基于Ansys的金属切削过程分析研究

江苏科技大学

本科毕业设计（论文）

学院机电与汽车工程学院

专业机械电子工程

学生姓名周华兵

班级学号1145523238

指导教师邱小虎

二零一五年六月

江苏科技大学本科毕业论文

基于Ansys的金属切削过程分析研究Research on metal cutting process based on Ansys

摘要

本文通过对金属切削过程进行深入的理论分析，以材料变形的弹塑性有限元理论为基础，建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商业有限元软件ANSYS 强大的大变形分析功能，对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。对切削过程中的两个重要部分：应力场、温度场进行模拟分析。由于在现有的ANSYS软件中，用于切削过程分析中的直接热结构耦合单元较少，且分析过程大多不稳定，难度较大，在本文中分别采用不同的单元类型和分析类型将应力和热分开分析，得到更稳定直观的分析结果。在应力场分析中，讨论了工件的残余应力、残余应变、切削过程中工件、切屑、刀具的应力分布，以及工件与切屑的接触类型，切削分离等问题。在温度场分析中，单独考虑工件与刀具的接触类型，为相对滑动，因此建立了两者的滑动摩擦分析模型，通过模拟切削过程中的摩擦生热，分析了工件和刀具在切削过程中的温度场分布。通过对金属切削过程的模拟研究，能得到直观的变量数据，对深入研究切削机理、设计和选用相关的切削工艺参数提供重要的理论指导和参考依据。

关键词：ANSYS；金属切削；有限元；应力场；温度场

Abstract

Metal cutting process is theoretically analyzed in the paper，Based on the elastic-plastic finite element theory of material deformation，The FEA model of the orthogonal cutting of 45 steel materials is established，With the large commercial finite element software ANSYS powerful large deformation analysis function，A simulation analysis of the orthogonal metal cutting process of the 45 steel material is carried out.Two important parts of cutting process: stress field and temperature field simulation analysis.Because of the existing ANSYS software, the direct thermal structure coupling unit is less, and the analysis process is mostly unstable, and it is difficult to process.In this paper, the stress and heat of different element types and analysis types are separately analyzed, and more stable and intuitive results are obtained.In the analysis of stress field, and discusses the workpiece residual should force, residual strain, cutting in the process of workpiece and cutting chip, tool stress distribution, and the workpiece and chip contact type, the cutting separation.In the temperature field analysis, the contact types of the workpiece and the cutter are considered separately, and the sliding friction model is established,Through the simulation of friction heat in the cutting process, analyzes the distribution of workpiece and cutting tool in the cutting process the temperature field.Through the simulation study on the metal cutting process, intuitive variable data, in-depth study of cutting mechanism, design and selection of the cutting parameters provide important theoretical guidance and reference for.

Keywords: ANSYS;metal cutting;FEA;stress field; temperature field

目录

第一章绪论------------------------------------------------------------ 1 1.1 研究的目的和意义---------------------------------------------------- 1

1.1.1研究目的---------------------------------------------------------1

1.1.2研究意义---------------------------------------------------------2 1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状-------------------------------2

1.2.1国外研究现状-----------------------------------------------------2

1.2.2国内研究现状-----------------------------------------------------3 1.3金属切削模拟技术存在的问题-------------------------------------------3 1.4 ANSYS----------------------------------------------------------------4

1.4.1简介-------------------------------------------------------------4

1.4.2 ANSYS分析计算流程----------------------------------------------- 5 1.5本论文的主要工作-----------------------------------------------------6 第二章金属切削理论基础------------------------------------ 7

2.1金属切削变形理论-----------------------------------------------------7

2.1.1金属切削过程概述-------------------------------------------------7

2.1.2金属切削变形的三个变形区域---------------------------------------7 2.2切削力的来源---------------------------------------------------------8 2.3金属切削过程中的应力-------------------------------------------------9 2.4金属切削温度场理论--------------------------------------------------11

2.4.1切削温度场的概述------------------------------------------------11

2.4.2切削热的产生与传出----------------------------------------------12 第三章金属切削过程的有限元建模与分析---------------------------14

3.1金属切削应力场的有限元分析------------------------------------------14

3.1.1建立几何模型----------------------------------------------------14

3.1.2材料属性及材料的本构关系----------------------------------------15

3.1.3建立有限元模型与网格划分----------------------------------------16

3.1.4定义接触对------------------------------------------------------17

3.1.5求解设置--------------------------------------------------------18 3.2金属切削温度场有限元分析--------------------------------------------20

3.2.1建立几何模型----------------------------------------------------20

3.2.2定义材料属性----------------------------------------------------20

3.2.3建立有限元模型与网格划分----------------------------------------20

3.2.4定义接触对------------------------------------------------------21

3.2.5求解设置--------------------------------------------------------22 第四章金属切削有限元分析结果-------------------------------------24

