第七章加載及計算(模態(tài))

第七章加載和求解在ANSYS中，荷載包括邊界條件和外部作用力，即位移邊界和力邊界。在不同的學科中，荷載的具體含義也不一樣。在ANSYS程序中，可用各種方式對模型加載，而且借助于荷載步選項，可以控制在求解中荷載如何使用。2/6/20231ANSYS入門及應用荷載的分類ANSYS中載荷分為六類：DOFConstraint（DOF約束）：將某個自由度用一已知值固定。在結構分析中約束被指定為位移邊界條件或者對稱邊界條件，在熱力分析中為溫度和熱通量平行的邊界條件。Force（力）：為施加于模型節(jié)點的集中載荷。在結構分析中被指定為力和力矩；熱分析中為熱流速率。Surfaceload（表面載荷）：施加于某個表面上的分布載荷。在結構分析中為壓力；在熱力分析中為對流和熱通量。2/6/20232ANSYS入門及應用荷載的分類Bodyload（體積載荷）：為體積載荷或場載荷。在結構分析中為溫度；熱力分析中為熱生成速率。Inertialoads（慣性載荷）：由物體的慣性引起的載荷，如重力加速度，角速度和角加速度。主要在結構分析中使用。Coupled-fieldloads（耦合場載荷）：為以上載荷的一種特殊情況，將一種分析的結果用作另一分析的載荷。例如，可施加磁場分析中計算的磁力做為結構分析中的力載荷。2/6/20233ANSYS入門及應用載荷步和子步

載荷步（loadstep）僅僅是為了獲得解答的載荷配置。線性靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）分析中，可以使用不同的載荷步施加不同的載荷組合：例如在第一個載荷步中施加風載荷，在第二個載荷步中施加重力載荷，在第三個載荷步中施加風和重力載荷以及一個不同的支承條件等等。瞬態(tài)分析中，多個載荷步加到載荷歷程曲線的不同區(qū)域，如圖7-1顯示了一個需要三個載荷步的載荷歷程曲線：第一個載荷步用于線性載荷，第二個載荷步用于不變載荷，第三個載荷步用于卸載。載荷值在載荷步的結束點達到全值（指定的值）。2/6/20234ANSYS入門及應用荷載的施加

大多數(shù)載荷既可以施加于實體模型（關鍵點、線和面）上也可以施加于有限元模型（節(jié)點和單元）上。但ANSYS的求解器期望所有載荷應該依附于有限元模型，因此，如果將載荷施加于實體模型，在開始求解時，ANSYS會自動將這些載荷轉(zhuǎn)換到節(jié)點和單元上，當然也可以通過命令轉(zhuǎn)換。優(yōu)點缺點實體模型圖元少，容易施加；改變單元網(wǎng)格后，荷載不改變當實體和有限元模型具有不同的坐標系時，加載的方向不同。有限元模型程序默認；在縮減分析中可將荷載直接施加在主節(jié)點上。修改網(wǎng)格劃分時，荷載將無效。需要刪除先前的荷載在新網(wǎng)格上重新施加。2/6/20235ANSYS入門及應用荷載的施加表7-1結構分析可用的載荷及其對應GUI路徑載荷形式類別命令GUI途徑Displacement（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ）ConstraintsDMainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>DisplacementForce/Moment（FX,FY,FZ,MX,MY,MZ）ForcesFMainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/MomentPressure（PRES）SurfaceLoadsSFMainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>PressureTemperature（TEMP）Fluence（FLUE）BodyLoadsBFMainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>TemperatureGravity,Spinning,etcInertiaLoadsMainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Other2/6/20236ANSYS入門及應用荷載的施加在分析過程中可以施加、刪除載荷，或?qū)d荷進行運算（比例縮放和將實體模型載荷轉(zhuǎn)換到有限元模型）。當然，所有的載荷操作均可通過GUI方式實現(xiàn)。步驟是：（1）在MainMenu>Solution>DefineLoads菜單中選擇載荷操作，如：Apply（施加），Delete（刪除），Operate（對載荷進行運算）等；

（2）選擇載荷形式，如：Displacement（位移）、Force/Moment（力和力矩）、Pressure（壓力）、Temperature（溫度）等；

（3）選擇加載的對象，如：OnKeypoints（關鍵點）、OnLines（線）、OnAreas（面）、OnNodes（節(jié)點）和OnElements（單元）等；

