第五章加載與求解(總)

第五章加載與求解5.1載荷的分類ANSYS中載荷（Loads）包括邊界條件和模型內(nèi)部或外部的作用力。按照特性可分為：位移載荷（DOF約束）力（集中載荷）表面載荷體載荷慣性載荷耦合場載荷5.2加載與求解菜單選擇分析類型并進行選項設(shè)置施加各種載荷設(shè)置載荷步及其選項執(zhí)行求解5.3基本求解過程進入求解器選擇分析類型設(shè)置分析類型選項施加邊界條件與載荷設(shè)置載荷步選項執(zhí)行求解退出求解器5.3.1選擇分析類型5.3.2設(shè)置分析類型選項5.3.3施加邊界條件與載荷兩種施加載荷方式：1、在實體幾何模型上施加載荷；2、在有限元模型（FEA模型--節(jié)點和單元)上施加載荷；

在關(guān)鍵點處約束實體模型沿線均布的壓力在關(guān)鍵點加集中力FEA模型沿單元邊界均布的壓力在節(jié)點加集中力在節(jié)點處約束實體模型或者有限元模型上施加載荷的對比注：兩種加載方式各有其優(yōu)缺點，無論是在有限元模型還是在實體幾何模型上施加載荷，在執(zhí)行求解之前，ANSYS程序都會自動將所有的實體幾何模型上的載荷自動轉(zhuǎn)化到等效的有限元模型載荷，即將載荷自動轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點或單元上。實體模型加載到實體的載荷自動轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點或單元上FEA模型沿線均布的壓力均布壓力轉(zhuǎn)化到以線為邊界的各單元上定義載荷設(shè)置菜單選項施加各種載荷的菜單選項刪除各種載荷的菜單選項載荷操作運算菜單選項加載菜單均布溫度參考溫度面載荷的分布梯度重復加載方式：替代與累加加載菜單--載荷操作設(shè)置加載菜單--位移載荷施加自由度是有限元求解過程中的唯一變量，有限元計算最終得到的自由度的值稱為基本解。自由度約束（DOF約束）可施加于節(jié)點、關(guān)鍵點、線和面上，用來限制對象某一方向上的自由度。學科自由度ANSYS標識符結(jié)構(gòu)分析平動UX、UY、UZ轉(zhuǎn)動ROTX、ROTY、ROTZSymmetryB.C.——對稱位移約束：固定對稱面在其面外的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度，允許對稱面在其面內(nèi)自由平動和自由轉(zhuǎn)動；AntisymmB.C.——反對稱位移約束：固定反對稱面在其面內(nèi)的轉(zhuǎn)動自由度和平動自由度，允許在其面外自由轉(zhuǎn)動和平動；注：如果有限元模型本身具有對稱或反對稱的特性，則用戶可以使用對稱或反對稱約束來簡化模型。示意圖材料：普通A3鋼，彈性模量2×1011Pa，泊松比0.3；單元類型：StructuralShell–Elastic4node63；厚度：1m；約束情況：右側(cè)面完全約束網(wǎng)格單元最大尺寸：2；均布壓力載荷大?。篜＝2000N/m；4040R=5示例一：簡化的有限元模型對稱反對稱加載菜單--集中載荷（力/力矩）施加相應標識符：FX、FY、FZ/MX、MY、MZ加載菜單--表面載荷施加相應標識符：PRES表面載荷施加一般有兩種常見的分布：1、均布載荷；2、線性變化的梯度載荷；示例二：面載荷的分布梯度面載荷的梯度決定面載荷施加方式和大小。