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有限元分析培训(第4讲 ANSYS Workbench结构静力分析&模态分析)
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你可能喜欢基于ANSYS&WORKBENCH的杆件系统的热应力分析
【问题描述】
在下图中，横梁ACB的变形可以忽略不计（即ACB为刚体）。钢杆AD的横截面积为100平方毫米，长度为330毫米，弹性模量为200Gpa，线胀系数为12.5*10(-6);铜杆BE的相应数据分别为：面积200平方毫米，长度220毫米，弹性模量100GPa，线胀系数为16.5*10（-6）。如果温度升高30度，试求两杆的轴力。
【理论分析】
该问题来自于《材料力学》“轴向拉伸压缩”一章中的“温度应力”一节（P45）。（刘鸿文，《材料力学》，高等教育出版社，第四版）
设两根杆件的内力为基本未知数，根据热膨胀，计算两根杆件的伸长量与内力的关系，然后基于变形协调关系，得到内力的大小。
最后计算的结果是：
上述答案直接拷贝自原教材。
【仿真分析】
1. 这是一个热应力问题。但是并不需要使用耦合系统。直接使用静力学系统可以求解。
对于材料设置，需要创建两种材料：钢和铜，并分别给定其弹性模量，泊松比和线胀系数。对于AB杆，则设置刚性很大（例如弹性模量是钢材的千万倍）的材料。
3.几何建模。分别创建三个线体，分别代表AB,AD和BE。对于AD和BE赋予矩形截面属性，保证其横截面积即可。AB就使用AD的横截面属性。
4.属性设置。分别设置三杆的材料属性。
5.划分网格。给定5毫米的单元长度划分。
6.连接。所有连接处均使用转动副连接。
7.分析设置。给定参考温度和实际温度。
8.后处理。在后处理中提取梁单元的内力。
【仿真过程】
1.打开ANSYS WORKBENCH14.5
2.创建项目流程图。
这里创建一个静力学分析系统。
3.创建两种材料，并设置其属性。
双击engineering data单元格，然后创建两种新材料，按照题目的数据设置其弹性模量和线胀系数。
修改默认钢材属性，得到本题中钢材的属性。
加入铜合金，并修改其属性，得到本题中铜的属性
创建一个新材料，其弹性模量是2E18,即弹性模量是钢材的千万倍，用于模拟刚体。
4. 创建几何模型。
双击geometry，进入到DM中，设置长度单位是毫米。
以A点为坐标原点，水平向右为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，建立坐标系。则各点的坐标如下。
A(0，0)，B(390，0),C(240，0),D(0，330),E(390，220).
在DM中依次创建这5个关键点。
从点创建线体。注意ACB要成为一个线体，而AD，BE则是另外的两个线体，最终得到三个线体。
得到3个线体
其几何图形是
创建两个截面：
AD杆，AB杆设置为10mm*10mm的截面；而BE杆设置10mm*20mm的截面。
将上述截面分别给予对应的线体。显示截面形状，得到的几何模型如下图
为便于后面的杆件识别，给这几根杆件重命名
5. 设置杆件的属性。
双击model，进入到mechnical中。
AB是刚体，没有热应变。
AD是钢材，有热应变。
BE是铜合金，有热应变。
6.创建连接关系。
在D处创建AD杆和地面之间的转动副。
在E处创建BE杆和地面之间的转动副。
在C处创建AB杆和地面之间的转动副。
在A处创建AB杆和AD杆之间的转动副。
在B处创建AB杆和BE杆之间的转动副。
创建的5个转动副结果如下图
7. 划分网格。
设置5mm的单元长度，划分网格。
8. 设置温度载荷
对两根杆件AD,BE加载升温30度，达到52度。
10.后处理。
查看AD杆的轴力。
查看BE杆的轴力
AD杆轴力的相对计算误差是：
（6.975-6.68）/6.68*100% = 4.4%
BE杆轴力的相对计算误差是：
（10.7-10.39）/10.7*100% = 2.9%.
