ANSYS进行有限元静力学分析

如何简单的区分ANSYS Workbench 有限元分析中的静力学与动力学问题四川 曹文强“力”是一个很神秘的字，是个象形字，形体极像古代的犁形，上部为犁把，下部为耕地的犁头，也形象的解释“力”含义 ，将无形不可见，不可描述的现象充分的表达了出来。

从初中物理我们就学习过，力是物体之间的相互作用，是使物体获得加速度和发生形变的外因，单独就力而言，有三个要素力的大小、方向和作用点。

力学是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的，力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。

而今天主要是简单介绍一个静力学与动力学。

首先，静力学与动力学区别是什么？答案很简单，一个是“静”，一个是“动”，动静的含义就是时间的问题。

故，静力学实际是在研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态，以及结构优化问题，其中的静载荷是指不随时间变化的外加载荷，变化较慢的载荷，也可近似地看作静载荷。

当然“静”动力学静力学实际上只是相对而言，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态，也就是平衡的状态。

对于平衡的状态阐述，牛顿第一运动定律（牛顿第一定律，又称惯性定律、惰性定律）就有一个完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

此外，静力学的有五大公理公理一力的平行四边形法则：作用在物体上同一点的两个力，可合成一个合力，合力的作用点仍在该点，其大小和方向由以此两力为边构成的平行四边形的对角线确定，即合力等于分力的矢量和。

公理二二力平衡公理：作用在物体上的两个力，使物体平衡的必要和充分条件是：两个力的大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。

公理三加减平衡力系公理：在已知力系上加或减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。

公理四牛顿第三定律：两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。

此公理概括了物体间相互作用的关系，表明作用力与反作用力成对出现，并分别作用在不同的物体上。

5.4 状态非线性分析——状态分离– 459 –图5-4-19 接触状态后处理使用生死单元的后处理需要注意，由于杀死的单元仍存在模型中，如果不在选择域内去除死单元，其将显示该节点为零应力、应变、位移，造成污染的结果，但单元结果不受影响。

5.4.3 内聚力（CZM ）分离实例实际模型很多是由复杂形状和多种材料组合而成，这些零件的耐久性（Durability ）和损伤（Damage ）评估越来越受到关注，主要评估参数包括静态分析（含纤维断裂破碎、内核损伤、孔和紧固件损坏、面板起皱、屈曲等，这类主要采用ACP 处理）和分层分析（含破坏分层、不稳定增长、重复/循环负载增长，这类主要采用CZM 处理）。

由于相间的界面断裂或分层限制了多相材料的韧性和延展性，因此，将界面分层采用断裂机理的技术进行建模来模拟力与分离间的软化关系，即定义一个断裂能，用于破坏相间界面所需的能量。

这种方法被称为内聚力（CZM ）模型。

CZM 模型可用于表征界面的本构行为。

内聚力分离主要研究黏接在一起的材料之间可能出现的界面分层或渐进失效，即在材料界面上加上了一个渐进失效准则，表现为界面上的应力（切向和法向）及分离（间隙和切向滑移），呈现为类似图4.7-1所示的K1、K2和复合性分离。

CZM 模型用一种材料本构（Fractute Criteria ）进行描述，采用界面单元（INTER ）或接触单元（CONTA ）定义，两者的区别为：界面单元用于描述两种材料界面处的界面分层，反映两材料之间的界面及整个界面的分离，该黏合剂一般为层状复合材料（树脂），表现为在黏合剂或树脂内部的断裂和脱层现象；接触单元用于描述接触物之间的剥离，反映黏接对接触物之间的影响，该黏合剂可以是有机聚合的材料，也可以是无机涂层，表现为在外力作用下，接触物发生脱胶现象。

