ANSYS第4章 加载、求解及后处理技术 - 图文

ANSYS 入门教程 (6) - 加载、求解及后处理技术

第4章 加载、求解及后处理技术

4.1 荷载及其施加

4.2 荷载步选项及设置

4.3 分析类型与求解控制选项 4.4 求解代价估计 4.5 重启动分析

4.6 时变结构的多荷载步求解 4.7 通用后处理

4.8 时间历程后处理

在 ANSYS 中，荷载包括边界条件和作用力，对结构分析可以是以下内容： 位移、力、压力、温度、重力 一般可将荷载分为六类，如表 4-1 所示。

★ 荷载即可施加在几何模型（关键点、硬点、线、面、体）上，也可施加在有限元模型（节点、单元）上，或者二者混合使用。

★ 施加在几何模型上的荷载独立于有限元网格，不必为修改网格而重新加载； ★ 施加在有限元模型上且要修改网格，则必须先删除荷载再修改网格，然后重新施加荷载。

★ 不管施加到何种模型上，在求解时荷载全部转换 （自动或人工）到有限元模型上。 在结构分析中自由度共有 7 个，自由度的方向均依从节点坐标系。约束可施加在节点、关键点、线和面上。

4.1 荷载及其施加

一、施加自由度约束

1. 节点自由度约束及相关命令

(1) 对节点施加自由度约束

命令：D, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC, Lab2, Lab3, Lab4, Lab5, Lab6 NODE - 拟施加约束的节点号，其值可取 ALL、组件名。

Lab - 自由度标识符，如UX、ROTZ等。如为ALL，则为所有适宜的自由度。 VALUE - 自由度约束位移值或表式边界条件的表格名称。

VALUE2 - 约束位移值的第二个数，如为复数输入时，VALUE 为实部，而 VALUE2 为虚部。

NEND,NINC - 节点编号范围和编号增量，缺省时 NEND=NODE，NINC=1。

Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6 - 其它自由度标识符，VALUE 对这些自由度也有效。各自由度的方向用节点坐标系确定，转角约束用弧度输入 例如：

D,ALL,ALL ! 对所选节点的全部自由度施加约束

D,18,UX,,,,,UY,UZ ! 对节点 18 的 3 个平动自由度全部施加约束

D,20,UX,1.0e-4 ! 对节点 20 的 UX 施加约束，且约束位移值为 1.0e-4 D,22,UX,0.1,,25,,UY,ROTY! 对节点 22～25 的 UX,UY,ROTY 施加约束，且位移值均为 0.1 (2) 在节点上施加对称和反对称约束

命令：DSYM, Lab, Normal, KCN

Lab - 对称标识，如为 SYMM 则生成对称约束，如为 ASYM 则生成反对称约束。 Normal - 约束的表面方向标识，一般垂直于参数 KCN 坐标系中的坐标方向。其值有：

=X（缺省）：表面垂直于 X 方向，非直角坐标系为 R 方向； =Y：表面垂直于 Y 方向，非直角坐标系为 θ 方向； =Z：表面垂直于 Z 方向，球和环坐标系为 Φ 方向； KCN - 用于定义表面方向的整体或局部坐标系的参考号。

注解：如果自己施加对称或反对称约束，可以参照如下规则：

对称约束： 约束对称面的法向平移和绕对称面两个切线的转角； 反对称约束：约束绕对称面法线的转角和沿对称面两个切线的平移。 2. 关键点自由度约束及相关命令

命令：DK, KPOI, Lab, VALUE, VALUE2, KEXPND, Lab2, Lab3, Lab4, Lab5, Lab6 KPOI - 关键点编号，也可取 ALL 或组件名。

KEXPND - 扩展控制参数。如为 0 则仅施加约束到关键点上的节点；如为 1 则扩展到关键点之间（两关键点所连线）的所有节点上，且包括关键点上的节点，当然约束位移值相同。其余参数同 D 命令中的参数。

