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ANSYS工程结构线性静力分析

结构分析是有限元方法中最常用的一个领域。结构分析用于确定结构的位移、变形、应力、应变等。结构这个术语是一个广义的概念,它包括汽车结构如车身骨架,海洋结构如船舶结构,航空结构如飞机机身,还包括机械零部件如活塞、传动轴等。
工具/原料

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方法/步骤
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结构分析主要有以下7种类型:①静力分析:用于求解在静力载荷作用下结构的位移与应力等。静力分析包括线性和非线性分析。非线性分析包括塑性、大变形、大应变、接触、超弹性、应力刚化和蠕变等。②模态分析:用于求解结构的固有频率与模态。③谱分析:用于计算由于随机振动(响应谱或PSD输入)引起的应力和应变。谱分析是模态分析的扩展。④谐响应分析:用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。

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⑤瞬态动力学分析:用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应,并且考虑到静力分析中的非线性行为。⑥屈曲分析:用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。结合瞬态动力学分析可以实现非线性的屈曲分析。⑦显示动力学分析:用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。结构分析除了以上7种常见类型以外,ANSYS还可进行断裂分析,复合材料分析,疲劳分析等。

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静力分析计算结构在固定不变的载荷作用下的响应。它不考虑惯性和阻尼的影响,也不考虑载荷随时间变化。固定不变的载荷和响应是一种假设,即假定载荷和结构的响应随时间变化非常的微小。因此,静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力),以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义

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静力分析中的所施加的载荷包括:外部施加的作用力和压力;稳定的惯性力(如重力和离心力);位移载荷;温度载荷(对于温度应变);能流(对于核能膨胀)。静力分析包括线性和非线性分析。非线性分析包括塑性、大变形、大应变、接触、超弹性、应力刚化和蠕变等。本节主要讨论线性静力分析,非线性静力分析在第十章中介绍。

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ANSYS的静力分析一般包括以下6个步骤:建模;设置求解控制;设置其他求解选项;施加载荷;求解;检查分析结果.

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建模建模包括指定工作文件名和分析标题,定义单元类型、实常数、材料属性、创建几何模型和划分网格。这一步是对线性和非线性分析都是必须的,也是其他类型分析中所必须要做的工作。完成上述设置后,生成有限元模型。其中,单元类型必须指定为线性或非线性结构单元类型。材料属性可以是线性或非线性,各项同性或正交各向异性,常数或与温度相关的:必须定义材料刚度(如弹性模量EX、超弹性系数等);对于惯性载荷(如重力、加速度等),必须定义材料的质量(如密度DENS);对于温度载荷,必须定义热膨胀系数ALPX。划分网格时,对于网格的密度,原则上网格密度越大,单元越多,结果就更符合实际,但是由于网格密度的提高会直接影响到求解时间,所以在应力或应变急剧变化的区域可细分网格;在考虑非线性的影响时,要用足够的网格来得到非线性效应。

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设置求解控制设置求解控制包括定义分析类型、一般分析选项和指定载荷步选项。当进行结构静力分析时,用户可通过“求解控制”对话框来设置。该对话框对于大多数结构静力分析都已设置有合适的默认,用户仅需做一些微小的设置调整即可。

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在静力求解的控制,首先应选择分析类型为静力(GUI: 【ANSYS Main Menu】/【Solution】/【Anslysis Type】/【New Analysis】/【Static】)。默认的结构分析类型即为静力分析,所以分析类型如果是静力分析可以不进行设定,若非静力分析,则需要设定。对于静力分析而言,如果问题的模型比较大,一般可以选择迭代求解器进行求解,这样求解速度会比直接求解器快很多。结构的迭代求解器一般选择PCG(预条件共轭梯度求解器),详见Sol'n Options标签。

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在设置 Analysis Options 时,如果进行一个新的分析并忽略大变形效应(如大挠度、大转角、大应变)时,请选择“Small Displacement Static”项。如果预期有大挠度(如弯曲的长细杆)或大应变(如金属形成问题),则选择“Large Displacement Static”。如想重启动一个失败的非线性分析,或者用户已进行了完整的静力分析,而想指定其他载荷,则选择“Restart Current Analgsis”项。

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在设置Time Control 时,载荷步选项指定该载荷步末的时间,缺省值为1。对于后续的载荷步,缺省为1加方程求解器的基本介绍:Program chosen solver:程序选择求解器(ANSYS 将根据问题的领域自动选择一个求解器);Sparse direct:稀疏矩阵求解器(对线性和非线性、静力和完全瞬态分析,为缺省项);Pre-Condition CG:PCG求解器(对于大模型/高波前,巨形结构推荐使用);Iterative:叠代求解器(自动选择;只适用于线性静力/完全瞬态结构分析,或稳态温度分析;推荐)

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