具体本构模型如表5-4-2所示。

第5章非线性静力学分析表5-4-2 内聚力本构模型– 460 –。

ANSYS结构静力学与动力学分析教程第一章：ANSYS结构静力学分析基础ANSYS是一种常用的工程仿真软件，可以进行结构静力学分析，帮助工程师分析和优化设计。

本章将介绍ANSYS的基本概念、步骤和常用命令。

1.1 ANSYS的基本概念ANSYS是一款基于有限元方法的仿真软件，可以用于解决各种工程问题。

其核心思想是将结构分割成有限数量的离散单元，并通过求解线性或非线性方程组来评估结构的行为。

1.2 结构静力学分析的步骤进行结构静力学分析一般包括以下步骤：1）几何建模：创建结构的几何模型，包括构件的位置、大小和形状等信息。

2）网格划分：将结构离散为有限元网格，常见的有线性和非线性单元。

3）边界条件：定义结构的边界条件，如固定支座、力、力矩等。

4）材料属性：定义结构的材料属性，如弹性模量、泊松比等。

5）加载条件：施加外部加载条件，如力、压力、温度等。

6）求解方程：根据模型的边界条件和加载条件，通过求解线性或非线性方程组得到结构的响应。

7）结果分析：分析模拟结果，如应力、应变、变形等。

1.3 ANSYS常用命令ANSYS提供了丰富的命令，用于设置分析模型和求解方程。

以下是一些常用命令的示例：1）/PREP7：进入前处理模块，用于设置模型的几何、边界条件和材料属性等。

2）/SOLU：进入求解模块，用于设置加载条件和求解方程组。

3）/POST1：进入后处理模块，用于分析和可视化模拟结果。

4）ET：定义单元类型，如BEAM、SOLID等。

5）REAL：定义单元材料属性，如弹性模量、泊松比等。

6）D命令：定义位移边界条件。

7）F命令：定义力或压力加载条件。

第二章：ANSYS结构动力学分析基础ANSYS还可以进行结构动力学分析，用于评估结构在动态载荷下的响应和振动特性。

本章将介绍ANSYS的动力学分析理论和实践应用。

2.1 结构动力学分析的理论基础结构动力学分析是研究结构在动态载荷下的响应和振动特性的学科。

它基于质量、刚度和阻尼三个基本量，通过求解动态方程来描述结构的振动行为。

4.2 梁单元静力学分析当结构长度对横截面的比率超过10:1，沿长度方向的应力为主要分析对象，且横截面始终保持不变时，即应用梁单元。

梁单元可用于分析主要受侧向或横向载荷的结构，如建筑桁架、桥梁、螺栓等。

在WB中默认为铁摩辛柯（Timoshenko）梁单元，即Beam188和Beam189，可计算弯曲、轴向、扭转和横向剪切变形。

其中Beam188采用线性多项式作为形函数，Beam189采用二次多项式作为形函数，当WB的Mesh设置中Mesh-Element Midside Nodes为Dropped 时，即为Beam188；Mesh-Element Midside Nodes为Kept时，即为Beam189。

有限元对单元特性的描述包括单元形状、节点数目、自由度和形函数。

表4-2-1为Beam 单元的对比。

在WB中默认设置为二次单元。

一般来说，线性单元需要更多的网格数才能达到二次单元的精度。

选用二次单元可提高计算精度，这是因为二次单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且二次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。

但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，计算内存消耗也多，因此，在使用时应权衡考虑计算精度和时间。

表4-2-1 Beam单元对比4.2.1 梁模型有限元计算用ProE建立一桁架模型，导入WB进行分析计算。

（1）ProE建模。

在草绘界面绘制一边长为30mm、40mm、50mm的三角形，然后选择投影命令将草绘图形投影到基准面上，另存为x_t文件（其他3D软件操作方法类似）。

（2）导入模型。

如图4-2-1所示，在Import设置中，Operation设为Add Frozen，Line Bodies 设为Yes。

– 65 –– 66 – 图4-2-1 Import ProE模型文件设置（3）梁截面赋值，并定义截面方向，最后用Form New Part将三根梁合并为一个部件，如图4-2-2所示。

3.2 概念建模
– 37 –
图3-1-15 创建曲面映射面
3.2 概念建模
概念建模在DM 的Concept 菜单，主要用于创建、修改线体和面体，最终体现为梁和壳模型，如图3-2-1所示。

1．Line From Points （通过点建立线）
点选时需要按住Ctrl 键多选，同时Operation 处注意选择Add
Material 或者Add Frozen 。

前者表示添加的线体是统一的材料和
截面，后者则不然。

2．Lines Form Sketches （通过草绘建立线）
3．Lines From Edges （通过边建立线）
基于已有的2D 或3D 模型边界建立模型。

4．3D Curve （建立3D 曲线）
建立3D 曲线基于两种形式：①基于DM 里的点；②基于点云文件。

5．Split Edges （分割线体）
其中Fractional 为按比例分割；Split By Delta 为按距离分割（Sigema
为分割点距起点距
图3-2-1 Concept 菜单。

