結構靜力學的案例
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基于Abaqus靜力學分析的球銷安全性結構仿真研究
1背景
Abaqus作為一款十分成功的大型商用通用有限元仿真軟件，應用其進行結構的靜力學仿真分析是拿手好戲。通過仿真手段不僅能夠及時了解結構的力學響應，還能夠依據應力應變仿真結果對分析的結構進一步進行安全性能評估，這極大地提高了產品設計在概念設計、結構設計及最終的試驗設計階段的時間成本，縮短了產品生產設計周期。鑒于此，本文依據Abaqus仿真平臺，通過對常用的工程連接構件球銷的線性靜力學分析，來了解Abaqus靜力學分析流程，以便后續更好地應對復雜體的結構靜力學分析。
2問題
球銷作為一種關鍵的轉向機構，是各大傳動系統中傳遞載荷的重要零件，主要用于轉向節或者轉向臂配合。那么在設計過程中，就必須考慮球銷在額定載荷下的安全性，需要對其進行必要的靜力學分析。
基于軟件平臺
3幾何建模
依據國標設計一種常規的汽車球銷如圖1所示。考慮模型相對倒角較多，模型由ug10.0建立并轉成文本格式（x_t格式）導入Abaqus進行分析，模型的幾何尺寸等參數常見附件qiuxiao.x_t。
圖1 ug10.0建立的球銷幾何模型
4有限元分析
由于球銷模型結構并不規則，在對其進行網格劃分時候需要對其進行切分，網格劃分不另外采取其他網格劃分前處理器，直接在Abaqus中進行，主要步驟如圖2所示。應注意的是，在對其進行切分的時候，必須要選好切方的基準面（如圖2（a）所見），之后切分完成后通過掃掠網格劃分即可完成結合體的整體網格劃分如圖2（c）所示。關于對球銷的材料賦予，查閱機械設計手冊得知球銷的本構參數如表所示。之后進行的單元塑性設置、邊界載荷約束均按照案例操作完成，并無特殊設置要求，其他求解輸出設計為默認。最后遞交求解后的得到的應力云圖如圖3所示。
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機翼簡易模型結構靜力學分析與預應力模態分析
●學習目標:如圖7-5所示，本實例為機翼簡易模型結構預應力模態分析，通過本實例學習預應力模態
分析的基本操作方法和相關設置。
●起始文件: Ch7/Ch7-1/Airfoil modeling.wbpj。
●結果文件: Ch7/Ch7-1/Airfoil modeling Analysis wbpj。
圖7-5模態分析網格和振 型云圖
圖7-5模態分析網格和振 型云圖
1. 分析流程
(1)靜力學分析。
Step1創建分析系統
啟動Workbench 分析程序，瀏覽打開分析起始文件Airfoil modeling wbpj。拖曳分析系統中[ Static
Structural]. [ Modal ]進人項目流程圖(需要共享[ Gcometry ]、[ Engineering Data]、I Model ]單元格內容).
