彈性力學仿真軟件：ANSYS：結(jié)構(gòu)靜力學分析基礎(chǔ)

彈性力學仿真軟件：ANSYS：結(jié)構(gòu)靜力學分析基礎(chǔ)1彈性力學與ANSYS概述1.1彈性力學基礎(chǔ)彈性力學是研究彈性體在外力作用下變形和應(yīng)力分布的學科。它主要關(guān)注材料在彈性范圍內(nèi)對力的響應(yīng)，包括線性彈性理論和非線性彈性理論。在工程設(shè)計中，彈性力學用于預(yù)測結(jié)構(gòu)在不同載荷下的行為，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。1.1.1線性彈性理論線性彈性理論假設(shè)材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，遵循胡克定律。對于三維問題，胡克定律可以表示為：σ其中，σij是應(yīng)力張量，?kl1.1.2非線性彈性理論非線性彈性理論適用于材料在大變形或高應(yīng)力狀態(tài)下的行為。此時，材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系不再是線性的，需要更復雜的模型來描述，如超彈性模型或彈塑性模型。1.2ANSYS軟件介紹ANSYS是一款廣泛應(yīng)用于工程分析的仿真軟件，它提供了強大的有限元分析能力，可以解決復雜的結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和多物理場問題。在結(jié)構(gòu)靜力學分析中，ANSYS能夠精確計算結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。1.2.1軟件界面ANSYS的用戶界面包括以下幾個主要部分：前處理器：用于創(chuàng)建模型、網(wǎng)格劃分和定義材料屬性。求解器：執(zhí)行有限元分析，計算結(jié)果。后處理器：查看和分析計算結(jié)果，包括應(yīng)力、應(yīng)變和位移的可視化。1.3ANSYS軟件界面介紹1.3.1前處理器在前處理器中，用戶可以進行以下操作：幾何建模：通過導入CAD模型或使用內(nèi)置工具創(chuàng)建幾何形狀。網(wǎng)格劃分：將模型劃分為小的單元，以便進行有限元分析。定義材料屬性：輸入材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)。施加載荷和邊界條件：定義結(jié)構(gòu)上的力、壓力和約束。1.3.1.1示例：創(chuàng)建一個簡單的梁模型#ANSYSPythonAPI示例代碼

#創(chuàng)建一個簡單的梁模型并進行網(wǎng)格劃分

#導入必要的庫

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

#啟動ANSYS

mapdl=launch_mapdl()

#進入前處理器模式

mapdl.prep7()

#創(chuàng)建一個矩形梁

mapdl.et(1,'SHELL181')#選擇殼單元類型

mapdl.r(1,100)#設(shè)置材料屬性

mapdl.mp('EX',1,200e3)#彈性模量

mapdl.mp('PRXY',1,0.3)#泊松比

mapdl.rectng(0,10,0,1)#創(chuàng)建一個10x1的矩形

#網(wǎng)格劃分

mapdl.esize(1)#設(shè)置單元大小

mapdl.amesh('ALL')#對所有區(qū)域進行網(wǎng)格劃分1.3.2求解器在求解器中，用戶可以：設(shè)置分析類型：選擇靜力學分析。求解：運行分析，計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。1.3.2.1示例：施加載荷并求解#繼續(xù)使用上述的PythonAPI示例

#施加載荷并求解

#施加邊界條件

mapdl.nsel('S','LOC','Y',0)#選擇y=0的節(jié)點

mapdl.d('ALL','ALL')#固定所有自由度

#施加載荷

mapdl.f('ALL','FX',-100)#在所有節(jié)點上施加-100N的x方向力

#設(shè)置分析類型

mapdl.antype('STATIC')#設(shè)置為靜力學分析

#求解

mapdl.solve()1.3.3后處理器在后處理器中，用戶可以：查看結(jié)果：可視化應(yīng)力、應(yīng)變和位移。結(jié)果分析：提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如最大應(yīng)力和位移。1.3.3.1示例：查看位移結(jié)果#繼續(xù)使用上述的PythonAPI示例