– 213 –
思考题
远程力的行为设置除了有Deformable （柔性）、Rigid （刚性），还有Coupled （耦合）。

Coupled （耦合）表示载荷作用区域内的所有节点具有同样的自由度变形，与经典界面的CP 命令相同。

读者可以自行建模，对比分析结果，并参见4.7.3节的思考题，理解其中的意义。

4.5.3 Moment 载荷
由于实体单元仅有三个方向的平动自由度，没有转动自由度，所以3D 实体模型加载Moment 也是基于远程点边界条件，即先建立一个远程点，远程点与Moment 作用面耦合，实际Moment 就加载在远程点上。

下面以一个例子说明Moment 载荷加载分析。

1．建立模型
在XYPlane 下新建一Sketch1，基本图形与参数如图4-5-46所示。

图4-5-46 Sketch1设置
Revolve （旋转）建模，如图4-5-47所示。

2．划分网格
对于这类空心回转类零件，一般采用MultiZone （多域）划分网格。

如图4-5-48所示，右键点击Mesh →Insert →Method ，其中Geometry 点选整个实体，Method 选择MultiZone ，Mapped Mesh Type 选择Hexa ，Free Mesh Type 选择Hexa Core 。

– 214 – 图4-5-47 模型设置
图4-5-48 MultiZone设置最终有限元模型见图4-5-49。

ansys有限元强度分析一、实验目的1 熟悉有限元分析的基本原理和基本方法；2 掌握有限元软件ANSYS的基本操作；3 对有限元分析结果进行正确评价。

二、实验原理利用ANSYS进行有限元静力学分析三、实验仪器设备1 安装windows XP的微机；2 ANSYS11.0软件。

四、实验内容与步骤1 熟悉ANSYS的界面和分析步骤；2 掌握ANSYS前处理方法，包括三维建模、单元设置、网格划分和约束设置；3掌握ANSYS求解和后处理的一般方法；4 实际应用ANSYS软件对六方孔螺钉头用扳手进行有限元分析。

五、实验报告1）以扳手零件为例，叙述有限元的分析步骤；答：（1）选取单元类型为92号；（2）定义材料属性，弹性模量和泊松比；建立模型。

先生成一个边长为0.0058的六边形平面，再创建三条线，其中z向长度为0.19，x向长度0.075，中间一段0.01的圆弧，然后把面沿着三条线方向拉伸，生成三维实体1如题中所给形状，只是手柄短了0.01；把坐标系沿z轴方向平移0.01，再重复作六边形面，拉伸成沿z轴相反方向的长为0.01的实体2；利用布尔运算处理把实体1和2粘接成整体。

（4）划分网格。

利用智能网格划分工具划分网格，网格等级为4级。

（5）施加约束。

在扳手底部面上施加完全约束；（6）施加作用力。

在实体2的上部面上施加344828pa（20/（0.01*0.0058））的压强，在实体2的下部面的临面上施加1724138pa(100/0.01/0.0058)的压强；（7）求解，进入后处理器查看求解结果，显示应力图。

2）对扳手零件有限元分析结果进行评价；答：结果如图所示：正确的显示出了受力的最大位置及变形量，同时给出了各处受力的值，分析结果基本正确，具有一定的参考意义。

六、回答下列思考题1.什么是CAE技术？答：CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。

基于ANSYS勺轴类零件有限元静力学分析马超（山东科技大学交通学院，车辆工程2011-1 ）.、八、-刖言轴向受弯扭的杆件在工程中的应用非常广泛。

齿轮减速器中的齿轮轴承受扭矩的作用，如果扭矩过大，或者轴过于细长，则有可能突然变弯，发生稳定失效。

有限元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法。

ANSY软件作为一款功能强大、应用广泛的有限元分析软件，不仅具备几何建模的模块，而且也支持其他主流三维建模软件接口，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，其有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。

文章在基于有限元分析软件ANSY的基础上对轴的承载特性进行了分析。

摘要：介绍应用ANSY软件分析轴类零件在扭转载荷压力作用下发生形变量和应力分布的情况。

关键词：载荷；轴；ANSYS一问题分析求解下图为一轴类零件结构示意图。

该零件在两个滚动轴承处受到轴向和径向约束，左侧键槽侧面受到6000N的均布载荷，右侧键槽侧面受3000N的均布载荷。

模型材料为钢材料，弹性模量为2 1011MP a，泊松比为0.3。

作出等效应力图和变形图，并进行强度分析。

1—I-二轴有限元模型2.1建立轴零件有限元模型轴为左右对称结构。

在Siemens UGNX8.5中建立该轴三维模型，通过接口导 入 ANSY 中。

该载荷轴采用Tet 10node 187单元。

此单元是一个高阶3维20节点固体结构单元， 每个节点有3个沿x 、y 和z 方向平移的自由度，具有二次位移模式，主要适用于位 移、变形等方面。

如果要求精度高，可较好地剖分；如果要求精度不高，由于单 元本身是高阶单元，使用稍微弱一点的网格也可行，能够用于不规则形状，且不 会在精度上有任何损失。

2.2网格划分网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常轴模型划分的单元越多越密 集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。

