[本例提示]本例將學(xué)習(xí)ANSYS中載荷步控制方法以及施加動態(tài)載荷的三種加載方法：多載荷步法、表格載荷法和函數(shù)載荷法。

 

[問題描述]

   一個下端固定的圓柱頂面上承受如圖1所示的動態(tài)壓力載荷，試確定其頂面位移響應(yīng)。已知圓柱長度為0.15m，直徑為0.03m，材料的彈性模量為2.06×10⁵MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m³。

圖1 動態(tài)載荷示意圖

 

1.多載荷步法

多載荷步法求解思路為：首先，為每一個載荷步施加載荷并設(shè)置載荷步參數(shù)。然后，將每個載荷步寫入載荷步文件，最后一次性求解所有載荷步。對于本問題：

定義載荷步1：

–  在要求的部位上添加約束；

–  在要求的節(jié)點(diǎn)上施加載荷0；

–  規(guī)定施加此力的終止時間(1e-6)，指出時間步長0.05和變化方式為Ramp方式；

–  規(guī)定輸出控制，

–  將此載荷步寫入載荷步文件1中。

定義載荷步2：

–  在要求的節(jié)點(diǎn)上施加載荷22.5；

–  規(guī)定施加此力的終止時間(0.5)，指出時間步長0.05和變化方式為Ramp方式；

–  規(guī)定輸出控制，

–  將此載荷步寫入載荷步文件2中。

定義載荷步3：

–  改變載荷值為10.0；

–  規(guī)定終止時間 (1.0)。其他設(shè)置同前；

–  將此載荷步寫入載荷步文件3中。

定義載荷步4：

–  刪除力或?qū)⑵渲翟O(shè)置為零；

–  規(guī)定終止時間 (1.5) ，變化方式為Stepped方式；其他設(shè)置同前。

–  將此載荷步寫入載荷步文件4中

 

1前處理

[步驟1] 畫模型

  (1)   繪制立方塊：選擇菜單Main Menu: Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Cylinder→Solid Cylinder，輸入底面圓心坐標(biāo)(0,0)、半徑0.03/2、高度0.15/2，單擊OK按鈕。

  (2)   保存幾何模型：選擇菜單Utility Menu：File→Save As，在存儲數(shù)據(jù)庫對話框中的Save Database to中輸入數(shù)據(jù)庫名：Geometry.db。

[步驟2] 設(shè)屬性

  (1)   定義單元類型：選擇菜單Main Menu: Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，在單元類型對話框中單擊Add按鈕，在彈出的單元庫對話框中選擇Solid和Brike 8 node185（即選Solide185單元），單擊OK按鈕，再單擊Close按鈕。

  (2)   定義材料屬性：選擇菜單Main Menu: Preprocessor→Material Props→Material Model→在彈出的材料屬性窗口中依次雙擊Structural, Linear, Elastic和Isotropic，在彈出的對話框中設(shè)置EX（彈性模量）為2.06e+11；PRXY（泊松比）為0.3，單擊OK按鈕。在Material Models Available列表框中單擊路徑：Structural→Density，在密度DENS一欄中輸入7800，單擊OK按鈕。退出材料定義窗口。

[步驟3] 分網(wǎng)格

  (1)   定義單元尺寸：選擇菜單Main Menu: Preprocessor→Meshing→MeshTool，單擊MeshTool對話框Global項(xiàng)中的Set按鈕，在單元尺寸對話框中，設(shè)置Size=5(單元長度為5)，單擊OK按鈕。

  (2)   分格：選擇菜單Main Menu: Preprocessor→Meshing→MeshTool，選中Mesh欄中的Sweep單選鈕，單擊MeshTool對話框中的Mesh按鈕，在繪圖區(qū)單擊選中圓柱，單擊左側(cè)的拾取對話框中的OK按鈕。

[步驟4] 保存網(wǎng)格模型

   選擇菜單Utility Menu：File→Save As，在存儲數(shù)據(jù)庫對話框中的Save Database to中輸入數(shù)據(jù)庫名：Mesh.db。

