第4章-ANSYS加载与求解OK

第4章ANSYS加载与求解中南大学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。合适的加载将能够更好地模拟实际情况，正确反应实际结构的受力特征；而求解方式是否选择合适将直接影响到求解的精度和所花费的时间，甚至是否收敛。4.1载荷种类与加载方式ANSYS提供了许多方式对模型施加加载，而且借助于载荷步选项，用户可以在求解中逐步对模型施加载荷。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。第4章ANSYS加载与求解中南大学4.1.1载荷种类在不同的学科中，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：温度、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：（1）DOFconstraint(DOF约束）:定义节点的自由度值，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。第4章ANSYS加载与求解中南大学（2）Force（集中载荷或力载荷）：施加于模型节点上的集中载荷。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。（3）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。（4）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。（5）Inertiaload（惯性载荷）：由物体的惯性引起的载荷，如重力加速度、角加速度。主要在结构分析中使用。（6）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。第4章ANSYS加载与求解中南大学1)载荷步(loadstep)载荷步就是我们平时讲的分步施加载荷，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。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TimeLoad4.1.1.1载荷步和子步值。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。第4章ANSYS加载与求解中南大学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。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。如果载荷施加在几何模型上，ANSYS在求解前先将载荷转化到有限元模型上。这两种情况各有各自的优缺点。1.施加在实体模型上优点:（1）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；（2）通过图形拾取来加载时，因为实体较少，所以施加载荷简易。缺点:（1）不能显示所有的实体模型载荷；（2）施加关键点约束的扩展时，在两个关键点施加的约束会扩展到关键点之间的直线上所有的节点上，有时这种约束并不是实际的约束情况，因此在使用扩展约束时，在关键点上施加约束要特别小心。4.1.2加载方式及其优缺点第4章ANSYS加载与求解中南大学2.施加在有限元模型上优点：（1）约束可以直接施加在节点上，所以扩展约束没有影响；（2）载荷可以直接施加在节点上缺点：（1）任何对于有限元网格的修改都会使已施加的载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格上重新施加载荷；（2）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。第4章ANSYS加载与求解中南大学任何实际结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性，因此给结构模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。在结构分析涉及到的所有载荷中，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)。施加载荷可以通过前处理器Preprocessor或求解器Solution中的Loads项完成。左图示菜单为第一种方式。弹出相应对话框后：4.2载荷的施加第4章ANSYS加载与求解中南大学(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方向的转动自由度），它可以施加在线、面、关键点、结点上。位移方向与总体坐标轴正向相同时取正值，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4.2.1加载自由度(DOF)约束第4章ANSYS加载与求解中南大学4.2.1.1在关键点（或节点）上加载位移约束命令：DK,KPOI,Lab,VALUE,VALUE2,KEXPND,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6D,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6GUI：SolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnKeypoints（或OnNodes）参数说明：KOPI、NODE－－要施加约束的关键点号、节点号Lab－－－UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ等符号标识；VALUE、VALUE2－－自由度值、第二个自由度值；NEND，NINC－－指定相同的约束值到NODE到NEND的节点上（缺省为NODE），其节点号增量为NINC（缺省＝1）；KEXPND－－关键点自由度扩展选项（0－约束只施加在关键点处的节点上；1－将关键点上的约束进行扩展(见下页）Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6－附加自由度，这些自由度取相同的值施加在这些节点上。第4章ANSYS加载与求解中南大学对话框中的KEXPND选项设为YES，可使相同的约束施加在位于两关键点连线的所有节点上。如左图所示。只要拾取关键点K1和K2，再在设置对话框中选择AllDOF，并在VLAUE框中输入0，设置EXPAND为Yes，则K1至K2之间的所有节点都将被约束，即相当于固定了这条边；KEPAND＝No则只固定了K1、K2上的两个节点被约束。K1K2第4章ANSYS加载与求解中南大学4.2.1.2在线（或面）上加载位移约束命令：DL,LINE,AREA，Lab,Value,Value2DA,AREA,Lab,Value,Value2参数说明：略GUI：SolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnLines（或OnAreas）第4章ANSYS加载与求解中南大学4.2.1.2对称约束与反对称约束在位移约束中还有两个非常重要的约束，就是施加在对称面上的对称约束和反对称约束。（1）对称约束限制对称面内所有节点的两个方向旋转自由度，同时限制了垂直于对称面的位移自由度。（2）反对称约束限制了对称面内所有节点在对称面内的两个方向位移自由度，同时限制了垂直于对称面的旋转自由度。第4章ANSYS加载与求解中南大学对称约束与反对称约束的示意图如下：这两种约束条件应用在不同的对称模型的场合，通过设定对称约束边界条件达到简化建模的效果。施加对称约束和反对称约束的采用的命令仍然是DL、DA，其参数Lab设为SYMM（对称）或ASYM（反对称）。GUI:…SolutionDefineSymmetryB.C.（或AntisymmB.C.）解释：对于如图给定的坐标系而言，对称约束表示对称面上所有点UX=0，ROTZ＝0，ROTY＝0第4章ANSYS加载与求解中南大学在结构分析中，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节点上FK，KOPI，Lab，Vlaue，Vlaue2F，NODE，Lab，Vlaue，Vlaue2，MEND，NINCGUI：…|LoadsDefineLoadsApplyStructuralPressureOnOnKeypoints（或OnNodes）参数说明：KOPI、NODE－关键点、节点Lab：＝FX，FY，FZ（力）或MX，MY，MZ（力矩）4.2.2施加集中载荷正值表示力的方向与坐标轴正向一致，负值表示力的方向与坐标轴正向相反第4章ANSYS加载与求解中南大学在结构分析中，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、单元以及梁上。3.2.3.1在线（或面）上施加分布载荷命令：SFL，线编号，分布载荷类型，VALI,VALJGUI：….|LoadsDefineLoadsApplyStructuralPressureOnLines4.2.3施加分布载荷第4章ANSYS加载与求解中南大学若分布载荷为均布载荷，只需在对话框的第一个输入栏中输入相应的分布载荷值；若同时输入第二个值，则表示在这条线上，从线的起始点到线的终点，沿线的方向，承受从第一个值到第二个值线性过渡的分布载荷。注意：（1）ANSYS中的线是有方向的，相当于从起始关键点到终止关键点的一条矢量线，这在很多分析中非常重要。观察方向从实用菜单PlotCtrlsSymbol中设置Linedirrctionon（2）对于非线性的函数分布载荷，可以通过分段近似线性加载的方法，或者通过不同节点处加载不同集中力的方法进行模拟（使用数组载荷定义）线上分布力加载的起始方向第4章ANSYS加载与求解中南大学3.2.3.2在相连的几个节点上施加分布载荷命令：SF，NList，Lab，VALUE,VALUE2GUI：….|Loads|Apply|StructualPressureOnNodes采用GUI操作，在弹出拾取对话框后，在模型上选取几个相连的节点（要施加分布载荷的节点），单击OK按钮，弹出如下所示分布载荷大小设置对话框：注意：在节点上施加分布载荷必须选取两个以上的节点第4章ANSYS加载与求解中南大学3.2.3.3在单元上施加分布载荷命令：SFE，ELEM，LKEY，Lab，KVAL，VAL1，VAL2，VAL3，VAL4GUI：….|LoadsDefineLoadsApplyStructuralPressureOnElements参数说明：ELEM－施加分布载荷的单元号；＝All，则选取所有单元；＝P，则其后所有参数失效；LKEY－载荷方向标示，默认＝1；Lab－有效载荷符号（结构分析中Lab＝PRES）采用GUI操作，在