列表和删除关键点自由度约束的命令分别为：

列表：DKLIST, KPOI - 列出关键点 KPOI (可以是 all 或组件名) 上的约束条件。 删除：DKDELE, KPOI, Lab - 删除关键点 KPOI (可以是 all 或组件名) 上的约

束条件 lab (可以是 all) 。

例如：

DK, ALL, ALL ! 约束所选择全部关键点的全部自由度

DK,1,UY ! 对关键点 1 施加 UY 自由度约束，位移值为零 DK,2,UX,0.01,,,UY,ROTZ ! 对关键点 2 的 UX,UY,ROTZ 施加约束，且位移值均为 0.01 3. 对线施加自由度约束

命令：DL,LINE,AREA,Lab,Value1,Value2

LINE - 线编号，也可为ALL（缺省）或组件名。

AREA - 包含该线的面编号，并假定对称与反对称面垂直于该面，且线位于对称或反对称面内，缺省为当前选择面中包含该线的最小编号。如不是对称或反对称约束，则此面号无意义。

Lab - 自由度标识符，其值可取：

=SYMM：对称约束，按DSYM命令的方式生成； =ASYM：反对称约束，按DSYM命令的方式生成； =UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ,WRAP：各自由度约束； =ALL：所有适宜的自由度约束（与单元相关）。

Value1 - 自由度约束位移值或表格边界条件的表格名称。表格边界条件仅对 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ 有效，且Value1 = %tabname%，tbname - 表格数组名。 Value2 - 仅对 FLOTRAN 分析时有用，对结构分析无意义。 该命令对线上的所有节点施加自由度约束。 而列表和删除线上自由度约束的命令分别为：

列表：DLLIST,LINE - 列出线 LINE (可以是 all 或组件名) 上的约束条件。 删除：DLDELE,LINE,Lab - 删除线 LINE (可以是 all 或组件名) 上的约束条件 lab (可以是 all) 。 示例：

! EX4.2 对线施加约束并转换 finish $ /clear $ /prep7

et,1,95 $ blc4,,,10,10,10 ! 定义单元类型、创建长方体

dl,7,,ux,0.1 ! 线 7 施加 UX 自由度约束，位移值为 0.1 dl,5,,all ! 线 5 施加全部自由度约束 dl,11,6,symm ! 线 11 施加对称约束，面号为 6 dl,10,6,asym ! 线 10 施加反对称约束，面号为 6 dl,6,,symm ! 线 6 施加对称约束，面号缺省 DLLIST ! 列表显式线约束信息

esize,2 $ vmesh,all ! 划分单元

dtran $ DLIST ! 转换约束到有限元模型，并列表显示 4. 对面施加自由度约束

命令：DA, AREA, Lab, Value1, Value2

其中 AREA 为拟施加约束的面号，也可为 ALL 或组件名，其余同 DL 命令中的参数。 该命令对面上的所有节点施加自由度约束。 列表和删除面上自由度约束的命令分别为：

列表：DALIST, AREA - 列出面 AREA (可以是 all 或组件名) 上的约束条件。 删除：DADELE, AREA, Lab - 删除线 AREA (可以是 all 或组件名) 上的约束条件 lab (可以是 all) 。

5. 约束转换命令

仅转换约束自由度命令：DTRAN

边界条件和荷载转换命令：SBCTRAN

这两命令将施加在几何模型上的约束和荷载转换到有限元模型上。也可不执行这两个命令而在求解时由系统自动转换。

6. 自由度约束的冲突

使用 DK、DL 和 DA 命令施加的自由度约束参数可能会发生冲突，例如： DL 指定会与相邻线（有公共关键点）上的 DL 指定冲突； DL 指定会与任一关键点上的 DK 指定冲突；

