![ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通 (清华社视频大讲堂大系)](https://wfqqreader-1252317822.image.myqcloud.com/cover/268/27110268/b_27110268.jpg)
1.4 实例入门—托架受力分析
为了使读者能够更清楚地了解ANSYS程序的有限元分析和计算过程,本节以一个角托架实例来详细介绍ANSYS分析问题的全过程。
1.4.1 分析实例描述
本实例是关于一个角托架的简单加载,线性静态结构分析问题,托架的具体形状和尺寸如图1-4所示。托架左上方的销孔被焊接完全固定,其右下角的销孔受到锥形的压力载荷,角托架的材料为A36优质钢。因为角托架在Z方向的尺寸相对于其在X和Y方向的尺寸来说很小,并且压力载荷仅作用在X、Y平面上,因此可以认为这个分析为平面应力状态。角托架的材料参数为弹性模量E=30e6psi,泊松比v=0.27。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0026_0001.jpg?sign=1738916706-2sPBbv6icN5sU5MIt5maymn7aJ1sCTLG-0-dd882bb91ceed702fda55437840c95ac)
图1-4 托架图
1.4.2 建立模型
1.指定工作文件名和分析标题
(1)指定工作文件名。
GUI方式:“开始”> “所有程序”>ANSYS 15.0>Mechanical APDL Product Launcher 15.0。
以交互式启动ANSYS程序,将初始工作文件名设置为Bracket,并单击Run按钮进入ANSYS用户界面。
(2)定义分析标题。
GUI方式:Utility Menu > File > Change Title。
执行以上命令后,弹出如图1-5所示对话框,在其中输入stress in a bracket作为ANSYS图形显示时的标题。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0027_0001.jpg?sign=1738916706-Ny7rYMj8D1UngWUWYEoODoTTyMTRq50v-0-b5554c1d6ace670b19cfca256078cc07)
图1-5 修改标题对话框
2.定义单元类型
每一个ANSYS分析中都必须定义单元类型,本例中需要用到的单元类型为PLANE183单元,是一个8节点的二维二次结构单元。
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete。
执行以上命令后,弹出如图1-6所示对话框。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0027_0002.jpg?sign=1738916706-T62L4Q1GjVI0X0w5Lz1iHoBnHLKBa4M4-0-553da4386b0f6919139a1b10ad045beb)
图1-6 增加单元对话框
单击Add按钮,弹出如图1-7所示对话框,在左侧的列表框中选择Solid单元,在右侧列表框中选择8 node 183单元,也就是PLANE183单元。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0027_0003.jpg?sign=1738916706-43wbs94bbnlMXkj9JrjYwYqPM6xehLUt-0-45c09c2705d35ab70c0879c9a84bfac5)
图1-7 单元类型选择单元对话框
单击OK按钮,这时返回到图1-6所示对话框,单击Options按钮,弹出如图1-8所示定义PLANE183单元选项对话框。在Element behavior后面的下拉列表框中选择Plane strs w/thk选项后,单击OK按钮完成定义单元类型。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0028_0001.jpg?sign=1738916706-1lPCpW0QquCaqr7UKM8OizC3iDB48WrL-0-9ad32256c0ce08f4813c7fca626bf489)
图1-8 定义PLANE183单元选项对话框
3.定义单元实常数
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete。
执行以上命令后,弹出如图1-9所示定义实常数对话框,单击Add按钮,弹出如图1-10所示要定义实常数单元对话框,选中PLANE183单元后,单击OK按钮,弹出如图1-11所示定义单元厚度对话框,在THK后面的文本框中输入0.5。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0028_0002.jpg?sign=1738916706-ZrQP9hBzbq5hsjQhafbD9d794jGJfeGY-0-ffa44141bbfa91dc0c42fabc36fd50b1)
图1-9 定义实常数对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0028_0003.jpg?sign=1738916706-iftEDZcO2qUGFT0U9pRNcM37yyWRhej6-0-ad115c0d273e9ec61eafe1a1b405248c)
图1-10 选择要定义实常数单元对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0028_0004.jpg?sign=1738916706-Q0nqezmkfwVrj1aRfttMm8mk1uJFNRbC-0-5875427b53fe388ff21435e67abc8ae1)
图1-11 定义单元厚度对话框
4.定义材料特性
托架的材料为A36钢,需要定义托架的弹性模量和泊松比。
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models。
执行完以上命令后,弹出如图1-12所示定义材料属性对话框。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0029_0001.jpg?sign=1738916706-CN9roK317oLIvKcApt7fzBUBfarThbWy-0-ca38fd73ff9b1775113fc5f3a1de76eb)