男存工程文件名稱為Airfoil modeling Analysis, 如圖7-6所示。
圖7-6創建工程文件
Step2定義工程材料數據
雙擊[ Enginering Data(B2)] 單元格，選擇[ General Materials ]材料庫中的[ Aluminum AlloyI.單擊
“+”進行添加。
Step3定義幾何零件行為特性
雙擊項目單元格[ Model(B4)]，進人Mechanical靜力學分析環境。
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由于是靜力學分析，很多屬性只需要保持默認設置即可。靜力學分析中，WELSIM目前支持4種邊界條件，分別是，約束，位移，力，和壓力。
這里我們添加約束和壓力兩個邊界條件。在約束邊界，在幾何圖形窗口選擇一個端面。如下：
對于壓力邊界條件，選擇裝配的另一端上的一個面，并給與1e6的壓力。
5. 求解設定與計算
在求解的設定上，如圖所示系統提供了不同的求解器，這里我們使用默認的MUMPS求解器即可。
設置完成，點擊求解按鈕
即可完成計算。
6. 讀取結果并顯示
當Output窗口提示求解完畢后，就可以查看結果了。目前結構靜力分析提供了4種結果顯示，分別是變形，應力，應變，和反作用力。
點擊分別變形，應力，和反作用節點，加入3個不同的結果顯示節點。在每個結果節點上點擊讀取顯示按鈕
，雙擊，或者右鍵點擊都可以讀取顯示結果了。
如果想顯示網格，可以點擊Graphics的標簽，并將Show Mesh的屬性設置為True，即可看到網格和結果云圖一起顯示出來了。
von-Mises應力的結果顯示如下。用戶可以查看關鍵部位的最大應力是否超過材料的許用應力。并做相應的設計優化。
固定端位置的反作用力，大小為5.075e7。
好了，一個裝配的結構靜力學分析就完成了，是不是很容易？有什么問題和意見就給我們發信或留言吧。
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這一階段包括以下幾個關鍵任務：</p><p>自由度（Degrees of Freedom, DOF）：為結構單元中的節點定義自由度值，這決定了節點的運動能力和約束條件。</p><p>面荷載：包括線荷載和作用在結構表面上的分布荷載，這些荷載模擬了實際結構在使用過程中可能遇到的表面力。</p><p>體積荷載：指作用在結構體積內部或物理場區域內的荷載，如溫度變化或重力場。</p><p>慣性荷載：考慮結構的質量分布和慣性效應，如地震荷載或加速度。</p><p>在施加荷載和定義問題參數后，必須進行核查，確保所有設置正確無誤。然后，使用有限元求解器進行計算，得到模型的響應。</p><p>（3）后處理（Post-processing）：</p><p>求解完成后，進入后處理階段，這一階段的目的是分析和解釋求解結果。后處理可以分為兩類：</p><p>一般后處理：允許工程師在特定時間點查看整個模型的模擬結果，包括應力、應變、位移等參數的分布。</p><p>時間歷程后處理：用于在不同時間點或荷載步驟下查看模型的模擬結果，這有助于理解模型隨時間的動態行為。</p><p>通過后處理，工程師能夠驗證設計是否滿足性能要求，檢查潛在的弱點，并進行設計優化。這一階段對于確保產品的安全性和可靠性至關重要。</p><p>5 背板靜力學分析</p><p>5.1 靜力學仿真概述</p><p>有限元分析根據結構受到的載荷是否隨時間變化分為靜力學分析和動力學分析。靜力學分析主要用于分析結構在不隨時間變化的載荷作用下的響應，例如恒定的重力、壓力或其他持久作用力。這種分析假設結構的反應是瞬間發生的，不考慮時間因素和慣性力的影響，即：</p><p><br></p><p>式中，為單元內的位移向量；</p><p>為插值函數矩陣；</p><p>為單元內節點的位移向量。