计算精度可以接受。
实际上，可以减少AD杆和BE杆的网格划分份数，而增加AB杆的网格划分份数。从而得到更高精度的计算结果。
此外，对于AB杆，设定大的横截面积，会进一步提高计算精度。这应该是提高计算精度的较好的方法。
另外，如果能够直接设置AB为刚性物体的话，这是提高精度的最好的办法。
但是本文就不再赘述，更多的工作，留给朋友们去做吧。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。如何用ANSYS WORKBENCH去简单结构有限元分析
　一、树立有限元板型　　与ANSYS经典版相形，WORKBENCH的操作界面更加好看，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。但作为一个专注于，其一天一天慢慢地坚强雄厚的建模板块(Geometry)对树立复杂的船体球面仍显得无能为力。因为这个需求在其它建模软件(作者运用了SolidWorks)中树立船体实体板型后导入WORKBENCH中，完成随即的建模和分析办公。　　鉴于实体单元在计算中耗费过多的内存和计算时间，本文认为合适而使用概念建模(Concept)的办法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体扇骨子定义为线体(Line Body)，壳体和线体区分清楚的网格大致相似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。　　1.导入实体板型　　可认为合适而使用多种办法导入，如直接将板型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗户，如图1所示。还可双击开始工作Geometry板块后，在其File点菜单中挑选导入指示，导入后的板型如图2所示。板型已冻结，分为船体和领导建造两局部，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。坐标原点位于船体基最简单的面、中站面和中线面的相交的点处。　　　　2.生成舷墙　　(1)在中纵断面(ZXPlane)树立草图(NewSketch)，进入了画出草图标准样式。点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置画出一条曲线。回返板型标准样式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。　　(2)沿甲板将船体分开，点击“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗户“SliceType”选项中挑选“SlicebySurface”项，“TargetFace”挑选上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项入选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两局部，上头是舷墙局部，下边是船里面局部，如图3所示。　　　　这时生成的SurfaceBody已完成历史重大责任，可将其制约(Suppress)掉了。注意不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody制约掉。　　(3)生成舷墙：挑选(2)中生成的舷墙局部施行抽壳，点击“Thin”→“Surface”，在“DetailView”窗户“Selection Type”选项中，挑选“FacetoKeep”项，保存舷墙局部，设置厚度为0，而后点选“生成”。　　3.生成船体外外表　　本文运用的船只钢板厚度都是同样的，可司令导建造与船体一块儿定义。倘使船体到处钢板厚度不一样，计算过程中可作别定义各钢板的厚度。　　(1)布尔并运算：点击“Create”→“Boolean”，在“DetailView”窗户Operation选项中挑选Unite项，“Tool Bodies”挑选领导建造生成的船里面局部，而后点选“生成”。　　(2)生成船体外表：选中(1)中生成的体，而后抽壳，保存所有外外表，厚度设置为0。抽壳后将在图4所示的蓝色地区范围内萌生甲板大张嘴状，需求找补去。(3)补全甲板：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图4所示蓝色线条位置处的4条边，而后生成1个面。　　　　4.在船体扇骨子位置处生成边　　船体是一个板架结构，除开钢板以外还应当有扇骨子。有限元板型中扇骨子务必位于船体板上，免得计算时扇骨子与板离合导致计算最后结果不正确。为了保障板型的扇骨子位于船体板上，需求在船体板上添加边(edges)，以便在边上生成骨材(LineBody)。　　