#查看位移結(jié)果

#進入后處理器模式

mapdl.post1()

#查看位移

mapdl.set(1,1)#設(shè)置結(jié)果讀取的步數(shù)和子步

mapdl.prnsol('U')#打印位移結(jié)果通過以上步驟，用戶可以使用ANSYS進行結(jié)構(gòu)靜力學分析，從模型創(chuàng)建到結(jié)果分析，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)行為的全面理解。2彈性力學仿真軟件：ANSYS：結(jié)構(gòu)靜力學分析基礎(chǔ)-前處理2.1幾何模型創(chuàng)建在進行結(jié)構(gòu)靜力學分析之前，首先需要在ANSYS中創(chuàng)建幾何模型。這一步驟是基礎(chǔ)，它決定了后續(xù)分析的準確性。幾何模型可以是簡單的二維形狀，也可以是復雜的三維結(jié)構(gòu)。以下是使用ANSYSWorkbench創(chuàng)建一個簡單的二維梁的步驟：打開ANSYSWorkbench：啟動ANSYSWorkbench軟件，進入設(shè)計模型界面。選擇DesignModeler：在左側(cè)的項目樹中，選擇“Geometry”模塊下的“DesignModeler”。創(chuàng)建二維草圖：在DesignModeler中，選擇“Sketch”工具，繪制梁的截面形狀。例如，繪制一個矩形，長度為100mm，寬度為10mm。拉伸創(chuàng)建實體：選擇“Extrude”工具，將草圖沿Z軸方向拉伸，長度設(shè)為500mm，從而創(chuàng)建出一個三維實體梁。2.2材料屬性定義定義材料屬性是結(jié)構(gòu)分析中的關(guān)鍵步驟，它直接影響到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。在ANSYS中，可以通過“Material”模塊來定義材料屬性。以下是一個定義鋼材屬性的例子：打開Material模塊：在項目樹中，選擇“Material”模塊。創(chuàng)建材料：點擊“Createanewmaterial”，命名為“Steel”。定義屬性：在“Steel”材料下，定義彈性模量（E）為200e9Pa，泊松比（ν）為0.3，密度（ρ）為7850kg/m^3。#ANSYSAPDLPythonScriptforMaterialDefinition

#定義材料屬性

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

#創(chuàng)建鋼材材料

mapdl.run("/MP,Steel,E,200e9")

mapdl.run("/MP,Steel,NUXY,0.3")

mapdl.run("/MP,Steel,DENS,7850")2.3網(wǎng)格劃分技術(shù)網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的幾何體離散化為有限數(shù)量的單元，以便進行數(shù)值計算。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的準確性。在ANSYS中，可以使用“Mesh”模塊來控制網(wǎng)格的劃分。以下是一個簡單的網(wǎng)格劃分示例：打開Mesh模塊：在項目樹中，選擇“Mesh”模塊。選擇實體：在幾何模型中選擇要劃分網(wǎng)格的實體，例如前面創(chuàng)建的梁。設(shè)置網(wǎng)格控制：在Mesh模塊中，可以設(shè)置網(wǎng)格的大小、形狀和分布。例如，使用“Sizing”功能，設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸為10mm。生成網(wǎng)格：點擊“Mesh”按鈕，軟件將根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格控制生成網(wǎng)格。#ANSYSAPDLPythonScriptforMeshing

#網(wǎng)格劃分

fromansys.mapdl.coreimportlaunch_mapdl

mapdl=launch_mapdl()

#設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸

mapdl.run("*DIM,size,,,10")

mapdl.run("ESIZE,size")

