ANSYS结构分析总结计划教程篇

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ANSYS结构剖析基础篇

进行有限元剖析的基本流程：

采纳哪一种剖析 (静态，模态，动向 ...）

模型是部件仍是装置件 (部件能够 form a part 形成装置件，有时为了区分六面体网格采纳部件，但部件间需定义 bond 接触 )

单元种类选择 (线单元，面单元仍是实体单元　)

能否能够简化模型 (如镜像对称，轴对称　)

查察结果 (位移，应力，应变，支反力　)

依据标准规范评估结构的靠谱性

将结构或弹性体人为地区分红由有限个单元，并经过有限个节点互相连结的失散系统。

这一步要解决以下几个方面的问题 :

1、选择一个适合的参照系，既要考虑到工程设计习惯，又要照料到成立模型的方便。

2、依据结构的特色，选择不一样种类的单元。对复合结构可能同时用到多种种类的单元，此时还需要考虑不一样种类单元的连结办理等问题。

3、依据计算剖析的精度、周期及花费等方面的要求，合理确立单元的尺寸和阶次。

4、依据工程需要，确立剖析种类和计算工况。要考虑参数区间及确立最危险工况等问题。

5、依据结构的实质支撑状况及受载状态，确立各工况的界限拘束和有效计算载荷。

在有限元法中往常选择多项式函数作为单元位移插值函数，并利用节点处的位移连续性条件，将位移插值函数整理成以下形函数矩阵与单元节点位移向量的乘积形式。

位移插值函数需要知足相容（协调） 条件， 采纳多项式形式的位移插值函数， 这一条件一直能够知足。

但近来几年来有人提出了一些新的位移插值函数， 如：三角函数、 样条函数及双曲函数等， 此时

需要检查能否知足相容条件。

、位移插值函数的收敛性（齐备性）要求：

1） 位移插值函数一定包含常应变状态。

2）位移插值函数一定包含刚体位移。

、复杂单元形函数的结构

对于高阶复杂单元， 利用节点处的位移连续性条件求解形函数， 其实是不行行的。 所以在实质应用中更多的状况下是利用形函数的性质来结构形函数。形函数的性质：

1）有关节点处的值为 1，不有关节点处的值为 0 。

2）形函数之和恒等于 1。

这里我们称 为 的有关节点， 为 的有关节点，其余点均为不有关节点。

目的：计算单元弹性应变能和外力虚功。

使用最小势能原理， 需要计算结构势能， 由弹性应变能和外力虚功两部分组成。 结构已经被

失散， 弹性应变能能够由单元弹性应变能叠加获得， 外力虚功中的体力、 面力都是散布在单元上的，也能够采纳叠加计算。

单元弹性应变能可计算的部分只有单元刚度矩阵， 单元外力虚功可计算的部分只有单元等效

体力载荷向量和等效面力载荷向量。 在实质剖析时其实不需要进行上述推导， 只要要将假定的

位移插值函数代入本节推导得出的单元刚度矩阵、 等效体力载荷向量和等效面力载荷向量的

所以我们说有限元剖析的第三步是计算单元刚度矩阵、 等效体力载荷向量和等效面力载荷向

1）单元刚度矩阵拥有正定性、奇怪性和对称性三各重要特征。所谓正定性指全部对角线元

素都是正数， 其物理意义是位移方向与载荷方向一致； 奇怪性是说单元刚度矩阵不满秩是奇

异矩阵， 其物理意义是单元含有刚体位移； 对称性是说单元刚度矩阵是对称矩阵， 程序设计

2）依据本节公式计算的单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量称为一致载荷向量。实

际剖析时有时也采纳静力学原理计算单元等效体力载荷向量和等效面力载荷向量， 实质应用

表示在大多半状况下，这样做能够简化计算，同时又基本上不影响剖析结果。

形 (QUA)单元， 2D 剖析时需要在创立项目时在 GEOMETRY的剖析种类项选择 2D, 实体剖析得每个节点结构上只有 3 个自由度，以下列图所示

2、面体剖析几何上是 2D 但失散元是 3D，往常面体厚度赐予赋值。面体网格区分采纳壳单元，拥有 6 个自由度。