4.1金属切削应力场有限元分析结果----------------------------------------24

4.1.1切屑等效塑性应变分布--------------------------------------------24

4.1.2切屑等效应力分布------------------------------------------------26

4.1.3刀具的应力分布--------------------------------------------------29 4.2金属切削温度场有限元分析结果----------------------------------------32 第五章总结与展望----------------------------------------------------34

5.1总结----------------------------------------------------------------34 5.2未来展望------------------------------------------------------------34 致谢-------------------------------------------------------------------- 36参考文献--------------------------------------------------------------- 37

第一章绪论

1.1研究的目的和意义

1.1.1研究目的

在机械制造行业中，金属切削是一种非常重要的加工方式。数据表明，日本平均每年花费的切削加工相关费用为10000亿日元，美国每年花费在金属切削方面的为1000亿美元。目前，中国拥有各种类型的金属切削机床4000000多台，每年可生产高速钢刀具4.2亿件，在刀具制造过程中，硬质合金的使用量超过5300吨/年。由此可见，金属切削依然是目前世界上加工金属零件的重要手段。大约在1850年，科学家们把目光转移到研究金属切削的过程，逐渐开始了一系列的研究。因为金属切削的过程包含及其复杂的机械原理，其中，会运用到金属材料学、力学原理、物理学、弹-塑性理论、热力学、摩擦学等很多专业知识。而且大部分科学家在过去都会采取实验法来研究，虽然这个方法得出的结论是有一定可信度的，但是由于采用这种方法的实验周期长、成本费用高、稳定性差，长期使用有一定的困难。综合上述原因，可以看出对金属切削过程的研究在国内外的研究中都是难点和重点。

切削工艺是根据相关图纸规格，借助刀具在材料表面切除多余不符的材料层，来加工出尺寸大小、形状、表面光滑度与预期符合的工件的一种加工方法。如何充分利用各种数据关系来有效精准的控制加工过程一直是众多学者和工作者研究的重点和难点，随着计算机技术逐渐应用到各种生产工艺中的这一趋势，有限元将会使这项研究有一个突破性的进展。近年来，切削工艺和切屑形成的有限元模拟在切削工艺中的应用表明，有限元方法可以帮助我们有效的分析切削机理，从而提高材料的切削精准度。

随着时代的发展和非线性有限元技术的广泛应用，特别是在工程领域成功使用了的数值模拟技术后，使得工件切削过程的数值模拟也成为了可能。应用此方法可以得到比传统方法更为复杂的有限元计算模型。这些模型主要用于计算工件的残余应力、残余应变、温度分布以及预期的切削力等等。模拟切削的关键是切屑形成问题，通过ANSYS14.5中的粘结区模型（CZM），成功地解决了切削分离问题，且操作简便，对于切削分析具有借鉴意义。

1.1.2研究意义

本文运用相关理论对金属切削过程进行有效合理的分析研究，再通过在ANSYS软件中加入合理的参数进行实验，以材料变形的弹塑性有限元理论为基础，建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商业有限元软件ANSYS强大的大变形分析功能，对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。对切削过程中的两个重要部分：应力场、温度场进行模拟分析。

目前，在分析金属成形时，可以用的有限元软件比较多，可是还都不能够直接地模拟出金属切削过程。ANSYS软件是一种通用性很强的有限元分析软件，它具有很强大的前处理、后处理以及求解功能，但是在ANSYS软件中依旧没有能直接用于分析金属切削过程的专用模拟分析模块。本文在实例模拟分析中使用粘结区模型（CZM），成功地解决了切削分离问题。随着ANSYS软件的开发，使用有限元分析来研究相关问题已经是一种趋势、一种公认的研究方法。再加上实验设备种类多、费用大，不容易随意改变实验过程和数据。因此利用ANSYS软件在切削过程中对切削力和切削温度问题进行建模模拟和仿真研究是为研究切削问题提供了另一条简便且可行的途径。通过对金属切削过程的模拟研究，能收集到更真实可信的一系列数据，这样就方便了我们在生产过程中选用的切削工艺参数、设计工艺流程、研究切削机理。

1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

伊利诺伊大学的b.e.klameck（1973）通过大量的实验数据采集，根据大量前人的实验结果，在对金属切削过程的研究中首先提出了一个系统的讨论。同年，Lee和Kobayashi是最先把矩阵法和有限元数值模拟技术运用于在金属塑性成形过程的。Tay·Stevenson和Davis（1974）首次通过正交切削有限元方法计算切屑、工件的温度分布；Zienkiewicz（1979）提出了粘塑性有限元法，并推导出粘塑性高温形成问题的有限元分析函数。从1980年至今，将金属塑性成形过程利用计算机进行模拟，逼近真实实验效果，从开始的电脑演练已经发展到今天的实用阶段，在金属切削过程分析的研究领域里，世界各地的研究人员都对有限元在金属切削分析中的应用进行了大量的研究和实践。1992年，Enkowski和Moon提出了能应用于金属切削模型研究的Euler方程。人们通过应用该方程来建立了金属切削有限元模型并进行了分析，其结果与实际切削过

