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1、有限元基础及ANSYS软件,郭世伟,第三章 典型结构的ANSYS建模分析,一、负载的定义 ANSYS中的负载可分为边界条件和实际外力两类，主要有： 自由度约束，给定节点位移值； 集中力（力矩），作用于结构节点； 表面压力负载，分布于单元面上的分布力；等等。 结构的有限元模型建立后，开始声明各种负载。负载的声明可在/prep7处理器和/solu处理器中进行，建议全部负载在/solu处理器中声明。,分析类型的声明：ANTYPE，Antype， ！Antype=STATIC 或 0，静态分析（系统默认） BUCKLE 或 1，屈曲分析 MODEL 或 2，振动模态分析 HARMIC 或 3，调和外力
2、动力系统分析 TRANS 或 4，瞬时动力系统分析,定义节点自由度限制：D,DODE,LAB,VALUE,VALUE2, NEND,NINC,LAB2,LAB3, LAB=UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ, ALL DODE,NEND,NINC选取节点范围 VALUE为位移值,定义节点上的集中力：F,NODE,LAB,VALUE,VALUE2, NEND,NINC， LAB = FX,FY,FZ,MX,MY,MZ NODE,NEND,NINC选取节点范围 VALUE为外力值,梁单元上的分布力定义：SFBEAM,ELEM,LKEY,LAB,VALI,VALJ ELEM为梁单元号码
3、LKEY为梁单元面的号码 LAB=“PRES” VALI、VALJ为节点I、J处的分布力密度 单元分布力的定义： SFE，ELEM,LKEY,LAB,KVAL,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4 ELEM为单元号码 LKEY为单元边（面）的号码，与节点顺序相关 LAB=“PRES” VAL1VAL4为对应边（面）的节点上的分布力密度,以上为分布力的默认正方向，注意节点 I、J 的顺序！,定义节点间的分布力：SF, Nlist, Lab, VALUE 适于均布负载，作用于Nlist节点所包含的单元的边或面上。Lab=PRES表示为结构所受压力； VALUE为压力值。,OUTPR,Item,F
4、REQ, 用于控制分析后的结果是否显示于输出窗口（文件），该命令需位于SOLVE命令之前。 Item=ALL 所有结果，=NSOL，节点自由度结果，=BASIC,系统默认（所包含的内容足以使用） FREQ为负载次数，=ALL时为最后负载 。 SOLVE 加完负载后，可执行该命令对题目进行求解。求解过程中的刚度矩阵、质量矩阵、负载状态、分析结果等数据会存储于相关文件中，如jobname.rst，jobname.rth，jobname.rmg等。,二、后处理器 后处理器用于检查分析、显示分析结果，不同单元有不同特性，所得各种解答也不同。 /POST1 ！进入后处理器 PLDISP, 图示结构受外力
5、变形的结果 PRDISP, 列表显示各节点位移结果 PRESOL, Item, Comp ！打印单元的解答(以单元为单位) Item S(应力) F （力） M（力矩） Comp XYZXYYZXZ XYZ XYZ PRNSOL, Item, Comp ！打印节点的解答(以节点为单位) Item U(位移) S （应力） Comp XYZCOMP COMPPRIN 可显示一般结构的2-D，3-D单元的分析结果！,对于一维的杆、梁等单元的结果的图形显示可用ETABLE命令。 ETABLE,Lab,Item,Comp ！将单元某项结果制成表格形式 Lab为字段名称（最多8个字） Item为结果项次
6、名称 Comp结果项次名称的方向 轴向应力：ETABLE,AXSTRESS,LS,1 轴向力：ETABLE,AXFORCE,SMISC,1 轴向应变：ETABLE,AXE,LEPEL,1 梁弯矩：ETABLE,IMOMENT,SMISC,6 梁弯矩：ETABLE,JMOMENT,SMISC,12 梁剪力：ETABLE,ISHEAR,SMISC,2 梁剪力：ETABLE,JSHEAR,SMISC,8 平面单元（PLANE42）等效应力：ETABLE,AAA,S,EQV 平面单元X中心点位置：ETABLE,POSIX,CENT,X,PRETAB, PLLS,图象与动画,1、平面桁架问题的求解,三、
7、典型结构的ANSYS分析,/UNITS,SI /PREP7 ET,1,LINK1 MP,EX,1,207E9 R,1,0.01 N,1,0,0 N,5,8,0 FILL,1,5 N,6,2,1 N,7,4,2 N,8,6,1 E,1,2 EGEN,4,1,1,1,1 E,1,6 E,6,7 E,7,8 E,5,8 E,2,6 E,3,7 E,4,8 E,2,7 E,4,7 FINISH,/SOLU ANTYPE,STATIC OUTPR,BASIC,ALL D,1,ALL,0 D,5,ALL,0 F,6,FY,-1000 F,7,FY,-1000 F,8,FY,-1000 F,8,FX,100
