圆盘结构非线性分析实例提高技巧

时间：2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：如图9-32所示，圆盘半径1m，厚度为0.1mm，圆周固定。试求载荷历程下的变形和应力分布。图9-32 圆盘模型图9-33 循环点载荷历程已知圆盘材料弹性模量为16911.23GPa，泊松比为0.3，动态硬化塑性数据见表9-1。图9-44 输入下一行数据5）重复上述步骤，依次输入如下数据：0.002562402，25.08；0.004471788，29.07；0.006422389，31.73，单击“OK”按钮完成数据输入，如图9-45所示。

圆盘结构非线性分析实例提高技巧

如图9-32所示，圆盘半径1m，厚度为0.1mm，圆周固定。圆盘上表面承受均匀压力0.125N/m²，循环点载荷历程如图9-33所示。试求载荷历程下的变形和应力分布。

图9-32 圆盘模型

图9-33 循环点载荷历程

已知圆盘材料弹性模量为16911.23GPa，泊松比为0.3，动态硬化塑性数据见表9-1。

表9-1 动态硬化塑性数据表

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“circularplate”，如图9-34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“Cyclic loading of a fixed circular plate”，如图9-35所示。单击“OK”按钮完成修改。

图9-34 “Change Jobname”对话框

图9-35 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Cyclic loading of a fixed circular plate”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9-36所示。单击“OK”按钮确认。

图9-36 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.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9-37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“Quad 4 node 182”单元，如图9-38所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图9-37 “Element Types”对话框

图9-38 “Library of Element Types”对话框

3）单击图9-39所示的“Element Types”对话框中“Options…”按钮，系统弹出“PLANE182element type options”对话框，在“Element behavior”下拉列表中选择“Axisymmetric”选项，如图9-40所示。单击“OK”按钮返回。

图9-39 “Element Types”对话框

图9-40 “PLANE182 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。

5.定义材料属性和强化数据表

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图9-41所示。

2）在图9-41所示对话框的右侧列表中选择“Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic”，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在“EX”文本框中输入16911.23，在“PRXY”文本框中输入0.3，如图9-42所示。单击“OK”按钮返回。

图9-41 “Define Material Model Behavior”对话框

图9-42 “Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框

3）在图9-41所示对话框右侧列表中选择“Structural＞NonLinear＞Inelastic＞Rate Independent＞Kinematic Hardening Plasticity＞Mises Plasticity＞Multilinear（General）”，弹出“Multilinear Kinematic Hardening for Material Number 1”对话框，在“STRAIN”文本框中输入0.001123514，在“STRESS”文本框中输入19，如图9-43所示。

图9-43 输入硬化塑性

4）单击“Add Point”按钮，输入下一行新数据：0.001865643，22.80，如图9-44所示。

图9-44 输入下一行数据

5）重复上述步骤，依次输入如下数据：0.002562402，25.08；0.004471788，29.07；0.006422389，31.73，单击“OK”按钮完成数据输入，如图9-45所示。

6）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。

7）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Style＞Graphs＞Modify Axes”命令，弹出“Axes Modifications for Graph Plots”对话框，在“X-axis label”文本框中输入“Total Strain”，在“Y-axis label”文本框中输入“True Stress”，如图9-46所示。单击“OK”按钮完成。

图9-45 输入其余数据

图9-46 “Axes Modifications for Graph Plots”对话框

8）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，双击左侧的“Material Model Number 1＞Multilinear Kinematic（General）”，弹出“Multilinear Kinematic Hardening for Material Number 1”对话框，显示应变/应力数据，单击“Graph”按钮，绘制应变/应力图，如图9-47所示。

图9-47 图形显示应变/应力

9）单击“Cancel”按钮关闭对话框，然后在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口。

6.建立分析模型

1）选择“Utility Menu＞Parameters＞Scalar Parameters”命令，弹出“Scalar Parameters”对话框，在“Selection”文本框中输入“radius=1.0”，输入时不管字母大小写，ANSYS会将输入字母全部转换为大写，单击“Accept”按钮接受，如图9-48所示。

