workbench旋转轴对称分析方法及案例分析

CAD中利用旋转轴进行图形旋转与对称CAD软件是计算机辅助设计软件的缩写，它在工程设计中起到了举足轻重的作用。

在CAD软件中，利用旋转轴进行图形旋转和对称是一项非常重要的技巧。

本文将介绍如何在CAD中使用旋转轴实现图形旋转和对称。

首先，我们需要了解旋转轴的概念。

旋转轴是一个以一点为中心的直线段，用于将图形进行旋转。

在CAD中，我们可以通过选择图形的中心点和一个与之垂直的直线段来定义旋转轴。

在CAD软件中，进行图形旋转和对称的操作步骤如下：1. 打开CAD软件并新建一个文件。

2. 在绘图界面中选择需要旋转或对称的图形。

可以使用绘图工具（如直线、圆等）绘制一个图形，或者导入已有图形。

3. 点击“编辑”或“修改”选项卡，找到“旋转”命令，并点击打开该命令。

4. 在弹出的旋转对话框中，先选择需要旋转的图形。

然后，选择一个合适的旋转轴。

在选择旋转轴时，可以选择图形特征点作为旋转轴的一部分。

5. 输入旋转的角度。

根据需要，可以输入具体的角度或者选择图形的参考点，并指定旋转的角度。

6. 点击“确定”按钮完成旋转操作。

此时，选定的图形将根据旋转轴和角度进行旋转。

要实现图形的对称，可以借助旋转轴来实现。

下面是使用旋转轴进行对称的步骤：1. 打开CAD软件并新建一个文件。

2. 在绘图界面中选择需要进行对称操作的图形。

可以使用绘图工具绘制一个图形，或者导入已有图形。

3. 点击“编辑”或“修改”选项卡，找到“旋转”命令，并点击打开该命令。

4. 在弹出的旋转对话框中，选择需要对称的图形。

然后，选择一个合适的旋转轴。

在选择旋转轴时，需要注意选择一个与对称轴垂直的直线段。

5. 输入旋转的角度。

根据需要，可以输入具体的角度或者选择图形的参考点，并指定旋转的角度。

对于对称操作，一般选择180度，即沿选定的旋转轴进行对称。

6. 点击“确定”按钮完成对称操作。

此时，选定的图形将根据旋转轴进行镜像对称。

通过上述步骤，我们可以在CAD中利用旋转轴进行图形的旋转和对称。

9）三维扩展结果 Utility Menu>PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>2D AxisSymmertric弹出轴对称扩展设置对话框，选择Full expansion单击OK
16
17
个人观点供参考，欢迎讨论
→Close( the Mesh Tool window)
9
3、施加约束和载荷 1）施加约束和压力
ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement → On Lines →拾取左边 → OK → select Lab2:ALL DOF → OK
13
5、后处理
2）径向位移云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, X-Component of displacement →OK
3）周向位移云图
6）周向应力云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, Z-Component of Stress →OK
7）轴向应力云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour
Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, Y-Component of
displacement →OK

Ansys 实例分析及介绍
20190308
目录
• workbench简介 • Workbench配置 • Workbench基本分析流程
workbench简介
菜单栏 工具栏
工具箱
属性栏
workbench简介
关联
Workbench简介
自定义系统
优化分析
Workbench配置
Workbench配置
查看文件
Workbench配置
文件完全拷贝传递下个人， archive
打包 恢复
Workbench基本分析流程
*几何体创建、导入及修改（设计简化）一般导入 *材料设置 *网格划分 *边界条件设置
*求解
*结构后处理
Workbench基本分析流程
分析模块：双击或拖进
材料已设计好，默认的结构钢，后面需修改
详细信息
Workbench基本分析流程
点选实体solid，查看材料，分配材料
实体
材料，分配前面添加的材料
Workbench基本分析流程
网格划分，默认，后面专题学习，影响精度等
2
1
Workbench基本分析流程-边界条件
先选施加载荷，后选面，（多选ctrl），apply，确定方向大小如1e6
快捷
Workbench基本分析流程-求解
求解，设置求解那些如
变形
，应变，应力 能量
破坏
应力线型化 探针
其他：
Workbench基本分析流程
变形
应变： 等效应变 应力： 等变应力
应变分析 工具里面 有安全因 子
Workbench基本分析流程-求解
Workbench基本分析流程
右键可以将结果添加到报告里