程中的测量值基本是吻合的。美国Ohio大学T．Altan教授在塑性金属加工的研究实验和数据研究中，得到了不小的收获，目前该研究团队正致力于对刀具磨损机理和因素的有限元模拟分析。 Marusich和Ortizls（1994）用Lagrange模型对金属切削加工的过程进行了模拟仿真，并首次提到网格自动重划分技术在模拟金属切削过程中的应用，由其提出的方案能很好地解决模拟金属切削过程中网格畸变问题。2006年6月，美国俄亥俄州立大学的Altan带领其研究小组在CIRP举办的金属切削研究会议上，对金属切削的有限元模拟研究现状和成果做了详细的分析，并据此提出了金属切削未来的研究方向。

1.2.2国内研究现状

随着国外的各类有限元分析软件被引进到国内，以及许多国内专家学者们针对有限元理论和应用软件的研究，国内在金属切削理论的研究和有限元模拟技术在金属切削过程中的应用等问题上都有了很大的进展。国内许多学者在金属切削有限元分析研究中都取得了明显的成果，清华大学的方刚等人把已有的针对金属切削的Lagrange和Euler 理论方法运用到对切削加工的有限元模拟分析中，实验结果表明该种方法比单独用其中任意一个原理得到的结果更加完善和准确。董辉跃、孙云杰、王涛等人用有限元法对用于航空的大型整体结构元件的加工变形机理、标准校正和加工时的残余应力进行了分析研究，该研究为实际生产过程提供了非常有价值的结果和参数。哈尔滨工业大学的庄文义、汤敬计等人用有限元法对精密微切削过程进行了分析研究，得到的结果与实际切削中的测量数据很相近，这就进一步证明了有限元法应用于金属切削分析研究的可行性。这些国内学者们的研究过程和成果极大地促进了国内金属切削有限元仿真模拟研究的发展，将已有的传统研究方法有限元法结合在一起，使我们对金属切削机理有了更深入的了解和认知，正是由于人们坚持不懈的分析研究，使当今的切削加工技术有了的飞跃发展和进步。

1.3金属切削模拟技术存在的问题

综合国内外关于有限元技术在模拟金属切削过程中应用的研究，得知其主要还存在以下问题:

（1）在进行金属切削加工过程的有限元模拟分析时，大多数人在建立有限元模型的时候会设立工件与切屑的分离线来引导工件与切削的分离，虽然用这种方法操作简便且能

得到很稳定的分析结果，但其实这是不符合实际情况的。

（2）综合现有的金属切削有限元仿真，我们发现大多数学者都是建立的正交切削模型，而在实际切削过程中，刀具与工件接触并且会相对移动，这使得刀具与工件并不总是正交的，因此这就要求我们要对有金属切削限元模型做进一步完善，使其能更逼真地模拟出实际切削加工的过程。

（3）为了切削加工有限元分析的顺利进行，在设定参数时，我们会提出了各种假设，将切削过程进行了简化，实际上就是简化了许多条件，但这些被简化忽略的因素在实际切削时是会对切削过程产生一些不可忽视的影响的，因此，我们要进一步加深对金属切削机理的了解，能将那些被简化的因素量化并考虑到切削过程的有限元仿真中，以此来得到更真实的结论，才能用来指导实际生产。

（4）切削加工中，切屑形成过程的模拟中需要用到切屑分离准则，但是到目前为止，还没有总结归纳出适用性强的通用分离准则，并且就目前的研究现状来看，在这方面的技术还不够成熟，所以对金属切削过程的研究仍然有很长一段路要走。

1.4 ANSYS

1.4.1简介

ANSYS软件是一个大型通用有限元分析软件。从最初的2.0版本到如今最新的16.0版本，它的功能也变得越来越强大。目前，ANSYS可用来分析结构静力学、结构动力学、结构非线性、动力学、热学、电磁场、流体动力学、声场、压电等等。并且它能与多数的制图软件完美对接，方便用户在绘制了需要分析研究的结构模型后能直接导入到ANSYS中对其进行分析。

综合ANSYS覆盖到的分析类型，它可被应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS软件里主要包括三个模块部分：前处理、分析计算和后处理。在前处理模块里，用户可以根据需要分析的材料及结构模型来进行实体建模的，再根据分析精度的需求来进行网格划分，在实际操作中，ANSYS软件还会对你的设置进行建议，人性化的设计使用户操作起来更方便；ANSYS的计算模块涵盖了众多的分析类型，其强大的分析功能也便体现在这里，用户可已根据自己的需要来设置分析类型；后处理模块是用来显示有限元计算结果的，其显示方式也很多，如彩色等效云图显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、