任意位置上的面載荷大小是由基準位置的面載荷大小、面載荷的梯度以及梯度方向決定。梯度設(shè)置面載荷類型斜率/分布梯度數(shù)值梯度方向施加載荷時壓力施加的基準位置坐標分布梯度定義的參考坐標系最后輸入的數(shù)值為參考位置坐標處的壓力值溫度載荷施加慣性載荷施加加載菜單--體載荷施加5.3.4載荷刪除5.3.5載荷運算操作比例縮放有限元模型上的載荷將實體模型上的載荷轉(zhuǎn)換到有限元模型上刪除載荷文件5.4時間、載荷步、載荷子步載荷變化方式（階躍加載/逐步加載）、單載荷步、多載荷步Δttn=7幾個概念1、在靜態(tài)分析和瞬態(tài)分析中，無論分析是否依賴于時間，ANSYS都使用時間作為跟蹤參數(shù)，優(yōu)點是時間總是單調(diào)增加的，并且在所有情況下可以使用一個不變的“計數(shù)器”或“跟蹤器”。2、Stepped：表示載荷按照階梯突變方式變化，則全部載荷施加于第一個載荷子步，且在載荷步的其余部分，載荷保持不變；3、Ramped：表示載荷按照線性漸變方式變化，則載荷是逐漸增加的，且全部載荷出現(xiàn)在載荷步結(jié)束時；4、依據(jù)載荷變化方式可以將整個載荷時間歷程劃分成多個載荷步，即LoadStep，每個載荷步代表載荷發(fā)生一次突變或者一次漸變階段；5、在載荷步時間段內(nèi)，載荷增量可以進一步劃分成多個子步，即Substep，每個子步內(nèi)的載荷增量僅僅是當前載荷步內(nèi)載荷增量的一部分，需經(jīng)過迭代計算才能得到系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；載荷步是指分布施加的載荷，可以使用不同的載荷步來施加不同的載荷組合?？梢詫⑤d荷步理解為一系列不同的載荷配置，ANSYS只計算每個載荷配置下的應力、應變等。一個載荷步是指邊界條件和載荷選項的一次設(shè)置，用戶可對此進行一次或多次求解（子步或時間步）。在線性靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)分析中，可以使用不同的載荷步來施加不同的載荷組合。在瞬態(tài)分析中，可以將多個載荷步施加到載荷歷程曲線的不同區(qū)段。一個分析過程可以包括：單一載荷步（常常這是足夠的）多重載荷步有三種方法可以用來定義并求解多載荷步多次求解方法載荷步文件方法向量參數(shù)方法載荷步的控制選項（1）通過時間－時間步長控制通過時間－載荷子步數(shù)目控制載荷步終止時間時間子步步長載荷施加形式時間子步自動階躍選項時間－時間步長用于指定在瞬態(tài)或靜態(tài)分析中載荷步結(jié)束的時間。在瞬態(tài)或其他與速率有關(guān)的分析中，TIME命令指定實際的、按年月順序的時間，這時要求指定一時間值。在與速率無關(guān)的分析中，時間作為一跟蹤參數(shù)。時間－載荷子步數(shù)目載荷步終止時間載荷子步數(shù)目載荷施加形式載荷子步數(shù)目選項載荷步的控制選項（2）默認情況為在上一個載荷步的時間上加1多載荷步求解過程連續(xù)多載荷步求解方法；

