ANSYS workbench 有限元分析 学习

链接：ANSYS-workbench 有限元分析 张晔

网格改变、软件版本改变或者不同软件同样设置导致计算结果发生巨大变化只能说明设置存在问题。

刚体平移和弱弹簧

刚体平移（rigid body motion）：
病态矩阵引起

添加弱弹簧

在Analysis Settings中设置弱弹簧（weak springs设为on）

probe->Force Reaction:
Boundary Condition:Displacement/weak springs
可以观察弱弹簧受得力（一般很小，因为是消除微小力）

只要一个方向没有约束，就有微小力存在。

设置弱弹簧之后，形变分布对称

接触基础和接触设置

• 接触协调：实际接触提互相不穿透。因此，程序必须在这两个面之间建立一种关系，防止它们在有限元分析中相互穿过。
• 当程序防止相互穿透时，称之为强制接触协调。当没有强制接触协调，就可能发生穿透。
• 如果接触刚度太大，一个微小的穿透将会产生一个过大的接触力，在下一次迭代中可能会将接触面推开。
• 用太大的接触刚度，通常会导致收敛震荡，并且常会发散。

计算错误，最常见的情况有接触遗漏、整体模型存在不平衡。

虎钳的例子，接触面设置无摩擦，有无法抵消的微小力引发刚体形变的可能。

在Analysis Settings中设置积分求解器（solve type 设为direct/iternative）

接触的分类

摩擦系数设置的越大，收敛的难度可能就越大。

装配体接触设置出现问题的原因多数时候不是接触算法相关知识的缺乏造成的，而是糟糕的分析和接触设置习惯造成的。

分析结果解读

1. 应力奇异点应力计算结果无法准确判定
2. 非应力奇异点网格精度与应力值的判定方法
3. 位移结果与网格精度的关联性相对较低

分析实例：L型支架

应力显示设置
unaveraged：显示没有进行平均的应力结果。
averaged：显示平均后的应力结果。

一般来说都可

圣维南原理和模型简化

圣维南原理

分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的载荷所引起的物体中的应力，在离载荷作用区稍远的地方，基本上只同载荷的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布。还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一块面积（或体积）上的载荷的合理和合力矩都等于零，则在远离载荷作用区的地方，应力就小的几乎等于零。

圆孔处最大Von Mises应力统计：

实际工程中的问题是如何评判当前的简化是符合圣维南原理的？

圣维南原理只针对应力，不能用位移来判断是否符合。也就是用圣维南原理来简化模型后，位移量不等价。

四大强度理论：塑性屈服强度理论

Stress->

拉伸屈服强度 （Tensile Yield Strength）：材料属性。

安全系数：
Tool->Stress Tool->Safety Factor

安全系数越小越危险，理论值必须大于1，一般民用设计值在1.2到2之间，军用或更高级别在5以上。

安全系数= 材料的屈服强度/最大应力值

有限元分析学习方法（略）

对称问题预备——水杯

1.设计材料
新建材料ABS，增加Field Variables

• 密度（Density）：
• 各向同性的相关设置（Isotropic Elasticity）
  • 杨氏模量 Young’s Modules
  • Poisson’s Ratio

File->Refresh All Data
Material->Assignment->ABS

2. 划分网格
   
   3.增加约束

• 地面约束——Fixed Support
• 液压设置——Hydrostatic Pressure
  • 流体密度——FluidDensity （水：1e-6 kg/mm^3）
  • 重力加速度——Hydrostatic Acceleration（9800mm/s^2）Direction （选择平面法向）
  • 自由面设置——Free Surface Location

4.计算结果
应力最大值应当在底部的圆角面上。
底面径向变形为0，因为Fixed Support

把Fixed Support换成Displayment，Z方向上固定。
再设置弱弹簧。

把桌面这个边界条件加上去。
接触设为Frictional，系数设为0.2

对称问题（二）

进行切除，保留1/4模块。

symmethy plane

通过face生成plane，根据plane对称
选择partial

减少计算量

对称问题、平面问题和自由度

自由度

自由度（Degree of Freedom.DOF）用于描述物理场的响应特性。


隐藏的“约束”
接触
摩擦
对称

左1/2，右1/4

分析实例：带孔矩形板

上下对称

放到XOY平面上，进行2D分析

2D Behavior -> Plane Stress/Plane Strain/Axisymmetric

这个实例设为平面应力（Plane Stress）
设置厚度 Thickness 10mm

设置约束
1.fixed support 左边
2.displacement 对称面（Y：0）
3.force，因为对称了，力的大小/2

结果显示
view->thick shells and beams ，把面变成实体展示。

均匀载荷的简化

实例：桌面放置物体

把物体简化掉，变成一个force
桌四个脚底加约束fixed

或者不简化物体（作为验证）
给物体加standard earth gravity
用force reaction看反力

看接触面的反力，把location method设为contact region。分析设置里的output controls->Nodal Forces设为yes。

有的时候计算第一次没问题，计算第二次报错，可以solution->clear generated data试试

结果相差较大，说明简化有问题。
不能看作均布载荷。

contact tool->pressure

发现集中在4个角上

把物体简化成4个点上的力。

几个基本参数和重力对结果的影响

线性静态分析所涉及的材料参数

线性静态分析 必要的参数：

• 弹性模量
• 泊松比

可能需要的参数：

• 密度（惯性力）
• 线膨胀系数（热边界条件）

特殊的材料参数

• 屈服强度

三个材料参数对线性材料小变形计算结果的影响

• 弹性模量：应力结果不影响，变形结果影响
• 屈服强度：应力结果不影响，变形结果也不影响
• 泊松比：应力结果影响，变形结果影响，但是变化范围较小。

杆梁单元和壳单元

三种单元：



186有中节点，185没有，186精度更高。

5面体精度最低

原则上，任何模型都可以用实体网格来进行划分，但是有些时候由于模型形状导致网格计算量庞大，我们会将薄板模型简化为壳单元，细长杆件模型简化成壳单元或杆梁单元进行求解计算。

用壳单元2D分析

DM中操作：
Tools->Mid-Surface
选择相对的两个面face pairs
生成Mid-Surface对象 generate
设定厚度 thickness

Mechanical中操作类似

梁单元
Concept->Lines/Surfaces From Points/Sketches…

再论自由度问题

SOLID186，只有3个自由度，只能作为结构场的分析，不能作为热场的分析。

SHELL281 也是结构场

SOLID90 温度场

SOLID226

结构自由度

平面一点3个，空间一点6个

悬臂梁，约束了3个自由度
简支梁，约束了2个自由度（左），约束了1个自由度（右边），加起来还是3个
伸臂梁，3个

一次超静定：约束了4个自由度

远端位移约束

2. 1（旋转自由度，但是实体单元中不存在旋转自由度，所以与3情况接近）

远端唯一约束

如果存在间隙，那么将可能导致接触设置失效，从而产生刚体平移

contacts->Geometric Modification->offset
调整间隙

打开间隙的自动调整，自动消除间隙
contacts->Geometric Modification->interface treatment :adjust to touch

齿轮案例

齿轮失效

赫兹接触

赫兹接触，经验公式
《滚动轴承分析：第一卷轴承技术的基本概念》第六章。