透明显示等，通过时间历程后处理器，还可将计算结果以图表、曲线形式显示出来，并且可以自己设定图表的各个坐标及需要显示的变量。

1.4.2 ANSYS分析计算流程

1.分析模型

在进行有限元分析前，需要针对有限元模拟的问题进行一系列的分析。例如：分析需要用的几何是怎样的，可以根据分析的需要尽量简化几何模型来减少计算量，如果需要分析的实体模型为三维的，可以考虑能否将其简化为二维问题来进行分析。同时，还要明确分析模型材料的属性，比如是否要考虑非线性等。

2.选择单元

在第一步中，已经将需要分析的模型进行了分析，根据分析的类型，我们要选择合适的单元来进行分析，例如在本论文中，是建立的二维正交金属切削模型，故选用平面单元中的PLANE182。

3.定义材料参数

在第一步分析模型中，需要知道分析的模型里材料是否要考虑非线性，例如在本文中的金属切削模型中，刀具没有发生大变形，因此为线弹性，则只需要定力刀具材料的弹性模量和泊松比即可，而切屑是有很大的塑性变形的，因此要考虑其非线性，所以在定义工件材料时，除了弹性模量和泊松比，还需要定义它的屈服应力和切线模量。

4.建立模型

ANSYS中提供了多种建模方式，如实体建模，有限元建模，用户还可以从其他制图软件中将建立好的模型直接导入到ANSYS中，本实例中，我直接在ANSYS中定义几何参数来建立模型。

5.网格划分

在ANSYS网格划分中，一般主要有两种方法，即自由网格和映射网格。并且网格划分的合理与否会直接影响到分析结果，这需要用户根据自己需要来选择和划分。

6.确定分析类型

这一步中，用户由选择需要用到的分析类型，ANSYS中的分析类型有很多，比如静力学分析，瞬态动力学分析，谐响应分析等。

7.施加边界条件

在进行求解前，对有限元分模型施加边界条件是必要的一步，用户要根据分析实例

中，模型的运动情况来施加力边界条件，如果还涉及到热分析，则还需要施加热边界条件，例如本文中的金属切削温度场分析中，就需要对模型施加热边界条件。

8.求解

在完成以上的几步操作后，就可以开始求解了，ANSYS包含多种求解方式，如直接求解，载荷步求解等，用户应根据需要进行合适的选择。

9.后处理

求解完成后，就需要进行后处理了，在这一步，可以根据需要将有限元分析得到的结果以不同的形式显示出来，比如本文中用了等效塑性变形云图，等效应力分布图，温度场分布图等。

1.5本论文的主要工作

金属切削的运动过程很复杂，尽管国内外许多的学者对金属的切削机理进行过大量的研究，但是，在对金属切削的研究上，仍然存在诸多问题需要人们去探索和解决，对金属切削的有限元仿真技术也需要更多的探索和研究。本文就是通过建立金属切削的有限元模型，在前人已有的研究基础上对金属切削相关问题进行讨论及研究。主要内容如下：

（1）查阅资料，对金属切削理论基础进行深入的了解和认知，明确在金属切削过程中涉及到的关键性问题，如切屑是如何形成的，切削过程中有哪些应力，切削过程中刀具与工件上切削热是如何产生和传出等。

（2）基于材料的弹塑性理论，合理地选择了模型金属切削的刀具及工件材料，模拟实际切削过程建立了几何模型及有限元分析模型。对二维正交金属切削过程进行了模拟分析，其中主要单独考虑了切削过程中，工件、切削以及刀具的应力场变化。

（3）建立了简化后的切削模型，单独考虑切削时刀具与工件之间的摩擦生热，分析了切削过程中工件和刀具上温度场的分布。

（4）对得到的有限元模拟结果进行总结分析，综合结果对整个切削过程中的应力场和温度场进行分析及过程中各种变化量的比对，得出研究结论。

第二章金属切削理论基础

2.1金属切削变形理论

2.1.1金属切削过程概述

大量的实验和理论分析证明，金属切削过程中，切削层金属的变形过程即为切屑的形成过程。一般来说。金属切削过程中的材料变形有3至4个阶段，其变形顺序是：弹性变形(挤压阶段)→塑性变形(晶体原子滑移)→挤裂变形(断裂阶段）→切屑与工件分离4个阶段，这是经过众多学者通过研究切削金属所得来的规律。当然，不同的金属材料以及不同的切削方式产生的变形过程会稍有差异。从金属材料即将被刀具切离工件变为切屑的那一瞬间，这4个变形阶段便已经完成了。通过对切削过程进行实验，观察和分析被切削下来的切屑实物，我们不难发现，金属材料是被刀具在切削力等作用下挤压而发生断裂的，并经过一系列复杂的材料变形之后，使之被切离工件而成为切屑。

图2－1：金属切削过程中的滑移线和流线示意图

2.1.2金属切削变形的三个变形区域

金属切削过程中，这些复杂的变形过程在工件上可用3个变形区域体现出来。这3个变形区域在实际切削加工中具有很重要的意义，因此，对其进行分析研究是必不可少的。根据可循的切削变形规律，在分析了切削过程中的变形情况后，绘制出了如图2－1所示的金属切削过程中的滑移线和流线示意图，流线即为被切削金属的某一点在切削过