图1-12 定义材料属性对话框
在这个对话框中依次选择Structural > Linear > Elastic > Isotropic选项,表示选中结构分析中的线弹性各向同性材料。这时弹出如图1-13所示定义弹性模量和泊松比对话框,在其中输入弹性模量EX为30E6,泊松比PRXY为0.27,再单击OK按钮关闭该对话框。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0029_0002.jpg?sign=1738916706-WPZQBJGiwDmEoicENtT41LJYq40yYFTi-0-e8af154aa91ba596d09253a75c8c6003)
图1-13 定义弹性模量和泊松比对话框
5.建立几何模型
(1)定义矩形。
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Area > Rectangle > by Dimensions。
执行以上命令后,弹出如图1-14所示对话框,在其中输入X1=0, X2=6, Y1=-1, Y2=1。单击Apply按钮生成一个矩形。接着继续在对话框中输入X1=4, X2=6, Y1=-1, Y2=-3,单击OK按钮生成第二个矩形。生成的两个矩形如图1-15所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0029_0003.jpg?sign=1738916706-U56n6nTRLjQpOHqLJvRs5q5nD2PZkwdY-0-ba07fe4d50be92d7fc3015cbbedd9b6f)
图1-14 创建矩形对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0029_0004.jpg?sign=1738916706-91AjtKVfEW0hyc496BFrqwR3Jbxwrshj-0-7246c1c58a6f6ca379b4ead1c5de3507)
图1-15 矩形示意图
(2)改变图形控制。为了将不同的面积用不同颜色的图形进行区分,可以在ANSYS中用以下菜单命令进行设置。
GUI方式:Utility Menu > PlotCtrls > Numbering。
执行完以上命令后,弹出如图1-16所示对话框,将Area numbers设置为On,单击OK按钮。此时,两个矩形即可以不同的颜色显示,如图1-17所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0030_0001.jpg?sign=1738916706-s3HBhI56cz7LIZKv28e1MIVHd25lPIPk-0-3ff4dfa7514434cce61ac8f1d9409987)
图1-16 图形编号对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0030_0002.jpg?sign=1738916706-5mumSTp8Om6O3AfPgp4PDOf7XVAb8NNo-0-897addad8dc724d236704d10a9ab0bbe)
图1-17 不同颜色显示的矩形示意图
(3)绘制圆形。
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Area > Circle > Solid Circle。
执行完以上命令后,弹出如图1-18所示对话框,在对话框中设置X=0, Y=0, Radius=1,单击Apply按钮,生成托架左上角圆。接着继续在对话框中设置X=5, Y=-3, Radius=1,单击OK按钮生成托架右下角圆,如图1-19所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0031_0001.jpg?sign=1738916706-yfgrYcySypxzkNcVklSlF4Q1BcVvjYHU-0-419f9cec8aad1089aadb4babdc6cb708)
图1-18 绘制圆形对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0031_0002.jpg?sign=1738916706-zmw93LNrZLUcziefUyC5z2wRXbg1thMx-0-cee4e99ec125a9e47557e4ba034ad986)
图1-19 圆形和矩形示意图
接着单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮进行存盘。在ANSYS操作中经常进行存盘是很重要的,这样可在出现操作错误时,用RESUME命令恢复到以前的数据文件状态。
(4)布尔加运算。
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas。
执行完这个命令后,在弹出的对话框中单击Pick All按钮,这时两个矩形和两个圆形就组合为一个整体,如图1-20所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0031_0003.jpg?sign=1738916706-Ux6dZORuOWwrQgC3kxDiptEd0ngvBz7k-0-e83688a853a94663db79165366d9eb07)
图1-20 布尔加运算结果
(5)创建倒角。
执行GUI方式:Utility Menu > PlotCtrls > Numbering命令后,弹出如图1-21所示对话框,打开其中的Line numbers设置,这样图形中每条线会显示一个标号。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0032_0001.jpg?sign=1738916706-oOkR8YT6Yy8fRBRLaU7F8O4A1fLBfxO9-0-ff03c3db68242da6292450ca3e140d7c)
图1-21 图形编号对话框
