是作用在系统部分结构上的力或者力矩–结构约束•这些是利用约束来限制结构部件在一定范围内的移动，也就是限制结构的自由度–热载荷•从结构上讲，热载荷会产生温度区域并且在整个模型上引起热扩散。一、前处理技术1.2.1载荷类型惯性载荷结构载荷结构约束节点载荷与节点约束一、前处理技术1.2.1载荷类型加速度重力加速度旋转加速度压力节点载荷静水压力力远端载荷轴承载荷螺栓载荷力矩线压力热载荷一、前处理技术1.2.1载荷类型惯性载荷（Inertial）是通过施加加速度实现的，在程序内部加速度是通过惯性力施加到结构上的，而惯性力的方向与所施加的加速度方向恰好相反，因为惯性力是阻止加速度所产生的变化的，一定要牢记这一点！！！通过鼠标选中来定义加速度通过鼠标选中来定义标准地球重力加速度通过鼠标选中来定义旋转速度，注意缺省单位为rad/s一、前处理技术1.2.1载荷类型结构载荷（Inertial）是作用在系统或部件结构上的力或力矩。力载荷集成到了结构分析的Loads子菜单中。一、前处理技术1.2.1载荷类型力和压力载荷力载荷（Force）——力可以施加在结构顶点、边缘或者表面等位置，且施加的力将分布到整个结构中去，当一个力施加到两个同样的表面上时，每个表面将承受这个力的一半，可以定义矢量、大小以及分量来施加。压力载荷（Pressure）——压力载荷只能施加在表面，并且方向通常与表面的法向方向一致，正值代表进入表面，负值代表从表面出来。一、前处理技术1.2.1载荷类型远端载荷（RemoteForce）——远端载荷是在几何模型的表面或边上施加偏置的力，并设定力的初始位置，力可以通过矢量和大小或分量来定义。若在某面上施加一远端载荷后，则相当于在这个面上得到一个等效力和偏置所引起的力矩，而这个力分布在表面上，但是包括由于力偏置而引起的外力偶矩。一、前处理技术1.2.1载荷类型轴承载荷仅适用于圆柱形表面。其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷，而轴向载荷分量则沿着圆周均匀分布。载荷可以通过矢量和幅值来定义。轴承载荷（BearingLoad）——一、前处理技术1.2.1载荷类型螺栓载荷就是在圆柱截面上施加预紧载荷以模拟螺栓连接，且预紧载荷值只能使用在3D模拟中加载，还需要定义一个以Z轴为主方向的局部坐标系。螺栓载荷（BoltPretension）——一、前处理技术1.2.1载荷类型力矩可以施加在任意模型表面，实体表面的点上或边缘处。假如选择了多个表面，那么力矩将分摊在这些表面上。可以通过矢量及其大小定义，遵守右手螺旋定则。力矩（Moment）——一、前处理技术1.2.1载荷类型线压力就是在三维模型中通过载荷密度形式给一边施加分布载荷，其定义方式有幅值和向量、幅值和分量方向（总体或局部坐标系）、幅值和切向3种。线压力（LinePressure）——一、前处理技术1.2.1载荷类型热载荷可以施加在模型上，任何温度载荷都可以施加，但在结构分析中施加一个均匀温度载荷，必须制定一个参考温度。在Mechanical中通常先进行热分析，然后在结构分析时将计算所得到的温度作为外载荷输入。热载荷（ThermalCondition）——一、前处理技术1.2.2约束类型固定约束位移约束仅压缩约束无摩擦支撑约束远端位移约束弹性支撑约束圆柱面约束约束方程一、前处理技术1.2.2约束类型固定约束可以加载于实体、顶点、边缘、面、壳或者梁上，从而约束相对应单元的自由度。固定约束（FixedSupport）——一、前处理技术1.2.2约束类型在加载给定位移时要注意：-可以在顶点、体边缘或面上加载已知位移-允许在x、y和z方向给予强制位移-当输入“0”值时，代表此方向上被约束-如果不设定某个方向的值则意味着实体在这个方向上自由运动位移约束（Displacement）——一、前处理技术1.2.2约束类型远端位移允许在空间中的任意一个远程位置应用平动和旋转位移。需要通过点取或输入坐标值定义远端的定位点，默认位置为模型质心，通常用局部坐标施加转角。远端位移约束（RemoteDisplacement）——一、前处理技术1.2.2约束类型无摩擦约束实际是在面上施加了法向约束。对称实体受到对称的外载时，这个约束可以作为对称面的边界条件，因为对称面等同于约束了法向位移。无摩擦支撑（FrictionlessSupport）——一、前处理技术1.2.2约束类型仅压缩约束是指给几何体表面施加只有方法向压缩的约束，这个约束仅限制这个表面在法向正方向的约束，在Mechanical内部计算时需要进行迭代求解。