经典实例：固定支架受力分析

时间：2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：如图6-80所示，带孔支架左端面固定，圆环面受载荷500N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6-80 固定支架模型本例是一个工程上常见的实体静力学问题，采用实体建模方法创建模型。

经典实例：固定支架受力分析

如图6-80所示，带孔支架左端面固定，圆环面受载荷500N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6-80 固定支架模型

本例是一个工程上常见的实体静力学问题，采用实体建模方法创建模型。为了绘制规则的网格，采用扫掠网格划分方法。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“bracket”，如图6-81所示。单击“OK”按钮完成修改。

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6-82所示。单击“OK”按钮完成修改。

图6-81 “Change Jobname”对话框

图6-82 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“plane stress”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6-83所示。单击“OK”按钮确认。

图6-83 “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6-84所示。然后单击“Enter”键确认。

图6-84 输入单位命令

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6-85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，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Brick 8node 185”单元，如图6-96所示，单击“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图6-85 “Element Types”对话框

图6-86 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Close”按钮关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。

6.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6-87所示。

图6-87 “Define Material Model Behavior”对话框

2）在右侧列表中选择“Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic”，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在“EX”文本框中输入2.1e5，在“PRXY”文本框中输入0.3，如图6-88所示。单击“OK”按钮返回。

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。

图6-88 “Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Dimensions”命令，弹出“Create Block by Dimensions”对话框，在“X-coordinates”“Y-coordinates”和“Z-coordinates”文本框中输入角点的X、Y、Z坐标分别为（-50，50，10）、（50，-50，-10），单击“OK”按钮创建长方体，如图6-89所示。

图6-89 通过对角点生成长方体

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Dimensions”命令，弹出“Create Block by Dimensions”对话框，在“X-coordinates”“Y-coordinates”和“Z-coordinates”文本框中输入角点的X、Y、Z坐标分别为（-50，50，60）、（-75，-50，-60），单击“OK”按钮创建长方体，如图6-90所示。

图6-90 通过对角点生成长方体

3）选择“Utility Menu＞WorkPlane＞Offset WP by Incrments”命令，弹出“Offset WP”对话框，在“X，Y，Z Offset”文本框中按格式输入平移增量（，，20），然后单击“Enter”键，表示将工作平面沿Z轴平移20mm，单击“OK”按钮关闭对话框，如图6-91所示。

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Cylinder＞Solid Cylinder”命令，弹出“Solid Cylinder”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中输入底面中心X、Y坐标（0，0），在“Radius”文本框中输入半径25，在“Depth”文本框中输入高度−50，单击“OK”按钮创建圆柱体，如图6-92所示。

图6-91 调整工作平面位置

图6-92 绘制实心圆柱

5）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Subtract＞Areas”命令，弹出“Subtract Volumes”对话框，用鼠标单击左键拾取右侧长方体，单击“OK”按钮，弹出“Subtract Volumes”对话框，用鼠标选择圆柱，依次单击“OK”按钮完成布尔减运算，如图6-93所示。

图6-93 体减运算

6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Arcs＞Full Circle”命令，弹出“Full Circle”对话框，选择“WP Coordinates”选项，在其下文本框中输入（0，0）作为原点，单击“Enter”键，然后输入35作为半径，单击“Enter”键绘制圆，如图6-94所示。

7）选择“Utility Menu＞Plot＞Lines”命令，显示所创建的圆，如图6-94所示。

8）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Lines＞Along Lines”命令，弹出“Sweep Lines along Lines”对话框，选择上一步绘制的圆，单击“OK”按钮，再次弹出“Sweep Lines along Lines”对话框，选择图6-95所示的线，单击“OK”按钮将线拉伸成面，如图6-95所示。

图6-94 创建圆

图6-95 拉伸线成面

9）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Divide＞Volume by Area”命令，弹出“Divide Vol by Area”对话框，选择左侧体为要切割的体，单击“OK”按钮，再次弹出“Divide Vol by Area”对话框，选择上一步创建的圆柱面作为分割面，单击“OK”按钮完成切割运算，如图6-96所示。