（4）指定載荷的方向和數(shù)值。2/6/20237ANSYS入門及應用荷載的施加例如要在一個節(jié)點上加位移載荷，可按如下步驟操作：（1）單擊GUI菜單：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes，將會彈出節(jié)點選擇對話框，要求選擇欲施加位移約束的節(jié)點（如圖7-2）。

（2）從有限元模型中拾取所要施加位移約束的節(jié)點，然后單擊OK按鈕，將彈出ApplyU,ROTonNodes（在節(jié)點上施加位移約束）對話框按鈕（如圖7-3）

2/6/20238ANSYS入門及應用荷載的施加表7-2結構分析中用于加載的各種命令載荷形式實體或FE模型圖素施加刪除列表運算加載設置DisplacementSolidModelKeypointsDKDKDELEEKLISTDTRAN

SolidModelLinesDLDLDELEDLLISTDTRAN

SolidModelAreasDADADELEDALISTDTRAN

FiniteElemnodesDDDELEDLISTDSCALEDCUMForceSolidModelKeypointsFKFKDELEFKLISTFTRANFCUM

FiniteElemnodesFFDELEFLISTFSCALE

PressureSolidModelLinesSFLSFLDELESFLLISTSFTRANSFGRAD

SolidModelAreasSFASFADELESFALISTSFTRANSFGRAD

FiniteElemnodesSFSFDELESFLISTSFSCALESFGRAD

FiniteElemelementsSFESFBEAMSFEDELESFELISTSFSCALESFGRADSFCUMTemperatrueSolidModelKeypointsBFKBFKDELEBFKLISTBFKTRAN

FiniteElemnodesBFBFDELEBFLISTBFSCALEBFCUM

FiniteElemelementsBFEBFEDELEBFELISTBFSCALEBFCUMInertia

ACELOMEQA

2/6/20239ANSYS入門及應用荷載步選項載荷步選項包括普通選項和非線性選項，這里主要講解普通載荷步選項，非線性選項將在后面非線性分析篇中進行詳細講解。通過GUI路徑：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&TimeStep，可以得到TimeandTimeStepOptions（時間和時間步選項）對話框，如圖7-4所示2/6/202310ANSYS入門及應用荷載步選項還可以通過其它不同的方式設置這些通用選項：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&Substeps，單擊菜單項后出現(xiàn)如圖7-5所示的TimeandSubstepOptions（時間和子步選項）對話框。2/6/202311ANSYS入門及應用荷載步選項這些對話框提供了靜力分析中用到的普通載荷步選項，他們包括：（1）TIME（時間）這個選項指定載荷步的終止時間。第一個載荷步的缺省值是1.0，以后每一個載荷步缺省都遞增1.0。盡管時間對靜力分析沒有物理意義（除了蠕變、粘塑性或其它的依材料性質(zhì)而定的行為），但涉及到載荷步、載荷子步時它是很方便的工具。此選項值不能為零，如果載荷步終止時間確實為零時（比如施加初始條件等特殊情況），可以指定一非常小的值。命令：TIMEGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&TimeStep2/6/202312ANSYS入門及應用荷載步選項（2）NSUBST（子步數(shù)）和DELTIM（時間步大小）對瞬態(tài)分析需要指定一個載荷步中需用的子步數(shù)，子步數(shù)可以通過不同的方法確定：通過指定載荷子步的時間步大小讓ANSYS自動計操作數(shù)步數(shù)命令：DELTIMGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&TimeStep此項可以給出載荷子步的時間不大小，然后ANSYS程序根據(jù)整個載荷步的長度計算出子步數(shù)。載荷子步的時間步大小由圖7-4中的Timestepsize（時間步大小）文本框的輸入決定。通過直接指定載荷子步數(shù)確定子步數(shù)命令：NSUBSTGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequenc>TimeandSubstps缺省情況下，ANSYS程序在每個載荷步中使用一個子步，此子步的時間長度與載荷步的時間長度相同。載荷子步數(shù)由圖7-5中Numberofsubsteps（載荷子步數(shù)）文本框的輸入決定。2/6/202313ANSYS入門及應用荷載步選項（2）NSUBST（子步數(shù)）和DELTIM（時間步大?。λ矐B(tài)分析需要指定一個載荷步中需用的子步數(shù)，子步數(shù)可以通過不同的方法確定：通過指定載荷子步的時間步大小讓ANSYS自動計操作數(shù)步數(shù)命令：DELTIMGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&TimeStep此項可以給出載荷子步的時間不大小，然后ANSYS程序根據(jù)整個載荷步的長度計算出子步數(shù)。載荷子步的時間步大小由圖7-4中的Timestepsize（時間步大小）文本框的輸入決定。通過直接指定載荷子步數(shù)確定子步數(shù)命令：NSUBSTGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequenc>TimeandSubstps缺省情況下，ANSYS程序在每個載荷步中使用一個子步，此子步的時間長度與載荷步的時間長度相同。載荷子步數(shù)由圖7-5中Numberofsubsteps（載荷子步數(shù)）文本框的輸入決定。2/6/202314ANSYS入門及應用荷載步選項（3）KBC（斜坡或階躍選項）這個選項用來確定本載荷步所加的載荷值是階躍加載（KBC,1），還是斜坡形式加載（KBC,0）。如果是階躍加載，全部載荷值加在了第一個載荷子步，后續(xù)載荷子步的載荷值和第一個子步的結束時刻保持同值。缺省時是斜坡加載，每個子步的載荷值順次線性增加。此選項對應圖7-4和7-5中的Steppedorrampedb.c.（斜坡或階躍載荷），當選取Stepped時，對應于“KBC，1”，載荷階躍施加，指定為Ramped時，對應于“KBC，0”，載荷斜坡施加。命令：KBCGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&TimeStepMainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequenc>TimeandSubstps2/6/202315ANSYS入門及應用荷載步選項（4）AUTOTS（自動時間步）此選項對應圖7-4和7-5中的Automatictimestepping（自動時間步），激活此選項時，ANSYS自動計算每個子步結束時的最優(yōu)的時間步。缺省為ProgChosen（程序選擇）。命令：AUTOTSGUI：MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequence>Time&TimeStep/Time&Substeps此選項的作用也是為了確定載荷子步的個數(shù)?？梢灾付ㄗ畲蠛妥钚≥d荷子步數(shù)或者最長和最短時間步數(shù)對此選項進行控制。2/6/202316ANSYS入門及應用求解ANSYS求解有限元法生成的聯(lián)立方程的結果為：（1）節(jié)點的自由度值，為基本解；（2）原始解的導出值，為單元解。ANSYS程序有幾種解聯(lián)立方程的方法：

