ANSYS 有限元分析第09講-加載和求解

1、加載 & 求解第 9 講加載 & 求解概述迄今為止, 我們已經(jīng)知道了如何施加以下類型的荷載:位移 (DOF 約束)壓力和對流荷載 (表面荷載)重力(慣性荷載)“結(jié)構(gòu)” 溫度 (體荷載)這些荷載占了五種荷載類型中的4種。在這一章中，我們將講述剩下的一種荷載 集中荷載, 比如應(yīng)力分析中的結(jié)點荷載。編輯課件加載 & 求解概述在這一章中我們將就以下問題進行討論:A. 集中荷載B. 結(jié)點坐標(biāo)C. 求解器D. 多重荷載步E. 練習(xí)編輯課件加載 & 求解A. 力荷載一個力就是可以在一個節(jié)點或關(guān)鍵點處施加的集中荷載(也可以叫 “點荷載”) 和力一樣，點荷載適合于線狀模型，如梁，桁架，彈簧等。在實體單元或殼單元

2、中, 點荷載往往引起應(yīng)力異常，但當(dāng)您忽略了附近的應(yīng)力時，它仍然是可接受的。記住，您可以通過選擇來忽略附近施加了點荷載的單元。編輯課件加載 & 求解.力荷載在左下角展示的二維實體單元中，我們注意到在加力位置出現(xiàn)最大應(yīng)力 SMAX (23,854)。當(dāng)在力附近的結(jié)點和單元不被選中時，SMAX (12,755) 就會移到底部角點處，這是由于在該角點處約束引起的另一處應(yīng)力異常。編輯課件加載 & 求解.力荷載通過不選底部角點附近的結(jié)點和單元，您就可以在上孔附近得到預(yù)期的應(yīng)力 SMAX (8,098)。編輯課件加載 & 求解.力荷載注意，對于軸對稱模型:在全部 360范圍內(nèi)輸入力的值。同樣在全部 360范

3、圍內(nèi)輸出力的值 (反力)。例如, 設(shè)想一個半徑為r的圓柱形殼體邊緣施加有 P lb/in 的荷載。把這個荷載施加在二維軸對稱殼體模形上(比如SHELL51單元), 您就要施加一 2prP的力。rP lb/in2prP lb編輯課件加載 & 求解.力荷載施加一個力需要有以下信息:結(jié)點號(您可以通過選取確定)力的大小 (單位應(yīng)與您正在使用的單位系統(tǒng)保持一致)力的方向 FX, FY, 或 FZ使用:Solution -Loads- Apply Force/Moment或命令 FK 或 F問題: 在哪一個坐標(biāo)系中 FX, FY, 和FZ 有說明？編輯課件加載 & 求解B.結(jié)點坐標(biāo)系所有的力，位移，和其

4、它與方向有關(guān)的結(jié)點量都可以在結(jié)點坐標(biāo)中說明。輸入量:力和力矩 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ位移約束 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ耦合和約束方程其它輸出量:計算出的位移 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ反力 FX, FY, FZ, MX, MY, MZ其它編輯課件加載 & 求解.結(jié)點坐標(biāo)系結(jié)點坐標(biāo)系和模型中的每個結(jié)點有關(guān)。缺省時, 結(jié)點坐標(biāo)系與總體笛卡爾坐標(biāo)系一致，例如，所有施加的力和位移約束缺省時都是在笛卡爾坐標(biāo)中。XYXnYnXnYnXnYnXnYn編輯課件加載 & 求解.結(jié)點坐標(biāo)系必要時，您可以轉(zhuǎn)換結(jié)點坐標(biāo)的方向。例如:模

