102ANSYS分析實(shí)例

1、§10-2 ANSYS分析實(shí)例在上面介紹了ANSYS分析的基本過(guò)程以后，本節(jié)通過(guò)一些簡(jiǎn)單的實(shí)例來(lái)介紹ANSYS的具體應(yīng)用。除了這里介紹的計(jì)算實(shí)例，初學(xué)者也可在ANSYS程序內(nèi)通過(guò)helpANSYS tutorials調(diào)用ANSYS內(nèi)部實(shí)例教程的方法來(lái)對(duì)ANSYS的使用進(jìn)行初步的認(rèn)識(shí)。一、 平面應(yīng)力問(wèn)題有限元分析1 問(wèn)題描述如圖10-18所示片狀拉伸式樣，受載條件如圖10-19所示，求拉伸式樣的應(yīng)力應(yīng)變情況，設(shè)式樣材料為45#鋼。圖10-18 片狀拉伸式樣的幾何尺寸圖10-19 片狀拉伸式樣的載荷條件2 模型建立（1） 模型規(guī)劃首先，由于片狀拉伸式樣的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)符合平面應(yīng)力（厚度方向

2、沒(méi)有應(yīng)力）問(wèn)題的條件，因此仿真分析時(shí)可用平面模型來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。另外由于片狀拉伸式樣在結(jié)構(gòu)及載荷上均存在明顯的對(duì)稱特征，因此仿真分析可根據(jù)對(duì)稱規(guī)律進(jìn)行1/4簡(jiǎn)化。（2） 幾何模型幾何模型的建立如圖10-20所示，詳細(xì)過(guò)程如下。i. 建立關(guān)鍵點(diǎn)ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的對(duì)話框中分別填入1/4簡(jiǎn)化模型各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值：（0,0,0）、（0.05,0,0）、（0.05,0.01,0）、（0.04,0.01,0）、（0.04,0.005,0）、（0,0.005,0）。ii. 連線ANSYS main m

3、enuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line兩點(diǎn)一組依次點(diǎn)擊相臨的關(guān)鍵點(diǎn)形成連線。iii. 建立圓角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet選擇要建立圓角位置的兩相臨線，以0.005為圓角半徑建立圓角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇所有的線建立面。圖10-20 片狀拉伸式樣仿真分析幾何模型的建立過(guò)程（3） 材料模型ANSYS main

4、 menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic楊氏模量（EX）輸入2.1e11，波松比（PRXY）輸入0.3。（4） 有限元模型i. 選擇單元類型選擇42號(hào)二維平面四面形單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。將單元的特性定義為二維平面應(yīng)力：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeOptionsK3選擇Plane stressO

5、k。ii. 網(wǎng)格劃分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool彈出劃分網(wǎng)格工具條。在Smart Size選項(xiàng)前打?qū)L動(dòng)條等級(jí)調(diào)整為4點(diǎn)擊mesh窗口內(nèi)選擇平面OK?？傻媚Ｐ途W(wǎng)格如圖10-21所示。存盤(pán)（SAVE_DB）。圖10-21 片狀拉伸式樣仿真分析模型網(wǎng)格3 加載和求解（1） 施加位移邊界條件本分析中，位移邊界條件僅僅包括兩條對(duì)稱線上的對(duì)稱位移邊界條件。ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C. On Lines窗口內(nèi)選擇兩條中心線Ok。（

6、2） 施加載荷邊界條件在平面應(yīng)力應(yīng)變分析中，模型厚度為單位厚度，所以在施加集中力或均布力載荷時(shí)，載荷大小首先必須換算成單位厚度時(shí)的載荷大小。本分析中，式樣端部力的大小為1kN，均勻作用于式樣端部。計(jì)算時(shí)可按均布力來(lái)施加載荷。均布力大小為： （Pa）ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines窗口內(nèi)選擇端線Ok在VALUE Load PRES Value后面的方框內(nèi)填入-5e7（press代表壓力，負(fù)壓力即為拉力）OK。如果這時(shí)用顯示線的方法（下拉菜單PlotLines）來(lái)顯示模型，則施加邊界條件以后模型如圖

