搜索彻底明白什么是ANSYS特征值屈曲分析
2017-02-22 by:CAE仿真在线 来源:互联网
导读:掌握压杆不同约束条件的施加和特征值屈曲分析方法,临界载荷等于施加的载荷乘以特征值。
一、模型演示
以下模型实验演示了不同边界条件下受压杆件的屈曲现象和对应的屈曲变形。实验中采用塑料尺来模拟杆件,我们可以感受到使塑料尺发生屈曲时所需力的大小。
(a) 两端铰支
(1)将塑料尺的一端置于桌面上,另一端用手掌加以固定,下压塑料尺的顶部并逐步增加压力,直尺会突然产生如图a所示的侧向变形。进一步增加压力,变形也会相应的增大。本实验演示了两端铰支杆件的屈曲现象。
(b) 两端固支
(2)用手指将塑料尺的两端捏紧,防止其发生选装和平动。然后对直尺逐渐施加压力直至出现如图b所示的侧向变形。本实验演示了两端固定杆件的屈曲现象。可以明显感受到本实验所需的临界压力要大于前一个实验。
(c) 两端铰支并在跨中侧向约束
(3)如果在塑料尺中部设置一侧向支撑,以保证尺子在这点不会发生平动,则需要施加比第一个实验更大的压力才能使塑料尺发生如图c所示的屈曲变形。
模型演示图片来源:英国曼彻斯特大学季天健教授。
二、定义和概念
稳定性:平衡物体在其原来平衡状态下抵抗干扰的能力。
失稳:不稳定的平衡物体在任意微小的外界干扰下的变化或破坏过程,也称为屈曲。
临界载荷:使结构介于稳定平衡和不稳定平衡之间的载荷,或使结构处于屈曲临界状态的载荷。
三、问题描述
钢板尺子长度500mm,宽度39mm,厚度1.2mm。弹性模量E= 200 GPa,泊松比u =0.3。分别受以下4种约束作用:(1)两端铰支,(2)一端固定、另一端自由,(3)一端固定、另一端铰支,(4)两端固定。计算在各种约束情况下的临界载荷。
问题分析:对于这4种约束作用,对应的边界条件见下图所示。
临界载荷计算结果:
四、GUI步骤
1.进入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改变working directory到指定文件夹 → 在jobname输入:file→ Run。
2.定义单元属性
(1)定义单元类型:
①指定BEAM188单元:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete →Add →在左列表框中选择Beam,在右列表框中选择2node 188 →OK。
②设置单元选项:Options→Element behavior K3:CubicForm(三次形函数) →OK。默认情况下Elementbehavior是一次形函数,为了提高计算精度和减少单元个数,改成三次形函数。
(2)定义截面:MainMenu >Preprocessor >Sections >Beam >Common Sections →ID:1,Sub-Type:矩形,B:1.2,H:39,Nb:0,Nh:0 → Meshview →Meshview →OK。Nb和Nh是横截面的份数,截面默认分2份。
(3)设置材料属性:MainMenu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural→Linear →Elastic → Isotropic → EX:2e5,PRXY:0.3→ OK。
3.建立几何模型
(1)生成关键点:Main Menu>Preprocessor >Modeling >Create >Keypoints >In Active CS →依次输入关键点的编号和坐标:1 (0,0,0),2 (0,500,0) →OK。
(2)创建直线:Main Menu >Preprocessor>Modeling >Create >Lines >Lines >Straight Line →拾取关键点1和2→OK。
4.划分网格
(1)设置线的单元属性:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在ElementAttributes下方选择Lines Set→ 拾取线1→OK →选择MAT:1,TYPE:1,SECT:1→OK。单元类型编号、截面编号和材料编号只有一种,可默认,不需要指定,此步骤可省略。
(2)设置单元尺寸:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在SizeControls下方选择Global Set →SIZE:50→OK。每50mm划分一个单元。
(3)划分梁单元:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →Mesh:Lines→ Mesh → Pick All。
5.施加边界条件
(1)施加约束:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Displacement >On Keypoints →拾取关键点1 → OK → Lab2:UX、UY、UZ和ROTY→ Apply →拾取关键点2 → OK → Lab2:UX和UZ→ OK。
(2)施加集中力:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Force/Moment >OnKeypoints → 拾取关键点2 → OK → Lab:FY,VALUE:-1 → OK。
(3)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 输入file.db→ OK。
6.求解
(1)有预应力的静力分析
①指定分析类型为静力分析:MainMenu >Solution >Analysis Type >New Analysis → Static → OK。
②打开预应力选项:MainMenu >Solution >Analysis Type >Sol’n Controls → Basic → Calculate prestress effects →勾选 → OK。
③求解:MainMenu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。
④退出求解器:MainMenu >Finish。
(2)特征值屈曲分析
①指定分析类型为特征值屈曲分析:MainMenu >Solution >Analysis Type >New Analysis →Eigen Buckling → OK。
②定义特征值屈曲分析选项:MainMenu >Solution >Analysis Type >Analysis Options →Method:Block Lanczos,NMODE:1(提取模态数)→OK。
③指定扩展解:MainMenu >Solution >Load Step Opts >ExpansionPass >Single Expand >Expand Modes →NMODE:1(扩展模态数)→OK。
④求解:MainMenu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。
7.后处理
(1)列表查看特征值:MainMenu >Genenral Postproc >Results Summary → 记录特征值,对应的是TIME/FREQ。临界载荷等于施加的载荷乘以特征值。
(2)查看临界屈曲变形:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → Displacement vector sum→OK。
8.退出ANSYS软件
Utility Menu> File > Exit → Quit-No Save → OK。
五、APDL步骤
Ex=2e5 !弹性模量MPa
b=1.2 !截面宽度mm
h=39 !截面长度mm
Len=500 !压杆长度mm
I=h*b**3/12 !惯性矩
pi=ACOS(-1)
miu=1 !长度因数
Fcr=pi**2*Ex*I/(miu*Len)**2 !第1阶失稳载荷解析解
/PREP7
ET,1,BEAM188 !单元类型
KEYOPT,1,3,3 !形函数
SECTYPE, 1, BEAM, RECT, , 0 !截面属性
SECOFFSET, CENT
SECDATA,1.2,39,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
MP,EX,1,2e5 !材料属性
MP,PRXY,1,0.3
K,1,0,0,0, !创建关键点
K,2,0,500,0
L,1,2 !创建直线
LESIZE,1,50, , , , , , ,1 !单元尺寸mm
LMESH,1 !分网
DK,1,UX !下端铰支
DK,1,UY
DK,1,UZ
DK,1,ROTY
DK,2,UX !上端铰支
DK,2,UZ
FK,2,FY,-1 !施加单位载荷
FINISH
/SOLU
PSTRES,1 !打开预应力
SOLVE !求解
FINISH !退出求解器
/SOLU
ANTYPE,1 !分析类型-特征值屈曲
BUCOPT,SUBSP,1,0,0 !特征值屈曲分析选项SUBOPT,0,0,0,0,0,ALL
MXPAND,1,0,0,0,0.001, !扩展模态数
SOLVE !求解
FINISH
/POST1
SET,LIST !列表查看特征值
/GFORMAT,F,12,3, !数据格式
/DSCALE,ALL,30 !变形比例
PLNSOL, U,SUM, 0,1.0 !屈曲变形
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