带孔板应力分析入门实例

如图6-4所示，带孔板厚度为20mm，左边固定，右边受载荷20N/mm作用。材料为钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，求其变形和应力分布。

图6-4 孔板模型

本例是一个工程上常见的平面问题。平面问题可分为平面应力问题和平面应变问题，该例为平面应力问题。平面问题模型可简化为面，通过设置单元厚度来完成分析。操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“holeplate”，如图6-5所示。单击“OK”按钮完成修改。

图6-5 “Change Jobname”对话框

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“plane stress”，如图6-6所示。单击“OK”按钮完成修改。

图6-6 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“plane stress”将显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Structural”选项，如图6-7所示。单击“OK”按钮确认。

图6-7 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图6-8所示。然后单击“Enter”键确认。

图6-8 输入单位命令

提示：ANSYS软件没有为系统指定唯一的单位，除了磁场分析之外，可在工程分析中使用任意一种单位制，只要用户在使用中保证所有数据使用同一单位制即可。

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图6-9所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Quad 8node 183”单元，如图6-10所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图6-9 “Element Types”对话框

图6-10 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Element Types”对话框中的“Options…”按钮，如图6-11所示，弹出“PLANE183element-type options”对话框，在“Element behavior”下拉列表中选择“Plane strs w/thk”选项，如图6-12所示。单击“OK”按钮返回，“Element Types”对话框。

图6-11 “Element Types”对话框

图6-12 “PLANE183 element type options”对话框

4）单击“Close”按钮关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义实常数

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Real Constants＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Real Constants”对话框，此时对话框显示“NONE DEFINED”，表示没有任何实常数被定义，如图6-13所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Element Type for Real Constants”对话框，显示出已经定义的单元类型，如图6-14所示。

图6-13 “Real Constants”对话框

图6-14 “Element Type for Real Constants”对话框

3）选中“Type 1 PLANE183”，单击“OK”按钮，弹出“Real Constant Set Number 1，for PLANE183”对话框，在“THK”文本框中输入0.02，如图6-15所示。

4）单击“OK”按钮，返回“Real Constant”对话框，显示定义的实常数，如图6-16所示，单击“Close”按钮关闭该对话框，结束实常数定义。

图6-15 “Real Constant Set Number 1 for PLANE183”对话框

图6-16 “Real Constants”对话框

7.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图6-17所示。

图6-17 “Define Material Model Behavior”对话框

2）在图6-17右侧列表中选择“Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic”，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在“EX”文本框中输入2e11，在“PRXY”文本框中输入0.3，如图6-18所示，单击“OK”按钮返回。

图6-18 “Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框

3）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口，完成材料模型属性的定义。

8.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Center&Cornr”命令，弹出“Rectangle by Ctr，Corner”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中输入0，在“Width”文本框中输入0.2，在“Height”文本框中输入0.1，单击“OK”按钮创建矩形面，如图6-19所示。(www.xing528.com)

图6-19 中心和角点绘制矩形

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞Solid Circle”命令，弹出“Solid Circular Area”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中输入0，在“Radius”文本框中输入圆半径0.02，单击“OK”按钮创建圆面，如图6-20所示。

图6-20 绘制实心圆面

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Subtract＞Areas”命令，弹出“Subtract Areas”对话框，用鼠标左键单击矩形，弹出“Multiple_Entities”对话框，单击“OK”按钮选中矩形，如图6-21所示。

4）单击“Subtract Areas”对话框中的“OK”按钮，再次弹出“Subtract Areas”对话框，用鼠标选择圆，同样弹出“Multiple_Entities”对话框，单击“Next”按钮，选中圆，然后依次单击“OK”按钮完成布尔减运算，如图6-22所示。

图6-21 选择矩形

图6-22 完成布尔减运算

5）选择“Utility Menu→PlotCtrls→Numbering”命令，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，勾选“Keypoint numbers”复选框，单击“OK”按钮，图形窗口显示出关键点编号，如图6-23所示。

图6-23 显示关键点编号

6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞On Line w/Ratio”命令，弹出“Create KP on Line”对话框，提示用户用鼠标在图形窗口中单击选中已知线，然后单击“OK”按钮，弹出“Create KP on Line”对话框，此时可在“Line ratio（0-1）”文本框中输入比率值0.5，单击“OK”按钮创建一个关键点9，如图6-24所示。

图6-24 已知线比率定义点

7）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞On Line w/Ratio”命令，弹出“Create KP on Line”对话框，提示用户用鼠标在图形窗口中单击选中已知线，然后单击“OK”按钮，弹出“Create KP on Line”对话框，此时可在“Line ratio（0-1）”文本框中输入比率值0.5，单击“OK”按钮创建一个关键点10，如图6-25所示。

图6-25 已知线比率定义点

8）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Straight Line”命令，弹出“Create Straight Line”对话框，提示用户用鼠标在图形窗口中单击左键选中关键点9和10，然后单击“OK”按钮创建直线，如图6-26所示。

图6-26 创建直线

9）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Divide＞Area by Line”命令，弹出“Divide Area by Line”对话框，选择要切割的面，单击“OK”按钮，再次弹出“Divide Area by Line”对话框，选择分割面的线，单击“OK”按钮完成切割运算，如图6-27所示。

图6-27 切割运算

9.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Lines”后的“Set”按钮，弹出“Element Size on Picked Line”对话框，单击“Pick All”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入15，单击“OK”按钮完成设置，如图6-28所示。

图6-28 设置线单元数量

2）在网格工具中选择分网对象为“Areas”，网格形状为“Quad”，选择分网形式为“Mapped”，选择“Pick corners”，然后单击“Mesh”按钮，拾取面，单击“Apply”按钮，然后依次选择关键点9、4、3、10，单击“OK”按钮，生成网格，如图6-29所示。

图6-29 直接选择生成映射网格

3）在网格工具中选择分网对象为“Areas”，网格形状为“Quad”，选择分网形式为“Mapped”，选择“Pick corners”，然后单击“Mesh”按钮，拾取面，单击“Apply”按钮，然后依次选择关键点9、1、2、10，单击“OK”按钮生成网格，如图6-30所示。

图6-30 直接选择生成映射网格

10.施加边界条件和载荷

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply U，ROT on Lines”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“All DOF”，在“Displacement value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图6-31所示。

图6-31 在线上施加自由度约束

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply PRES on lines”对话框，在“Load PRES value”文本框中输入数值−1000000，单击“OK”按钮施加载荷，如图6-32所示。

图6-32 在线上施加均布载荷

11.求解

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图6-33所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图6-34所示。单击“Close”按钮关闭。

图6-33 求解信息窗口

图6-34 “Note”对话框

12.后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Deformed Shape”命令，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，选中“Def+undef edge”单选按钮，单击“OK”按钮显示变形图，如图6-35所示。由图中可见最大变形为0.00124mm，变形很小。

图6-35 绘制变形图

2）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“von Mises stress”选项，单击“OK”按钮显示应力云图，如图6-36所示。

图6-36 绘制应力等值线图

3）单击工具栏上的按钮，保存数据库文件。