7、10-22所示。圖10-22 片狀拉伸式樣仿真分析模型載荷及邊界條件（3） 求解ANSYS main menuSolutionSolveCurrent LSOK。4 查看分析結(jié)果ANSYS main menuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Mises SEQVOK。45#鋼為塑性材料，其強(qiáng)度應(yīng)按第四強(qiáng)度理論計(jì)算，因此在查看計(jì)算結(jié)果時(shí)一般查看其等效應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力）的高低。模型等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10-23所示。圖10-23 片狀拉伸式樣仿真分析等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果二、 軸對(duì)稱問(wèn)題有限元分析1 問(wèn)題描

8、述圖10-24所示為某冷軋機(jī)壓下油缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及受載條件，試求油缸（不包括活塞）的應(yīng)力應(yīng)變情況，設(shè)油缸材料為40Cr鋼。2 模型建立（1） 模型規(guī)劃首先，由于油缸在結(jié)構(gòu)及載荷條件上均存在軸對(duì)稱規(guī)律，因此仿真分析時(shí)可用軸對(duì)稱模型來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。其次，油缸在工作過(guò)程中其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不但和載荷的大小有關(guān)，而且還和活塞的位置有關(guān)。如果想對(duì)油缸的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行全面的了解，則必須在油缸行程0100mm范圍內(nèi)變化活塞的位置來(lái)分析油缸的應(yīng)力應(yīng)變。在本例題中，我們僅取最危險(xiǎn)工況來(lái)進(jìn)行計(jì)算。顯然，在載荷相同的條件下，活塞的位置越高，油缸的應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱?，因此這里取活塞位于最高位時(shí)來(lái)進(jìn)行油缸的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算。為加載方便，幾

9、何建模時(shí)可在油缸內(nèi)壁活塞底部對(duì)應(yīng)位置建立輔助關(guān)鍵點(diǎn)。圖10-24 液壓油缸的幾何尺寸及受載條件（2） 幾何模型幾何模型的建立如圖10-25所示，詳細(xì)過(guò)程如下。i. 建立關(guān)鍵點(diǎn)ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的對(duì)話框中分別填入軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值：（0,0,0）、（0.5,0,0）、（0.5,0.43,0）、（0.36,0.43,0）、輔助關(guān)鍵點(diǎn)（0.36,0.25,0）、（0.36,0.145,0）、（0.31,0.145,0）、（0.28,0.15,0）、（0,0.15,0）。圖10-2

10、5 油缸仿真分析幾何模型的建立過(guò)程ii. 連線ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line兩點(diǎn)一組依次點(diǎn)擊相臨的關(guān)鍵點(diǎn)形成連線。iii. 建立圓角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet選擇要建立圓角位置的兩相臨線，以0.02為圓角半徑建立圓角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇所有的線建立面。v. 建立內(nèi)凹圓角由

11、于油缸內(nèi)部根部的過(guò)渡圓角為特殊的內(nèi)凹圓角（內(nèi)凹量2mm），而圓角區(qū)一般為高應(yīng)力區(qū)，其結(jié)構(gòu)上的細(xì)微變化均有可能影響模型整體應(yīng)力水平的高低，因此這里不能簡(jiǎn)化，而必須依照原結(jié)構(gòu)詳細(xì)建模。先建立輔助圓：ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasCircleSolid Circle在對(duì)話框中輸入圓心坐標(biāo)（0.342,0.163）及半徑(0.02) OK。進(jìn)行布爾運(yùn)算建立內(nèi)凹圓角：ANSYS main menuPreprocessorModelingOperateBooleansSubstructAreas在窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇油缸區(qū)域OK在窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇輔

12、助圓OK。（3） 材料模型ANSYS main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic楊氏模量（EX）輸入2.1e11，波松比（PRXY）輸入0.3。（4） 有限元模型i. 選擇單元類型選擇42號(hào)二維平面四面形單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。將單元的特性定義為軸對(duì)稱：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeOpti

13、onsK3選擇AxisymmetricOk。ii. 網(wǎng)格劃分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool彈出劃分網(wǎng)格工具條。在Smart Size選項(xiàng)前打?qū)L動(dòng)條等級(jí)調(diào)整為1點(diǎn)擊mesh窗口內(nèi)選擇油缸平面OK。可得模型網(wǎng)格如圖10-26所示。存盤(pán)（SAVE_DB）。3 加載和求解（1） 施加位移邊界條件本分析中，位移邊界條件僅僅包括油缸底線上Y方向的位移邊界條件。ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines窗口內(nèi)選擇油缸底線對(duì)話框中選擇UYOk。對(duì)于軸對(duì)稱模型