(1)融化解冻：点击“Tools”→“Unfreeze”，挑选上不熟悉成的船体外表，融化解冻后如图5所示。本文认为合适而使用印痕操作(Imprint)在船体板上添加边，只有非冻结体能力执行该操作。　　(2)印痕：本文认为合适而使用拉伸指示(Extrude)生成印痕，所以先在中纵断面(ZXPlane)树立草图(New Sketch)，在排骨位置上画出一组直线，如图6所示。而后“拉伸”，在“DetailView”窗户Operation选项中挑选“ImprintFaces”项，Direction项挑选“Both-Symmetric”，Extent选项挑选“ThroughAll”，而后“生成”。原来光溜的船体外表将显露出来很多线条，如图7所示。　　(3)与(2)的操作相仿，在基最简单的面(XYPlane)树立草图(NewSketch)，沿甲板纵桁位置和龙骨位置画出直线，完成拉伸和印痕操作。在中纵断面(ZXPlane)树立草图(NewSketch)，沿舷侧纵桁位置画出直线，完成拉伸和印痕操作。最后在船体表不熟悉成错综复杂的网格线，如图8所示。注意：要等到所需的印痕操作所有完成后再添加Line Body，否则后面的印痕操作有可能导致之前添加的Line Body摆脱船体外表。　　(4)冻结船体，融化解冻上头补给的甲板面。如图9所示，这处之所以要轮替交换冻结、融化解冻不一样的面，是由于多个非冻结体验领会半自动执行布尔并运算。倘使布尔运算最后结果不合WORKBENCH的要求，板型将显露出来不正确而没有办法接着建模。　　　　5.生成舱壁(1)生成首尖舱舱壁：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图10中围成首尖舱的各条边(edges)，而后点选“生成”。　　(2)生成其它横舱壁：与(1)中操作大致相似，挑选围成舱壁所需的边，一一辈子成剩下各横舱壁。各横舱壁生成后如图11所示。　　(3)在横舱壁上印痕：在横舱壁上生成错综复杂的网格线，以便利用这些个残迹添加纵舱壁和船体扇骨子。印痕操作后如图12所示。　　　　(4)生成其它舱壁并在舱壁扇骨子位置印痕：与(1)、(2)中操作大致相似，挑选围成舱壁所需的边，一一辈子成剩下各舱壁，而后在各舱壁上印上错综复杂的残迹。最后结果如图13所示。　　　　6.生成扇骨子　　为了减损办公量，本文着意分析除领导建造外的船只群体强度，不思索问题领导建造的受力事情状况，所以这处不为领导建造添加扇骨子，也不关心注视领导建造结构强度。　　(1)生成甲板横梁：点击“Concept”→“Lines From Edges”，挑选甲板上横向的印痕，如图14中绿颜色线条，在　　“Detail View”窗户Operation选项中挑选“AddFrozen”项，生成冻结状况的甲板横梁(LineBody)。直收生成冻结体是为了防止他们与随即添加的甲板纵桁发生布尔并运算。冻结状况下各个梁领有各自独立的横剖面特点标志，布尔并运算后各个梁将打成一片，只能并肩用一种横剖面特点标志。　　　　(2)定义横剖面：点击“Concept”→“Cross Section”→“LSection”，本文中甲板横梁的横剖面为L形，此时将半自动闪现绘图窗户，显露一个L形草图。在“Detail View”窗户Dimensions项输入横剖面尺寸值即可。　　(3)给予甲板横梁横剖面特别的性质：挑选生成的Line Body(可群选)，在“DetailView”窗户“CrossSection”项中挑选刚才定义的横剖面。点击“View”→“CrossSectionSolids”，生成的LineBody将显露成实体样子，此时可以看出横梁的位置略微离开正道甲板外表(有时候方向跟预先期待最后结果不一样)，挑选那里面一个LineBody，在“DetailView”窗户“Offset Type”项中挑选“UserDefined”，可输入数字移动横骨到合宜位置。　　假如发觉方向与预先期待最后结果不一样，可右键点击其“Line Body”(可群选)，在右键子点菜单中挑选“Select Unaligned Line Edges”予以调试，如可以在“Detail View”窗户Rotate项填入旋转角儿度。(4)重复步骤(1)～(3)，生成其它扇骨子并给予他们横剖面特点标志，调试各扇骨子位置。最后结果如图15所示。　　　　7.连署各面(Joint)　　Joint指示用于将各个面连署起来，连署后的板并肩有一条相邻的边，相邻板之间的网格协调完全一样。Form New Part指示可以使该Part中的各个局部连署起来，使这个Part中的线、面网格都协调完全一样。　　(1)点击“Tools”→“Joint”，挑选所有体，而后“生成”。　　