第5章 施加载荷 ANSYS教学课件.ppt

* * * * * * * * * * * * 第5章 施加载荷 施加载荷是有限元分析的一个重要步骤，不同的分析类型几乎都是以载荷（如力，温度，速度等）作为条件，研究载荷下系统的变化情况。例如结构静力学分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力的变化，结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，主要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化情况。 5.1 概述 本节主要介绍载荷的定义，载荷的分类方法，载荷施加的对象，载荷步、子步和平衡迭代，时间参数等基本概念。 5.1.1 载荷的定义 在不同的应用场合载荷有不同的定义和度量，通常将某种能引起机械结构内力的非力学因素称为载荷。例如机械设计中主要指施加于机械或结构上的外力；动力机械设计中指完成工作所需的功率；电机设计中指电气装置或元件从电源所接受的功率。在ANSYS术语中，载荷（loads）包括边界条件和外部或内部作用力函数。 5.1.2 载荷施加的对象 载荷施加的对象是指载荷作用的实体或者有限元模型，ANSYS中载荷可以施加在实体模型或者有限元模型上。实际上，最终的载荷都是施加在有限元模型上的载荷。所以，如果载荷施加在实体模型上，求解过程中将实体模型上的载荷自动转换为有限元模型上的载荷。 5.1.3 载荷步、子步和平衡迭代 载荷步是指分布施加的载荷，可以使用不同的载荷步来施加不同的载荷组合。可以将载荷步理解为一系列不同的载荷配置，ANSYS只计算每个载荷配置下的应力应变等。在每一个载荷步内，为了逐步加载可以控制程序来执行多次求解（子步或时间步）。荷载步比如说桥梁中的荷载有施工荷载、风载、二期恒载等，要根据自己的分析需要进行加载就要用到荷载步。 5.1.4 时间参数 在静态分析和瞬态分析中，不论分析是否依赖于时间，ANSYS使用时间作为跟踪参数，优点是时间总是单调增加的，并且在所有情况下可以使用一个不变的“计数器”或“跟踪器”，不需要依赖于分析的术语。在指定载荷历程曲线的同时，在每个载荷步结束点赋时间值。可以使用TIME命令赋时间值。 5.2 载荷的初始设置 在施加载荷前，ANSYS提供一些较为常用的初始设置，这对某些载荷的施加以及之后的求解都有一定的影响，因此需要了解如何进行这些常用的初始设置。主要涉及到均布温度和参考温度，面载荷梯度，重复加载方式，设定载荷步选项等内容。主要通过选择Main Menu|Solution|Loads|Settings菜单进行设置。 5.2.1 均布温度和参考温度 进行产品的热分析时候，首先要设定温度。包括均布温度和参考温度。均布温度是指施加载荷前，模型所有部分有指定的统一的温度值。其主要用于热分析和相关的耦合分析中。如果已知模型的起始温度是均匀的，可通过以下方式设定所有节点初始温度： 命令：TUNIF。 GUI：Main Menu|Solution|Loads|Settings|Uniform Temp。 5.2.2 面载荷梯度 如果为模型施加的面载荷不是等值均匀分布，而是沿着某一方向递增，则需要设置面载荷梯度。设置面载荷梯度主要用于产品的结构分析。可以通过一个图示讲解面载荷梯度的概念。例如，在结构分析中，压力面载荷从x＝0开始，F＝10N，而在X=10m处，压力增加到210牛顿。若设面宽为l个单位，则压力面载荷梯度就等于（210-10）N/（10－0）m＝20N/m。 5.2.3 重复加载方式 在多载荷步求解的分析问题中，经常会碰到需要在同一位置施加不同大小的同一类型的载荷的情况。为了处理后施加的载荷与前一次施加的载荷之间的关系，ANSYS提供了替代方式和累加方式来处理。 ANSYS的默认设置采用替代方式。表示当前施加的载荷是替代前一次在相同位置施加的相同类型的载荷，这种方式的最终结果是新的载荷替代原有载荷。累加方式是指只保留以前的载荷，当前在相同位置重复施加的同类型载荷作为载荷增量与原来的载荷相加，最终的载荷是原有载荷值与新的载荷值的叠加结果。  5.2.4 设定载荷步选项 在大多数有限元分析过程中，经常会碰到需要施加多次载荷或者施加不同载荷的问题。这时，就需要合理的设置多载荷步，以更为真实地反应实际载荷的加载情况。设定载荷步选项包括多载荷步设置，输出控制，时间和频率和其他载荷步选项。 5.3 载荷的分类 载荷具有不同的类型，在ANSYS中为了真实的反映实际物理情况，将载荷分为自由度约束（DOF），集中力载荷，面载荷，体载荷，阶跃载荷，坡道载荷和其他载荷等几种类型。 5.3.1 自由度约束 自由度也成为节点自由度，是有限元求解过程中的惟一变量。而有限元计算最终得到的自由度的值称为基本解。自由度约束通常只作为分析所需要的重要参量，是有限元