DA 指定会与相邻面（有公共关键点和公共线）上的 DA 指定冲突； DA 指定会与任一线上的 DL 指定冲突； DA 指定会与任一关键点上的 DK 指定冲突。

按下列顺序将施加到几何模型上的自由度约束转换到有限元模型上：

① 按面号增加的顺序，将 DA 的自由度约束转换到面上的所有节点；

② 按面号增加的顺序，将 DA 约束的 SYMM 和 ASYM 转换到面上的所有节点； ③ 按线号增加的顺序，将 DL 自由度约束转换到线上的所有节点；

④ 按线号增加的顺序，将 DL 的 SYMM 和 ASYM 约束转换到线上的所有节点； ⑤ 将 DK 自由度约束转换到关键点上的所有节点。

所以，对冲突的约束，DK 命令改写 DL 命令，DL 命令改写 DA 命令，施加在较大编号图素上的约束改写较低编号上的约束。这种冲突的处理与命令执行的前后顺序没有关系，但当发生冲突时，系统会发出警告信息。

二、 施加集中荷载

结构分析中的集中荷载及其标识符为力 FX, FY, FZ 及力矩 MX, MY, MZ。见下表。

1. 施加节点集中荷载

命令：F, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC NODE - 节点编号，也可为 ALL 或组件名。

Lab - 集中荷载标识符，如 FX,FY,FZ,MX,MY,MZ 其中任一。 VALUE - 集中荷载值或表式边界条件的表格名称。

VALUE2 - 集中荷载值的第二个数，如为复数输入时，VALUE 为实部，而 VALUE2 为虚部。

NEND,NINC - 节点编号范围和编号增量。 节点集中荷载列表：FLIST 删除节点集中荷载：FDELE

2. 施加关键点集中荷载

命令：FK, KPOI, Lab, VALUE, VALUE2

其中 KPOI 为关键点号，也可取 ALL 或组件名。其余参数同 F 命令。

FKLIST 命令和 FKDELE 命令分别列表或删除关键点集中载荷。 转换命令 FTRAN 仅将集中荷载转换到有限元模型的节点上。

★ 不管在何种模型上施加集中荷载，都与节点坐标系相关。

★ 如果尚没有生成有限元模型，因无节点存在，对节点坐标系操作无效，所施加的荷载仅与总体坐标系相关。

★ 如果几何模型和有限元模型同时存在，则节点坐标系的设置就有效。不管是在何时何模型上施加的荷载，如果节点坐标系重新设置了，则荷载也跟着一并改变。所以在改变节点坐标系时应慎重，以避免出现错误。 示例：

finish $ /clear $ /prep7

et,1,beam4 ! 定义单元类型 k,1 $ k,2,5 $ k,3,10 ! 创建 3 个关键点 l,1,2 $ l,2,3 ! 创建 2 条线

local,12,0,,,,90 !设置 12 号局部坐标系，其 X12 轴与总体直角坐标系的 Y 轴相同， 而其 Y12 轴与总体坐标系的 X 轴平行，但方向相反。

nrotat,all ! 此时对节点坐标系的操作无效 dk,1,all ! 约束关键点 1 全部自由度

fk,2,fy,-1000 ! 在当前节点坐标系（与总体坐标系相同）中，对关键点 2 施加 FY=-1000,其力的作用方向与总体直角坐标系的 Y 轴平行。 esize,1 $ lmesh,all ! 划分网格，生成有限元模型

nrotat,all ! 设置所有节点的节点坐标系与当前激活坐标系相同（12 号坐标系） LPLOT ! 关键点 2 上的 FY=-1000 方向与 Y12 轴平行，而与总体坐标系的 X 轴平行了（节点坐标系改变了，荷载跟着改变）

fk,3,fy,1000 ! 在关键点 3 施加 FY=1000，方向与 Y12 轴平行 f,6,fx,-1000 ! 在节点 6 施加 FX=-1000，其方向与 X12 轴平行 sbctran ! 转换所有边界条件到有限元模型 EPLOT ! 显示单元与边界条件