3、线体几何上是 1D,失散元是 3D,截面形状可经过 line body 进行设置，线体网格区分采纳梁单元，拥有 6 个自由度。

4、同个 part 下的全部 body 共享订交界限，网格区分时共用交界上的节点，不需要设置接触。

适用的选用方法为 Worksheet，能够增添多种条件进行挑选，模型区分网格后，能够精准到对每个单元的选用。

2、网格的高级尺寸控制

曲度对于一些含曲线特色的几何体，能够控制其区分网格的精细度

周边度能够控制某个地区两个周边的几何特色间的网格区分密度

形状检测：标准力学　-线性剖析、模态和热剖析

进阶力学 -大变形剖析、资料的非线性剖析

点的定义来设置映照策略。

inflation control 设置膨胀层，主要用于流体剖析的界限层区分。

pinch 能够移出一些不用要的小的几何特色，区分网格时能够去掉一些小的突出部分。

采纳 pinch 区分网格后没有凸台

虚构拓扑有助于优化几何模型，能够归并面，切割面或边来提升网格区分质量。

behavior 能够设置拓扑找寻深度。

当原几何模型较大， 网格数目有限， 为了对模型局部进行更精准的计算剖析， 能够采纳子模型。

子模型的一般创立方法：

先对整体模型 (项目 A)进行剖析计算，而后 copy 原项目获得项目 B,对项目 B 中几何进行切割细化网格，将项目 A 的 solution 栏拖到 Setup 栏，最幸亏 B 项目求解设置下的 submodeling 插入界限条件，子模型的切割界限应远离高应力区。

可设置求解步数，定义每步的停止时间，静力剖析中的 time 不过一个追踪量

弱弹簧的使用： 为了知足静止拘束， 程序可自动增添弱弹簧， 能够在结果中查察弱弹簧的反力，应当是一个很小的值，其实不影响结构的应力剖析。

惯性开释：当物体受力不均衡产生加快度时， 利用惯性开释能够产生一个惯性力进行静力剖析，惯性开释只好用于线性结构剖析。

加快度、角速度、压力、力，静水压力 (模拟水压 )

螺栓预紧力 (Bolt Pretension)施加在圆柱面上，能够定义预紧力或伸长量。

Fix support 拘束点、线、面的全部自由度。

Frictionless Support，拘束面的法向运动，作用在平面上等同于对称界限条件作用在圆柱面上拘束径向运动

cylindrical support 只作用在圆柱面上，能够设轴向，径向，切向三个自由度 compression only support 鉴于罚函数方法对目标面成立一个刚性接触面 simply supported 作用于点或边，面体或线体，拘束全部平动除了转动自由度

接触是一种高度非线性特色，接触一般经过接触对描绘，包含接触面 (contact)和目标面 (target),程序一共有 5 种接触方式，其主要特色以下：

空隙不可以相对滑动而 no separation 同意有较小的滑动，其余接触都是非线性。

add offset 能够设置偏移量，正当使两个接触面凑近 (能够模拟过盈配合 )，负值使两个接触面远离。

Pinball region 能够设置判断接触地区的大小， 当两个面都进入 pinball region 时程序则判断为发生接触。

定义 joint 时需要定义 reference 和 mobile regions，几何窗口左侧显示的自由度，此中灰色的是被拘束的，彩色的是自由的

Set 定义初设状态， revert 恢还原始状态。

对于旋转面或圆柱面的拘束种类，能够定义扭转刚度和扭转阻尼。

大多半 joints 都能够经过 stops 来定义他的运动地区

beam 能够定义资料和圆形截面半径。

1、对于多步剖析中的每一步，软件都作为一个独立的剖析过程，载荷拘束都能够独自设置。

对于某些载荷或拘束能够经过右键激活或克制该步

当查察计算结果选择两个载荷步之间的时间节点时， 如 0 与 1 步的 0.5s，则程序经过线性插值的方式获得 0.5 的计算结果。

Solution Combination 也能够经过同一计算环境的不一样载荷步进行组合

八、模态剖析 (自由振动 )

