基于Pro E 的标准渐开线直齿轮的全自动化设计 (2).pdf

ANSYS 5.7 线性和非线性 结构静力分析指南 线性和非线性 结构静力分析指南 Chen Woo 译 摘自 Structural Analysis Guide ANSYS Release 5.7 ANSYS结构分析指南 2 前前 言言 ANSYS公司曾经推出一套中文版的ANSYS文档资料。但对于目前发 行的ANSYS 5.7，我们未见到任何相应版本的中文说明书。这是一个重大 缺陷。为此，本人花了一些时间，把“Structural Analysis Guide（ANSYS Release 5.7）”的一部分内容翻译成中文。在翻译时，主要的准则是忠实。 目前这个文稿还只是一个很粗略的草稿，以后还需要进一步修改。只是本人时间 有限，只能利用业余时间来做这项工作，因此先匆忙拿来献丑。希望广大用户和读者 喜欢，同时也希望大家帮助。如有任何建议，请通知本人chenwoo，不胜 感激。 Chen Woo 于2001-08-18 ANSYS结构分析指南 3 目目 录录 1 结构分析概述结构分析概述_____________________________________________________________________6 1.1 结构分析定义结构分析定义__________________________________________________________________6 1.2 结构分析的类型结构分析的类型________________________________________________________________6 1.3 结构分析所应用的单元结构分析所应用的单元__________________________________________________________6 1.4 材料模式界面材料模式界面__________________________________________________________________8 1.5 求解方法求解方法______________________________________________________________________8 2 结构线性静力分析结构线性静力分析_________________________________________________________________9 2.1 静力分析的定义静力分析的定义________________________________________________________________9 2.2 线性静力分析与非线性静力分析线性静力分析与非线性静力分析__________________________________________________9 2.3 静力分析的例子静力分析的例子________________________________________________________________9 2.4 静力分析的求解步骤静力分析的求解步骤____________________________________________________________9 2.4.1 建模 ______________________________________________________________________9 2.4.2 设置求解控制 _____________________________________________________________10 2.4.3 设置其他求解选项 _________________________________________________________13 2.4.4 施加荷载 _________________________________________________________________14 2.4.5 求解 _____________________________________________________________________16 2.4.6 检查分析结果 _____________________________________________________________17 2.5 静力分析示例 静力分析示例GUI方法方法________________________________________________________19 2.5.1 问题描述 _________________________________________________________________19 2.5.2 几何和材料特性 ___________________________________________________________19 2.5.3 求解 _____________________________________________________________________19 2.6 静力分析示例 静力分析示例命令流方法命令流方法 _____________________________________________________27 2.7 何处找到更多的静力分析示例 何处找到更多的静力分析示例___________________________________________________29 7 屈曲分析屈曲分析________________________________________________________________________31 7.1 屈曲分析的概念屈曲分析的概念_______________________________________________________________31 7.2 屈曲分析的类型屈曲分析的类型_______________________________________________________________31 7.2.1 非线性屈曲分析 ___________________________________________________________31 7.2.2 特征值屈曲分析 ___________________________________________________________31 7.3 屈曲分析的用到的命令屈曲分析的用到的命令_________________________________________________________31 7.4 非线性屈曲分析的过程非线性屈曲分析的过程_________________________________________________________31 7.4.1 施加载荷增量 _____________________________________________________________32 7.4.2 自动时间步长功能 _________________________________________________________32 7.4.3 注意事项 _________________________________________________________________32 7.4.4 其他 _____________________________________________________________________32 7.5 特征值特征值线性线性屈曲分析屈曲分析 _________________________________________________________33 7.5.1 建立模型 _________________________________________________________________33 7.5.2 获得静力解 _______________________________________________________________33 7.5.3 获得特征值屈曲解 _________________________________________________________34 7.5.4 扩展解 ___________________________________________________________________35 7.5.5 查看结果 _________________________________________________________________36 