三、 施加面荷载

结构分析中的面荷载为压力，其标识符为 PRES。虽然线分布荷载和面分布荷载都称为压力，但对不同的单元类型，其荷载单位不尽相同。 对于 2D 面单元，无论面荷载施加在单元边或边界线（LINE），其荷载单位都是“力/面积”。

对于 SHELL 单元，施加中面法向的面荷载单位为“力/面积”，而单元边或单元边界线上的面荷载单位为“力/长度”。

对于梁单元，其分布荷载单位为“力/长度”，单元端部荷载单位为“力”。 对于 3D 实体单元，其面荷载的单位为“力/面积”。 有关命令见下表：

1. 施加节点面荷载

⑴ 对节点群施加面荷载

命令：SF, Nlist, Lab, VALUE, VALUE2

Nlist - 节点群，可取 ALL 或组件名。 Lab - 面荷载标识符，结构分析为 PRES。

VALUE - 面荷载值或表格型面荷载的表格名称。 VALUE2 - 复数输入时面荷载值的第二个值。 ★ 对于单个节点不能使用该命令。

★ 对于 3D 体单元面，由Nlist节点群能够确定多少个单元面就施加多少单元面（与几何面无关），与单元是否被单独选择无关。利用该命令可以解决大面上局部加载的问题。

★ 对于 2D 面单元，当在单元外部边界（不是单元边）上加载时，可仅选择外部边界上的节点群即可加载；当节点群不在单元外部边界时，尚须单独选择包含这些节点的单元，否则不予施加。面荷载的方向与单元面平行，且指向单元面边界。该特点对于单元周边施加相同面荷载时比较简单，当然也可施加单元任一边的面荷载，但稍稍麻烦些。 示例：

! EX4.4A 3D 单元 SF 加载示例

finish $ /clear $ /prep7

et,1,95 $ blc4,,,10,10,20 ! 定义单元类型，创建长方体 esize,,4 $ vmesh,all ! 定义单元网格数目，划分单元网格 asel,s,loc,y,10 ! 选择 Y=10 的几何面

nsla,s ! 选择与面相关的节点，但不包含面边界节点

sf,all,pres,1000 ! 施加节点群压力荷载（力/面积），仅 4 个单元面 asel,s,loc,z,20 ! 选择 Z=20 的面

nsla,s,1 ! 选择与面相关的所有节点

sf,all,pres,1000 ! 施加节点群压力荷载（力/面积），所有单元面

示例 2：

! EX4.4B 2D 单元 SF 加载示例 FINISH $ /CLEAR $ /PREP7 ! ① 定义单元，创建带孔面 ET,1,82 $ BLC4,,,100,200