此中 K-刚度矩阵和 M- 质量矩阵是常量，忽视阻尼 C 和外力 F，应用线弹性资料和小变形理论，结构能够是拘束的或非拘束的，φ为模态坐标是个相对量。

1.结构载荷和热载荷步，非线性接触不合用于模态剖析，但能够施加拘束或预应力。

2.能够定义求解阶数和频次范围。

3.因为并无外面激励， 模态变形不过一个相对量， 而且是一个质量归一化的量。

4.拉伸预应力将会增大自然频次，而压缩预应力将会降低自然频次。

1.不考虑瞬态影响， K 和 Q 能够是常量也能够是温度的函数，能够施加固定温度的界限条件。壳单元不考虑厚度方向的温度变化， 线单元不考虑截面上的温度变化。

热接触经过以下公式进行传热：

TCC默认被设为一个较大的数值用来模拟完满传热， 相同能够人为设置较低的数值来模拟热阻。

perfectly insulated 绝热，默认应用于全部未设置界限条件的地方 temperature 恒定温度，应用于点、线、面、实体

只好应用于面，此中 h-对流传热系数， Tam-环境温度，用户能够自己设置。

此中σ -玻尔兹曼常数，程序自动给定；

ε -发射率，用户输入。

2.Section Plane能够经过鼠标左键拖曳生产剖切面， 也能够经过局部坐标系的 XY 平面生产剖切面

4.New chart and Table能够对多个计算结果进行图表剖析， Alert 能够设置报警值，如强度极限。

此外利用 path 结果能够获得应力线性化用于应力评判。

6.Structural error 能够经过高的能量差别区来鉴识几何网格的合理性。

8.应力奇点，结构剖析时因为几何模型、载荷施加等要素经常会致使应力奇点，影响计算结果的正确性，我们经过审察收敛结果来防止应力奇点。

假如应力奇怪区其实不是我们感兴趣的地区， 我们能够只对感兴趣地区的计算结果定义收敛控制，以下列图所示。

ANSYS结构动向剖析篇

动向剖析包含以下模块：模态剖析，谐响应剖析，随机振动剖析，响应谱剖析及瞬态剖析。动向剖析中结构的惯性、阻尼都饰演侧重要角色。

自由振动：结构的自然频次和振型

激励振动：曲柄轴和其余的旋起色械

地震冲击载荷：地震工况，爆炸

随机振动：火箭发射，道路交通

时间载荷：汽车碰撞，汽锤、水锤等

以上每种状况都能够选择相应的动向模块进行剖析。

模态剖析是用来确立结构的振动特征， 如自然频次和振型， 往常也是进行其余动向剖析的先决条件。 如汽车的固有频次应发动机频次， 叶片在预应力下的振动特征。

谐响应剖析常用来剖析结构在连续的简谐载荷下的响应，如转动机械的响应。

响应谱剖析往常用来剖析建筑结构在地震工况下的响应。

宇宙空间站、航天飞机等一般都要进行随机振动剖析， 以便能蒙受一段时间内不一样频次下的随机载荷。

动向剖析各模块的特色以下：

此中只有瞬态剖析同意非线性，包含几何非线性、接触非线性、资料非线性。

阻尼定义：阻尼是致使振动不停减弱甚至停止的一种能量耗散体制。

阻尼一般与资料性质，运动速度，振动频次有关。

粘性阻尼 -缓冲器、减震器

资料 / 固体 / 滞后阻尼 -内摩擦

库伦或干摩擦阻尼 -滑动摩擦

1、瞬态剖析和阻尼模态剖析中结构阻尼矩阵 [C]的完好表达式以下：

和 阻尼用来确立瑞利阻尼

对 于 大 多 数 结 构 来 说 ， 阻 尼 可 以 忽 略 ， 这 时

所以对于给定的 ，低频次阻尼小，高频次阻尼大。

而对于给定的 ，低频次阻尼大，高频次阻尼小。