(2)在Graphics窗户框选所有体，右键点击进入了子点菜单，挑选“FormNewPart”。　　二、计算完成建模后，直接退出正在运行的Geometry板块，在Workbench的Toolbox窗户双击“StaticStructure”(ANSYS)，将在“ProjectSchematic”窗户中显露出来新的项目B。如图16所示，拖动项目A中“Geometry”到项目B的相应位置，这时显露出来一条连署线，建好的板型就可以导入分析板块施行网格区分清楚和分析计算。双击B中的“Model”进入了分析板块。假如A中板型被改正，再次敞开B时系统将会提醒是否更新板型。　　　　　1.定义钢板尺寸及材料属性　　在Outline窗户中展开Geometry(点“+”号)，再展开Part1，挑选“SurfaceBody”(可群选)，在“Details of Multiple Selection”窗户Thickness项中填入厚度值即可。假如各个板厚度不一样，可一一定义。同一个板也可以领有不一样的部分厚度值。　　本文中船体构件都是钢，认为合适而使用默许材料即可。如需其它材料，需求从材料库添加。　　2.区分清楚网格　　WORKBENCH中的网格区分清楚更加智能，不再需求挑选网格单元，系统将半自动挑选通用单元完成分析计算。但区分清楚网格前可自行设置各种参变量。在Outline窗户挑选Mesh，在“DetailofMesh”窗户中设置网格尺寸并挑选所需的选项即可。也可以右键点击“Mesh”添加特别指示，为某一个(些)特别局部专门定义尺寸、区分清楚网格的办法等。本文中认为合适而使用的是正方网格，如图17所示。　　　　3.定义边界条件　　船只是航行在水中的，因为这个外板会遭受来自水的压力效用。本文中添加了HydrostaticPressure板块来摹拟水压力。船上搭载物的重量加载到其存在的地方舱室的扇骨子上，固定首尾尖舱上的3个点。在Outline窗户挑选“StaticStructural(B5)”，右键点击“Insert”→“HydrostaticPressure”，在“DetailofHydrostaticPressure”窗户填入水疏密程度值(Definition选项中“FluidDensity”)、重力加速度值(“Hydrostatic Acceleration”选项)并定义液面位置(“FreeSurfaceLocation”选项中“Location”)。最后结果如图18所示。其它边界条件的定义办法大致相似，定义后如图19所示。　　　　4.分析计算本文中船体扇骨子认为合适而使用的是梁单元，计算出来的应力是正应力和复合应力，并且只有在“BeamTool”里能力显露。　　　　在Outline窗户挑选“Solution(B6)”，右键点击“Insert”→“BeamTool”，添加一个梁工具。一样办法添加其它有兴致的最后结果，如变型(Deformation)、应力(Stress)及应变(Strain)等，也可以自定义最后结果(User Defined Result)。如添加自定义的总变型(等效应力)最后结果：右键点击“Insert”→“User Defined Result”，在图形窗户点选或框选自个儿关心注视的结构，点击“Detail of User Defined Result”→“Geometry”→“Apply”，这么输出的最后结果就是所挑选的那局部结构的最后结果。在Expression项填入usum(Seqv)，这么输出的最后结果就是总变型(等效应力)。列举几个云图，如图20～图22所示。图20中只关心注视了船只半中腰局部的最后结果，这时船首尾两端是固定的，等效应力比较大。假如显露全船等效应力，船只半中腰局部的云图梯度太小，不由得易区别哪儿应力更大。依据圣维南原理，半中腰局部的最后结果相对非常准确，固定端的最后结果非常准确度欠佳。　　　　三、结束语　　ANSYS WORKBENCH是相相比较较新的软件，船只强度分析方面的例子也并不是很多见，这处作者所认为合适而使用的办法不尽然是最好的，仅供参照。　　　　本文中提到的拉伸印痕操作可以批量出产船体扇骨子，不会毁伤船体外壳的完整性，并同时保障扇骨子与船体、舱室与船体的令人满意接触，增长建模速率，减低分析过程中开裂的有可能性。生成的扇骨子不仅单是一条线，而是可视的，可以看见横剖面式样、朝向及位置，并可调试。但批量给予扇骨子横剖面特点标志操作只能用于具备相同横剖面特点标志的扇骨子。　　本文中提到的液体静压力边界条件不止适应于船体，也适应其它领域。这一边儿界条件在WORKBENCH中无须自个儿编程便可直接定义。　　软件的功能是有限的，用场却是多样的。众多功能只要我们去发觉并善加利用，就能增长分析计算的速率和非常准确度。
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