- ANSYS 17.0中文版有限元分析從入門到精通
- CAD/CAM/CAE技術聯盟編著
- 3203字
- 2020-11-28 15:08:10
1.4 實例入門——托架受力分析
為了使讀者能夠更清楚地了解ANSYS程序的有限元分析和計算過程,本節以一個角托架實例來詳細介紹ANSYS分析問題的全過程。
1.4.1 分析實例描述
本實例是關于一個角托架的簡單加載,線性靜態結構分析問題,托架的具體形狀和尺寸如圖1-4所示。托架左上方的銷孔被焊接完全固定,其右下角的銷孔受到錐形的壓力載荷,角托架的材料為A36優質鋼。因為角托架在Z方向的尺寸相對于其在X和Y方向的尺寸來說很小,并且壓力載荷僅作用在X、Y平面上,因此可以認為這個分析為平面應力狀態。角托架的材料參數為彈性模量E=30e6psi,泊松比v=0.27。

圖1-4 托架圖
1.4.2 建立模型
1.指定工作文件名和分析標題
(1)指定工作文件名。
GUI:“開始”> “所有程序”> ANSYS 17.0 > Mechanical APDL Product Launcher 17.0
以交互式啟動ANSYS程序,將初始工作文件名設置為Bracket,并單擊Run按鈕進入ANSYS用戶界面。
(2)定義分析標題。
GUI:Utility Menu > File > Change Title
執行以上命令后,彈出如圖1-5所示對話框,在其中輸入“STRESS IN A BRACKET”作為ANSYS圖形顯示時的標題。

圖1-5 修改標題對話框
2.定義單元類型
每一個ANSYS分析中都必須定義單元類型,本例中需要用到的單元類型為PLANE183單元,是一個8節點的二維二次結構單元。
GUI:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete
執行以上命令后,彈出如圖1-6所示對話框。

圖1-6 單元類型對話框
單擊Add按鈕,彈出如圖1-7所示對話框,在左側的列表框中選擇Solid單元,在右側列表框中選擇8 node 183單元,也就是PLANE183單元。

圖1-7 單元類型庫對話框
單擊OK按鈕,這時返回到圖1-6所示對話框,單擊Options按鈕,彈出如圖1-8所示定義PLANE183單元選項對話框。在Element behavior K3下拉列表框中選擇Plane strs w/thk選項后,單擊OK按鈕完成定義單元類型。

圖1-8 定義PLANE183單元選項對話框
3.定義單元實常數
GUI:Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete
執行以上命令后,彈出如圖1-9所示定義實常數對話框,單擊Add按鈕,彈出如圖1-10所示要定義實常數單元對話框,選中PLANE183單元后,單擊OK按鈕,彈出如圖1-11所示定義單元厚度對話框,在THK文本框中輸入“0.5”。

圖1-9 定義實常數對話框

圖1-10 選擇要定義實常數單元對話框

圖1-11 定義單元厚度對話框
4.定義材料特性
托架的材料為A36鋼,需要定義托架的彈性模量和泊松比。
GUI:Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models
執行完以上命令后,彈出如圖1-12所示定義材料屬性對話框。

圖1-12 定義材料屬性對話框
在這個對話框中依次選擇Structural > Linear > Elastic > Isotropic選項,表示選中結構分析中的線彈性各向同性材料。這時彈出如圖1-13所示定義彈性模量和泊松比對話框,在其中輸入彈性模量EX為“30E6”,泊松比PRXY為“0.27”,再單擊OK按鈕關閉該對話框。

圖1-13 定義彈性模量和泊松比對話框
5.建立幾何模型
(1)定義矩形。
GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Area > Rectangle > by Dimensions
執行以上命令后,彈出如圖1-14所示對話框,在其中設置X1=0, X2=6, Y1=-1, Y2=1。單擊Apply按鈕生成一個矩形。接著繼續在對話框中設置X1=4, X2=6, Y1=-1, Y2=-3,單擊OK按鈕生成第二個矩形。生成的兩個矩形如圖1-15所示。

圖1-14 創建矩形對話框

圖1-15 矩形示意圖
(2)改變圖形控制。為了將不同的面積用不同顏色的圖形進行區分,可以在ANSYS中用以下菜單命令進行設置。
GUI:Utility Menu > PlotCtrls > Numbering
執行完以上命令后,彈出如圖1-16所示對話框,將Area numbers設置為On,單擊OK按鈕。此時,兩個矩形即可以不同的顏色顯示,如圖1-17所示。

圖1-16 圖形編號對話框

圖1-17 不同顏色顯示的矩形示意圖
(3)繪制圓形。
GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Area > Circle > Solid Circle
執行完以上命令后,彈出如圖1-18所示對話框,在對話框中設置X=0, Y=0, Radius=1,單擊Apply按鈕,生成托架左上角圓。接著繼續在對話框中設置X=5, Y=-3, Radius=1,單擊OK按鈕生成托架右下角圓,如圖1-19所示。

圖1-18 繪制圓形對話框

圖1-19 圓形和矩形示意圖
接著單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕進行存盤。在ANSYS操作中經常進行存盤是很重要的,這樣可在出現操作錯誤時,用RESUME命令恢復到以前的數據文件狀態。
(4)布爾加運算。
GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas
執行完這個命令后,在彈出的對話框中單擊Pick All按鈕,這時兩個矩形和兩個圓形就組合為一個整體,如圖1-20所示。