5、擬一個斜的滾動支座。施加徑向力.施加徑向約束 (比如模擬一個承受壓力的剛性銷)。編輯課件加載 & 求解.結(jié)點坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)結(jié)點坐標(biāo)分為四步:1.選擇需要旋轉(zhuǎn)的結(jié)點。2.激活您要旋轉(zhuǎn)的結(jié)點所在的坐標(biāo)系(或者生成一個局部坐標(biāo)系)例如：CSYS,1。3.選擇 Preprocessor Move/Modify -Rotate Node CS- To Active CS, 然后在拾取器中按 Pick All 或者使用NROTAT,ALL命令。4.激活所有結(jié)點。注意: 當(dāng)您在非對稱邊界條件下施加對稱約束時，ANSYS 自動旋轉(zhuǎn)邊界上的所有結(jié)點。編輯課件加載 & 求解.結(jié)點坐標(biāo)系演示:恢復(fù) rib.db文件。把

6、工作平面移至底圓圓心處 (使用關(guān)鍵點的中間位置)。在工作平面上激活柱坐標(biāo)系（或建立一個局部坐標(biāo)系）。選擇半徑在 r = 0.35 上的點并畫出它們。在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)所有被選擇結(jié)點的坐標(biāo)系。在所有選擇的結(jié)點上施加一個 UX 位移約束 (或者施加一個 FX 的力)。注意極徑方向。激活笛卡爾坐標(biāo)系(CSYS,0).在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)所有選擇結(jié)點的坐標(biāo)系。重新畫出結(jié)點，注意新荷載的方向。編輯課件加載 & 求解C. 求解器求解器的功能是求解代表結(jié)構(gòu)自由度個數(shù)的線性聯(lián)立方程。求解的速度主要取決于模型的大小和您的計算機的速度，所用時間可以是幾秒，也可以是幾小時。只有一個荷載步的線性靜態(tài)分析只需

7、一次求解，而非線性或瞬態(tài)分析可能需要幾十個，幾百個甚至幾千次求解。因此，選擇求解器的類型是很重要的。編輯課件加載 & 求解.求解器ANSYS 中可用的求解器可以分為三類:直接消元 求解器波前求解器稀疏求解器 (缺省)迭代求解器PCG (預(yù)制條件共軛梯度求解器)ICCG (不完全 Cholesky 共軛梯度求解器)JCG (Jacobi共軛梯度求解器)并行求解器 (special license required)AMG (代數(shù)多極運算求解器)DDS (分布域求解器)編輯課件加載 & 求解.求解器直接消元 求解器求解以下內(nèi)容:1.計算單元剛度矩陣。2.讀取第一個單元的自由度。3.刪除所有已知自由

8、度或通過其它自由度可以表示的自由度, 然后把方程寫入 .tri 文件。保留的自由度組成波陣面。4.對所有單元重復(fù)2，3步驟直到所有的自由度都被消元?，F(xiàn)在的 .tri 就包含了一個三角化的矩陣。5.回代求解自由度,然后使用單元矩陣計算單元解。計算單元矩陣組集并三角化總體矩陣回代求解.ematfile.trifileresultsfile編輯課件加載 & 求解.求解器由于自由度仍不能被排除，所以波陣面是對角化過程中保留在求解器中的自由度數(shù)。它隨著求解的進行增大或縮小，當(dāng)最后自由度消元完成后，波陣面變?yōu)榱?。波陣面直接影響到計算的速度：值越大，速度越慢。重新排列單?為求解器選擇一個合適的單元編號順序

9、 可以減小波陣面。 ANSYS 在一開始就自動對單元重新編號。編輯課件加載 & 求解.求解器迭代 求解器通過以下步驟求解:1.計算單元剛度矩陣。2.組集總體剛度矩陣。3.開始時把所有自由度的值設(shè)為零，然后一直迭代到收斂(基于輸入的殘余力的容許值)。4.用單元剛度矩陣計算單元解。在 ANSYS 中迭代求解器和 PCG, JCG, ICCG 的主要區(qū)別是所使用的預(yù)制控制不同。計算單元矩陣組集總體矩陣迭代求解.emat文件.full文件結(jié)果文件編輯課件加載 & 求解.求解器編輯課件加載 & 求解.求解器并行求解器 (需特殊許可)AMG (代數(shù)多極運算求解器)迭代求解器可以在單處理器或多處理器環(huán)境下使