#生成網(wǎng)格

mapdl.run("MESH,ALL")通過以上步驟，我們可以在ANSYS中完成一個結(jié)構(gòu)靜力學分析的前處理工作，包括幾何模型的創(chuàng)建、材料屬性的定義以及網(wǎng)格的劃分。這些是進行任何結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，確保了后續(xù)分析的準確性和可靠性。3加載與約束3.1施加力和載荷在ANSYS中，施加力和載荷是結(jié)構(gòu)靜力學分析的關(guān)鍵步驟。這涉及到在模型的特定區(qū)域或點上應(yīng)用外部力，以模擬實際工作條件。力和載荷可以是點載荷、面載荷、體載荷，也可以是溫度載荷、壓力載荷等。3.1.1示例：施加點載荷假設(shè)我們有一個簡單的梁模型，需要在梁的一端施加一個垂直向下的力。在ANSYSWorkbench中，可以通過以下步驟實現(xiàn)：在Solution中選擇“StaticStructural”。在Model樹中，選擇需要施加載荷的幾何體。在工具欄中，點擊“Loads”>“Force/Moment”。在彈出的對話框中，選擇“Force”，輸入力的大小和方向，例如：-1000N（垂直向下）。點擊“Apply”應(yīng)用載荷。3.2定義邊界條件邊界條件在結(jié)構(gòu)分析中用于限制模型的自由度，確保分析結(jié)果的準確性。常見的邊界條件包括固定約束、滑動約束、鉸鏈約束等。3.2.1示例：固定約束在ANSYS中，固定約束可以模擬結(jié)構(gòu)的一端被完全固定的情況。例如，對于上述的梁模型，我們希望固定一端，可以按照以下步驟操作：在Solution中選擇“StaticStructural”。在Model樹中，選擇需要施加固定約束的幾何體。在工具欄中，點擊“Loads”>“FixedConstraint”。點擊“Apply”應(yīng)用約束。3.3接觸對設(shè)置接觸對設(shè)置用于模擬兩個或多個物體之間的接觸行為，這對于分析復雜結(jié)構(gòu)（如齒輪、軸承等）至關(guān)重要。在ANSYS中，接觸對可以定義為“Bonded”（粘結(jié)）、“Frictionless”（無摩擦）、“Frictional”（有摩擦）等類型。3.3.1示例：定義接觸對假設(shè)我們有一個齒輪和軸的模型，需要模擬齒輪與軸之間的無摩擦接觸。在ANSYSWorkbench中，可以通過以下步驟定義接觸對：在Solution中選擇“StaticStructural”。在Model樹中，選擇“Contact”。點擊“+”添加接觸對。在彈出的對話框中，選擇“Target”和“Contact”面，例如：軸的外表面作為“Target”，齒輪的內(nèi)表面作為“Contact”。選擇接觸類型為“Frictionless”。點擊“Apply”應(yīng)用接觸對設(shè)置。通過以上步驟，我們可以在ANSYS中有效地施加力和載荷、定義邊界條件以及設(shè)置接觸對，為結(jié)構(gòu)靜力學分析提供必要的輸入。在實際操作中，這些步驟可能需要根據(jù)具體模型和分析需求進行調(diào)整，以確保分析結(jié)果的準確性和可靠性。4求解設(shè)置4.1靜力學分析類型選擇在進行結(jié)構(gòu)靜力學分析時，選擇正確的分析類型至關(guān)重要。ANSYS提供了多種靜力學分析選項，包括線性靜力學分析、非線性靜力學分析、模態(tài)分析等。對于基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)靜力學分析，我們通常選擇線性靜力學分析，它適用于在小變形和線性材料行為假設(shè)下的結(jié)構(gòu)分析。4.1.1示例：選擇線性靜力學分析在ANSYSWorkbench中，打開MechanicalAPDL模塊，創(chuàng)建一個新的StaticStructural項目。在項目樹中，可以看到“Solution”分支下有“AnalysisType”選項，點擊并選擇“StaticStructural”作為分析類型。4.2求解控制參數(shù)設(shè)置求解控制參數(shù)的設(shè)置直接影響分析的精度和效率。在ANSYS中，可以通過設(shè)置求解器選項、收斂準則、時間步長等參數(shù)來優(yōu)化分析過程。4.2.1示例：設(shè)置求解器選項在ANSYSWorkbench的MechanicalAPDL模塊中，進入“Solution”分支下的“SolutionInfo”選項卡，點擊“SolverSettings”。在彈出的對話框中，可以設(shè)置求解器類型（如Direct或Iterative）、求解器精度（如RelativeResidual和AbsoluteResidual）等參數(shù)。#ANSYSPythonAPI示例：設(shè)置求解器選項