程中流动的轨迹。在实际研究中，整个切削变形区大致可以被划分为具体的三个变形区：

(1)第Ⅰ切削变形区域

图2－1中已经标出了切削变形中的3个变形区域：标线Ⅰ所指示的区域是塑性剪切滑移区域，称为第Ⅰ切削变形区域，是切削过程中的重点变形区域，所以也一般将其称为主变形区域。主变形区域在切削过程中是消耗功率最多的，所以在这个区产生的切削热也是最高的，由于高强度的力及热的作用，这个变形区里刀具的主刀刃、刀具前角等磨损最严重。通过对切削实物主变形区的仔细观察，发现它是从图中的OA线开始塑性变形。在实际切削时，被切削的金属材料由于受到刀具挤压的影响，使材料内部晶间组织开始发生微量滑移，产生塑性变形，工件切切屑层表面温度急剧升高，一直到OM 终处，整个剪切滑移过程就基本完成了。

(2)第Ⅱ变形区域

这一区域是即将切离工件的切屑挤排处，第Ⅱ变形区域是前刀面与切削之间发生磨擦最为严重的一个区域，切屑在经过了第一阶段的变形后，会从刀具的前刀面上滑过，在这个相对滑动的过程中，由于金属材料的切屑底层与前刀面发生摩擦和挤压，产生了切削热，切屑中与刀面接触的底层金属内部晶体结构，在受到刀具给予的切削力和切削热引发的温度变化的影响后产生纤维化变化，在这个过程中，晶粒被拉长变成纤维组织，形成的纤维组织的方向基本上与前刀面平行，有时，它的存在会使切屑排屑方向发生改变，这就在无形中使切削阻力变大了，这个现象影响到了排屑的顺畅性，同时也是使刀具磨损甚至受损的重要因素。

(3)第Ⅲ变形区域

由图2－1可看出，第Ⅲ变形区域是就是后刀面与已加工表面的接触区域。在第Ⅲ变形区，刀刃由于切削过程中的各种因素而发生了变化后，会引起切削变形，并且会使零件的已加工表面产生一些对切削不利的物理现象，如加工硬化、工件变形等。这一区域带来的变化一般比较小，但是仍然不可忽视，因为想要得到合格的工件以及达到表面粗糙度等技术要求，都要考虑到这个变形区的影响。

2.2切削力的来源

切削力是金属切削过程中极其重要的物理现象之一，它会对工件质量、刀具寿命、机床动力消耗等产生极大的影响，在机床、夹具、刀具的设计和校核中，切削力是需要着重考虑的要素之一。

在金属切削过程中，金属切屑层之所以会产生变形，主要是因为刀具在切入时给予工件的力，这个力会使被加工材料发生变形，并使一部分材料与工件脱离成为切屑，它便是切削力。切削力在使切屑层的金属发生变形的同时，也消耗了功，产生了切削热，这就使得刀具在切削过程中会被磨损然后逐渐变钝，从而影响到被加工表面的质量和生产制造效率。对切削里进行研究，能让我们对清切削机理有更清晰的认知，对功率消耗的计算，和设计机床、夹具、刀具以及制定合适的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有极其重要的意义。

通过对切削机理的研究，我们得知切削力主要来源于以下三个方面：

（1）克服被加工材料对弹性变形的抗力；

（2）克服被加工材料对塑性变形的抗力；

（3）克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

2.3金属切削过程中的应力

切削过程中，切屑受到的力来源于刀具，在变形过程中，切屑受到刀具挤压的力，工件上的已加工表面以及切屑层都会产生塑性变形和弹性变形。与此同时，刀具的前刀面与切屑层之间，以及刀具的后刀面与已加工表面之间还会发生摩擦，因此在分析切削过程时，这两者是都要考虑到的。下面以图2－2为模型来讨论切削过程中各力的情况以及产生机理。

图2－2切削力的分解

在实际切削过程中，刀具与工件之间的力，方向其实并不是总能如假设那样恒定不变，但是在理论研究和分析实验结果时，为了便于分析计算，我们通常将切削合力F 进行分解，分解方向可分为三个：切削主运动方向、进给方向、切深方向，如图2－2所示，分别为图中的主切削力c F ，进给力f F ，背向力p F 。 即：22222f p c n c F F F F F F ++=+= （2－1）

由现有的切削研究结论规律，我们已知了由切削合力F 分解来的三个分力中，主切削力c F 是最大的，进给力f F 次之，背向力p F 是最小的。

在实际应用中，主切削力c F 是设计和使用刀具的主要依据，此外，主切削力还被用来校核床以及夹具里主要零部件的强度、刚度和机床的电机功率等等。背向力p F 在实际切削过程中并不消耗功率，但是它会对被加工零件的变形以及加工质量产生至关重要的影响。进给力f F 主要作用于机床的进给系统，它一般被用来校核机床进给系统里各个主要零部件的刚度和强度。