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此外，前處理階段還包括將邊界條件和荷載應用到模型上，確保它們能夠正確地傳遞到有限元模型中，以便進行結構分析。</p><p>（2）加載并求解（Solution）：</p><p>在模型準備就緒后，下一步是加載并求解。這一階段包括以下幾個關鍵任務：</p><p>自由度（Degrees of Freedom, DOF）：為結構單元中的節點定義自由度值，這決定了節點的運動能力和約束條件。</p><p>面荷載：包括線荷載和作用在結構表面上的分布荷載，這些荷載模擬了實際結構在使用過程中可能遇到的表面力。</p><p>體積荷載：指作用在結構體積內部或物理場區域內的荷載，如溫度變化或重力場。</p><p>慣性荷載：考慮結構的質量分布和慣性效應，如地震荷載或加速度。</p><p>在施加荷載和定義問題參數后，必須進行核查，確保所有設置正確無誤。然后，使用有限元求解器進行計算，得到模型的響應。</p><p>（3）后處理（Post-processing）：</p><p>求解完成后，進入后處理階段，這一階段的目的是分析和解釋求解結果。后處理可以分為兩類：</p><p>一般后處理：允許工程師在特定時間點查看整個模型的模擬結果，包括應力、應變、位移等參數的分布。</p><p>時間歷程后處理：用于在不同時間點或荷載步驟下查看模型的模擬結果，這有助于理解模型隨時間的動態行為。</p><p>通過后處理，工程師能夠驗證設計是否滿足性能要求，檢查潛在的弱點，并進行設計優化。這一階段對于確保產品的安全性和可靠性至關重要。</p><p>5 座椅靜力學分析</p><p>5.1 靜力學仿真概述</p><p>有限元分析根據結構受到的載荷是否隨時間變化分為靜力學分析和動力學分析。靜力學分析主要用于分析結構在不隨時間變化的載荷作用下的響應，例如恒定的重力、壓力或其他持久作用力。
展開 如何從有限元模型生成幾何模型？
（5）使用Finite Element Modeler中得到的幾何模型及有限元模型
本步驟將使用前面得到幾何模型和有限元模型，進行一個簡單的結構靜力學分析。
（5.1）導出模型到結構靜力學分析系統
使用如下圖所示方式把FEM的結果導出到結構靜力學系統。
結果如下
此時，FEM只把工程數據導入到結構靜力學系統中。
（5.2）新建連接
為了把FEM中的幾何模型和有限元模型都導入到結構靜力學分析系統，新建一個連接關系如下圖。
（5.3）更新連接
更新連接關系如下圖，從而把幾何模型和網格模型都導入到結構靜力學分析系統。
結果如下
（5.4）雙擊Model進入到DS中
查看幾何模型
查看有限元模型
可見，幾何模型和有限元模型都已經導入。
（5.6）對四個圓孔分別創建四個命名選擇
為了便于后面選擇四個孔，首先對四個孔創建命名選擇。方法是首先選擇一個孔的八個面，然后創建一個命名選擇，其它三個孔類推。
（5.7）創建固定邊界
固定如圖所示的邊界。
（5.8）在四個圓孔上施加集中力
在四個孔施加集中力，此時用命名選擇作為SCOPING對象。
（5.9）求解并查看應力云圖
計算并查看應力云圖如下
至此，計算完畢。
【結論】
1. 使用ANSYS WORKBENCH的Finite Element Modeler，只需要一步就可以從網格模型得到幾何模型。上述步驟中，（4.2）步是關鍵，而（4.1）步是可選的。朋友們可以直接執行（4.2）步，而不用經過（4.1）步。不過，在ANSYS內部，它仍舊經過了（4.1），再到達（4.2）步。
2. ANSYS是如何根據有限元模型得到幾何模型的？它是根據單元的外表面的連續性，首先創建了幾何模型的外表面，根據這些外表面，其內部就是實體模型。
3.