#假設(shè)已經(jīng)通過API連接到ANSYSWorkbench

#設(shè)置求解器類型為Direct

ansys_solution.SetSolverType("Direct")

#設(shè)置相對殘差為1e-3

ansys_solution.SetRelativeResidual(1e-3)

#設(shè)置絕對殘差為1e-6

ansys_solution.SetAbsoluteResidual(1e-6)4.2.2示例：設(shè)置收斂準則收斂準則決定了求解過程何時停止。在ANSYS中，可以通過設(shè)置“ConvergenceCriteria”來調(diào)整收斂條件。#ANSYSPythonAPI示例：設(shè)置收斂準則

#假設(shè)已經(jīng)通過API連接到ANSYSWorkbench

#設(shè)置位移收斂準則為1e-4

ansys_solution.SetDisplacementConvergenceCriteria(1e-4)

#設(shè)置力收斂準則為1e-3

ansys_solution.SetForceConvergenceCriteria(1e-3)4.3運行靜力學分析完成分析類型選擇和求解控制參數(shù)設(shè)置后，即可運行靜力學分析。在ANSYSWorkbench中，這通常通過點擊“Solve”按鈕來實現(xiàn)。4.3.1示例：運行靜力學分析在ANSYSWorkbench的MechanicalAPDL模塊中，完成所有必要的設(shè)置后，點擊工具欄上的“Solve”按鈕，或在菜單中選擇“Solution”>“Solve”來啟動分析。#ANSYSPythonAPI示例：運行靜力學分析

#假設(shè)已經(jīng)通過API連接到ANSYSWorkbench

#運行靜力學分析

ansys_solution.Solve()在分析運行過程中，可以通過“SolutionMonitor”窗口查看求解進度和收斂情況。分析完成后，可以查看結(jié)果，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，以評估結(jié)構(gòu)的靜力學性能。以上示例代碼和步驟假設(shè)用戶已經(jīng)熟悉ANSYSWorkbench的基本操作，并且已經(jīng)通過PythonAPI建立了與ANSYS的連接。在實際操作中，用戶需要根據(jù)具體問題和模型調(diào)整分析類型和求解控制參數(shù)，以獲得最準確和高效的分析結(jié)果。5彈性力學仿真軟件：ANSYS：后處理技術(shù)教程5.1結(jié)果可視化在ANSYS中，結(jié)果可視化是分析后處理的關(guān)鍵步驟，它幫助工程師直觀理解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。ANSYS提供了多種工具來展示仿真結(jié)果，包括等值線圖、變形圖、矢量圖和動畫等。5.1.1等值線圖等值線圖是展示結(jié)構(gòu)上應(yīng)力、應(yīng)變或位移等參數(shù)分布的常用方法。例如，展示結(jié)構(gòu)上的vonMises應(yīng)力分布：#在ANSYS中生成vonMises應(yīng)力等值線圖

/post1

/contour,type=element,item=stress,comp=eqv

/plot這行代碼將生成結(jié)構(gòu)上的vonMises應(yīng)力等值線圖，/post1命令切換到后處理模式，/contour命令設(shè)置等值線的類型和參數(shù)，/plot命令則繪制圖形。5.1.2變形圖變形圖顯示結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形情況，有助于識別結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。#在ANSYS中生成變形圖

/post1

/contour,type=element,item=disp,comp=total

/plotdef,mode=total

/plot這里，/contour命令設(shè)置為顯示總位移，/plotdef命令設(shè)置變形模式，mode=total表示顯示總變形。5.2應(yīng)力應(yīng)變分析ANSYS提供了詳細的應(yīng)力應(yīng)變分析工具，幫助工程師評估結(jié)構(gòu)的強度和剛度。5.2.1應(yīng)力分析應(yīng)力分析通常關(guān)注vonMises應(yīng)力、主應(yīng)力和剪應(yīng)力等。例如，查詢特定節(jié)點的vonMises應(yīng)力：#查詢節(jié)點100的vonMises應(yīng)力

