[理学]ANSYS结构分析的基本观念.pdf

ANSYS 结构分析的基本观念 Basic Concepts for ANSYS Structural Analysis 这一章要介绍关于ANSYS 结构分析的基本观念，熟悉这些基本观念有助于让你 很快地区分你的工程问题的类别，然后依此选择适当的ANSYS 分析工具。在第1 节中我们会对分析领域（analysis fields ）做一个介绍，如结构分析、热传分析等。 第2 节则对分析类别（analysis types ）作一介绍，如静力分析、模态分析、或是瞬 时分析等。第3 节解释何谓线性分析，何谓非线性分析。第4 节要对结构材料模式 （material models ）作一个讨论并作有系统的分类。第5 节讨论结构材料破坏准 则。第6、7 节分别举两个实例，一个是结构动力分析，一个是非线性分析来总合 前面的讨论。这两个例子再加上第3 章介绍过的静力分析例子，这三个例子可以 说是用来做为正式介绍ANSYS 命令（第5、6、7 章）之前的准备工作。最后（第8 节）我们以两个简单的练习题做本章的结束。 76 第 4 章 ANSYS 結構分析的基本觀念 学科领域与元素类型 Disciplines and Element Types 4.1.1 学科领域（Disciplines） 我们之前提过，ANSYS 提供了五大学科领域的分析能力：结傋分析、热传分析、 流场分析、电场分析、磁场分析（电场分析及磁场分析可统称为电磁场分析），此 外ANSYS 也提供了偶合场分析（coupled-field analysis ）的能力。为了能分析横 跨多学科领域的偶合场，ANSYS 提供了一些偶合场元素（coupled-field elements ），但是这些元素还是无法涵盖所有偶合的可能性（举例来说， ANSYS 并没有流场与结构的偶合场元素）。但是在ANSYS 的操作环境下，再加 上利用APDL [Ref. 20] ，理论上可以进行各种偶合场分析（但是计算时间及收敛 性常是问题所在）。下一小节将举几个例子来解说偶合场分析的含义，更详细的 偶合场分析步骤你必须参阅Ref. 15。 4.1.2 偶合场分析 以下我们举三个例子来说明何谓偶合场分析。 　　第一个例子是热应力的计算，这是最常会遇到的问题之一。当你进行热应力 分析时，通常分成两个阶段：先做热传分析解出温度分布后，再以温度分布作为 结构负载来进行结构分析，而解出应力值。在第一个阶段，热边界条件（thermal boundary conditions ）是热传分析的负载，我们希望知道在此热边界条件之下， 温度是怎么分布的。因为不均匀的温度分布会造成结构的翘曲变形，所以第二个 阶段是希望知道在这些温度分布下结构的变形及应力。这是一个很典型的偶合场 分析问题，因为结构怎么变形是依温度怎么分布而定，而温度如何分布则与结构 如何变形（变形量很大时，几何形状会改变）有关，这种相依的关系就称为偶合 （coupling ）。严格来说，前述的分析程序（先做热传分析再做结构分析）观念上 不是很正确的，较正确的做法应该是热传与结构分析必须同时进行，也就是说温 第 4.1 節 分析領域與元素類型 77 度场及变位场必须同时满足热平衡及力平衡方程式（注意，热平衡方程式中含有 几何条件，而力平衡方程式中含有温度分布条件，这些方程式是互相偶合的）。 但是因为这类热应力分析的例子通常结构变形很小，结构的变形应该不至于影向 温度分布。我们称此问题为单向的偶合（one-way coupling ），即温度分布会影向 结构的变形，但是结构变形不会影向温度分布（或是可以忽略）。这种情况下， 可以先做热传分析解出温度分布后，再以温度作为结构负载来进行结构分析，所 得到的解答应该是可以接受的。但是若结构变形很大，那么温度场和变位场就有 很强的偶合性存在，我们称此问题为双向的偶合（two-way coupling ），解答必 须同时满足热平衡及力平衡方程式。 第二个例子是结构和流体间的交互作用的问题，这是典型的双向偶合问题。 想象一个大型结构体处在流体 （譬如海岸或海中结构）之中，当结构受到地震 侵袭时，结构震动的同时会压迫到流体，使得流体产生流场，此流