和 阻尼能够经过定义资料时输入：

也能够经过全局阻尼输入：

2、在谐响应剖析中的资料 / 固体 / 滞后阻尼

全函数的谐响应剖析和模态叠加法剖析中的结构阻尼矩阵 [C]的完好表达式为：

相同， ， ，g 能够经过定义资料输入

也能够经过求解设置输入：

模态叠加法中的阻尼控制在谐响应剖析、 瞬态剖析、响应谱剖析及随机振动剖析中都支持以下表达式：

数值阻尼其实不是真切的阻尼，是人工克制由高频结构产生的数值噪声。

默认值为 0.1 用来过滤掉虚假的高频模态。

使用较小的值来过滤掉对最后结果影响较小的非物理响应。

注意：数值阻尼只合用于瞬态剖析。

模态剖析用来剖析结构的振动特征 (自然频次和振型 ),是大多半动向剖析得基础。假定和限制：结构是线性的 ([M] 和 [K]是常量 ). 线性无阻尼的自由振动方程：

假定 {u}为简谐运动，则有

注意， {φ}为振型反响结构振幅的比率关系，可对证量矩阵进行正则化

2、参加因子与有效质量

参加因子： ，此中 {D}是笛卡尔坐标系中各个坐标轴单位位移响应。

丈量各个模态在各个方向运动的总质量， 较大的值意味着该模态在该方向简单被激励。

理论上，各个方向的有效质量的总和应当等于结构的总质量， 但取决于模态睁开的数目。

接触：因为模态剖析时线性剖析，只同意 Bonded 和 No separation，其余接触程

特色值是复杂的， 特色值的虚数部分表示自然频次， 而实数部分权衡系统的稳固

性，正当不稳固，负值稳固。

输入条件：简谐变化的载荷 (力，压力和位移 ),多个载荷应拥有相同得频次，力和位移能够是同相或异相。

假定和限制：结构拥有固定的或与频次有关的刚度， 阻尼，质量，不一样意非线性；全部的载荷位移按相同频次做简谐变化。

当施加的载荷的频次凑近结构的自然频次时， 发生共振；增添阻尼降低响应的振幅；阻尼较小的变化都会致使共振区响应的大幅变化；谐响应的运动方程以下：

1、全函数法，直接求解矩阵方程。

该方法求解正确，但速度慢于 MSUP且耗费源，支持几乎全部的载荷和界限条件，此中加快度、轴承载荷、力矩相角只好为 0。

2、模态叠加法 MUSP，对方程进行坐标变换 {u}={φ}{y}，将 {M} 和{K}变换成对角矩阵进行解耦，再求解 n 个解耦的方程 {y}，此中 {C}一定是是对称矩阵，此方法需先进行模态剖析。

模态叠加法是一种近似求解， 正确度取决了模态的睁开阶数， 一般比 FULL法快。

include residual vector-在模态叠加剖析中，当施加的载荷激励高阶模态时，动向响应将会很粗拙。所以采纳 residual vector 方法，除了采纳模态的特色向量，还利用附件的模态变换向量来计算高阶频次。五、响应谱剖析

响应谱剖析主要用来代替时程剖析来确立结构对时间变化载荷的响应：

如地震载荷，风载，海浪载荷，活塞载荷，火箭发动机振动等。

对于多自由度长时程的剖析常常经过响应谱剖析来近似迅速的求解最大响应。

响应谱一般是单自由度系统在给准时程内的最大响应， 该响应能够是位移， 速度和加快度。多个不一样频次相同阻尼的单自由度振荡器 [K,C,M]就能够绘制响应谱 , 此中阻尼已经包含在响应谱中， 也能够给定其余的阻尼绘制相应的响应谱。 位移，速度，加快度响应谱之间是能够互相变换的，变换公式以下：

响应谱剖析分为单点响应谱 (SPRS)剖析和多点响应谱剖析 (MPRS).