切削过程中，除了要分析刀具上的力，还要分析作用在切屑上的力，下面以图2－3为模型，分析切削过程中切屑上的力。

图2－3切屑的受力分析

切削过程的本质是刀具与被切削材料发生相对位移，在这个过程中，切屑层会受到刀具给予的法向力n F 和刀具前刀面与切屑层下底面的摩擦力f F ，同时，切屑层在塑性变形时，会产生剪切力s F ，如图2－3中(a)图所示，在这几个力的作用下，使得切屑层与工件分离并发生弯曲，从而完成切屑与工件的分离。

在图2－3的（b)中，体现了剪切角φ与刀具前角0γ的关系，同时，摩擦角β也会对剪切角φ起到决定作用。

根据材料力学平面应力状态理论:

40π

γβφ=+- （2－2） 即：04γβπ

φ+-= （2－3）

由上式可知，切削过程中，若前角增大，则剪切角也随之增大，变形减小，这表明，在切削刃强度能得到保证的前提下，增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程是有利的。与此同时，我们还能看出，摩擦角增大时，剪切角会变小，这说明，切削过程中，刀具与切屑之间的摩擦是会对切削性能产生影响的，因此，在对金属切削的研究中，如何改善这一现象带来的影响，一直是不可忽视的重点。

2.4金属切削温度场理论

2.4.1切削温度场的概述

在论文前面，讨论了金属切削时的应力场，然而，切削过程中的另一个同样非常的物理现象也是必须考虑的，那就是切削热和切削温度，切削过程中的切削温度会直接对

刀具及工件产生很大的影响，其中包括刀具的磨损和使用寿命，以及工件的加工精度和工件已加工表面的质量等。随着金属切削成为机械加工的主流方法之一，对切削温度的研究更是显得尤为重要。

金属切削过程中的温度场是指被加工工件材料内部的温度分布情况和刀具表面的

温度分布情况以及切屑的温度分分布情况。根据金属切削过程中三个变形区的定义，可将其分成三个部分，即：剪切区温度分布；切屑底层与前刀面的接触区温度分布；已加工表面与刀具后刀面的接触区温度分布。

2.4.2切削热的产生与传出

热的产生是由做功引起的，在金属切削中也是如此，前面提到了切削力来源于刀具，那么在研究切削温度时，其来源依旧是来源于刀具对工件做功，根据实际切削情况，及已有的研究结论，切削过程中切削热的产生和传出由三部分组成，如图2－4所示。

图2－4切削热的产生与传出

这三部分由切屑层塑性变形，切屑底面与前刀面摩擦，后刀面与已加工表面摩擦组成，后两者属于同一类型，都是摩擦做功，因此在研究的时候将其归为一类一起考虑，所以我们将整个做功过程分为两部分：

(1)切削过程中，刀具使金属材料（工件）发生弹性变形和塑性变形时所做的功，我们称之为变形功。

(2)切削过程中，克服切屑与前刀面之间以及工件已加工表面与后刀面之间的摩擦所做的功，我们称之为摩擦功。

在实际切削中，切削材料是多样化的，因此在研究切削热时，也会有一些差异。被切削材料为塑性材料时，就如上面的图例一样，其切削热主要来源于摩擦功和切削过程

中材料的塑性变形。当被切削材料为脆性材料时，因为材料产生的塑性变形很小，几乎可以忽略，所以其切削热主要就只来源与摩擦功。

切削过程中，单位时间里产生的切削热可用如下公式表示：

c c V F Q （2－4）

式中,Q 为切削时产生的热量（s J /），c F 为主切削力（N ），c V 为切削速度（min /m ）。

在切削热产生后，这些热量会通过工件、切削和刀具以及周围的介质向温度比较低的地方传递。在切削过程中，具体的温度场分布情况，本文会在后面的章节建立有限元分析模型来具体分析，从而得到在切削过程中，温度的分布情况。

第三章 金属切削过程的有限元建模与分析

3.1金属切削应力场的有限元分析

3.1.1建立几何模型

在ANSYS 中，给用户提供了很方便的操作界面，在文章前面已给出了ANSYS 的有限元分析流程，第一步便是建立几何模型，在本文中将金属切削过程简化为二维模型进行分析，其几何模型如图3－1所示。