ANSYS结构分析指南 4 7.6 特征值屈曲分析实例特征值屈曲分析实例GUI方法方法__________________________________________________36 7.6.1 问题描述 _________________________________________________________________36 7.6.2 问题详细说明 _____________________________________________________________37 7.6.3 求解步骤 _________________________________________________________________37 7.7 屈曲分析示例屈曲分析示例命令流方法命令流方法 _____________________________________________________39 7.8 何处找到更多的示例何处找到更多的示例___________________________________________________________40 8 非线性结构分析非线性结构分析__________________________________________________________________41 8.1 结构非线性的定义结构非线性的定义_____________________________________________________________41 8.1.1 非线性行为的原因 _________________________________________________________41 8.1.2 非线性分析的基本信息 _____________________________________________________42 8.2 几何非线性的应用几何非线性的应用_____________________________________________________________44 8.2.1 应力-应变_________________________________________________________________44 8.2.2 应力刚化 _________________________________________________________________45 8.2.3 旋转软化 _________________________________________________________________45 8.3 材料非线性的模拟材料非线性的模拟_____________________________________________________________45 8.3.1 非线性材料 _______________________________________________________________45 8.4 在在ANSYS中执行非线性分析中执行非线性分析 ____________________________________________________62 8.5 非线性静态分析步骤非线性静态分析步骤___________________________________________________________62 8.5.1 建模 _____________________________________________________________________62 8.5.2 设置求解控制 _____________________________________________________________62 8.5.3 设置附加求解选项 _________________________________________________________66 8.5.4 施加荷载 _________________________________________________________________68 8.5.5 求解 _____________________________________________________________________69 8.5.6 考察结果 _________________________________________________________________69 8.5.7 终止正在运行的工作,重起动_________________________________________________71 8.6 非线性瞬态分析步骤非线性瞬态分析步骤___________________________________________________________71 8.6.1 建模 ____________________________________________________________________71 8.6.2 施加荷载和求解 __________________________________________________________71 8.6.3 观察结果 ________________________________________________________________73 8.7 非线性瞬态分析示例非线性瞬态分析示例输入文件列表输入文件列表 _____________________________________________73 8.8 重启动重启动_______________________________________________________________________74 8.9 非线性非线性状态改变状态改变单元单元 _________________________________________________________74 8.9.1 单元生死 ________________________________________________________________74 8.10 非线性分析的提示和指南非线性分析的提示和指南______________________________________________________74 8.10.1 __________________________________________________________________________74 8.10.2 克服收敛问题 ____________________________________________________________75 8.11 非线性非线性静态静态分析示例分析示例GUI方法方法 _______________________________________________79 8.11.1 问题描述 ________________________________________________________________79 8.11.2 基本数据 ________________________________________________________________79 8.11.3 问题求解 ________________________________________________________________80 8.12 非线性非线性静态静态分析示例分析示例批处理方法批处理方法 _____________________________________________84 8.13 其它例子其它例子____________________________________________________________________88 9 接触分析 接触分析________________________________________________________________________90 ANSYS结构分析指南 5 9.1 概述 概述_________________________________________________________________________90 9.1.1 显式动态接触分析能力 _____________________________________________________90 9.2 一般接触分类 一般接触分类_________________________________________________________________90 