blc4,30,60,40,80 $ asba,1,2

wprota,,-90 $ wpoff,,,60 $ asbw,all ! ② 切分面，以便划分网格

wpoff,,,80 $ asbw,all $ wprota,,,90 wpoff,,,30 $ asbw,all $ wpoff,,,40 asbw,all

wpcsys,-1 $ ESIZE,5 $ AMESH,ALL /psf,PRES,NORM,2

SF,ALL,PRES,100 ! 对所有单元施加面荷载，即外部边界加载 sfdele,all,pres ! 删除上述面荷载

nsel,s,loc,0 ! 选择 X=0 的节点群

sf,all,pres,1 ! 对上述节点群施加面荷载 nsel,s,loc,x,150 ! 选择 X=15~20 的节点

esln,s,1 ! 选择上述节点能够确定的全部单元 nsel,r,loc,x,15 ! 从中选择 X=15 的节点群

sf,all,pres,110 ! 对上述节点群施加面荷载（内部单元的一边上）

nsel,s,loc,x,40,60 ! 选择 X=40~60 的节点

nsel,r,loc,y,10,30 ! 从中选择 Y=10~30 的节点

esln,s,1 ! 选择上述节点能够确定的全部单元

sf,all,pres,100 ! 对上述节点群施加面荷载（内部单元的周边上） lsel,s,loc,x,100 ! 选择 X=100 的线

nsll,s,1$esln,s ! 选择与线相关的全部节点，再选择与节点相关的全部单元 nsel,s,loc,x,95 ! 重新选择节点群（在上述单元范围内）

sf,all,pres,-100 ! 对上述节点群施加面荷载（内部单元的一边上） allsel $ eplot

⑵ 定义节点号与面荷载的函数关系 命令：SFFUN, Lab, Par, Par2

Lab - 面荷载标识符，结构分析为 PRES。 Par - 储存面荷载值的参数名（数组参数）。 Par2 - 用于复数输入时的第二个值。

该命令定义节点号与面荷载的函数关系，数组中值的位置（数组下标）表示节点号，数组值表示面荷载的大小。该命令对于施加由其它软件计算出的节点面荷载时比 较有用，但对于ANSYS自动生成的有限元模型，其节点编号由系统自动确定，显然要直接应用这种函数关系并不容易。该命令所定义的函数关系，可用于 SF 和 SFE 命令。 示例：

! EX4.5 节点号及其荷载函数

finish $ /clear $ /prep7

et,1,45 $ blc4,,,10,10,20 ! 定义单元类型，创建长方体 esize,5 $ vmesh,all ! 定义单元尺寸，划分网格 *dim,mypres,,100 ! 定义数组 mppres

*do,i,1,100 $ mypres(i)=i*10.0 $ *enddo ! 为数组赋值

sffun,pres,mypres(1) ! 定义节点号与面荷载函数关系 nsel,s,loc,y,10 $ sf,all,pres,10 ! 选择节点群，施加面荷载

SFLIST ! 该面荷载的节点上的值为 10+i*10 *DO,I,1,100 $ MYPRES(I)=I*50.0 $ *ENDDO ! 为数组重新赋值，定义另组关系 NSEL,S,LOC,z,20 $ SF,ALL,PRES,0 !选 择节点群，并施加面荷载 ALLSEL $ SFLIST ! 列表显示所有面荷载的值

⑶ 定义面荷载梯度

命令：SFGRAD, Lab, SLKCN, Sldir, SLZER, SLOPE

Lab - 面荷载标识符，结构分析为 PRES。

SLKCN - 斜率坐标系的参考号，缺省为 0（总体直角坐标系）。 Sldir - 在 SLKCN 坐标系中梯度（或斜率）的方向，其值可取： =X（缺省）：沿 X 方向的斜率，对非直角坐标系为 R 方向； =Y：沿 Y 方向的斜率，对非直角坐标系为 θ 方向； =Z：沿 Z 方向的斜率，对球或环坐标系为 φ 方向；

SLZER - 斜率基值为 0 的坐标位置。如为角度则单位为度，如果奇点在 180°，则 SLZER 在 ±180° 之间，如果奇点在 0°，则 SLZER在 0°～360° 之间。

SLOPE - 斜率值，即单位长度或单位角度的荷载值，沿 Sldir 正方向递增为正，递减为负。

该命令所定义的梯度（斜率）可为随后的 SF、SFE、SFL 和 SFA命令使用，每个节点处的荷载按下式计算：

CVALUE = VALUE + (SLOPE × (COORD - SLZER))

其中 VALUE 是命令 SF、SFE、SFL 和 SFA 中的参数值，COORD 为节点坐标。 ★ 定义的梯度仅在当前被激活，后面定义的梯度将替代前面的。 ★ 一旦设定了荷载梯度，则对随后的荷载施加命令都有效。

★ 取消荷载梯度，无参数的 SFGRAD 命令 ★ 命令 SFGRAD,STAT 可显示当前的状态。该命令不能对 PIPE 系列单元施加梯度荷载，且该命令不能采用表格型边界条件。

其余命令如 SFSCALE、SFCUM、SFLIST 和 SFDELE 等使用方法与前面同类命令类似。但 SFSUM 仅对节点群荷载有效（SF 命令施加的荷载），对于 SFE、SFL 及 SFA 无效。 2. 施加单元荷载

