ANSYS 17.0中文版有限元分析从入门到精通
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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。

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:“开始”> “所有程序”> ANSYS 17.0 > Mechanical APDL Product Launcher 17.0

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: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。

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: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。

图1-6 单元类型对话框

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。

图1-7 单元类型库对话框

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 K3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。

图1-8 定义PLANE183单元选项对话框

3．定义单元实常数

          GUI: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文本框中输入“0.5”。

图1-9 定义实常数对话框

图1-10 选择要定义实常数单元对话框

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: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。

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。

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: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，在其中设置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设置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。

图1-14 创建矩形对话框

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: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。

图1-16 图形编号对话框

图1-17 不同颜色显示的矩形示意图

（3）绘制圆形。

          GUI: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。

图1-18 绘制圆形对话框

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: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。

图1-20 布尔加运算结果

（5）创建倒角。

选择实用菜单中的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。

图1-21 图形编号对话框

选择主菜单中的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。

图1-22 创建倒角对话框

图1-23 创建生成的两直线倒角

选择主菜单中的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。

图1-24 创建生成的倒角面积

选择主菜单中的Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > Areas命令，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: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。

图1-25 创建两个小圆

选择主菜单中的Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas命令，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。

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

选择主菜单中的Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令，在弹出如图1-27所示的MeshTool工具栏中，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。返回到如图1-27所示的MeshTool工具栏中单击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。

图1-27 网格划分工具栏

图1-28 划分网格单元尺寸对话框

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。

选择主菜单中的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。

选择主菜单中的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。

图1-30 施加位移约束对话框

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。

选择主菜单中的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。

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。

选择主菜单中的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。

图1-33 /STATUS Command对话框

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:Main Menu > General Postproc > Read Results > first set

2．绘制变形图

          GUI: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。

图1-35 画变形图对话框

图1-36 变形图

3．画托架等效应力分布图

          GUI: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栏中先选择Stress，再选择von Mises stress选项，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。

图1-37 Contour Nodal Solution Data对话框

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。

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