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ANSYS非线性分析指南(1)基本过程

第一章结构静力分析

1.1结构分析概述

结构分析的定义：

结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广

义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身、骨架；

海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身、机翼等，同时还包括机械零部

件，如活塞传动轴等等。

在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型，结构分析中计算得出的基

本未知量-节点自由度，是位移；其他的一些未知量，如应变、应力和反力，

可通过节点位移导出。

七种结构分析的类型分别是：

a.静力分析-用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析

包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、

超弹性、接触面和蠕变，等。

b.模态分析-用于计算结构的固有频率和模态。

c.谐波分析-用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。

d.瞬态动力分析-用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，

并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。

e.谱分析-是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入

随机振动引起的应力和应变。

f.屈曲分析-用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态，ANSYS可进行线性特

征值和非线性屈曲分析。

g.显式动力分析-ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复

杂的接触问题。

除了前面提到的七种分析类型，还有如下特殊的分析应用：

?断裂力学

?复合材料

?疲劳分析

?p-Method

结构分析所用的单元：绝大多数的ANSYS单元类型可用于结构分析。单

元类型从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单

元

1.2结构线性静力分析

静力分析的定义：

静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应。它不考虑惯性和阻尼的

影响，如结构受随时间变化载荷的情况。可是静力分析可以计算那些固定不变的

惯性载荷对结构的影响，如重力和离心力；以及那些可以近似为等价静力作用的

随时间变化载荷，如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷。

静力分析中的载荷：

静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件

上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载

荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢，静力分析所施加的载荷包括：

?-外部施加的作用力和压力

?-稳态的惯性力如中力和离心力

?-位移载荷

?-温度载荷

线性静力分析和非线性静力分析

静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非

线性类型：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触、间隙单元、超弹性单元等，

本节主要讨论线性静力分析，非线性静力分析在下一节中介绍。

线性静力分析的求解步骤

1建模

2施加载荷和边界条件求解

3结果评价和分析

1.3非线性结构静力分析

非线性结构的定义：

在日常生活中，经常会遇到结构非线性，例如：无论何时用钉书针钉书，金

属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状，如图1─1a；如果你在一个木架上放

置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂，如图1─1b；当在汽车或卡车上装货

时它的轮胎和下面路面间接触将随货物的重量而变化，如图1─1c；如果将上面

例子的载荷-变形曲线画出来，你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征

-变化的结构刚性，即结构变形与载荷间不是线性关系。

非线性行为的原因

引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：

1.状态变化，包括接触

许多普通的结构表现出一种与状态相关的非线性行为，例如一根只能拉伸的

电缆可能是松散下垂的，也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的，也可能是不接

触的；冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的

改变在不同的值之间突然变化，状态改变也许和载