 

2．求解

[步驟1]  指定分析類型：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，選Transient單選鈕，選中Full（完全法）單選鈕，單擊OK按鈕。

[步驟2]  對第一個載荷步施加載荷

a)        添加約束：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱底面，單擊左側(cè)的拾取對話框中的Apply按鈕，在施加約束對話框中選擇All，單擊OK按鈕。

b)       添加載荷：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱頂面，單擊OK按鈕。在施加載荷對話框中設(shè)VALUE=0，單擊OK按鈕。

c)        設(shè)置載荷步：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如圖2所示，在求解控制對話框的Basic卡中完成以下設(shè)置：Time at end of load step（結(jié)束時間）為1e-6，Number of substep（子載荷步數(shù)）為5，Frequency為write Every substep（存儲所有計(jì)算結(jié)果），在求解控制對話框的Transient卡中設(shè)置選中Ramped loading單選鈕，單擊OK按鈕。

d)       寫載荷步文件1：選取菜單途徑選擇菜單Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，彈出Write Load Step File 對話框。在Load step file number n處輸入1，單擊OK按鈕。

   圖2 求解控制對話框

[步驟3]  對第二個載荷步施加載荷

a)        添加載荷：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱頂面，單擊OK按鈕。在施加載荷對話框中設(shè)VALUE=22.5，單擊OK按鈕。

b)       設(shè)置載荷步：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，在求解控制對話框的Basic卡中完成以下設(shè)置：Timeat end of load step（結(jié)束時間）為0.5，Number ofsubstep（子載荷步數(shù)）為5，Frequency為write Every substep（存儲所有計(jì)算結(jié)果），單擊OK按鈕。

c)        寫載荷步文件2：選取菜單途徑選擇菜單Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，彈出Write Load Step File 對話框。在Load step file number n處輸入2，單擊OK按鈕。

[步驟4]  對第三個載荷步施加載荷

a)        添加載荷：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱頂面，單擊OK按鈕。在施加載荷對話框中設(shè)VALUE=10，單擊OK按鈕。

b)       設(shè)置載荷步：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，在求解控制對話框的Basic卡中完成以下設(shè)置：Timeat end of load step（結(jié)束時間）為1.0，Number ofsubstep（子載荷步數(shù)）為5，Frequency為write Every substep（存儲所有計(jì)算結(jié)果），單擊OK按鈕。

c)        寫載荷步文件3：選取菜單途徑選擇菜單Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，彈出Write Load Step File 對話框。在Load step file number n處輸入3，單擊OK按鈕。

[步驟5]  對第四個載荷步施加載荷

a)        添加載荷：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱頂面，單擊OK按鈕。在施加載荷對話框中設(shè)VALUE=0，單擊OK按鈕。

b)       設(shè)置載荷步：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，在求解控制對話框的Basic卡中完成以下設(shè)置：Timeat end of load step（結(jié)束時間）為1.5，Number ofsubstep（子載荷步數(shù)）為5，Frequency為write Every substep（存儲所有計(jì)算結(jié)果），在求解控制對話框的Transient卡中設(shè)置選中Stepped loading單選鈕，單擊OK按鈕。

c)        寫載荷步文件4：選取菜單途徑選擇菜單Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，彈出Write Load Step File 對話框。在Load step file number n處輸入4，單擊OK按鈕。

[步驟6]  求解

選擇菜單Main Menu→Solution→Solve→From LS File，彈出Solve Load Step Files對話框。在Starting LS file number處輸入1；在Ending LSfile number處輸入4。單擊OK按鈕。當(dāng)求解完成時會出現(xiàn)一個Solution is done的提示對話框。單擊close。