14、來(lái)說(shuō)，軸線是不可能發(fā)生偏移的，所以軸線不需要另外施加對(duì)稱位移邊界條件（Y方向的位移邊界條件除外）。（2） 施加載荷邊界條件油缸內(nèi)表面所承受的載荷以均布載荷的方式作用于與液體接觸區(qū)。壓力的大小可用下式計(jì)算：（Pa）ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines窗口內(nèi)選擇與液體接觸的各區(qū)域線段Ok在VALUE Load PRES Value后面的方框內(nèi)填入3.684e7OK。施加載荷及邊界條件以后模型如圖10-27所示。（3） 求解ANSYS main menuSolutionSolveCurrent LSOK。

15、 圖10-26 油缸仿真分析模型網(wǎng)格 圖10-27 油缸仿真分析模型載荷及邊界條件圖10-28 油缸仿真分析等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果4 查看分析結(jié)果ANSYS main menuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Mises SEQVOK。模型等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10-28所示。三、 三維問(wèn)題有限元分析1 問(wèn)題描述設(shè)有如圖10-29所示減速機(jī)輸入軸，其中200為齒輪節(jié)圓直徑（本分析不涉及齒強(qiáng)度問(wèn)題，所以在齒輪位置按節(jié)圓簡(jiǎn)化成圓柱）。其輸入扭矩為kN.m，試求減速機(jī)輸入軸的應(yīng)力應(yīng)變情況。設(shè)減速機(jī)輸入軸材料為40Cr鋼。2

16、 模型建立（1） 模型規(guī)劃第一，減速機(jī)輸入軸雖然在結(jié)構(gòu)上存在軸對(duì)稱規(guī)律，但是其載荷狀態(tài)為彎扭組合載荷，載荷上不再具有對(duì)稱性，因此仿真分析時(shí)必須用三維立體模型來(lái)進(jìn)行。第二，ANSYS在對(duì)不規(guī)則空間實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，往往只能采用金字塔（四面體）單元，不但會(huì)大大增加單元的個(gè)數(shù)，浪費(fèi)資源，而且還會(huì)造成計(jì)算精度的下降，因此，在進(jìn)行三維問(wèn)題的仿真分析時(shí)，應(yīng)在條件允許的情況下盡量采用六面體單元來(lái)建模。本分析中，由于減速機(jī)輸入軸在結(jié)構(gòu)上存在軸對(duì)稱規(guī)律，可以考慮先建立平面剖分模型，然后將平面剖分模型關(guān)于軸線旋轉(zhuǎn)的方法得到三維模型，即可實(shí)現(xiàn)用六面體單元來(lái)建模的目的。第三，由于軸類零件一般都需要施加徑向或切向邊界

17、或載荷條件，在柱坐標(biāo)下操作更加方便，而ANSYS系統(tǒng)的柱坐標(biāo)軸線與Z軸重合，因此，在進(jìn)行軸類零件的三維仿真分析時(shí)，建模時(shí)讓軸線與Z軸重合會(huì)比較方便。第四，軸承作用中線處在結(jié)構(gòu)上雖然沒(méi)有線，但是為了便于邊界條件的施加，必須建立輔助線。圖10-29 減速機(jī)輸入軸的幾何尺寸圖10-30 減速機(jī)輸入軸的載荷條件（2） 平面剖分幾何模型的建立平面剖分幾何模型的建立如圖10-31所示，詳細(xì)過(guò)程如下。i. 建立關(guān)鍵點(diǎn)ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在跳出的對(duì)話框中分別填入軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值：（0,0,0）、

18、（0,0,0.05）、輔助關(guān)鍵點(diǎn)（0,0.05,0.05）、（0,0.1,0.05）、（0,0.1,0.06）、（0,0.32,0.06）、（0,0.32,0.1）、（0,0.48,0.1）、（0,0.48,0.06）、（0,0.6,0.06）、（0,0.6,0.05）、輔助關(guān)鍵點(diǎn)（0,0.65,0.05）、（0,0.7,0.05）、（0,0.7,0.04）、（0,0.82,0.04）、（0,0.82,0）。ii. 連線ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line兩點(diǎn)一組依次點(diǎn)擊相臨的關(guān)鍵點(diǎn)形成連線。iii.