9.3 ANSYS接触分析功能接触分析功能 __________________________________________________________90 9.3.1 面─面的接触单元 _________________________________________________________91 9.3.2 点─面接触单元 ___________________________________________________________92 9.3.3 点─点接触单元 ___________________________________________________________92 9.4 面─面的接触分析 面─面的接触分析_____________________________________________________________92 9.4.1 应用面-面接触单元_________________________________________________________92 9.4.2 接触分析的步骤 ___________________________________________________________93 9.4.3 建立模型几何实体和划分网格 _______________________________________________93 9.4.4 识别接触对 _______________________________________________________________93 9.4.5 指定接触面和目标面 _______________________________________________________94 9.4.6 不对称接触与对称接触 _____________________________________________________94 9.4.7 定义目标面 _______________________________________________________________94 9.4.8 定义柔体的接触面 _________________________________________________________98 9.4.9 设置实常数和单元关键字 __________________________________________________100 9.4.10 控制刚性目标面的运动刚体-柔体接触 _____________________________________109 9.4.11 温度接触建模 ___________________________________________________________110 9.4.12 给变形体单元加必要的边界条件 ___________________________________________111 9.4.13 定义求解和载荷步选项 ___________________________________________________112 9.4.14 求解 ___________________________________________________________________113 9.4.15 检查结果 _______________________________________________________________113 9.5 点 点-面接触分析面接触分析 _______________________________________________________________116 9.5.1 使用点─面的接触单元 ____________________________________________________116 9.5.2 点─面接触分析的步骤 ____________________________________________________116 9.6 点－点的接触分析 点－点的接触分析____________________________________________________________127 9.6.1 建立几何实体及分网 _____________________________________________________127 9.6.2 生成接触单元 ___________________________________________________________128 9.6.3 定义接触的法线方向 _____________________________________________________128 9.6.4 定义初始界面或间隙 _____________________________________________________129 9.6.5 选择接触算法 ___________________________________________________________129 9.6.6 施加必要的边界条件 _____________________________________________________130 9.6.7 定义求解选项 ___________________________________________________________130 9.6.8 求解 ___________________________________________________________________131 9.6.9 检查结果 _______________________________________________________________131 ANSYS结构分析指南 6 1 结构分析概述 1 结构分析概述 1.1 结构分析定义 1.1 结构分析定义 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构结构这个术语是一个广义的概念，它包括 土木工程结构如桥梁和建筑物，汽车结构如车身骨架，海洋结构如船舶结构，航空结构如飞机机身 ，还包括机械零部件如活塞、传动轴等。 1.2 结构分析的类型 1.2 结构分析的类型 在 ANSYS 产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量节点自由度 是位移位移。其他的一些未知量，如应变、应力和反力可通过节点位移导出。 静力分析静力分析--用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分 析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变等。 模态分析模态分析--用于计算结构的固有频率和模态。 谐波分析谐波分析--用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 瞬态动力分析瞬态动力分析--用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提 到的静力分析中所有的非线性特性。 谱分析谱分析--是模态分析的应用推广，用于计算由于响应谱或 PSD 输入随机振动引起的应 力和应变。 曲屈分析曲屈分析--用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。ANSYS 可进行线性特征值屈曲和非线性 曲屈分析。 显式动力分析显式动力分析--ANSYS/LS-DYNA 可用于计算高度非线性动力学问题和复杂的接触问题。 此外，除前面提到的七种分析类型外，还可以进行如下的特殊分析 断裂力学断裂力学。 复合材料复合材料。 疲劳分析疲劳分析。 p-p-。 1.3 结构分析所应用的单元 1.3 结构分析所应用的单元 绝大多数的 ANSYS 单元类型可用于结构分析。单元类型从简单的杆单元和梁单元，一直到较 为复杂的层合壳单元和大应变实体单元。 注意注意--显式动力分析只能应用显式动力单元LINK160、BEAM162、PLANE162、SHELL163、SOLID164、 COMBI165、MASS166、LINK167。 