由于轴结构属于局部不规则几何体，因此采用自动划分法进行网格划分。

ansys有限元分析实用教程ANSYS有限元分析实用教程有限元分析是一种工程数值分析方法，广泛应用于工程领域中的结构力学分析、热传导分析、流体力学分析等各个方面。

ANSYS作为一款常用的有限元分析软件，能够有效地对工程结构进行模拟和分析，得到结构的应力、位移、温度等相关信息。

本文将为大家提供一份有关ANSYS有限元分析的实用教程，希望能够帮助读者更加深入地理解和应用该软件。

一、软件介绍ANSYS是一款由美国ANSYS公司开发的通用有限元分析软件。

它能够对各种结构进行力学分析、热传导分析和流体力学分析，具有广泛的应用范围。

ANSYS软件提供了全面而强大的建模和分析工具，帮助用户模拟和分析工程结构的力学性能。

同时，软件还提供了可视化的结果展示，使用户能够直观地了解分析结果。

二、基本操作1. 创建几何模型在进行有限元分析之前，首先需要创建几何模型。

ANSYS提供了多种建模工具，包括绘制直线、圆弧、矩形等基本几何图形，以及从CAD软件导入模型。

根据实际需要，选择合适的建模工具，创建准确的几何模型。

2. 设定材料属性在进行分析之前，需要设定材料的力学性质。

ANSYS提供了各种常见材料的力学性质参数，例如弹性模量、泊松比、密度等。

根据实际情况，选择合适的材料属性，以便进行准确的分析。

3. 设定边界条件分析中，还需要设定结构的边界条件。

边界条件包括约束条件和加载条件两部分。

约束条件用于限制结构的自由度，加载条件用于模拟结构所受到的外界载荷。

根据具体情况，在ANSYS中设定合适的边界条件，以便准确模拟实际工况。

4. 网格划分在进行有限元分析之前，需要对几何模型进行网格划分。

网格划分是有限元分析的基础，它将结构离散为多个小单元，每个小单元称为一个单元。

ANSYS提供了多种网格划分算法，用户可以根据需求选择合适的划分方法。

划分完成后，还需要检查网格质量，确保每个单元的质量良好。

5. 进行分析完成以上步骤后，即可进行有限元分析。

5.4 状态非线性分析——状态分离– 445 –等同于软化了压力穿透关系。

罚函数法可用于接触刚度为线性或非线性接触行为，其优点在于，对于线性稳定的接触，最容易收敛，对于初始刚度值较低的非线性接触，可以解决接触不稳定、接触震荡现象，后续接触刚度值变高，可减少接触穿透；其缺点在于，难以针对所有区域选择一个接触刚度数值，且收敛较困难。

图5-3-110 密封流体压力后处理5.4 状态非线性分析——状态分离状态分离也是状态非线性的一种，主要表现为损坏、生死单元、内聚力分离等，都表现为由原来较稳定的状态突变为不稳定状态，例如，损伤表现为某种材料本构在载荷作用下出现损伤失效（Damage ）；生死单元表现为在一定条件下某些单元被杀死（Kill ）或激活（Live ）；内聚力分离表示存在接触的模型在载荷作用下出现分离（Debonding ）。

5.4.1 实体损伤失效实例实体损伤失效分析一般表现为纤维增强复合材料的初始损伤的萌生和损伤的扩展，材料本构为线弹性正交异性材料，附加本构为Damage Initiation Criteria （TB,DMGI ）、Damage Evolution Law （TB,DMGE ）、Material Strength Limits （TB,FCLI ）。

Damage Initiation Criteria 用于定义材料损伤的初始类型，属于WB 材料库中的Damage 中的选项，包含Tensile Fiber Failure Mode 、Compressive Fiber Failure Mode 、Tensile Matrix Failure Mode 、Compressive Matrix Failure Mode 四个选项，每个选项又可以定义Maximum Strain 、Maximum Stress 、Puck 、Hashin 、LaRc03、LaRc04 六个选项（具体概念参看4.2.2节）。