8、0 SOLVE FINISH /POST1 PLDISP,1 PRDISP PRNSOL,U,X PRNSOL,U,Y ETABLE,AXS,LS,1 ETABLE,AXF,SMISC,1 ETABLE,AXE,LEPEL,1 PLETAB,AXS PLETAB,AXF PLETAB,AXE FINISH,2、梁结构问题的求解,/UNITS,SI /PREP7 ET,1,BEAM3 MP,EX,1,2E11 R,1,2*0.5,2*0.5*3/12,0.5 N,1,0,0 N,11,10,0 FILL,1,11 E,1,2 EGEN,10,1,1,1,1 FINISH /SOLU ANTYPE
9、,STATIC OUTPR,BASIC,ALL D,1,ALL,0 D,11,UX,0,UY SFBEAM,1,1,PRES,0,1000 SFBEAM,2,1,PRES,1000,2000 SFBEAM,3,1,PRES,2000,3000 SFBEAM,4,1,PRES,3000,4000 SFBEAM,5,1,PRES,4000,5000 SFBEAM,6,1,PRES,5000,6000,SFBEAM,7,1,PRES,6000,7000 SFBEAM,8,1,PRES,7000,8000 SFBEAM,9,1,PRES,8000,9000 SFBEAM,10,1,PRES,9000,
10、10000 ! F,7,FY,1000 SOLVE FINISH ETABLE,IM,SMISC,6 ETABLE,JM,SMISC,12 ETABLE,IS,SMISC,2 ETABLE,JS,SMISC,8 PRETAB PLLS,IS,JS PLLS,IM,JM FINISH,3、弹性平面问题,a=5cm,c=2cm,d=2cm,q=1500N/m,q1=600N/m,/UNITS,SI /PREP7 N,1,0,0 N,11,0.1,0 FILL,1,11 NGEN,7,11,1,11,1,0,0.01 ET,1,PLANE42 MP,EX,1,200E9 MP,NUXY,1,0.3
11、E,1,2,13,12 EGEN,10,1,1 EGEN,6,11,1,10 EDELE,21,25 EDELE,31,35 NDELE,34,38 FINISH /SOLU ANTYPE,STATIC OUTPR,BASIC,ALL D,1,ALL,0 D,12,ALL,0 D,23,ALL,0,D,45,ALL,0 D,56,ALL,0 D,67,ALL,0 D,11,UY,0 SFE,10,2,PRES,-600,-500 SFE,20,2,PRES,-500,-400 SFE,30,2,PRES,-400,-300 SFE,40,2,PRES,-300,-200 SFE,50,2,PR
12、ES,-200,-100 SFE,60,2,PRES,-100,0 SFE,51,3,PRES,1500,1500 SFE,52,3,PRES,1500,1500 SFE,53,3,PRES,1500,1500 SFE,54,3,PRES,1500,1500 SFE,55,3,PRES,1500,1500 SFE,56,3,PRES,1500,1500 SFE,57,3,PRES,1500,1500 SFE,58,3,PRES,1500,1500 SFE,59,3,PRES,1500,1500 SFE,60,3,PRES,1500,1500 SOLVE FINISH,/POST1 PRDISP
13、 PLDISP,1 PLNSOL,U,X PLNSOL,U,Y PLESOL,S,EQV,四、多重负载,确定的机械结构系统所受约束条件与载荷形式多样，要分别求解不同约束条件和载荷单独作用下的结构响应情况。例如下图中，可分别进行F1、F2、F3单独作用或不同组合作用下的结构分析求解。 可采用多重负载方式来处理(约束条件也看作负载)。 结构的有限元模型完全相同，只是在解答处理器中注意其不同负载状态下的分析流程。,F1=10kN，F2=2kN，F3=5 kN,有以下常用命令： 多重负载的资料保存：LSWRITE，n 负载阶段数n=01，02，保存为文本文件Jobname.sn 多重负载解答：LSSO
14、LVE,SLMIN,SLMX,SLINC 读取多重负载，并解答之，SLMIN,SLMX,SLINC为阶段负载的范围。每个负载的解答是独立的。 设置不同的约束条件和载荷状态时，可用到以下指令： 删除已定义的节点约束条件DDELE, NODE,Lab,NEND,NINC，对应于指令D。 删除已定义的节点集中力FDELE, NODE,Lab,NEND,NINC，对应于指令F。 删除已定义的面负载SFDELE, Nlist,Lab，对应于指令SF。 删除已定义的面负载SFEDELE, ELEM,LKEY,Lab，对应于指令SFE。,在POST1/中，检查多重负载的解答时，声明多重负载的号码n：SET,