图3－1 切削分析的平面模型

图3－1为切削分析的平面模型，该模型由加工的工件、切屑和刀具三部分组成。其几何尺寸如下：

m L 04.01=，m L 002.02=，m H 01.01=，m H 002.02=，m H 009.03=，

刀具前角?=25α，刀具后角?=8β。

在ANSYS 软件中建立好几何模型后，如下图所示：

ANSYS新手入门手册(完整版)超值上

ANSYS 基本分析过程指南目录 第 1 章开始使用 ANSYS 1.1 完成典型的 ANSYS 分析 1.2 建立模型 第2章加载 2.1 载荷概述 2.2 什么是载荷 2.3 载荷步、子步和平衡迭代 2.4 跟踪中时间的作用 2.5 阶跃载荷与坡道载荷 2.6 如何加载 2.7 如何指定载荷步选项 2.8 创建多载荷步文件 2.9 定义接头固定处预拉伸 第 3 章求解 3.1 什么是求解 3.2 选择求解器 3.3 使用波前求解器 3.4 使用稀疏阵直接解法求解器 3.5 使用雅可比共轭梯度法求解器（JCG） 3.6 使用不完全乔列斯基共轭梯度法求解器（ICCG）3.7 使用预条件共轭梯度法求解器（PCG） 3.8 使用代数多栅求解器（AMG） 3.9 使用分布式求解器(DDS) 3.10 自动迭代（快速）求解器选项 3.11 在某些类型结构分析使用特殊求解控制 3.12 使用 PGR 文件存储后处理数据 3.13 获得解答 3.14 求解多载荷步 3.15 中断正在运行的作业 3.16 重新启动一个分析 3.17 实施部分求解步 3.18 估计运行时间和文件大小 1 1 1 23 23 23 24 25 26 27 68 77 78 85 84 84 85 86 86 86 86 87 88 88 89 92 96 97 100 100 111 113

3.19 奇异解 第 4 章后处理概述 4.1 什么是后处理 4.2 结果文件 4.3 后处理可用的数据类型 第5章 5.1 概述 5.2 将数据结果读入数据库 5.3 在 POST1 中观察结果 5.4 在 POST1 中使用 PGR 文件 5.5 POST1 的其他后处理内容 第 6 章时间历程后处理器（POST26） 6.1 时间历程变量观察器 6.2 进入时间历程处理器 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7定义变量 处理变量并进行计算 数据的输入 数据的输出 变量的评价 通用后处理器(POST1) 114 116 116 117 117 118 118 118 127 152 160 174 174 176 177 179 181 183 184 187 190 190 190 194 195 6.8 POST26 后处理器的其它功能 第 7 章选择和组件 7.1 什么是选择 7.2 选择实体 7.3 为有意义的后处理选择 7.4 将几何项目组集成部件与组件 第 8 章图形使用入门 8.1 概述 8.2 交互式图形与“外部”图形 8.3 标识图形设备名(UNIX 系统) 8.4 指定图形显示设备的类型(WINDOWS 系统)198 198 198 198 201

ANSYS新手入门学习心得

(1) 如果你模拟结构体中裂缝扩展过程的模拟，在Ansys中可以用全解耦损伤分析方法来近似模拟裂缝扩展，我曾用Ansys软件中提供的可以定义10,000个材料参数和单元ekill/alive 功能完成了层状路面体中表面裂缝和反射裂缝在变温作用下的扩展过程的模拟。我模拟的过程相对来说比较简单，模拟过程中我们首先要知道裂缝的可能扩展方向，这样在裂缝可能扩展的带内进行网格加密处理，加密到什么程度依据计算的问题来确定。 (2) 如果采用断裂力学理论计算含裂缝结构体的应力强度因子，建模时只需在裂尖通过命令kscon生成奇异单元即可。Ansys模块中存在的断裂力学模块可以计算I、II、III型应力强度因子(线弹性断裂力学)和J积分(弹塑性断裂力学)，在Ansys中verification里面有一个计算I型应力强度因子的例子vm143，参见该例子就可以了。 (3) 如果通过断裂力学模拟裂缝的扩展过程，需要采用动态网格划分，这方面我没有做，通过Ansys的宏命令流应该可以实现。技术参考可参阅文献：杨庆生、杨卫.断裂过程的有限元模拟.计算力学学报，1997,14(4). (4) 我现在做动荷载作用下路面结构体中应力强度因子的分布规律，我是通过位移插值得到不同时间点处的应力强度因子。如果想这样做，可参阅理论参考中关于应力强度因子计算说明。 1. 讨论两种Ansys求极限荷载的方法 （1）力加载 可以通过对应的方法（比如说特征值屈曲）估计结构的极限荷载的大致范围，然后给结构施加一个稍大的荷载，打开自动荷载步二分法进行非线性静力分析，最后计算会因不收敛终止，则倒数第二个子步对应的就是结构的极限荷载；另外，也可以选择弧长法，采用足够的子步（弧长法可以一直分析到极限承载力之后的过程）同样可以从绘制的荷载位移曲线或计算结果中找出结构的极限荷载。 （2）位移加载 给结构施加一个比较大的位移，打开自动荷载步二分法进行非线性分析，保证足够的子步数，这样也可以分析到极限荷载以后，通过绘制荷载位移曲线或查看相应结果文件也可知道结构的极限荷载。 希望众高手讨论一下 （1）弧长法求极限荷载的收敛性问题，如何画到荷载位移曲线的下降段？ （2）位移法求极限荷载的具体步骤？ 2. 需要注意的问题 1. 由于SOLID 65单元本身是基于弥散裂缝模型和最大拉应力开裂判据，因此在很多情况下会因为应力集中而使混凝土提前破坏，从而和试验结果不相吻合，因此，在实际应用过程中应该对单元分划进行有效控制，根据作者经验，当最小单元尺寸大于5cm 时，就可以有效避免应力集中带来的问题； 2. 支座是另一个需要注意的问题。在有限元分析中，很多时候约束是直接加在混凝土节点上，这样很可能在支座位置产生很大的应力集中，从而使支座附近的混凝土突然破坏，造成求解失败。因此，在实际应用过程中，应该适当加大支座附近单元的尺寸或者在支座上加一些弹性垫块，避免支座的应力集中；