3. 結(jié)果處理

POST26觀察節(jié)點(diǎn)146的位移時間歷程結(jié)果

[步驟1]  定義結(jié)果變量：選擇菜單Main Menu: TimeHistPostpro，單擊按鈕，單擊Nodal Solution→DOF Solution→Z-compnent of displacement，設(shè)Valu Name為Xiangying，單擊OK按鈕，在圖形區(qū)單擊頂面上的節(jié)點(diǎn)，單擊拾取對話框中OK按鈕。

[步驟2]  繪制位移響應(yīng)曲線：選擇菜單Main Menu: TimeHistPostpro，選中前面定義的Xiangying變量，單擊按鈕，繪制位移響應(yīng)曲線，見下圖3。

圖3  位移響應(yīng)曲線

Finish

/Clear

 

/PREP7 

CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15 

 

ET,1,SOLID185

MP,EX,1,2.06e11

MP,PRXY,1,0.3 

MP,DENS,1,7800

 

ESIZE,0,5, 

VSWEEP,All

 

FINISH 

  

/SOL

ANTYPE,4

TRNOPT,FULL

 

NSUBST,5,0,0  

OUTRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL 

 

KBC,0

TIME,1e-6

DA,1,ALL,

SFA,2,1,PRES,0 

LSWRITE,1,

 

TIME,0.5

SFA,2,1,PRES,22.5 

LSWRITE,2,  

 

TIME,1.0

SFA,2,1,PRES,10 

LSWRITE,3,  

 

TIME,1.5

KBC,1  

SFA,2,1,PRES,0 

LSWRITE,4, 

 

LSSOLVE,1,4,1, 

 

FINISH 

 

/POST26

FILE,'file','rst','.'  

 

NSOL,2,96,U,Z, UZ_2

PLVAR,2,

 

時間位移動圖如下

2.表格載荷法

        表格載荷法的求解思路為：首先，將載荷-時間歷程用表格表示。然后，用數(shù)組參數(shù)定義載荷隨時間變化的表。最后，施加表載荷，作為一個載荷步一次性求解。表格載荷法的加載過程：定義表格參數(shù)表→施加已有表載荷→表格載荷步控制。對于本問題的載荷表為：

序號	時間/s	載荷
1	0	0
2	0.5	22.5
3	1.0	10
4	1.000001	0
5	1.5	0

表1 載荷-時間歷程表

前處理

重復(fù)多載荷步求解中的相應(yīng)步驟或打其保存的網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)庫Mesh.db。

求解

[步驟1]  指定分析類型：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，選Transient單選鈕，選中Full（完全法）單選鈕，單擊OK按鈕。

[步驟2]  添加約束：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱底面，單擊左側(cè)的拾取對話框中的Apply按鈕，在施加約束對話框中選擇All，單擊OK按鈕。

[步驟3]  定義表格載荷

1. 定義表格：選擇菜單Utility Menu: Parameter→Array Parameter→Define/Edit，在數(shù)組定義對話框中單擊Add按鈕，在新數(shù)組對話框中設(shè)ParameterName為Table load，Parameter Type為Table，設(shè)I,J,K為（5,1,1），Var1為Time，單擊OK按鈕完成表定義。

2. 填充表格：選擇菜單Utility Menu: Parameter→Array Parameter→Define/Edit，在數(shù)組定義對話框中選中前面定義的表格Table load，單擊Edit按鈕，在表填充對話框中輸入時間_載荷歷程表，如圖 4所示，單擊菜單File→Apply/Quit，單擊OK按鈕完成表填充。

 圖4 定義表格數(shù)組

[步驟4]  施加表載荷：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱頂面，單擊OK按鈕。在施加載荷對話框中設(shè)[SFA]下拉式列表框?yàn)?/span>Existing Table，在彈出的表載荷選擇對話框中選中Table Load表載荷，單擊OK按鈕。

[步驟5]  設(shè)置載荷步：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如圖2-16所示，在求解控制對話框的Basic卡中完成以下設(shè)置：Time at end of load step（結(jié)束時間）為1.5，Number of substep（子載荷步數(shù)）為50，Frequency為write Every substep（存儲所有計(jì)算結(jié)果），在求解控制對話框的Transient卡中設(shè)置選中Ramped loading單選鈕，單擊OK按鈕。