⑴ 在单元上施加面荷载

命令：SFE, ELEM, LKEY, Lab, KVAL, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4

ELEM---拟施加面荷载的单元号，也可为ALL或元件名。

LKEY---与面荷载相关的荷载控制参数，缺省为1，在每个单元的帮助中有说明。 Lab---面荷载标识符，结构分析为PRES。 KVAL---当Lab=PRES时，

KVAL=0或1表示VAL1~VAL4为压力的实部 KVAL=2表示VAL1~VAL4为压力的虚部。

VAL1---第一个面荷载值或表格边界条件名称，比较典型的是在面上的第1个节点上，节点的顺序在单元中明确地给定。

VAL2~VAL4---为面上节点的第2、3、4个面荷载值，如果为空，则与VAL1相等；如果为0或其它空值则均为0；对于2D平面单元，可对单元的任一面（实为单元边界）施加面荷载，荷载施加到该单元面的角节点上（高次单元的中间节点荷载由系统自动处理），相邻角节点的数值可以不等。

对于3D体单元，用SFE施加面荷载时也要确定面号及方向才能保证正确（可根据单元节点列表确定单元面号），同样也可施加不同的荷载值使得该面上各节点荷载不同。 对于SHELL单元，其①和②面为底面和顶面，其余为侧面（侧边）。

SF和SFE比较而言，对2D平面单元，SF施加单元周边面荷载较为方便，而SFE则施加单元任一边面荷载较为方便；对于3D体单元，SF施加的面荷载对各节点是等值的（除非使用SFFUN定义），而SFE可施加各节点不等值和等值两种面荷载；

对于SHELL单元，SFE较SF方便。一般而言，对于通过几何模型生成的有限元模型，通过SFL和SFA命令施加荷载更加便捷，且不易出错。

⑵ 在梁单元施加面荷载

命令：SFBEAM, ELEM, LKEY, Lab, VALI, VALJ, VAL2I, VAL2J, IOFFST, JOFFST ELEM---拟施加面荷载的单元号，也可为ALL或元件名。

LKEY---荷载面号(缺省为1)，在每个梁单元的帮助中有说明。

Lab---面荷载标识符，结构分析为PRES。

VALI,VALJ---节点I和J附近的荷载数值。如VALJ为空则与 VALI相同，否则为其输入值。 VAL2I,VAL2J---当前未启用。

IOFFSET---VALI荷载值的作用点离开I节点的距离。 JOFFSET---VALJ荷载值的作用点离开J节点的距离。

该命令是对梁单元（BEAM系列）施加单元荷载的惟一命令，施加到梁单元线（LINE）上的荷载不能转换到有限元模型。梁单元荷载有线性分布荷载、局部线性分布荷载、跨间集中力三种。

对于梁单元的垂直和切向分布荷载其单位为“力/长度”，而对于端部荷载则为“力”。 ★线性分布荷载：如节点I和节点J的横向分布集度分别为q1和 q2，则命令为：sfbeam,elem,1,pres,q1,q2

★局部线性分布荷载，q1到节点I的距离为a1，q2到节点J的距离为a2, 则命令为： sfbeam,elem,1,pres,q1,q2,,,a1,a2

★跨间集中力：设集中力为p1,到节点I的距离为a1，则命令为：

sfbeam,elem,1,pres,p1,,,,a1,-1 !注意JOFFSET必须设为-1

所有荷载均相对于单元而言，对每个单元可施加多个LKEY不同的荷载，但对于同一LKEY值，只能施加一种。如BEAM3单元， LKEY=1为垂直单元轴线的荷载，LKEY=2为平行单元轴线的分布荷载，而LKEY=3或4时为单元端部面荷载（力）；同时可利用keyopt(10)设置长度或长度比确定IOFFSET或JOFFSET。

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