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來源：安世亞太
在現實生活中，絕大多數物體受到的載荷并非一成不變的靜載荷，而是隨著時間、頻率等不斷發生變化的動載荷，結構動力學作為結構力學的一個分支，著重研究結構對于動載荷的響應（如位移、應力等的時間歷程），以便確定結構的承載能力和動力學特性，或為改善結構的性能提供依據。
從大橋因共振斷裂坍塌，建筑物在地震中晃動，再到飛機因不穩定的氣流而產生顛簸，結構動力學問題在我們的生活中無處不在。研究結構對于動載荷的響應不僅能避免災難性破壞的發生，更能減小結構的振動，減少噪聲，為我們的生活帶來更多的舒適和便利。
結構動力學同結構靜力學的主要區別在于，它要考慮結構因振動而產生的慣性力和阻尼力；而同剛體動力學之間的主要區別在于，要考慮結構因變形而產生的彈性力。
在外加動載荷作用下，結構會發生振動，它的任一部分或者任意取出的一個微體，將在外載荷、彈性力、慣性力和阻尼力的共同作用下處于平衡狀態，通過位移及其導數來表示這種關系就得到運動方程。運動方程的建立、求解和分析，是結構動力學理論研究的基本內容。
ANSYS Mechanical 針對結構動力學問題提供了多種分析類型，使用戶能夠確定結構對于動載荷的響應，包括模態分析、諧響應分析、響應譜分析、隨機振動分析等。
模態分析用于確定結構的振動特性，即固有頻率和振型，它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數。同時，也可以作為其它動力學分析問題的起點，例如瞬態動力學分析、諧響應分析和譜分析，其中模態分析也是進行譜分析或模態疊加法諧響應分析，或瞬態動力學分析所必需的前期分析過程。
展開 如何從有限元模型生成幾何模型？
（5）使用Finite Element Modeler中得到的幾何模型及有限元模型
本步驟將使用前面得到幾何模型和有限元模型，進行一個簡單的結構靜力學分析。
（5.1）導出模型到結構靜力學分析系統
使用如下圖所示方式把FEM的結果導出到結構靜力學系統。
結果如下
此時，FEM只把工程數據導入到結構靜力學系統中。
（5.2）新建連接
為了把FEM中的幾何模型和有限元模型都導入到結構靜力學分析系統，新建一個連接關系如下圖。
（5.3）更新連接
更新連接關系如下圖，從而把幾何模型和網格模型都導入到結構靜力學分析系統。
結果如下
（5.4）雙擊Model進入到DS中
查看幾何模型
查看有限元模型
可見，幾何模型和有限元模型都已經導入。
（5.6）對四個圓孔分別創建四個命名選擇
為了便于后面選擇四個孔，首先對四個孔創建命名選擇。方法是首先選擇一個孔的八個面，然后創建一個命名選擇，其它三個孔類推。
（5.7）創建固定邊界
固定如圖所示的邊界。
（5.8）在四個圓孔上施加集中力
在四個孔施加集中力，此時用命名選擇作為SCOPING對象。
（5.9）求解并查看應力云圖
計算并查看應力云圖如下
至此，計算完畢。
【結論】
1. 使用ANSYS WORKBENCH的Finite Element Modeler，只需要一步就可以從網格模型得到幾何模型。上述步驟中，（4.2）步是關鍵，而（4.1）步是可選的。朋友們可以直接執行（4.2）步，而不用經過（4.1）步。不過，在ANSYS內部，它仍舊經過了（4.1），再到達（4.2）步。
2. ANSYS是如何根據有限元模型得到幾何模型的？
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靜力學仿真概述</p><p>有限元分析根據結構受到的載荷是否隨時間變化分為靜力學分析和動力學分析。
Workbench之22 Eigenvalue Buckling 特征值屈曲分析
Workbench之22 Eigenvalue Buckling 特征值屈曲分析
特征值屈曲分析系統，預報理想彈性結構的理論屈曲強度，此方法使用彈性屈曲分析的書本方法，例如，柱體的特征值屈曲分析與經典歐拉方法匹配。然而，缺陷和非線性導致實際結構達不到其理論彈性屈曲強度。特征值屈曲分析通常求解快速，但結果不保守。
本系統在Mechanical中配置，使用Ansys或Samcef求解器計算
特征值屈曲分析必須在預應力靜力學結構分析之后，按靜力學分析指導建立預應力結構靜力學分析系統，然后在預應力與特征值屈曲分析系統之間建立鏈接
使用特征值屈曲分析系統：