圖1-20 布爾加運算結果
(5)創建倒角。
選擇實用菜單中的Utility Menu > PlotCtrls > Numbering命令后,彈出如圖1-21所示對話框,打開其中的Line numbers設置,這樣圖形中每條線會顯示一個標號。

圖1-21 圖形編號對話框
選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Line Fillet命令后,在彈出的對話框中選擇L17和L8兩條線,單擊OK按鈕,然后在Fillet radius文本框中輸入“0.4”,如圖1-22所示,再單擊OK按鈕便生成這兩條直線的倒角,如圖1-23所示。

圖1-22 創建倒角對話框

圖1-23 創建生成的兩直線倒角
選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Area > Arbitrary > By Lines命令,在彈出的對話框中選擇L1、L4和L5這3條直線,單擊OK按鈕,即生成如圖1-24所示倒角面積。

圖1-24 創建生成的倒角面積
選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas命令,在彈出的對話框中單擊Pick All按鈕,將所有面積組合在一起。
單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕進行存盤。
(6)創建托架的圓孔。
GUI:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Circle > Solid Circle
執行完以上命令后,彈出繪制圓形對話框,在對話框中設置X=0, Y=0, Radius=0.4。單擊Apply按鈕,生成托架左上角小圓。接著繼續在對話框中設置X=5, Y=-3, Radius=0.4,單擊OK按鈕生成托架右下角小圓,如圖1-25所示。

圖1-25 創建兩個小圓
選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas命令,在彈出的對話框中選擇托架為布爾減運算基體,單擊Apply按鈕,接著選擇剛創建的兩個小圓作為被減去的部分,單擊OK按鈕后即生成托架的兩個圓孔,如圖1-26所示。

圖1-26 布爾減運算生成托架圓孔
單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕進行存盤。
6.網格劃分生成有限元模型
選擇主菜單中的Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令,在彈出如圖1-27所示的MeshTool工具欄中,單擊Size Controls組中Global后的Set按鈕,彈出如圖1-28所示的劃分網格單元尺寸對話框,在SIZE文本框中輸入“0.5”,單擊OK按鈕。返回到如圖1-27所示的MeshTool工具欄中單擊Mesh按鈕,在彈出的對話框中單擊Pick All按鈕,生成有限元模型,如圖1-29所示。

圖1-27 網格劃分工具欄

圖1-28 劃分網格單元尺寸對話框

圖1-29 劃分網格后的托架有限元模型
單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕進行存盤。
(1)選擇分析選項。
選擇主菜單中的Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis命令,在彈出的選擇分析選項對話框中選擇Static,單擊OK按鈕。
(2)施加位移約束。
選擇主菜單中的Main Menu > Solution > Define Load > Apply > Structural > Displacement > On Lines命令,在彈出的對話框中選擇托架左圓孔處4根線(L4、L5、L6、L7),單擊OK按鈕,彈出如圖1-30所示對話框,在DOFs to be constrained后的列表框中選擇ALL DOF選項,在Displacement value文本框中輸入“0”,單擊OK按鈕,就完成托架左上角圓孔施加位移約束,如圖1-31所示。

圖1-30 施加位移約束對話框

圖1-31 施加位移約束
單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕進行存盤。
(3)施加壓力載荷。
選擇主菜單中的Main Menu > Solution > Define Load > Apply > Structural > Pressure > On Lines命令,彈出對話框后,選擇托架右下角圓孔的左下弧線L11,單擊OK按鈕,彈出如圖1-32所示對話框。在上面的文本框中輸入“50”,在下面的文本框中輸入“500”,單擊Apply按鈕,彈出對話框后,選擇托架右下角圓孔的右下弧線L12,單擊OK按鈕,再次彈出如圖1-32所示對話框,在上面的文本框中輸入“500”,在下面的文本框中輸入“50”,單擊OK按鈕就完成了對圓孔的壓力載荷施加。

圖1-32 施加壓力載荷對話框
(4)保存模型。
單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕,保存文件。
(5)求解。
選擇主菜單中的Main Menu > Solution > Solve > Current LS命令后,彈出/STATUS Command對話框和Solve Current Load Step對話框,如圖1-33和圖1-34所示。核查/STATUS Command對話框中的內容,確認正確后,單擊Solve Current Load Step對話框中的OK按鈕,ANSYS程序就開始計算。

圖1-33 /STATUS Command對話框

圖1-34 Solve Current Load Step對話框
計算完成后,會出現一個信息框,提示求解已經完成,單擊OK按鈕關閉提示框。
1.4.3 查看計算結果
1.讀入結果文件
GUI:Main Menu > General Postproc > Read Results > first set
2.繪制變形圖
GUI:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Deformed Shape
執行這個命令后,彈出如圖1-35所示對話框,選中Def+undeformed單選按鈕,單擊OK按鈕,得到如圖1-36所示的托架受載荷作用下的變形圖。

圖1-35 畫變形圖對話框

圖1-36 變形圖
3.畫托架等效應力分布圖
GUI:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu
執行這個命令后,彈出如圖1-37所示對話框,在Item to be contoured欄中先選擇Stress,再選擇von Mises stress選項,然后單擊OK按鈕,得到如圖1-38所示的托架等效應力分布圖。

圖1-37 Contour Nodal Solution Data對話框

圖1-38 等效應力分布圖
4.保存結果文件
單擊ANSYS Toolbar工具條中的SAVE_DB按鈕保存文件。
通過以上操作就完成了一個實例的ANSYS分析過程,用戶可以單擊ANSYS Toolbar工具條中的Quit按鈕退出ANSYS程序。