SPRS已-知激励方向和频次的响应谱作用在全部的支撑点上，往常用来剖析建筑结构的地震载荷。

参加因子γ是对给定自然频次结构响应的量度， 表征每个模态对特定方向的响应贡献多少。

对于每个特色频次ω， 谱值 S 都能够经过对数插值从响应谱中获得， 但超出响应谱频次不会进行插值，而是取近来点的谱值。

模态系数 A，定义为放大系数来乘以特色向量来给出每个模态的实质位移，计算公式以下。

响应 R，计算公式以下

假如系统有多个模态，那么应当对各个模态下的响应 R 进行叠加组合

响应谱剖析计算最大的位移和应力响应， 它不可以正确计算实质响应， 所以有以下

以下状况， SRSS法不再合用：

考虑近间距自然频次的模态

考虑部分或全刚度响应的模态

4、假如各阶模态频次有足够的间距，能够使用 SRSS法叠加。

评判各阶模态是不是近距频次，对于不一样的阻尼比有不一样的评判准则。

对于近距频次模态，可采纳 CQC或 ROSE进行叠加，此中纠正系数 0≤ε≤ 1， ε =0，不纠正；ε =1，全纠正； 0<ε<1，部分纠正。

CQC和 ROSE计算公式中ε是鉴于模态的频次和阻尼计算获得。

5、响应谱中有两个特色频次 fsp(峰值频次 )和 fzpa(0 周期加快度地区 )

低频区 <fsp，不考虑模态纠正除非有近距频次，可用 SRSS,CQC或 ROSE。中频区在 fsp 和 fzpa 之间，由周期区向刚性区转变，模态包含周期部分和刚性部分，往常用系数α将响应分为周期部分和刚性部分。

α=0，周期；α =1，刚性； 0<α<1，部分周期部分刚性。

高频区 >fzpa，刚性区，模态需要完好纠正。

Lindley-Yow法中刚性响应影响全部的模态其对应的频次响应 Sa>ZPA,但不该当用于其模态频次 f<fsp；Gupta 法中刚性响应影响全部的模态只有其频次 f>f1=fsp，所以 Gupta 法合用大多半状况，应优先采纳 。

第一如前面描绘的独自进行各个模态的响应计算，当翻开刚性响应影响 Rigid Response Effect时，这些模态响应 [R]就不再是进行直接组合，而是分为周期 [Rp] 和刚性部分 [Rr]。刚性响应系数α可选择 Gupta 或 Lindley-Yow法计算。

周期部分和刚性部分响应计算以下：

而后分别进行组合叠加，对于周期部分响应 [Rp]可用 SRSS,CQC或 ROSE方法进行叠加，假如含有近距频次模态时需要纠正不可以使用 SRSS法。刚性部分响应 [Rr] 进行代数和叠加即可

最后将周期部分响应和刚性部分响应进行组合获得总的响应 [Rt]

进行模态剖析时，我们不行能睁开全部模态来考虑结构 100%的质量，所以我们关怀的模态中全部质量占总质量的百分比即为有效质量比率， 但睁开的最高模态频次因远大于响应谱的 fzpa，才能获得较为正确的剖析结果。

有时需要睁开的模态阶数太多， 我们能够经过模态剖析计算缺省的质量将其进行额外的响应剖析 Missing Mass Response，这样就不用睁开的模态频次要远大于fzpa。

当 f>fzpa，加快度响应是刚性的，所以能够进行静态的加快度剖析。

1) 第一能够计算频次大于 fzpa 总的惯性力 FT

计算各模态惯性力的协力

最后计算缺省质量的响应

注：对于加快度激励缺省质量响应是一个伪静态响应。

假如剖析包含了刚性响应，缺省质量响应将会加到刚性响应中

8、多点响应剖析 MPRS

不一样的拘束点能够加载不一样的响应谱，最多能够加载 100 种不一样激励，第一对每个响应谱进行独自计算，最后 SRSS叠加计算获得总的响应。

进行响应谱剖析前一定进行模态剖析， 建议先将模态剖析的结果与响应谱做对照，而后选择适合的求解方法，一般规则以下：

－ 施加响应谱经过表格形式输入位移，速度或加快度谱

－ 激励一定加载在固定的自由度上

－ 结果以最大响应的形式给出

选摘要睁开的模态阶数，建议其最大频次是响应谱最大频次的 1.5 倍选择单点仍是多点剖析

程序默认只计算位移响应，能够设置计算速度和加快度响应

能够输入位移，速度或加快度谱，每个谱值对应一个频次

缺省质量 Missing Mass effect设置，设为 YES，包含高阶频次模态的响应，只合用于加快度激励，需要输入 ZPA(即 0 周期加快度 )加快度值。