10、用。DDS (分布域求解器)把大模型分解為小的域，然后把這些小的域送到多處理器中處理。編輯課件加載 & 求解.求解器選擇求解器:Solution -Analysis Type- Soln Control, 然后選擇 Soln Options 標(biāo)號或者使用 EQSLV 命令缺省是“程序選擇” 求解器 eqslv,-1, 它常常是稀疏矩陣直接求解器。編輯課件加載 & 求解D. 多荷載步求解到現(xiàn)在為止, 我們已經(jīng)學(xué)會了如何在一組荷載條件下求解，例如，單荷載步求解。輸入或生成模型網(wǎng)格化施加荷載求解 (單荷載步)觀察結(jié)果編輯課件加載 & 求解多荷載步求解如果您是在多組荷載條件下求解，可以選擇下面兩種方法

11、中的一種:把所有荷載放在一起求解或者分別施加荷載作為多組荷載求解。編輯課件加載 & 求解 多荷載步求解單荷載步 可以被定義為能夠得到一個確定解的一組載荷條件。應(yīng)用多載荷步可以:獨立地求出結(jié)構(gòu)對于任一載荷條件的響應(yīng)。在后處理過程中，以任意的方式對這些響應(yīng)進行組合 (這被稱作荷載工況組合，這種操作僅對現(xiàn)行分析有效)有兩種方式定義和求解多載荷步問題:多重載荷求解法載荷步文件法編輯課件加載 & 求解多重荷載求解步驟多重載荷求解法這是單載荷步求解的一種擴展，不用退出求解處理器即可順序求解每一個單一載荷步。最適合于批處理方式。當(dāng)應(yīng)用界面模式時，該方式僅對可以快速求解的模型是有用的。輸入或生成模型劃分網(wǎng)格加

12、載求解 (load step 1)施加不同的載荷求解 (load step 2)施加不同的載荷求解 (load step 3)Etc.觀察結(jié)果編輯課件加載 & 求解多重荷載求解步驟載荷步文件法在這種方法中，用將載荷步信息寫入文件（載荷步文件）的方法代替求解各個不同的載荷步:Solution -Load Step Opts- Write LS FileOr use LSWRITE command.載荷步文件的命名為 jobname.s01, .s02, .s03, etc.在寫好所有的載荷步文件后，可以應(yīng)用一個命令 LSSOLVE or Solution -Solve- From LS File

13、s 依次讀進各個文件并進行求解。輸入或創(chuàng)建模型劃分網(wǎng)格施加載荷寫載荷步文件 (.s01)施加其他載荷寫載荷步文件(.s02)施加其他載荷寫載荷步文件(.s03)Etc.應(yīng)用載荷步文件求解。查看結(jié)果編輯課件加載 & 求解多重荷載求解步驟載荷步法的優(yōu)點是可以首先施加所有的載荷步，然后當(dāng)離開計算機時再進行求解。注意: 即使將載荷施加到實體模型，在載荷步中的加載命令也總是將載荷施加到節(jié)點或單元。編輯課件加載 & 求解多重荷載求解步驟在以上兩種方法中:施加到載荷步中的載荷在被刪除以前將一直存在數(shù)據(jù)庫中，因此要刪除當(dāng)前載荷步所不需要的所有載荷。每一個載荷步的結(jié)果都被追加到結(jié)果文件中，并以load step 1, load step 2, etc 作為區(qū)別。在后處理中，首先要讀入所需的載荷步結(jié)果，然后進行操作。數(shù)據(jù)庫中包含求解的最后一個載荷步的載荷和結(jié)果。編輯課件加載 & 求解多重荷載求解步驟演示:恢復(fù) rib.db 文件Fix left line in UX and bottom line in UYApply pressure = 100 on top lineWrite LS file 1, then list it and show F.E. load commandsApply pressure = 50 t