理论力学中的轴对称问题如何处理？在理论力学的广阔领域中，轴对称问题是一类具有重要意义和实际应用价值的研究对象。

轴对称问题常见于工程结构、机械设计以及许多物理现象的分析中。

理解和掌握如何处理这类问题，对于解决实际工程和科学中的力学难题至关重要。

首先，我们需要明确什么是轴对称问题。

简单来说，轴对称是指一个物体或系统绕着某一轴旋转一定角度后，与原来的形状完全重合。

在力学中，这意味着物体的几何形状、受力情况以及运动状态等在绕对称轴旋转时保持不变。

对于轴对称问题的处理，第一步通常是建立合适的坐标系。

由于轴对称的特性，选择柱坐标系往往是最为方便和直观的。

在柱坐标系中，我们有径向坐标 r、轴向坐标 z 和周向坐标φ 。

其中，周向坐标φ 在轴对称问题中通常不参与计算，因为物体在周向上的性质是相同的。

在确定了坐标系后，接下来就是对物体进行受力分析。

对于轴对称物体，其受力情况在绕对称轴旋转时也具有相应的对称性。

例如，如果受到的外力是集中力，那么这个力必然沿着对称轴或者在与对称轴垂直的平面内。

如果是分布力，比如压力、重力等，其分布规律也应该在轴对称的基础上进行考虑。

以一个简单的例子来说明，假设我们有一个轴对称的圆柱体，在其侧面受到均匀分布的压力。

在这种情况下，我们可以将这个分布压力等效为一个合力，这个合力的作用线必然通过圆柱体的轴线。

在处理轴对称问题时，运动学分析也是必不可少的环节。

对于旋转运动，我们需要考虑角速度、角加速度等参数。

由于轴对称的特点，角速度和角加速度在周向上的分量通常为零，只有轴向和径向的分量需要重点关注。

在动力学分析中，我们要运用牛顿第二定律来建立运动方程。

对于轴对称问题，由于受力和运动的对称性，方程往往会得到一定程度的简化。

例如，在考虑转动惯量时，由于轴对称性，只需要考虑轴向和径向的转动惯量分量。

材料力学性能在轴对称问题中也起着关键作用。

不同的材料在受力时的变形和应力分布规律不同。

对于常见的各向同性材料，其在轴对称条件下的应力应变关系可以通过相应的本构方程来描述。

02
CATALOGUE
有限元分析基础
有限元分析的基本概念
有限元分析是一种数值分析方法，通过将复杂 的物理系统离散化为有限个简单元（或称为元 素）的组合，以求解复杂系统的物理行为。
它基于变分原理和加权余量法，通过数学模型 将实际工程问题转化为数学问题，从而得到近 似的数值解。
有限元分析广泛应用于工程领域，如结构分析 、流体动力学、电磁场等。
求解线性方程组
通过求解线性方程组得到每个节 点的位移和应力等物理量。
有限元分析的常用软件
ANSYS
功能强大的有限元分析软件，适用于各种工 程领域。
COMSOL Multiphysics
多物理场有限元分析软件，适用于模拟复杂 的多物理场耦合问题。
ABAQUS
专业的有限元分析软件，广泛应用于结构分 析、流体动力学等领域。
空间与轴对称问题有限元分析的优缺点
01
数值误差
有限元分析依赖于离散化的网格 ，存在数值误差，可能影响结果 的精度。
建模难度
02
03
计算资源需求
对于复杂问题的建模，需要较高 的专业知识和技巧，建模难度较 大。
对于大规模问题，有限元分析需 要大量的计算资源，如内存和计 算时间。
未来发展方向与挑战
优化算法
建筑领域
建筑设计中的对称和均衡问题需要考虑空间对称 性，以提高建筑的美观性和稳定性。
机械工程领域
机械零件的形状和结构需要考虑轴对称性，以确 保零件的稳定性和可靠性。
空间与轴对称问题的解析方法
解析法
通过数学公式和定理推导出问题的解 ，适用于简单的问题和特定条件下的 求解。
有限元法
将问题分解为有限个小的单元，通过 求解每个单元的近似解来逼近原问题 的解，适用于复杂的问题和不规则区 域的处理。