仅压缩约束（compressiononlysupport）——一、前处理技术1.2.2约束类型圆柱面约束施加在圆柱表面，可以指定是轴向、径向或者切向约束，如下图所示。注意：该约束仅仅适用于小变形（线性）分析。圆柱面约束（CylindricalSupport）——一、前处理技术1.2.2约束类型弹性支承允许面或边根据弹簧行为产生移动或变形。弹性支承基于定义的基础刚度【FoundationStiffness】，即产生基础单位法向变形的压力值。弹性支承（ElasticSupport）——一、前处理技术1.2.2约束类型简支约束仅用于面体或线体模型的3D模拟，可以施加在梁或壳体的边或者顶点上，限制平移，但是所有旋转都是自由的。简支约束（SimplySupport）——一、前处理技术1.2.2约束类型可以施加在壳或梁的表面、边或者顶点上，约束旋转，但是平移不限制。固定转动（FixedRotation）——一、前处理技术1.2.2约束类型通常分析模型中，通过建立零件或接触条件建立不同自由度之间的关系，但有时也需要构造特殊的几何特征，比如等势面，此时可以使用耦合边界条件在一组表面/边/点上创建耦合自由度，耦合约束组中所有成员的结果是相同的。耦合也可用于热和电场环境。同一个几何实体只能定义一个耦合自由度，耦合约束不能施加在有自由度约束的几何实体上。耦合（Coupling）——一、前处理技术1.2.2约束类型约束方程可以建立模型不同部分之间的运动关系，利用方程将一个或多个远端点自由度联系起来。约束方程为自由度值的线性组合，方程中的每一项为系数与远端自由度的乘积，线性组合的综合可以为非零值。约束方程（ConstraintEquation）——一、前处理技术附:命名选择集–命名选择集允许把点，边，面或实体组合在一起。–它可用于网格加密控制，施加载荷和约束等。–为需要经常选择的几何集提供了一个简便方法•定义接触域•指定结果•等命名选择集工具栏为组合几何实体提供了很好的功能：一、前处理技术附:命名选择集•创建命名选择集：–选择感兴趣的点、边、面或实体，然后右击鼠标选择CreateNamedSelection图标–新的命名集将出现在OutlineTree（大纲树）下。•提示：–在一个指定的命名选择集里只允许出现一种实体类型。例如，在相同的命名集里就不能同时出现点和边。一、前处理技术附:命名选择集•在很多细节窗口中可以直接引用命名选择集：•示例（压载荷）：–在DetailsofPressure中，把Method由GeometrySelection换成NamedSelection–从下拉菜单中选择NamedSelection•模拟时会过滤掉不能使用的命名选择集类型一、前处理技术附:坐标系•CoordinateSystems通常默认的是不显示，但是可以进行添加得到。–Coordinatesystems可用于网格控制、质量点、指定方向的载荷和结果。•基于CAD原始模型，开始就添加了GlobalCoordinateSystem（整体坐标系）。？•可以从CAD系统中导入LocalCoordinateSystems（局部坐标系）一、前处理技术附:坐标系•坐标系可以通过点击环境工具栏上的CoordinateSystem图标•可以是直角坐标或柱坐标•在定义了坐标系以后，就会出现相应的工具栏。•可以通过下面任意一种方式定义局部坐标系：–选择几何（结合坐标系AssociativeCoordinateSystem）。坐标系会移动到几何上，它的平移和旋转都依赖于几何模型。–指定坐标（没有结合坐标系Non-AssociativeCoordinateSystem）。坐标系将保持原有的定义：它独立于几何模型.一、前处理技术附:坐标系•在各种应用中的细节窗口的下拉菜单中都可以使用坐标系（见下面例子）：指定方向影响球尺寸质量点指定方向载荷指定方向位移一、前处理技术1.3接触（Contacts）•存在多个部件时，需要确定部分之间的相互关系。–接触区域定义部件是如何相互作用的。•若不进行接触或点焊设置，部件将不会相互影响：–在结构分析，接触和点焊防止部件防止部件的相互渗透，同时也提供了部件之间荷载传递的方法。–在热分析，接触和点焊允许部件之间的热传递。–多体部件不需要接触或点焊。表面接触单元可以看作是“皮肤”，它覆盖的地区将发生接触。一、前处理技术1.3接触（Contacts）接触【Contacts】包括面/面、面/边、边/边之间的接触【Contact】和点焊接触【SpotWeld】。当装配体输入时，两个零件之间自动形成接触，接触连接可以传递结构载荷和热流，根据接触类型，分析可以是线性或非线性的。一、前处