第11章 轴对称问题的有限元分析.docVIP

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第11章 轴对称问题的有限元分析

第11章 轴对称问题的有限元分析 第1节 基本知识 本节的有限元对象为轴对称问题,目的是学习将3D问题转化为2D问题分析的轴对称方法,涉及如何选取轴对称单元、建模规律、载荷的施加方法和后处理技术。 一、轴对称问题的定义 轴对称问题是指受力体的几何形状、约束状态,以及其它外在因素都对称于某一根轴(过该轴的任一平面都是对称面)。轴对称受力体的所有应力、应变和位移均对称于这根轴。 二、用ANSYS解决2D轴对称问题的规定 用ANSYS解决2D轴对称问题时,轴对称模型必须在总体坐标系XOY平面的第一象限中创建,并且Y轴为轴旋转的对称轴。 求解时,施加自由约束、压力载荷、温度载荷和Y方向的加速度可以像其它非轴对称模型一样进行施加,但集中载荷有特殊的含义,它表示的是力或力矩在360°范围内的合力,即输入的是整个圆周上的总的载荷大小。同理,在求解完毕后进行后处理时,轴对称模型输出的反作用力结果也是整个圆周上的合力输出,即力和力矩按总载荷大小输出。 在ANSYS中,X方向是径向,Z方向是环向,受力体承载后的环向位移为零,环向应力和应变不为零。 常用的2D轴对称单元类型和用途见表11-1。 表11-1 2D轴对称常用结构单元列表 板单元名称说 明Shell51圆锥壳单元,可以生成圆柱壳或环行圆盘单元,具有非线形材料性质,用于解决轴对称问题Shell61圆锥壳单元,可以生成圆柱壳或环行圆盘单元,没有非线形材料性质,用于解决轴对称问题Plane42二维结构实体单元,用于解决平面应力问题、平面应变问题和轴对称问题Plane82Plane42的高阶单元Plane182二维结构实体单元,用于解决平面应力问题、平面应变问题和轴对称问题Plane183Plane182的高阶单元 在利用ANSYS进行有限元分析时,将这些单元定义为新的单元后,设置单元配置项KEYOPT(3)为Axisymmetric(Shell51和Shell61单元本身就是轴对称单元,不用设置该项),单元将被指定按轴对称模型进行计算。 后处理时,可观察径向和环向应力,它对应的是SX与SZ应力分量,并且在直角坐标系下观察即可。 可以通过轴对称扩展设置将截面结果扩展成任意扇型区域大小的模型,以便更加真实地观察总体模型的各项结果。 第2节 2D轴对称问题有限元分析实例 图11-1 圆柱筒壳示意图 一、案例1——圆柱筒的静力分析 问题 如图11-1所示,圆柱筒材质为A3钢,受1000 N/m的压力作用,其厚度为0.1 m,直径12 m,高度为16 m,并且圆柱筒壳的下部轴线方向固定,其它方向自由,试计算其变形、径向应力和轴向应力。 条件 弹性模量为2.0×1011 N/m2,泊松比为0.3。 解题过程 以圆柱筒底部中心为坐标原点,建立直角坐标系如图11-1所示,标出主要点(1点和2点)的坐标,为实体造型做好准备。 制定分析方案。分析类型为线弹性性材料,结构静力分析,轴对称问题,由于受力题为圆柱壳,选用Shell51单元,筒的厚度为0.1 m为单元的实常数;边界条件为圆柱筒下部施加轴线方向固定支撑,2点的受力为1000*12*π等于37699 N。 1.ANSYS分析开始准备工作 (1)清空数据库并开始一个新的分析 选取UtilityMenuFileClear Start New,弹出Clear database and Start New对话框,单击OK按钮,弹出Verify对话框,单击OK按钮完成清空数据库。 (2)指定新的工作文件名 指定工作文件名。选取UtilityMenu FileChange Jobname,弹出Change Jobname对话框,在Enter New Jobname项输入工作文件名,本例中输入的工作文件名为“yuanzhutong”,单击OK按钮完成工作文件名的定义。 (3)指定新的标题 指定分析标题。选取UtilityMenuFileChange Title,弹出Change Title对话框,在Enter New Title项输入标题名,本例中输入“shell problem”为标题名,然后单击OK按钮完成分析标题的定义。 (4)重新刷新图形窗口 选取UtilityMenuPlotReplot,定义的信息显示在图形窗口中。 (5)定义结构分析 运行主菜单Main MenuPreferences,出现偏好设置对话框,赋值分析模块为Structure结构分析,单击OK按钮完成分析类型的定义。 2.定义单元 运行主菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/ Delete命令,弹出Element Types对话框,单击“Add”按钮新建单元类型,弹出Librar

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