2）在“Selection”文本框中输入“thick=0.1”，单击“Accept”按钮接受，如图9-49所示。单击“Close”按钮关闭对话框。

图9-48 “Scalar Parameters”对话框

图9-49 输入所有参数

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（0，0）、（radius，thick），单击“OK”按钮创建矩形面，如图9-50所示。

图9-50 几何尺寸创建矩形面

7.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，选择两条竖短边，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入8，单击“OK”按钮完成线单元数量设置，如图9-51所示。

2）单击“Mesh Tool”对话框中“Lines”后的“Set”按钮，弹出“Element Size on Picked Line”对话框，选择两条长边，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入40，单击“OK”按钮完成线单元数量设置，如图9-52所示。

图9-51 设置线单元数量

图9-52 设置线单元数量

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、4、3、10，生成网格，如图9-53所示。

图9-53 生成映射网格

8.设置求解和输出控制选项

1）选择“Main Menu＞Solution＞Unabridged Menu”命令，展开菜单命令，然后选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options”命令，弹出“Static or Steady-State Analysis”对话框，选中“Large deform effects”为“On”，如图9-54所示。单击“OK”按钮完成。

2）选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Output Ctrls＞DB/Results File”命令，弹出“Controls for Database and Results File Writing”对话框。在“File write frequency”中选中“Every substep”选项，如图9-55所示。单击“OK”按钮确认。

图9-54 “Static or Steady-State Analysis”对话框

图9-55 “Controls for Database and Results File Writing”对话框

9.监控位移和力

1）选择“Utility Menu＞Parameters＞Scalar Parameters”命令，弹出“Scalar Parameters”对话框，在“Selection”文本框中输入“ntop=node（0，thick，0）”，单击“Accept”按钮接受，如图9-56所示。

2）在“Selection”文本框中输入“nright=node（radius，0.0，0.0）”，单击“Accept”按钮接受，如图9-57所示。单击“Close”按钮关闭对话框。

图9-56 “Scalar Parameters”对话框

图9-57 输入所有参数

3）选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Nonlinear＞Monitor”命令，弹出实体选择对话框，输入“ntop”，单击“OK”按钮，弹出“Monitor”对话框，在“Quantity to be monitored”下拉列表中选择“UY”，单击“OK”按钮完成，如图9-58所示。

图9-58 设置位移监控

4）选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Nonlinear＞Monitor”命令，弹出实体选择对话框，输入“nright”，单击“OK”按钮，弹出“Monitor”对话框，在“Variable to redefine”下拉列表中选择“Varible 2”，在“Quantity to be monitored”下拉列表中选择“FY”，单击“OK”按钮完成，如图9-59所示。

图9-59 设置力监控

10.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”，选择“X coordinate”选项和“From Full”选项，在“Min，Max”文本框中输入“radius”，单击“Apply”按钮完成，单击“Plot”按钮显示所选取的节点，如图9-60所示。

图9-60 选择节点(www.xing528.com)

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，单击“Pick All”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“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9-61所示。

图9-61 施加自由度约束

3）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”，选择“X coordinate”选项和“From Full”选项，在“Min，Max”文本框中输入0，单击“Apply”按钮完成，单击“Plot”按钮显示所选取的节点，如图9-62所示。

4）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，单击“Pick All”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“UX”，在“Displacement value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图9-63所示。

图9-62 选择节点

图9-63 施加自由度约束

5）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”，选择“Y coordinate”选项和“From Full”选项，在“Min，Max”文本框中输入“thick”，单击“Apply”按钮完成，单击“Plot”按钮显示所选取的节点，如图9-64所示。