单击按钮“Set”后,出现对话框选择Lines,点击Pick乊后，开始在图形窗口单击直线
单击“OK”
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
单击“OK”按钮后，出现对话框，选择单元的尺寸（SIZE），在厚度方向选择5 等份，在高度方向选择20等份
厚度方向
高度方向
单击“OK”按钮完成定义。
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
下图即为等分后的矩形
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
按图 “Shape”中选择复选“Mapped”， 在Mesh Areas对话框中， 单击“Pick” 单击“Mesh”按钮，出现对话框
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
八、结果分析 （1）位移运行主菜单General Postproc>First Set > Plot Results>Nodal Solu…
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
乊后出现对话框。接着选择结点位移，左边框选DOF solution，右边框选 USUM，即选择总的结点位移。另选择Def+Undeformed复选框
选择“Box Zoom”，进行局部放大图形，
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
然后在图形窗口拾取加载点
乊后，单击上页对话框“APPLY”按钮
INTRODUCTION TO ANSYS PROJECT
出现对话框
在对话框中，选择位移约 束为Y方向简支，即 “UY” 和位移输入数值“Fix to C urrent”。然后，单击“OK” 按钮，完成位移的设置， 出现示意位移设置的箭头。

利⽤ansysworkbench计算旋转物体的向⼼⼒及变形计算利⽤ansys workbench计算旋转物体的向⼼⼒及变形计算⼀般形状规则物体可以利⽤公式F=mv2/r计算向⼼⼒，但是有些形状不是特别规则旋转体⽐较难计算它的向⼼⼒和产⽣的变形，这时候可以利⽤有限元软件进⾏计算。

1、有下⾯⼀旋转物体，假设中间由于加⼯和降本需求开了⼏个不规则⼩孔，中间轴承约束，计算其在转速3600R/min时产⽣的向⼼⼒、径向变形值。

2、打开Ansys Workbench软件，进⼊下图操作界⾯，双击Static Structural右键Geometry—Browse选择分析模型3、双击Geometry，进⼊界⾯选中Import1，右键⽣成模型，或者直接按F5⽣成检查⽣成模型，关闭Geometry4、双击Model模块，进⾏载荷和边界条件的设置此处材料默认不更改，设置⽹格⼤⼩为3，划分⽹格，下图所⽰5、右键点击static structural---Insert---Fixed support选中内圆⾯，点击Apply6、右键点击static structural---Insert---standard Earth Gravity（设置重⼒加速度），⽅向设置为-Y⽅向7、右键点击static structural---Insert---Rotational Velocity,选择旋转体，将Define By更改为Components,以Z轴为旋转轴，设置转速为3600RPM，（注意单位的设置）点击solution进⾏计算8、计算完成，查看向⼼⼒及变形右键Solution---Insert---Probe---Force Reaction在Details of Force Reaction中将Boundary Condition中选择Fixed support右键求得向⼼⼒F结果，Y⽅向，⼤⼩35.637N求得Y⽅向变形值如下图所⽰。

《ANSYS工程分析软件应用实例》第8章轴对称结构的静力分析实例/filname,ch08/title,static analysis of compressor structure/prep7et,1,plane42keyopt,1,3,1 !指定单元行为方式为轴对称mp,ex,1,1.15e5mp,prxy,1,0.30782mp,dens,1,4.48e-9k,1,226,208.8k,2,226,258.7k,3,157,258.7k,4,237.5,220.3k,5,229.2,220.3k,6,237.5,208.8k,7,126,276.7k,8,138,276.7k,9,102.5,263k,10,102.5,248.7k,11,237.5,273.8k,12,237.5,264.1k,13,135,248.7k,14,243.85,273.8k,15,243.85,254.8k,16,229.2,254.8k,17,162.5,264.1!显示编号和改变视角/pnum,kp,1/pnum,line,1/number,2/view,1,,,-1/auto,1lstr,1,2lstr,2,3lstr,1,6lstr,6,4lstr,4,5lstr,5,16lstr,16,15 lstr,15,14lstr,14,11lstr,11,12lstr,12,17lstr,8,7lstr,7,9lstr,9,10lstr,10,13lplotltan,11,8 !创建切线ltan,2,13al,all/pnum,line,0!创建用于切割面的线，对面divide，!以便于划分映射网格k,18,237.5,254.8k,19,229.2,264.1k,20,226,264.1k,21,226,220.3lstr,12,18lstr,16,19lstr,2,20lstr,5,21lstr,17,3lstr,7,13/pnum,kp,0/pnum,line,1asel,s,,,1lsla,u !从选择集中去除截面边界线asbl,1,all,,,keepallsel,allsaveesize,3!线连接concatenatlccat,10,18lccat,19,6lccat,20,29lccat,5,21lccat,22,17type,1mshape,0,2dmshkey,1 !映射网格amesh,alllsel,s,lcca !选择连接生成的线ldele,all !删除连接生成的线!以免对后面的操作有影响allsel,all/pnum,line,0eplotsave/soluantype,staticnsel,s,loc,x,237.5nsels,r,loc,y,220.3,208.8d,all,uxallselnsel,s,loc,y,208.8d,all,uyallseleplotsaveomega,,1191.11 !施加旋转角速度!对轮盘边缘施加集中力nsel,s,loc,x,243.5 !选取轮盘边缘节点*get,no_nodes,node,,count!得到节点数目f,all,fx,628232/no_nodes!对这些节点平均施加载荷allselsavesolvefinish/post1plnsol,u,x,2,1plnsol,u,y,2,1plnsol,s,x,0,1plnsol,s,y,0,1plnsol,s,z,0,1plnsol,s,eqv,0,1finish 1．为什么已经施加了转动角速度，还要施加节点载荷模拟离心惯性力？应该说后面加上去的节点力不是惯性力，而是其他类型的力；2．Plane42单元可以设置单元行为方式为轴对称3．为了便于进行映射网格划分，用divide 命令把面用线分割；4．对于concatenate连接线，网格划分完毕以后，最好删除，以免对后面的操作有影响；5．等效应力分布图与其它应力分布图有何不同？6．学会更加灵活的应用select选择功能；7．创建切线此处用到了ltan命令，还有创建垂线，创建与某条线成一定夹角的线等这些命令也要学习一下；8．载荷的施加是在节点坐标系中进行的，此处为了施加径向和周向载荷将节点坐标系旋转到与整体柱坐标系一致；9．线的修改：线可以延长，但是注意只有为划分网格的线和为依附于面和体的线次阿可以被重新定义；但是ldiv（分段）和lcomb（线合并）lfillt（倒角）命令可以修改未划分网格的线，此线可以依附于面和体，此时面和体也一并被修改；。