接着执行GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Line Fillet命令后,在弹出的对话框中选择L17和L8两条线,单击OK按钮,然后在Fillet radius文本框中输入0.4,如图1-22所示,再单击OK按钮便生成这两条直线的倒角,如图1-23所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0032_0002.jpg?sign=1738916706-j0weIJPz13ZVFqiS5WrUnUXjHkrl6Qc3-0-cff34dbfa9343c53dc3c52b51786a15b)
图1-22 创建倒角对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0032_0003.jpg?sign=1738916706-IbOvx19CxvxyQnTo3XbhMFBgZIrR43eI-0-ebd2ba70d16e02570e366f86eefeb195)
图1-23 创建生成的两直线倒角
执行GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Area > Arbitrary > By Lines命令,在弹出的对话框中选择L1、L4和L5这3条直线,单击OK按钮,即生成如图1-24所示倒角面积。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0033_0001.jpg?sign=1738916706-0Ap5VzLfYHBId7yeIdHNsm4SBk2Gf7Hx-0-e257d9938791fbba21dc75f21d4697cd)
图1-24 创建生成的倒角面积
执行GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas命令后,在弹出的对话框中单击Pick All按钮,将所有面积组合在一起。
单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮进行存盘。
(6)创建托架的圆孔。
GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Circle > Solid Circle。
执行完以上命令后,弹出绘制圆形对话框,在对话框中设置X=0, Y=0, Radius=0.4。单击Apply按钮,生成托架左上角小圆。接着继续在对话框中设置X=5, Y=-3, Radius=0.4,单击OK按钮生成托架右下角小圆,如图1-25所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0033_0002.jpg?sign=1738916706-4rDQhpYqOKpNiQjuz7exUI9melk7Oi2u-0-c977928b96fc7b677a8fbb84e7b97c91)
图1-25 创建两个小圆
执行GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas命令后,在弹出的对话框中选择托架为布尔减运算基体,单击Apply按钮,接着选择刚创建的两个小圆作为被减去的部分,单击OK按钮后即生成托架的两个圆孔,如图1-26所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0033_0003.jpg?sign=1738916706-sq4Aj0VScNCJT3B3vNYSYYUUzg8xVCwV-0-da33d2a983dfb9633cc254599b5f0863)
图1-26 布尔减运算生成托架圆孔
单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮进行存盘。
6.网格划分生成有限元模型
执行GUI方式:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令,在弹出如图1-27所示的MeshTool工具条中,单击Size Controls组中Global后的Set按钮,弹出如图1-28所示的划分网格单元尺寸对话框,在SIZE文本框中输入0.5,单击OK按钮。返回到图1-27所示的MeshTool工具条中,单击Mesh按钮,在弹出的对话框中单击Pick All按钮,生成有限元模型,如图1-29所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0033_0004.jpg?sign=1738916706-DiQnn6CwrHrnz9oLtU5uBDVK53NPc7TL-0-bf740ce76fee42bb67cc18a76c0824a9)
图1-27 网格划分工具栏
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0034_0001.jpg?sign=1738916706-hZU89Mu6cZAWv8CUOojmtxcKfRtqydjT-0-40538b7368309d11eedf872f5d7ac1ae)
图1-28 划分网格单元尺寸对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0034_0002.jpg?sign=1738916706-uzQ4Ub0x3JhFPMCazRsTP4SYpdGx7kCD-0-03e40fe4c07fdb1a0d1382576d639593)
图1-29 划分网格后的托架有限元模型
单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮进行存盘。
(1)选择分析选项。
执行GUI方式:Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis命令,在弹出的选择分析选项对话框中选择Static,单击OK按钮。
(2)施加位移约束。
执行GUI方式:Main Menu > Solution > Define Load > Apply > Structural > Displacement > On Lines命令,在弹出的对话框中选择托架左圆孔处4根线(L4、L5、L6、L7),单击OK按钮,弹出如图1-30所示对话框,在DOFs to be constrained后的列表框中选择ALL DOF选项,在Displacement value文本框中输入0,单击OK按钮,就完成托架左上角圆孔施加位移约束,如图1-31所示。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0034_0003.jpg?sign=1738916706-kTPeEQwUvyOUNZiPYUqfLjzKqtqSNRzA-0-84bc18fd0e850c73fc7c1644978f45db)