随机振动剖析是此外一种谱剖析方法，其目的是为了确立结构静态属性的响应，

往常 1 标准差范围内的位移应力响应。 很多过程剖析都会波及到随机振动剖析，

如生产线上的部件， 公路上行驶的车辆， 飞翔中的飞机，发射中的太空飞船等等。

随机振动剖析包含全部时间的全部频次，在各个频次下的振幅是随时间变化的。

固然在给定的频次下， 激励的振幅是不停变化的， 当对于大多半过程， 其均匀值是趋于稳固的。

所以随机激励能够经过功率密度撤消 PSD进行描绘。

总的频次范围能够分为多个独自的频次范围称为 bin，激励平方后求每个 bin 的均匀值，而后再除以 bin 的宽度，单位为 RMS2/Hz。

位移，速度，加快度激励间的关系为：

没有随时间变化的刚度，阻尼等

没有随时间变化的力和拘束

稍微的阻力，远小于惯性和弹性力

事实上，大多半随机过程都依据高斯散布， 所以能够用标准差来描绘随机振动的

因为随机散布近似正态散布，高 的散布其出现的几率是特别小的，所以 可作

对于多个 PSD的计算结果经过 SRSS进行组合。

输入 PSD曲线时，绿色表示合理的正确的， 黄色表示结果其实不考虑合理性， 红色表示建议改正输入的 PSD载荷。

模态阶数：建议其频次为 PSD最大频次的　1.5 倍

能够输入以下几种 PSD

多个 PSD能够同时施加，结果用 SRSS叠加。

瞬态剖析是时程剖析，能够包含惯性，阻尼，非线性等要素。

进行瞬态剖析前一般先进行以下铺垫工作：

简化，对模型进行适合简化使求解更简单

非线性，假如存在非线性，能够先进行静态剖析评估其影响

模态剖析，能够先进行模态剖析获得结构自然频次和振型来评估动向行为，此中自然频次能够用来计算时间步长。

此中 a0 至 a5 是 的函数， 是数值阻尼能够经过程序直接输入。

newmark 参数 和 经过以下公式计算：

Full Method 同意全部的非线性，接受绝大多半的载荷形式。

非线性主要包含以下几种形式， 接触非线性、 几何非线性 (大变形 )、资料非线性。

触只要一个迭代步，其余是非线性接触。

载荷步 Load steps：用来定义拥有不一样变化趋向的载荷，以下列图中的 Fa 和 Fb 子步 substeps:用来定义载荷增添数进行迭代求解，以下列图中的 Fa1和 Fb1

时间步长 time step 是一个特别重要的参数，决定了求解的正确性和收敛性，常常需要足够小来描绘结构的动向响应，建议先进行模态剖析。

auto time stepping 能够在 minium 和 maximum 时间步长范围内自动调理每个迭代的时间步长， 当收敛困难时减小时间步长， 相反则增添时间步长， 有利于提升求解效率，所以建议选择自动时间步长。

此中 fresponse 是可取最高阶模态的频次

为 OFF,程序将不计算速度项，所以阻尼力为 0.

Direct 更易收敛，建议用在非线性模型中

Iterative 更有效率，建议用在线性弹性行为为主导的实体模型中

收敛准则 ，默认的收敛准则在大多半状况下都是合用的， 对于某些特别状况， 用者能够增大或减小。

Line Search，对于增强收敛式有利的， 以下状况你能够考虑激活 Line Search选项：结构受力载荷，结构是单薄的显现出增强刚度如垂钓竿，收敛式振荡的。Stabilization，Nonlinear stabilization technique 经过增添一个人工阻尼来帮助加快收敛，选择 off- 封闭，选择 Constant-能量发散率和阻尼系数在每个载荷步都为常

ON,同时将 0.005mm 的位移条件克制，详细以下列图所示。

模态叠加法计算更快占用资源更少，同意更频次有关的阻尼。

对上边方程用模态剖析求得的结果进行坐标变换和解耦获得：

减少求解的自由度也就减少了求解方程的数目，求解更快。

结果的正确度取决于睁开的模态阶数

阻尼其实不是显示计算，由式 直接计算阻尼比

假如接触有空隙，非线性接触将是自由的，线性接触取决了 pinball 值