图6-96 切割运算

10）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes”命令，弹出“Glue Volumes”对话框，选择要粘接的体，单击“OK”按钮完成粘接运算，如图6-97所示。

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图6-97 粘接运算

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Global”后的“Set”按钮，弹出“Global Element Sizes”对话框，在“Element edge length”文本框中输入2，单击“OK”按钮完成设置，如图6-98所示。

图6-98 设置单元尺寸

2）在网格工具中选择分网对象为“Volumes”，网格形状为“Hex/Wedge”，选择分网形式为“Sweep”，然后单击“Sweep”按钮，拾取体，单击“OK”按钮生成网格，如图6-99所示。

图6-99 生成扫掠网格

3）在网格工具中选择分网对象为“Volumes”，网格形状为“Hex/Wedge”，选择分网形式为“Sweep”，然后单击“Sweep”按钮，拾取体，单击“OK”按钮生成网格，如图6-100所示。

图6-100 生成扫掠网格

4）在网格工具中选择分网对象为“Volumes”，网格形状为“Hex/Wedge”，选择分网形式为“Sweep”，然后单击“Sweep”按钮，拾取体，单击“OK”按钮生成网格，如图6-101所示。

图6-101 生成扫掠网格

5）单击“Mesh Tool”对话框中的“Close”按钮，关闭网格划分工具。

9.施加边界条件和载荷

1）选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Nodes”，拾取方式为“By Location”，选中“X coordinate”单选按钮，在“Min，Max”文本框中输入坐标值-75，单击“OK”按钮完成节点选取，如图6-102所示。

图6-102 通过位置选取

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，单击“Pick All”按钮选择当前选择集中的所有节点，单击“OK”按钮，弹出“Apply U，ROT on Nodes”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型，在“Displacement value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图6-103所示。

图6-103 施加自由度约束

3）选择“Utility Menu＞Select＞Everything”命令，选取所有图元、单元和节点。

4）选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Areas”，拾取方式为“By Location”，选中“Z coordinate”选项，在“Min，Max”文本框中输入坐标值10，单击“Apply”按钮完成选取，单击“Plot”按钮显示所选取的面，如图6-104所示。

图6-104 通过位置选取面

5）在“Select Entities”对话框中选择拾取对象为“Areas”，拾取方式为“By Num/Pick”，选择“Reselect”选项，单击“Apply”按钮，弹出拾取对话框，在图形区选择所需小圆环面，单击“OK”按钮完成选取，单击“Plot”按钮显示所选取的面，如图6-105所示。

6）选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Nodes”，拾取方式为“Attached to”，在中部的选择域中选择“Areas，all”（面上所有节点）选项，单击“OK”按钮完成选取，如图6-106所示。

7）在“Select Entities”对话框中单击“Cancel”按钮关闭对话框。

8）选择“Utility Menu＞Parameters＞Get Scalar Data”命令，弹出“Get Scalar Data”对话框，在左侧列表中选择“Modal data”（模型数据），在右侧列表中选择“For selected set”（从选择集），如图6-107所示。

图6-105 键盘和鼠标选取面

图6-106 附属选取节点

图6-107 “Get Scalar Data”对话框

9）单击“OK”按钮，弹出“Get Data for Selected Entity Set”对话框，提取当前集中的节点数目，如图6-108所示。

10）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，单击“Pick All”按钮选择当前选择集的所有节点，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在“Direction of force/mom”下拉列表中选择“FZ”，在“Force/moment value”文本框中输入数值-500/No_Nodes，单击“OK”按钮施加力载荷，如图6-109所示。

11）选择“Utility Menu＞Select＞Everything”命令，选取所有图元、单元和节点。

12）选择“Utility Menu＞Plot＞Element”命令，在图形中只显示单元、位移和施加的外载荷。