图1-30 施加位移约束对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0035_0001.jpg?sign=1738916706-wLBysEmYkje4CPXXpSq4lFosGbCypyHA-0-078148bd7fb9a627acb1642d3925bfe6)
图1-31 施加位移约束
单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮进行存盘。
(3)施加压力载荷。
执行GUI方式:Main Menu > Solution > Define Load > Apply > Structural > Pressure > On Lines命令,弹出对话框后,选择托架右下角圆孔的左下弧线L11,单击OK按钮,弹出如图1-32所示对话框。在上面的文本框中输入50,在下面的文本框中输入500,单击Apply按钮,弹出对话框后,选择托架右下角圆孔的右下弧线L12,单击OK按钮,再次弹出如图1-32所示对话框,在上面的文本框中输入500,在下面的文本框中输入50,单击OK按钮就完成了对圆孔的压力载荷施加。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0035_0002.jpg?sign=1738916706-mpVLXLKgd4W7cHFHv5XxuXbtUQidwxbE-0-402c162ac2844af599a49530dbedf028)
图1-32 施加压力载荷对话框
(4)保存模型。
单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮,保存文件。
(5)求解。
执行GUI方式:Main Menu > Solution > Solve > Current LS命令后,弹出/STATUS Command对话框和Solve Current Load Step对话框,如图1-33和图1-34所示。核查/STATUS Command对话框中的内容,确认正确后,单击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮,ANSYS程序就开始计算。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0035_0003.jpg?sign=1738916706-pNGU2YJnWCm5XPOguoPQplACo2IO8YDU-0-a49a19f7260c8b740efa9567e21a618f)
图1-33 /STATUS Command对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0035_0004.jpg?sign=1738916706-NDvqBIXsnuAEMTAs6dvwxjSBHysA10Jr-0-7442e7779485df30b1698d0456fe208d)
图1-34 Solve Current Load Step对话框
计算完成后,会出现一个信息框,提示求解已经完成,单击OK按钮关闭提示框。
1.4.3 查看计算结果
1.读入结果文件
GUI方式:Main Menu > General Postproc > Read Results > first set。
2.绘制变形图
GUI方式:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Deformed Shape。
执行这个命令后,弹出如图1-35所示对话框,选中Def+undeformed单选按钮,单击OK按钮,得到如图1-36所示的托架受载荷作用下的变形图。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0036_0001.jpg?sign=1738916706-XBtGWtAeTx0mrGQtAE0MR3u0UqWIOlQi-0-96373b679a637fec3670e0e4c3346fca)
图1-35 画变形图对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0036_0002.jpg?sign=1738916706-Rd4Qf2k8nOQ63GxSLrYNrGBfwGycfY0Y-0-a34a0c31de86e6ff7eb2ce2eb333b87a)
图1-36 变形图
3.画托架等效应力分布图
GUI方式:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu。
执行这个命令后,弹出如图1-37所示对话框,在Item to be contoured栏中先单击Stress,再单击von Mises stress,然后单击OK按钮,得到如图1-38所示的托架等效应力分布图。
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0037_0001.jpg?sign=1738916706-OIxyVKhVWpehMdCLFjKfwAeRGebiFsVh-0-9957771e1d9f069fb6bd757136f1b3e6)
图1-37 Contour Nodal Solution Data对话框
![](https://epubservercos.yuewen.com/CF06B3/15477635505559006/epubprivate/OEBPS/Images/figure_0037_0002.jpg?sign=1738916706-D4Z4vs1DxfsyKRSFcVtql3gEKmBzR6XI-0-bf65bade7afabf1c3701a5dba801bafc)
图1-38 等效应力分布图
4.保存结果文件
单击ANSYS Toolbar工具条中的SAVE_DB按钮保存文件。
通过以上操作就完成了一个实例的ANSYS分析过程,用户可以单击ANSYS Toolbar工具条中的QUIT按钮退出ANSYS程序。