2D轴对称扩展设置对话框
选择Full expansion，单击OK。显示圆筒图形如图所示
圆筒图形
（11）结果显示 运行 General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu。 弹出如图所示对话框，
云图显示对话框
运行 DOF Solution>Displacement vector sum和Stress>von Mises stress，分别显示圆筒置单元属性 运行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool， 弹出Mesh Tool对话框，在Element Attributes下拉列表中 选择Lines，然后单击其后的Set按钮弹出拾取线对话框， 单击Pick All，弹出分配线单元属性对话框，将 MAT,TEAL,TYPE依次设置为1，1，1，单击OK。
实常数对话框图
单击Add按钮弹出Element Type for Real Constants对话框，如图所示，选择 Type 1 SHELL51，单击OK，
选择要设置实常数的 单元类型
弹出Real Constant Set Number 1,for SHELL51对话框，如图所示，在 TK(I)项输入0.005，单击OK。
（8）施加载荷 运行Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment>On Keypoints在关键点2上施加竖直向下的集中载荷F＝-200000N， 如图所示。
（9）求解 运行Main Menu> Solution>Solve>Current LS, 开始计算，计算结束会弹 出计算完毕对话框，单击 Close，关闭对话框，计算 完毕。 （10）扩展成圆筒 运行Main Menu>General Postproc>Read Results> Last Set。运行Utility Menu>PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>2D Axi-Symmetric弹出轴对称扩展设置对话 框，如图所示。

关于 ANSYS 轴对称应力问题1. 什么是轴对称应力问题弹性力学中将廻转体对称于转轴而变形的问题概念为轴对称问题。

依照铁摩辛柯《弹性理论》一书，公式 (169) 与 (178) 能够看到，在轴对称情形，只有径向和轴向位移，不能有周向位移。

轴对称分析要求，除结构是轴对称的外，载荷和约束也必需是轴对称的。

由上面的说明可见，在轴对称分析中不能有周向变形，因此也不能有周向的载荷。

即不能有扭矩之类的载荷和扭转变形。

关于轴对称结构，若是经受轴对称约束，而载荷是非轴对称的，但该载荷能够分解为旋转角θ的三角函数，能够利用“轴对称谐波单元–Plane25，Shell61，Plane75，Plane78，Plane83，Shell208, Shell209 等”进行求解，只是本文不涉及。

2. ANSYS 对轴对称模型的大体要求在 ANSYS 中分析轴对称问题时，要求：(1) 分析模型 (轴对称) 必需位于整体坐标系的 X-Y 平面中，Y 轴为旋转轴，模型中的所有实体 (Keypoint,Line,Area,Volume,Node, Element等) 都必需位于 X >= 0 的范围中。

(2) 所有的载荷、约束都必需是轴对称的。

为此：a. 只能施加 XY 平面内的载荷和约束，不能施加垂直于 XY 平面的载荷 (如扭矩，会产生法向的位移，关于轴对称单元不存在该位移，故不能施加)；b. 依照轴对称理论，在旋转轴上 (X=0) 应该有 Ux ＝0，因此在旋转轴上不能施加非零的径向 (X 方向) 位移约束，也不能施加径向的载荷 (不然会破坏结构 Ux ＝0 的条件)。