15、n,多重负载处理的一般流程为：,上面实例的程序流程为：,/UNITS,SI /PREP7 ET,1,LINK1 MP,EX,1,2.07E11 R,1,1E-4 R,2,2E-4 N,1,0,0 N,2,1,0 N,3,2,0 N,4,0.5,1 N,5,1.5,1 TYPE,1 MAT,1 REAL,1 E,1,2 E,2,3 E,4,5,TYPE,1 MAT,1 REAL,2 E,1,4 E,2,4 E,2,5 E,5,3 FINISH /SOLU D,1,ALL D,3,UY,0 F,4,FY,-10000 LSWRITE D,1,ALL D,3,UY,0 F,4,FY,-10000 F
16、,5,FX,2000 LSWRITE,D,1,ALL D,3,UY,0 FDELE,5,FX F,4,FY,-10000 F,2,FY,-5000 LSWRITE D,1,ALL D,3,UY,0 FDELE,4,FY F,5,FX,2000 F,2,FY,-5000 LSWRITE D,1,ALL D,3,UY,0 F,4,FY,-10000 F,2,FY,-5000 F,5,FX,2000 LSWRITE,LSSOLVE,1,5 FINISH /POST1 SET,1 PLDISP,1 SET,2 PLDISP,1 SET,3 PLDISP,1 SET,4 PLDISP,1 SET,5 P
17、LDISP,1,1、多自由度振动系统,具有黏性阻尼的二自由度系统强迫振动：,二自由度系统自由振动：,五、振动模态分析,第一主振型 第二主振型 二自由度系统的主振型图,(a)平衡状态 (b)三质量块产生的位移 (c)三质量块的分立图 三自由度系统的力学模型,运用隔离体法，对每个质量块进行分析，可得该三自由度系统的运动微分方程为：,三自由度有阻尼振动系统,三自由度系统及其固有模态振型,各自由度上的频率响应图,3、连续体振动系统,简支梁的前三阶主振型可形如下图所示：,均匀简支梁：,悬臂梁的前三阶主振型可形如下图所示：,均匀悬臂梁：,2、基于ANSYS的振动模态分析,结构振动模态分析，分析类型ANTY
18、PE=MODAL或2 选择模态分析的方法：MODOPT,Method Method=REDUC降阶法，=SUBSP次空间法 在降阶法中选择主自由度：M, NODE, Lab1,NEND,NINC, Lab2, 声明模态阶数或频率范围：MXPAND,NMODE,FREQB,FREQE, 实例1：长方形截面悬臂梁，梁属性： 材料属性： 质量块：,程序清单： /UNITS,SI /PREP7 ET,1,BEAM3 ET,2,MASS21,4 R,1,0.003,6.25E-7,0.05 R,2,1.5 MP,EX,1,207E9 MP,NUXY,1,0.33 MP,DENS,1,7800 N,1,0
19、,0 N,20,1.2,0 FILL,1,20 TYPE,1 MAT,1 REAL,1 E,1,2 EGEN,19,1,1,1,1,TYPE,2 REAL,2 E,20 FINISH /SOLU ANTYPE,MODAL MODOPT,REDUC MXPAND,5 D,1,ALL,0 M,2,UY,20,1 !SOLVE !FINISH !/SOLU !EXPASS,ON SOLVE FINISH,/POST1 SET,LIST SET,1,1 PLDISP SET,1,2 PLDISP SET,1,3 PLDISP,实例2：,COMBIN14为弹簧-阻尼单元 如：ET,1,COMBINE14
20、,1 ！表示以UX为自由度方向的线性1-D纵向弹簧-阻尼单元； ET,1,COMBINE14,2 ！表示以UY为自由度方向的线性1-D纵向弹簧-阻尼单元； ET,1,COMBINE14,2 ！表示X-Y平面内的线性2-D纵向弹簧-阻尼单元； MASS21为结构点质量单元，有各方向的质量和转动惯量。 如：ET,MASS21,4 ！表示无转动惯量的平面2-D质量。,M1=1kg,M2=2kg,M3=3kg K1=1000N/m,K2=2000,K3=2000,K4=1000,/UNITS,SI /PREP7 ET,1,COMBIN14,1 ET,2,MASS21,4 R,1,10 R,2,20 R,3,1 R,4,2 R,5,3 N,1,0,0 N,2,1,0 N,3,2,0 N,4,3,0 N,5,4,0 TYPE,1 REAL,1 E,1,2 E,4,5,TYPE,1 REAL,2 E,2,3 E,3,4 TYPE,2 REAL,3 E,2 REAL,4 E,3 REAL,5 E,4 FINISH,/SOLU ANTYPE,2 MODOPT,SUBSP,3 D,1,ALL,0,5,4 D,2,UY,0,4,1 SOLVE FINISH /POST1 SET,1,1 PLDISP,程序清单：,