圖5 求解控制對話框

[步驟6]  求解：選擇菜單Main Menu→Solution→Solve→Current LS ，單擊OK鈕。當(dāng)求解完成時會出現(xiàn)一個Solutionis done的提示對話框。單擊close。

結(jié)果處理

重復(fù)多載荷步求解中的相應(yīng)步驟，POST26觀察頂面位移時間歷程結(jié)果。

命令流如下：

Finish

/Clear

 

/PREP7 

CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15 

ET,1,SOLID185  

MP,EX,1,2.06e11

MP,PRXY,1,0.3  

MP,DENS,1,7800 

ESIZE,0,5, 

VSWEEP,All 

FINISH 

 

*DIM,Tab_Load,TABLE,5,1,1,Time, ,  

!* 

*SET,TAB_LOAD(1,0,1) , 0

*SET,TAB_LOAD(2,0,1) , 0.5 

*SET,TAB_LOAD(2,1,1) , 22.5

*SET,TAB_LOAD(3,0,1) , 1

*SET,TAB_LOAD(3,1,1) , 10  

*SET,TAB_LOAD(4,0,1) , 1.001

*SET,TAB_LOAD(5,0,1) , 1.5 

 

/SOLU  

 

ANTYPE,4

TRNOPT,FULL

LUMPM,0

!* 

NSUBST,50,0,0  

OUTRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL 

TIME,1.5

 

DA,1,ALL,

SFA,2,1,PRES, %TAB_LOAD%

SOLVE  

FINISH 

/POST26

FILE,'file','rst','.'  

NSOL,2,51,U,Z, UZ_2

 PLVAR,2,

 

3.函數(shù)載荷法

  函數(shù)載荷法的求解思路為：首先，將載荷-時間歷程用函數(shù)工具表示。然后，將載荷-時間函數(shù)轉(zhuǎn)換為表格載荷。最后，施加已有表載荷，作為一個載荷步一次性求解。函數(shù)載荷法的加載過程：定義函數(shù)關(guān)系式→轉(zhuǎn)換為表格載荷→施加已有表載荷→表格載荷步控制。載荷-時間歷程函數(shù)為下圖6：

圖6 載荷函數(shù) 

前處理

重復(fù)多載荷步求解中的相應(yīng)步驟或打其保存的網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)庫Mesh.db。

求解

[步驟1]  指定分析類型：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，選Transient單選鈕，選中Full（完全法）單選鈕，單擊OK按鈕。

[步驟2]  添加約束：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱底面，單擊左側(cè)的拾取對話框中的Apply按鈕，在施加約束對話框中選擇All，單擊OK按鈕。

[步驟3]  定義函數(shù)載荷

a.定義函數(shù)載荷：選擇菜單Utility Menu: Parameter→Function→Define/Edit，在函數(shù)編輯窗口的Function卡中選中Multivalued function based on regime variable（分段函數(shù)）單選鈕，在下拉式列表框中選擇<regime var>為TIME。在regime1卡片中，設(shè)自變量范圍為[0,0.5]，Result=45*{TIME}（{TIME}不能輸入，列表框中選擇TIME）。重復(fù)上述步驟，在regime2卡片中，設(shè)自變量范圍為[0.5,1.0]，Result=-25*{TIME}+35。在regime3卡片中，設(shè)自變量范圍為[1.0,1.5]，Result=0。在函數(shù)編輯窗口中單擊菜單File→Save，在文件保存對話框中設(shè)文件名為Load，單擊OK按鈕，在函數(shù)編輯窗口中單擊菜單File→Close，完成載荷函數(shù)定義。