通過連續(xù)多次進行施加載荷、載荷步設(shè)置與求解過程來實現(xiàn)，必須完成上一個載荷步求解后才能進行下一個載荷步工作，這也是其缺點。定義載荷步文件批處理求解方法；

利用以序列的載荷步文件進行批處理求解，把每一個載荷步中的邊界條件、載荷、載荷步設(shè)置等全部信息寫入載荷步文件。示例三：連續(xù)多載荷步求解方法材料：普通A3鋼，彈性模量2×1011Pa，泊松比0.3；單元類型：StructuralShell–Elastic4node63；網(wǎng)格單元最大尺寸：0.2；第1個載荷步：板件左側(cè)固定，右側(cè)承受面內(nèi)均布拉壓力P＝2000N；第2個載荷步：板件左側(cè)固定，右側(cè)承受面內(nèi)均布壓力P＝－2000N；第3個載荷步：板件左側(cè)固定，整個板件面上承受橫向均布壓力P＝100N；定義連續(xù)多載荷步求解方法1.定義第一個載荷步并存盤；2.進行求解；3.不要退出求解器，按需要為第二次求解改變載荷步并存盤；4.進行求解；5.不要退出求解器，繼續(xù)進行步驟3和步驟4直到所有的載荷步完成；6.進行后處理；定義載荷步文件批處理求解方法進入求解器；選擇分析類型并設(shè)置分析選項；定義第1個載荷步的載荷并設(shè)置載荷步選項，然后寫出第1個載荷步文件Jobname.s01;定義第2個載荷步的載荷并設(shè)置載荷步選項，然后寫出第2個載荷步文件Jobname.s02;同理定義其他所有的載荷步文件Jobname.s03，……；執(zhí)行批處理求解；退出求解器；5.5求解載荷施加完成后，即可進行有限元的求解。求解過程是ANSYS讀取有限元模型及其上的載荷信息，建立聯(lián)立方程并使用不同的求解器得出求解結(jié)果，包括基本解和單元解。通常有限元求解的結(jié)果為：（1）節(jié)點的自由度解------基本解；（2）原始解的導出解------單元解；求解當前載荷步讀取載荷步文件并求解求解器

的功能是求解關(guān)于結(jié)構(gòu)自由度的聯(lián)立線性方程組-這個過程可能需要花費幾分鐘(1,000個自由度)到幾個小時或者幾天(100,000-1,000,000自由度)，基本上取決于你所用計算機的速度。對于簡單分析，可能需要一、兩次求解。對于復雜的瞬態(tài)或非線性分析，可能需要進行幾十次、幾百次、或者甚至幾千次求解。ANSYS提供了三個求解器用于一般求解：波前求解器（Frontalsolver）和

PCG求解器（

PCGsolver）（預條件共軛梯度,或者“Power求解器”）。稀疏矩陣求解器（Sparsesolver）也可以使用，主要用于非線性問題。求解器的選擇直接解法（FRONT）稀疏矩陣解法（SPARSE）雅可比共軛梯度法（JCG）不完全喬類斯基共軛梯度法（ICCG）條件共軛梯度法（PCG）自動迭代法（ITER）5.6預測求解時間、規(guī)模和內(nèi)存需求預測求解時間預測迭代總次數(shù)預測選中選項預測所有選項5.7中斷和重啟動求解中斷一個非線性分析時，會產(chǎn)生一個求解中斷文件，命名為Jobname.abt，默認將最后一次收斂的載荷子步寫到重啟動文件。重啟動求解必須從重啟動文件讀取中斷信息，可以進行單點重啟動與多點重啟動，多點重啟動必須在求解前進行設(shè)置。補充內(nèi)容：靜力學分析概論靜力分析是有限元分析方法中常用的一個應用領(lǐng)域。靜力分析是計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應，它不考慮慣性和阻尼的影響，也不考慮載荷隨時間的變化。但是，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷（如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風載和地震載荷）。靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應力、應變和力。固定不變的載荷和響應是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷如下：外部施加的作用力和壓力穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）位移載荷溫度載荷結(jié)構(gòu)靜力學分析的類型靜力分析線性靜力分析非線性靜力分析非線性靜力分析允許有大變形、塑性、蠕變、應力剛化、接觸（間隙）單元、超彈性單元等。線性靜力分析根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和所受外載荷的形式通常歸結(jié)為如下幾個問題：平面問題、軸對稱問題、周期對稱問題、三維問題等。瞬態(tài)動力學分析概論瞬態(tài)動力學分析（也稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)的動力學響應的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動力學分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應變、應力及力。載荷和時間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較顯著。如果慣性力和阻尼作用不重要，就可以用靜力學分析代替瞬態(tài)分析。ANSYS軟件允許在瞬態(tài)動力分析中包括各種類型的非線性，如大變形、接觸、塑性等。進行瞬態(tài)動力學分析也可以采用三種方法：Full（完全法）、Reduced（減縮法）和ModeSuperposition（模態(tài)疊加法）。