3.ANSYS 中如何施加轴对称载荷关于约束、面载荷、体载荷、Y 方向的加速度、X 方向的角速度等，概念方式与非轴对称结构相同；对集中力载荷那么有所不同。

关于集中力，要求输入载荷作用点处，360 度圆周上的合力。

例如：在实际结构直径 d = 10 mm 的圆周上作用 p = 1500 N/mm 的 Y 向载荷，那么应输入为 (见图 1)：F,n,Y,-47214 ! n –加载点的节点编号其中： 47214 ＝π * d * p = * 10 * 1500图 1 轴对称结构施加集中力一样，轴对称分析结果的表述方式也和载荷相同，即节点反力是该节点所在圆周上的全数反力的合力。

关于 ANSYS 轴对称应力问题1. 什么是轴对称应力问题弹性力学中将廻转体对称于转轴而变形的问题定义为轴对称问题。

根据铁摩辛柯《弹性理论》一书，公式 (169)(P.322) 与 (178) (P.360)可以看到，在轴对称情况，只有径向和轴向位移，不能有周向位移。

轴对称分析要求，除了结构是轴对称的外，载荷和约束也必须是轴对称的。

由上面的说明可见，在轴对称分析中不能有周向变形，因而也不能有周向的载荷。

即不能有扭矩之类的载荷和扭转变形。

对于轴对称结构，如果承受轴对称约束，而载荷是非轴对称的，但该载荷可以分解为旋转角θ的三角函数，可以使用“轴对称谐波单元–Plane25，Shell61，Plane75，Plane78，Plane83，Shell208, Shell209 等”进行求解，不过本文不涉及。

2. ANSYS 对轴对称模型的基本要求在 ANSYS 中分析轴对称问题时，要求：(1) 分析模型 (轴对称) 必须位于整体坐标系的 X-Y 平面中，Y 轴为旋转轴，模型中的所有实体 (Keypoint,Line,Area,Volume,Node, Element等) 都必须位于 X >= 0 的范围中。

(2) 所有的载荷、约束都必须是轴对称的。

为此：a. 只能施加 XY 平面内的载荷和约束，不能施加垂直于 XY 平面的载荷 (如扭矩，会产生法向的位移，对于轴对称单元不存在该位移，故不能施加)；b. 根据轴对称理论，在旋转轴上 (X=0) 应该有 Ux ＝0，因此在旋转轴上不能施加非零的径向 (X 方向) 位移约束，也不能施加径向的载荷 (否则会破坏结构 Ux ＝0 的条件)。

3.ANSYS 中如何施加轴对称载荷对于约束、面载荷、体载荷、Y 方向的加速度、X 方向的角速度等，定义方式与非轴对称结构相同；对集中力载荷则有所不同。

对于集中力，要求输入载荷作用点处，360 度圆周上的合力。

例如：在实际结构直径 d = 10 mm 的圆周上作用 p = 1500 N/mm 的 Y 向载荷，则应输入为 (见图 1)：F,n,Y,-47214 ! n –加载点的节点编号其中： 47214 ＝π * d * p = 3.1416 * 10 * 1500图 1 轴对称结构施加集中力同样，轴对称分析结果的表述方式也和载荷相同，即节点反力是该节点所在圆周上的全部反力的合力。

2ansys轴对称问题注意问题1单元plane2plane42plane82plane182plane183shell51模拟轴对称壳2平面单元需要单元设置keyopt3为axisymmetric3y轴必须是旋转对称轴x轴是径向z轴是周向rp2prp4轴对称问题集中力和集中力矩的输入和输出总是360度的合力和合力矩
16 第16页，共26页。
2、飞轮有限元模型的n Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 8node 82 →OK (back to Element Types window) →Options… →selelt K3: Axisymmetric→ Close (the Element Type window)
X方向的偏移表示一个轴对称孔
第8页，共26页。
轴对称荷载
注意：对轴对称模型：
• 输入整个 360°上的力的值。
• 输出值 (反力) 也是基于整个 360°上的值。
• 例如，假定一个半径为 r 的圆柱形壳体，边缘施加 Plb/in 的荷载， 把这个荷载施加在二维轴对称壳模型上(例如 SHELL51 单元)，要施 加 2prP 的力。
6）周向应力云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, Z-Component of Stress →OK
7）轴向应力云图
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, Y-Component of Stress →OK