图9-64 选择节点

6）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，单击“Pick All”按钮选择所有节点，弹出“Apply PRES on nodes”对话框，在“Load PRES value”文本框中输入数值0.125，单击“OK”按钮施加载荷，如图9-65所示。

图9-65 施加压力载荷

7）选择“Utility Menu＞Select＞Everything”命令，选择所有图元。

11.求解第一个载荷步

1）选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Time/Frequenc＞Time and Substps”命令，弹出“Time and Substep Options”对话框，在“Number of substeps”文本框中输入10，在“Maximum no.of substeps”文本框中输入50，在“Minmum no.of substeps”文本框中输入5，单击“OK”按钮完成，如图9-66所示。

图9-66 “Time and Substep Options”对话框

2）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图9-67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。

3）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9-68所示。单击“Close”按钮关闭。

图9-67 求解信息窗口

图9-68 “Note”对话框

4）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，绘制单元。

12.求解第二个载荷步

1）选择“Utility Menu＞Parameters＞Scalar Parameters”命令，弹出“Scalar Parameters”对话框，在“Selection”文本框中输入“f=0.01”，单击“Accept”按钮接受，单击“Close”按钮完成并关闭对话框。

2）选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Time/Frequenc＞Time and Substps”命令，弹出“Time and Substep Options”对话框，在“Number of substeps”文本框中输入4，在“Maximum no.of substeps”文本框中输入25，在“Minmum no.of substeps”文本框中输入2，单击“OK”按钮完成，如图9-69所示。

图9-69 “Time and Substep Options”对话框

3）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，输入“ntop”，单击“OK”按钮选择节点，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在“Direction of force/mom”下拉列表中选择载荷方向“FY”，在“Force/moment value”文本框中输入载荷数值“−f”，单击“OK”按钮施加力载荷，如图9-70所示。

图9-70 在节点上施加力载荷

4）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出求解信息窗口，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。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9-71所示。单击“Close”按钮关闭。

图9-71 “Note”对话框

5）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，绘制单元。

13.求解第三个载荷步

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，输入“ntop”，单击“OK”按钮选择节点，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在“Direction of force/mom”下拉列表中选择载荷方向“FY”，在“Force/moment value”文本框中输入载荷数值“f”，单击“OK”按钮施加力载荷，如图9-72所示。

图9-72 在节点上施加力载荷

2）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，将弹出求解信息窗口，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。单击“Solve CurrentLoad 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9-73所示。单击“Close”按钮关闭。

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，

图9-73 “Note”对话框

绘制单元。

14.求解第四个载荷步

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，输入“ntop”，单击“OK”按钮选择节点，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在“Direction of force/mom”下拉列表中选择载荷方向“FY”，在“Force/moment value”文本框中输入载荷数值“−f”，单击“OK”按钮施加力载荷，如图9-74所示。

图9-74 在节点上施加力载荷

2）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出求解信息窗口，其中“/STATUSCommand”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。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9-75所示。单击“Close”按钮关闭。

图9-75 “Note”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，绘制单元。

15.求解第五个载荷步

图9-76 在节点上施加力载荷

图9-77 “Note”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，绘制单元。

16.求解第六个载荷步

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，输入“ntop”，单击“OK”按钮选择节点，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在“Direction of force/mom”下拉列表中选择载荷方向“FY”，在“Force/moment value”文本框中输入载荷数值“−f”，单击“OK”按钮施加力载荷，如图9-78所示。

图9-78 在节点上施加力载荷

图9-79 “Note”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，绘制单元。

17.求解第七个载荷步

图9-80 在节点上施加力载荷

2）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出求解信息窗口，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。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9-81所示。单击“Close”按钮关闭。

图9-81 “Note”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Elements”命令，绘制单元。

18.后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞Last Set”命令，读取最后载荷步。

2）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9-82所示。由图中可见最大变形为0.001167mm，变形很小。

图9-82 绘制变形图

3）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”按钮显示应力等值线图，如图9-83所示。