直接解法；稀疏矩陣直接解法；雅克比共軛等值法（JCG）；不完全喬類斯基共軛等值法（ICCG）；條件共軛等值法（PCG）；自動等值法（ITER）；

缺省為直接解法2/6/202317ANSYS入門及應用求解通過下列方法進入求解器命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution如圖7-8所示為默認情況（分析類型為靜力分析）下的求解器菜單形式。2/6/202318ANSYS入門及應用求解開始新的分析命令：ANTYPEGUI：MainMenu>Solution>NewAnalysis選擇新的分析需要指定分析類型，在單擊菜單路徑MainMenu>Solution>NewAnalysis后，將會彈出NewAnalysis（新的分析）對話框，如圖7-9所示。在圖示的窗口中可以指定欲進行的分析的分析類型，比如Static（靜力分析）、Modal（模態(tài)分析）、Harmonic（諧響應分析）、Transient（瞬態(tài)分析）以及Spectrum（譜分析）等。選定新的分析類型后，單擊OK按鈕確定。確定后，對應于不同的分析類型可能會彈出進一步的設定對話框或者出現(xiàn)不同的菜單選項。例如圖7-10是當分析類型被指定為Modal（模態(tài)）分析時求解選項菜單的形式，可以與圖7-8作一下對比。2/6/202319ANSYS入門及應用求解-模態(tài)分析模態(tài)分析

模態(tài)分析被用來求解一個結構或機器零件的振動特性（固有頻率和模態(tài)形狀）。模態(tài)分析往往是其它更詳細分析的起點。模態(tài)分析在特殊情況下的應用：存在預應力結構的模態(tài)分析，例如旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片循環(huán)對稱結構的模態(tài)分析，可以只建立循環(huán)對稱結構的部分模型來計算整個結構的模態(tài)形狀2/6/202320ANSYS入門及應用進行模態(tài)分析：建模－此過程與其它分析基本相同a.指定作業(yè)名和分析標題b.定義單元類型c.定義單元實常數(shù)d.定義材料常數(shù)（必須包括密度）e.建立幾何模型注意：在進行模態(tài)分析時，非線性特性如塑性和接觸單元被忽略。