/post1

*get,stress_vonmises,node,100,s,eqv

print,stress_vonmises*get命令用于獲取特定節(jié)點的vonMises應(yīng)力值，print命令則輸出該值。5.2.2應(yīng)變分析應(yīng)變分析包括線應(yīng)變和剪應(yīng)變。查詢特定單元的線應(yīng)變：#查詢單元200的線應(yīng)變

/post1

*get,strain_linear,elem,200,e,exx

print,strain_linear這里，exx表示x方向的線應(yīng)變。5.3變形量檢查檢查結(jié)構(gòu)的變形量對于確保結(jié)構(gòu)的安全性和性能至關(guān)重要。5.3.1總變形量查詢結(jié)構(gòu)的最大總變形量：#查詢結(jié)構(gòu)的最大總變形量

/post1

*get,max_total_def,node,max,u,abs

print,max_total_defmax參數(shù)用于獲取最大值，abs表示計算絕對值。5.3.2局部變形量檢查特定區(qū)域的變形量，例如，查詢節(jié)點100到200之間的最大位移：#查詢節(jié)點100到200之間的最大位移

/post1

*dim,node_range,array,100,200

*get,max_disp,node,max,u,abs,node_range

print,max_disp*dim命令用于定義節(jié)點范圍，node_range是一個包含節(jié)點編號的數(shù)組。通過以上步驟，工程師可以全面評估結(jié)構(gòu)的靜力學性能，確保設(shè)計的安全性和可靠性。6案例分析6.1梁的彎曲分析在彈性力學仿真軟件ANSYS中，梁的彎曲分析是結(jié)構(gòu)靜力學分析的基礎(chǔ)案例之一。此分析主要關(guān)注梁在不同載荷作用下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變分布。梁的彎曲分析通常涉及以下步驟：模型建立：定義梁的幾何尺寸、材料屬性和網(wǎng)格劃分。載荷施加：在梁上施加力或力矩。邊界條件設(shè)置：固定梁的一端或兩端，以模擬實際的支撐條件。求解：運行靜力學分析，計算梁的響應(yīng)。結(jié)果后處理：查看和分析梁的變形、應(yīng)力和應(yīng)變。6.1.1示例：簡支梁的靜力分析假設(shè)我們有一根簡支梁，長度為1米，寬度為0.1米，高度為0.05米，材料為鋼，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。梁在中點受到垂直向下的力，大小為1000N。###ANSYSAPDL腳本示例

以下是一個使用ANSYSAPDL進行簡支梁靜力分析的腳本示例：

```apdl

/FILNAME,SIMPLE_BEAM,DAT

/PREP7

;定義材料屬性

MP,EX,1,200E9

MP,PRXY,1,0.3

;創(chuàng)建梁的幾何模型

ET,1,SOLID186

L,0,1,0,0

L,1,1,0,0.1

L,2,1,0.05,0.1

L,3,1,0.05,0

L,4,1,0,0

AL,1,2,3,4

LESIZE,ALL,0.1

;施加載荷

F,2,FY,-1000

;設(shè)置邊界條件

D,1,UX,0

D,1,UY,0

D,1,UZ,0

D,4,UX,0

D,4,UY,0

D,4,UZ,0

;生成網(wǎng)格

ESIZE,0.1

MESH,ALL

;求解

/SOLU

ANTYPE,0

SOLVE

;結(jié)果后處理

/POST1

PRNSOL,U

PRNSOL,S###解釋

-**/FILNAME,SIMPLE_BEAM,DAT**：設(shè)置文件名和類型，用于保存模型數(shù)據(jù)。

-**MP,EX,1,200E9**和**MP,PRXY,1,0.3**：定義材料的彈性模量和泊松比。

-**ET,1,SOLID186**：選擇實體單元類型。

-**L,0,1,0,0**等：創(chuàng)建梁的幾何模型。

-**F,2,FY,-1000**：在梁的中點施加垂直向下的力。

-**D,1,UX,0**等：設(shè)置梁兩端的邊界條件，限制所有方向的位移。

-**ESIZE,0.1**和**MESH,ALL**：設(shè)置網(wǎng)格尺寸并生成網(wǎng)格。

-**/SOLU**和**ANTYPE,0**：進入求解模式并設(shè)置分析類型為靜力分析。

-**SOLVE**：運行求解器。

-**/POST1**：進入后處理模式。

-**PRNSOL,U**和**PRNSOL,S**：輸出位移和應(yīng)力結(jié)果。

##平板受壓仿真

平板受壓仿真用于分析平板在壓力作用下的變形和應(yīng)力分布。平板可以是矩形、圓形或其他形狀，其受壓情況在工程設(shè)計中非常常見，如建筑結(jié)構(gòu)中的樓板、壓力容器的壁等。

###示例：矩形平板的受壓分析

假設(shè)我們有一塊矩形平板，尺寸為2米×1米，厚度為0.01米，材料為鋁，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33。平板受到均勻的垂直壓力，大小為1000Pa。