ANSYS结构分析指南 7 表1-1 结构单元类型 分类 单元名 说明 杆 LINK1,LINK8, LINK180 LINK10 BEAM3, BEAM4 梁 BEAM54, BEAM44 BEAM23, BEAM24 BEAM188, BEAM189 PIPE16, PIPE17, PIPE18 管 PIPE59 PIPE20, PIPE60 PLANE42, PLANE82, PLANE182, PLANE183 PLANE2 HYPER84, HYPER56, HYPER74 2-D实体 VISCO88 VISCO106, VISCO108 PLANE83, PLANE25 PLANE145, PLANE146 p-单元,13 SOLID45, SOLID95, SOLID185, SOLID186 SOLID92, SOLID187 SOLID46, SOLID191 3-D实体 SOLID64, SOLID65 HYPER86, HYPER58, HYPER158 VISCO89 VISCO107 SOLID147, SOLID148 p-单元,13 SHELL93, SHELL63, SHELL41, SHELL43, SHELL181 SHELL51, SHELL61 壳 SHELL91, SHELL99 SHELL28 SHELL150 p-单元,13 CONTAC48, CONTAC49, CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174 接触 CONTAC12, CONTAC52 CONTAC26 TARGE169, TARGE170 FLUID29, FLUID30, FLUID129, FLUID130, INFIN110, INFIN111 PLANE13, SOLID5, SOLID98 耦合场 PLANE13, SOLID5, SOLID98 PLANE13, SOLID5, SOLID62, SOLID98 FLUID38, FLUID79, FLUID80, FLUID81 FLUID116 COMBIN14, COMBIN40, COMBIN39 MASS21 COMBIN37 特殊 SURF153, SURF154 COMBIN7 LINK11 MATRIX27, MATRIX50 表1-1 结构单元类型续 分类 单元名 说明 LINK160 BEAM161 PLANE162 显式动 SHELL163 14 力分析 SOLID164 COMBI165 MASS166 LINK167 ANSYS结构分析指南 8 1.4 材料模式界面 1.4 材料模式界面 对于本书论述的分析，除了显式动力分析ANSYS/LS-DYNA外，如果应用GUI方法，用户必须应 用直观的“材料模式交互界面”来定义材料特性。这种方法应用树状结构的材料分类，使用户在分 析中选择合适的材料模式边得更加简单。见ANSYS Basic Analysis Guide1.2.4.4。对于显 式动力分析ANSYS/LS-DYNA，材料定义见ANSYS /LS-DYNA Users Guide7.1。 1.5 求解方法 1.5 求解方法 在 ANSYS 产品中，求解结构问题有两种方法h-方法和p-方法。h-方法可用于任何类型的结 构分析，而p-方法只能用于线性结构静力分析。根据所求的问题，h-方法通常需要比p-方法更密的 网格。p-方法在应用较粗糙的网格时，提供了求得适当精度的一种很好的途径。本书主要讨论h-方 法，而13 则专门研究 p-方法。 ANSYS结构分析指南 9 2 结构线性静力分析 2 结构线性静力分析 2.1 静力分析的定义 2.1 静力分析的定义 静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响--如结构受随时 间变化载荷作用的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响如重力 和离心力，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷如通常在许多建筑规范中所定义 的等价静力风载和地震载荷的作用。 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应 力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢 。静力分析所施加的载荷包括 外部施加的作用力和压力。 稳态的惯性力如重力和离心力。 强迫位移。 温度载荷对于温度应变。 能流对于核能膨胀。 关于荷载，还可参见2.4.4。 2.2 线性静力分析与非线性静力分析 2.2 线性静力分析与非线性静力分析 静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非线性类型大变 形、塑性、蠕变、应力刚化、接触间隙单元、超弹性单元等。本节主要讨论线性静力分析线性静力分析。对非 线性静力分析 非 线性静力分析只作简单介绍，其详细论述见8。 2.3 静力分析的例子 2.3 静力分析的例子 本章2.5 和2.6 提供了应用 ANSYS 进行静力分析的例子GUI方法和命令流方法。 2.4 静力分析的求解步骤 2.4.1 建模 2.4 静力分析的求解步骤 2.4.1 建模 为了建模，用户首先应指定 作业名和分析标题，然后应用 PREP7 前处理程序定义单元类型、 实常数、材料特性、模型的几何元素。这些步骤是大多数分析类型共同的，并已在ANSYS Basic Analysis Guide1.2 论述。建模的进一步论述，见ANSYS Modeling and Meshing Guide。 2.4.1.1 注意事项 2.4.1.1 注意事项 在进行静力分析时，要记住如下内容 1、可以应用线性或非线性结构单元。 2、材料特性可以是线性或非线性，各向同性或正交各向异性，常数或与温度相关的 必须按某种形式定义刚度如弹性模量 EX，超弹性系数等。 对于惯性荷载如重力等，必须定义质量计算所需的数据，如密度DENS。 对于温度荷载，必须定义热膨胀系数 ALPX。 3、对于网格密度，要记住 应力或应变急剧变化的区域通常是用户感兴趣的区域，需要比应力或应变近乎常数的 区域较密的网格 在考虑非线性的影响时，要用足够的网格来得到非线性效应。如塑性分析需要相当的积 ANSYS结构分析指南 10 分点密度，因而在高塑性变形梯度区需要较密的网格。 2.4.2 设置求解控制 2.4.2 设置求解控制 设置求解控制包括定义分析类型、设置一般分析选项、指定荷载步选项等。当进行结构静力分 析时，可以通过“求解控制对话框求解控制对话框”来设置这些选项。该对话框对于大多数结构静力分析都已设置 有合适的缺省，用户只需作很少的设置就可以了。我们推荐应用这个对话框。 如用户不喜欢应用求解控制对话框，则可应用 ANSYS 的标准求解命令集和相应的菜单Main MenuSolutionUnabridged Menuoption来设置求解控制选项。对于求解控制对话框的总体情况 ，见ANSYS Basic Analysis Guide3.11。 2.4.2.1 进入求解控制对话框 2.4.2.1 进入求解控制对话框 用户可通过选择Main MenuSolution -Analysis Type- Soln Control进入求解控制对话 框。下面诸小节简要论述该对话框中各标签的选项。关于如何设置这些选项，可在按该标签的 Help 按钮进入帮助系统，可以得到详细介绍。此外，8 还论述该对话框有关非线性选项的内容 。 2.4.2.2 Basic标签 2.4.2.2 Basic标签 在求解控制对话框中有五个标签，这些标签是按最基本的选项出现在第1个标签，而其后每一 个标签则提供更高级的控制这样来安排的。根据对话框标签的组织，可使求解设置较为平顺。在进 入求解控制对话框时，缺省激活的是Basic标签。 Basic标签的设置，提供了分析中所需的最少数据。一旦在Basic标签中的设置满足以后，就不 需要设置其他标签中的选项，除非因为要进行高级控制而修改其他缺省设置。在按 OK 按钮以后， 设置存储到ANSYS数据库，并关闭对话框。 用户可以在Basic标签设置的选项如 表2-1 表2-1 所示。有关祥细说明见该标签的Help帮助系统。 表2-1 选项 详细信息 指定分析类型[ANTYPEANTYPE, NLGEOMNLGEOM] ANSYS Basic Analysis Guide1.2.6.1 ANSYS Structural Analysis Guide8 ANSYS Basic Analysis Guide3.16 控制时间设置，包括荷载步末的时间 [TIMETIME],自动时间步[AUTOTSAUTOTS], 在一个荷 载步中的子步数[NSUBSTNSUBST 或 [DELTIMDELTIM] ANSYS Basic Analysi