– 63 – 第4章 线性静力学分析静力学分析是结构有限元分析的基础。

静力学分析主要研究静止或者匀速状态下的结构响应，不考虑惯性和阻尼效应，以及与时间有关载荷的影响。

通过静力学分析，可以得到结构的刚度、强度、稳定性、约束反力等技术指标。

但是静力学分析并不是只能用于纯粹静力载荷条件，还可以加载惯性载荷为定值的载荷，同时，也可以计算作用时间较长的准静态问题，包括模拟诸如大变形、大应变、接触、塑性、超弹、蠕变等非线性行为。

本章主要讲述线性行为的静力学分析，基于胡克定律[F ]=[k ][X ]，其中[k ]包含了材料属性、模型尺寸和约束条件，可以简单认为，当一个物体受到10N 的载荷，变形为1mm ；如果受到20N 的载荷，变形即为2mm 。

4.1 有限元求解静力学基本原理有限元计算是将连续系统离散成为有限个分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统。

以有限元法求一等截面直杆在自重作用下的应力应变为例，如图4-1-1所示。

已知：一受自重作用的等截面直杆，杆的长度为L ，截面积为A ，弹性模量为E ，单位长度的重量为q ，杆的内力为N 。

试求：杆的位移分布，杆的应变和应力。

（1）将等截面直杆划分成3个等长的单元，每段长度为L /3。

每段之间假定为一个铰接点连接，故称这些铰接点为节点，分别为节点1、2、3、4；称每个线段为单元，分别为单元L 1、L 2、L 3。

（2）用单元节点位移表示单元内部位移，第i 个单元中的位移用所包含的节点位移来表示：1()()i i i i iu u u x u x x L +−=+− 其中，u i 为第i 节点的位移；x i 为第i 节点的坐标。

第i 个单元的应变、应力、内力分别为1d d i i i i u u u xL ε+−==图4-1-1 直杆问题及离散模型。

桌面受力有限元分析报告班级：机自0805姓名：刘刚学号：200802070515摘要’本报告是在ANSYSIO.O的平台上，采用有限元静力学分析方海对桌面受力进行应力与变形分析。

一.问题描述厚50m m ,桌脚长650m m *为空心圆管*外径桌面长1500m iu R.宽800皿m• • ■•■ • f I F ■径60m m，桌面中央300m m XI50m m的区域内承受2.5 M pa的压力，假设所有材料为铝合金,弹性■ • 0*模量E=7.071X104 M pa護泊松比M =0.3>:试用SheJJ63单元模拟桌面.B eam 188单元模拟桌脚，分析此桌子的变形及受力情况。

假设桌子的乖直力向最大变形量的许用值为0.5%（约75皿『）,该设计是否满足使用要求,•有何改进措施？二、定义类型：C D定义单元类型63号壳单元和188号梁单元定义材料属性弹性模址E=7f " X 104 M pa泊松比P =0.3＜巧定义63号壳单元的实常数,输入桌面厚度为50m mR ・•・ K ' r - * ■厂壬・％u ■丁厂•p •・定义梁单元的截面类型为空心圆柱，内半径30m m)外半径35m u】⑴建立平潮模型・ 9 ■• *•(51划分网格利用mapped网格划分工具划分网格0«8 2?- S«在桌面中央300m m X 150m m 的区域内施加向下的2.5 M pa ■・ ・ • ・ •• * • •压力 三富分析求解<6 )施加戦荷将四个桌脚完全固定,-? • *a 变形量 a ＞位移云图 •• Kier ion Qis tld 21 5TE>»1 3W »1 TZME«1 VS CWW MDC SW.O4J8L—二一一一■3TEP*L 3VB电oi： garSffHOD俎護ovm紳iY⑶应力云PMANer時脈iouSEQV (WCjMix工珂沁旺sum业DCo.e^e四、结果分析根据位移云图可知，蓝色地方的变形蹴最大’最大变形量为:跖4® ■ ■ * ■- • a ・ • r/« p •・• ■ ・ 很据应力云图可知，红色地方所受的应力最大，最大应力知 五、结论 由于桌子垂直方向最人变形就为10.048m w ,而材料最大许用变形量为 7.5m m • K ■ W •• ■ • ■ • ■ iW Hu• SHE B 1 3£Q1> avit‘10.048m m 191.73Mpa即SM X=10,O48m m > £SM X = 7,5m m 1 故：此设计不满足要求,应该重新选择材料。