圖7 函數(shù)編輯

b.轉(zhuǎn)換為表格載荷：選擇菜單UtilityMenu: Parameter→Function→Read from File，選中前一步保存的函數(shù)Load.fun，在函數(shù)載荷對話框的Table parameter name（表格載荷名稱）中輸入Fun_load，單擊OK按鈕，將載荷函數(shù)轉(zhuǎn)化為表格載荷。

c.施加表載荷：選擇菜單Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在圖形區(qū)中單擊圓柱頂面，單擊OK按鈕。在施加載荷對話框中設(shè)[SFA]下拉式列表框?yàn)?/span>Existing Table，在彈出的表載荷選擇對話框中選中Table Load表載荷，單擊OK按鈕。

[步驟4]  設(shè)置載荷步：選擇菜單Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如圖8所示，在求解控制對話框的Basic卡中完成以下設(shè)置：Time at end of load step（結(jié)束時間）為1.5，Number of substep（子載荷步數(shù)）為50，Frequency為write Every substep（存儲所有計(jì)算結(jié)果），在求解控制對話框的Transient卡中設(shè)置選中Ramped loading單選鈕，單擊OK按鈕。

圖8  求解控制對話框

[步驟5]  求解：選擇菜單Main Menu→Solution→Solve→Current LS ，單擊OK按鈕。當(dāng)求解完成時會出現(xiàn)一個Solutionis done的提示對話框。單擊close。

結(jié)果處理

重復(fù)多載荷步求解中的相應(yīng)步驟，POST26觀察頂面位移時間歷程結(jié)果。 

Finish

/Clear

/PREP7 

CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15 

ET,1,SOLID185  

MP,EX,1,2.06e11

MP,PRXY,1,0.3  

MP,DENS,1,7800 

ESIZE,0,5, 

VSWEEP,All 

FINISH

 

! 定義函數(shù) 

*DEL,_FNCNAME  

*DEL,_FNCMTID  

*DEL,_FNCCSYS  

*SET,_FNCNAME,'Fun_Load'

*SET,_FNCCSYS,0

! /INPUT,Load.func,,,1 

*DIM,%_FNCNAME%,TABLE,6,5,4,,,,%_FNCCSYS%  

! Begin of equation: {TIME}

*SET,%_FNCNAME%(0,0,1), 0.0, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,1), 1.0, 99, 0, 1, 1,0, 0 

*SET,%_FNCNAME%(0,2,1),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,3,1),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,4,1),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,5,1),   0

! End of equation: {TIME}  

! Begin of equation: 45*{TIME} 

*SET,%_FNCNAME%(0,0,2), 0.5, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,2), 1.0, -1, 0, 45, 0,0, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,2,2), 0.0, -2, 0, 1, -1,3, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,3,2),   0, 99, 0, 1, -2, 0, 0

*SET,%_FNCNAME%(0,4,2),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,5,2),   0

! End of equation: 45*{TIME}

! Begin of equation: -25*{TIME}+35 

*SET,%_FNCNAME%(0,0,3), 1.0, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,3), 1.0, -1, 0, -25, 0,0, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,2,3), 0.0, -2, 0, 1, -1,3, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,3,3),   0, -1, 0, 35, 0, 0, -2

*SET,%_FNCNAME%(0,4,3), 0.0, -3, 0, 1, -2,1, -1

*SET,%_FNCNAME%(0,5,3), 0.0, 99, 0, 1, -3,0, 0

! End of equation: -25*{TIME}+35

! Begin of equation: 0 

*SET,%_FNCNAME%(0,0,4), 1.5, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,4), 1.0, 99, 0, 0, 0,0, 0 

*SET,%_FNCNAME%(0,2,4),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,3,4),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,4,4),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,5,4),   0

! End of equation: 0

!-->

 

/SOL

ANTYPE,4

TRNOPT,FULL

LUMPM,0

NSUBST,50,0,0  

OUTRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL 

TIME,1.5

DA,1,ALL,

SFA,2,1,PRES, %FUN_LOAD%

SOLVE  

FINISH 

/POST26

FILE,'file','rst','.'  

NSOL,2,81,U,Z, UZ_2

PLVAR,2,