1） 結構靜力學系統，右擊Solution單元，快捷菜單選擇Transfer Data to New > Eigenvalue Buckling
將創建特征值屈曲分析系統，其Engineering Data，Geometry，Model和Setup單元與結構靜力學系統鏈接
2） 要打開Mechanical程序，右擊特征值屈曲系統的Setup單元，快捷菜單選擇Edit；或者雙擊Setup單元
3） 在Mechanical窗口，使用工具和特征完成分析
詳見Eigenvalue Buckling Analysis in the Mechanical User’s Guide
4） 在Project標簽工具條，點擊Update Project
展開 
基于Ansys的水箱有限元靜力學分析
本文采用的是結構靜力學分析的模塊（static structual)。
1.2 基于Ansys-workbench的水箱靜力學分析
1.2.1 有限元分析流程
從上述流程圖可知分析步驟為：
（1）基于SolidWorks軟件進行水箱三維建模。
（2）基于ANSYS-workbench平臺下的mesh進行水箱系統的網格劃分。
（3）基于ANSYS-workbench平臺下的static structual模塊添加水箱的邊界條件和約束等設置。
（4）求解并分析。
1.2.2 水箱系統有限元建模
水箱系統是洗碗機的重要核心零部件，水箱系統由水箱上片，水箱下片，浮子系統，放水閥，水管道等組成，在洗碗機正常工作過程中，水箱需要自動進水或手動進水，進水約5L左右后，觸發浮子接通信號，會發出進水已滿的報警聲之后進行正常洗滌過程。
本章分析的重點是水箱上下片的結構強度分析，在進行建模時，需提出幾點假設：1 各零件材料為各向同性，密度分布均勻；2.由于本章先要對理想情況下的水箱系統進行分析，這里假設水箱上片，下片等零件均為理想狀態即不考慮結構和材料的缺陷及加工，裝配過程中的殘余應力等。
1）單元選擇，定義材料和網格劃分
將簡化后的水箱三維模型另存為.xt文件，將.xt文件導入到ANSYS-workbench中，在網格劃分之前需選擇實體單元，ANSYS軟件提供了常見的單元類型，如實體單元和彈簧阻尼單元等等，根據每種單元的算法不同和實際應用的需要，設計人員需要通過不同的命令流在ANSYS-workbench平臺下，對單元進行選擇或更改。
展開 已在網上搜到一本UG有限元新書，和大家共享
書名：
UG NX 7.0有限元分析入門與實例精講
副書名：
英文書名：
叢書名：
CAD/CAM/CAE工程應用叢書·UG系列
作者：
沈春根、王貴成、王樹林等編著
次要編著者：
譯者：
統一書號：
I_S_B_N：
978-7-111-31145-4
ISBN：
9787111311454
版次：
出版年月：
2010年8月
附錄：
本書以UG NX 7.0的高級仿真模塊為平臺，詳細介紹在典型工程實例中采用有限元進行分析的解題思路和操作步驟，內容包括有限元分析入門、有限元分析基本操作、多載荷條件下的變形和應力、結構靜力學和優化分析、結構靜力學和疲勞分析、接觸應力分析、屈曲響應分析、固有頻率計算和分析、結構模態分析、強迫振動響應評估、非線性分析、結構熱分析和流體運動等實例。
展開 Creo結構靜力學分析設置流程
在進行Creo仿真分析前，需注意工作目錄路徑不能含有中文；
本例基于Creo9.0軟件；
本例分析結構在自重下的變形。
01
打開Simulate
在菜單欄選擇應用程序——仿真——Simulate。
在界面中選擇功能區的主頁——設置——切換至結構模式。
02
設置材料
在界面中選擇功能區的主頁——材料欄，點擊"材料"進入，選擇所需要的材料（軟件有自帶的材料，包含楊氏模量、泊松比等系數）。
在界面中選擇功能區的主頁——材料分配，在屬性欄添加材料。
03
載荷/約束
在界面中選擇功能區的主頁——位移——選擇約束面及自由度。
在界面中選擇功能區的主頁——載荷——重力——分量，添加重力加速度大小和方向。
04
網格
精細模型——AutoGEM，可以進行網格相關控制，本例不展開敘述，按照默認分析。
05
求解
在界面中選擇功能區的主頁——運行——分析和研究——文件——創建靜態分析，右鍵求解。
展開 結構動力學 劉晶波，杜修力主編下載
上式是通過考慮在時刻t 的靜力平衡而推導出來的。
具體的有限元格式推導方法，不在本文闡述。
下載地址：結構動力學 劉晶波，杜修力主編