19、建立圓角ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet選擇要建立圓角位置的兩相臨線，以0.005為圓角半徑建立圓角。iv. 建立平面ANSYS main menuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines在窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇所有的線建立面。圖10-31 減速機(jī)輸入軸仿真分析平面剖分幾何模型的建立過(guò)程（3） 材料模型ANSYS main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIso

20、tropic楊氏模量（EX）輸入2.1e11，波松比（PRXY）輸入0.3。（4） 平面剖分有限元模型i. 選擇單元類型選擇42號(hào)二維平面四面形單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidQUAD 4node 42Ok。ii. 網(wǎng)格劃分ANSYS main menuPreprocessorMeshingMeshtool彈出劃分網(wǎng)格工具條。在Smart Size選項(xiàng)前打?qū)L動(dòng)條等級(jí)調(diào)整為4點(diǎn)擊mesh窗口內(nèi)選擇減速機(jī)輸入軸平面OK?？傻媚Ｐ途W(wǎng)格如圖10-32所示。圖10-32 減速機(jī)輸入軸平面剖分模型網(wǎng)格（5）

21、 三維有限元模型i. 選擇單元類型選擇45號(hào)三維六面體單元：ANSYS main menuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidBrick 8node 45Ok。ii. 將二維模型旋轉(zhuǎn)得到三維模型首先進(jìn)行選擇參數(shù)設(shè)定：ANSYS main menuPreprocessorModelingOperateExtrudeElem Ext Opts在彈出對(duì)話框中選擇并填寫(xiě)：在Element Type Number欄選擇2 Solid45、在VAL1 No. Elem Divs欄填入6、對(duì)ACLEAR欄進(jìn)行選。然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作：ANSYS main

22、 menuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis在主窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇平面OK在主窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇軸線的兩個(gè)端點(diǎn)OKOK。得到立體模型網(wǎng)格如圖10-33所示，模型共有單元數(shù)11321，節(jié)點(diǎn)數(shù)10656。存盤(pán)（SAVE_DB）。圖10-33 減速機(jī)輸入軸立體模型網(wǎng)格3 加載和求解（1） 施加位移邊界條件首先，最主要的位移邊界條件是軸承對(duì)軸徑處的徑向約束作用。為了施加徑向位移約束，首先必須將被約束節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)改成柱坐標(biāo)，然后再施加徑向位移邊界條件。具體操作過(guò)程如下：第一步：選擇軸徑區(qū)輔助線，下拉菜單SelectEntities在選擇對(duì)話框

23、中選擇Lines和By NUM/PickOK窗口內(nèi)選擇輔助線Ok。下拉菜單PlotLines。第二步：選擇受約束的節(jié)點(diǎn)，下拉菜單SelectEntities在選擇對(duì)話框中選擇Nodes、Attached To和Lines AllOK。下拉菜單PlotNodes。第三步：將系統(tǒng)坐標(biāo)系改為柱坐標(biāo)，下拉菜單WorPlaneChange Active CS toGlobal Cylindrical。第四步：將前面選出來(lái)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系改成當(dāng)前坐標(biāo)系，ANSYS main menuPreprocessorModelingMove/modifyRotate Node CSTo Active CSPick al

24、l。第五步：在選定節(jié)點(diǎn)上施加徑向位移邊界條件，ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick AllUxOK。節(jié)點(diǎn)徑向位移約束施加完成以后效果如圖10-34所示。第六步：選擇所有組元，下拉菜單SelectEverything。10-34 在軸承中線位置節(jié)點(diǎn)上施加徑向位移邊界條件后的效果其次，為了防止模型沿軸線方向的剛體位移，可以在軸徑處某個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加Z方向的位移邊界條件，ANSYS main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes在主窗口內(nèi)用鼠標(biāo)選擇非傳動(dòng)端軸徑輔助線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)OK。另外，考慮到本分析載荷的施加以節(jié)點(diǎn)作用力的方式施加于齒輪區(qū)外表面比較合理，因此扭矩輸入端可以施加周向約束來(lái)限制模型的轉(zhuǎn)動(dòng)。而周向約束的施加方法與徑向約束的施加原理一致：先將要約束的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)改成柱坐標(biāo)，然后再施加周向位移邊界條件。具體操作過(guò)程如下：第一步：選擇要約束的節(jié)點(diǎn)，下拉菜單SelectEntities在選擇對(duì)話框中選擇Nodes、和By NUM/PickOK在主窗口內(nèi)用鼠標(biāo)對(duì)輸入側(cè)端面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行框選