```markdown

###ANSYSAPDL腳本示例

```apdl

/FILNAME,PLATE_PRESSURE,DAT

/PREP7

;定義材料屬性

MP,EX,1,70E9

MP,PRXY,1,0.33

;創(chuàng)建平板的幾何模型

ET,1,PLANE182

R,1,0.01

L,1,0,2,0

L,2,2,2,1

L,3,0,0,1

L,4,0,2,1

AL,1,2,3,4

LESIZE,ALL,0.1

;施加載荷

SF,ALL,PRES,1000

;設(shè)置邊界條件

D,1,UX,0

D,1,UY,0

D,2,UX,0

D,2,UY,0

D,3,UX,0

D,3,UY,0

D,4,UX,0

D,4,UY,0

;生成網(wǎng)格

ESIZE,0.1

MESH,ALL

;求解

/SOLU

ANTYPE,0

SOLVE

;結(jié)果后處理

/POST1

PRNSOL,U

PRNSOL,S###解釋

-**/FILNAME,PLATE_PRESSURE,DAT**：設(shè)置文件名和類型。

-**MP,EX,1,70E9**和**MP,PRXY,1,0.33**：定義材料的彈性模量和泊松比。

-**ET,1,PLANE182**和**R,1,0.01**：選擇平面單元類型并設(shè)置厚度。

-**L,1,0,2,0**等：創(chuàng)建平板的幾何模型。

-**SF,ALL,PRES,1000**：在平板上施加均勻壓力。

-**D,1,UX,0**等：設(shè)置平板四角的邊界條件，限制所有方向的位移。

-**ESIZE,0.1**和**MESH,ALL**：設(shè)置網(wǎng)格尺寸并生成網(wǎng)格。

-**/SOLU**和**ANTYPE,0**：進入求解模式并設(shè)置分析類型為靜力分析。

-**SOLVE**：運行求解器。

-**/POST1**：進入后處理模式。

-**PRNSOL,U**和**PRNSOL,S**：輸出位移和應(yīng)力結(jié)果。

##結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計示例

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是利用仿真軟件來改進結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程，以達到減輕重量、降低成本或提高性能的目的。在ANSYS中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通常涉及形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

###示例：尺寸優(yōu)化

假設(shè)我們有一根鋼梁，需要在滿足強度和剛度要求的前提下，通過調(diào)整梁的高度和寬度來減輕重量。

```markdown

###ANSYSAPDL腳本示例

```apdl

/FILNAME,BEAM_OPTIMIZATION,DAT

/PREP7

;定義材料屬性

MP,EX,1,200E9

MP,PRXY,1,0.3

;創(chuàng)建梁的幾何模型

ET,1,BEAM188

R,1,0.1,0.05

L,1,0,1,0,0

AL,ALL

;施加載荷

F,2,FY,-1000

;設(shè)置邊界條件

D,1