Ansys基本流程及一些命令

-1.基本的使用流程（圆筒铣削受力变形为例）： a.preferences中选取structrual和下面第一个默认。 b.preprocessor中的Element Type中add/edit/delete中添加一种solid保证添加完是实体solid 而不能是plane. c.preprocessor中的material props中选取material models，弹出对话框，其余的默认，需要修改的是structual中的elastic中的isotropic，弹出对话框，EX为杨式模量，铝的为73.119e6，下面的是泊松比，铝为0.33. d.进行建模，或者导入。建模为preprocessor中的moldeling中的create中的volumes中的hollow cylinder.输入内径与外径以及高度即可。 e.然后需要划分网格。为preprocessor中的meching中的中的meshtool，弹出对话框，选取smart size，然后点击mesh。选取圆柱体即可。有警告没有事。 f.然后对底面施加约束。为solution中的define loads中的apply中的structural中的displasement中的on areas。弹出对话框，选取即可。 g.施加力。为solution中的define loads中的apply中的structural中的force/moment为on nodes （nodes为有限元划网格后的节点）。然后选取节点后确定方向和大小即可。 h.进行处理。为solve中的current LS。确定即可。 i.进行后处理。为general postproc中的plot results中Nodal solu，然后弹出对话框。选取strees 中的von mises stress.另外下面为deformed shape with undeformed model 余下的默认。 j.图形便将显示出结果。 -2.如果想改变显示的背景，便于打印。去掉大部分黑色。PLOTCTRLS/style/colors/window colors； 或者在plotctrls/style/colors/reverse video就可以了。 1.ANSYS' automatic solution control activates the sparse direct solver (EQSLV,SPARSE) for most cases. Other options include the PCG and ICCG solvers. For applications using solid elements (for example, SOLID92 or SOLID45), the PCG solver may be faster, especially for 3-D modeling. 2.VM218 3.VM137,采用2D单元进行薄膜在压力下的变形。VM138为弯曲变形 4.VM39 5.SECTYPE,SECID,TYPE(shell)将截面定义为壳形。而后用SECDATA定义截面的参数。随后用SECNUM指定随之建立单元的截面编号。 6.DSYM，对于NODE对称约束。如果对于2D，DSYM，SYMM，X指节点在X方向的移动以及绕Z的转动均限制。 7.NSEL，S，LOC，X，0指在X=0坐标的节点。S指新选择的。以N开头的一般为对节点的操作。 8.SF定义表面节点上的载荷。SF，ALL，PRES，.1指在所有的节点上均加载0.1大小的压强。 9.SET 3指数据读取第三次Load Step的数据，对分析的数据进行处理。 10.Shell MID指读取壳单元中间的数据。一般为上表面和下表面的平均值。 11.ESEL,S,ELEM,,1,1指选择单元中的子集，s为新建选择，ELEM是指单元编号。中间空缺，接着是编号最小值和编号最大值。最后是中间增量值。 12.ETABLE，CENT，S，X指将x分量的应力存入名字为CENT的表格。 13.*STATUS, PARM指列出所有变量值。 14.网格太密结果不正确！！！

ANSYS框架结构分析

有限元分析大作业报告 一、结构形式及参数 1、结构基本参数 某框架结构如下图所示，为两榀、三跨七层框架。结构由梁板柱组成，梁板柱之间刚结。材料为C35混凝土，弹性模量为3.15e10N/m2，泊松比取0.25，质量密度为2500kg/m3，梁截面为300mm×700 mm，柱截面为500mm×500mm，楼板厚度为120mm。梁和柱采用beam44 单元，板采用shell 63单元。单位采用国际单位制。 二、静力分析及结果 1、荷载详情 荷载包括自重荷载，采用命令acel,0,0,9.8施加；以及垂直板面向下的均布恒荷载0.35 kN/m2和活荷载0.15 kN/m，两者合并后采用命令*do,mm,204,245,1 sfe,mm,2,pres,,500,500,500,500 *end do施加。 2、结构变形：最大变形发生在91号节点，数值为1.573mm，方向竖直向下（-Z方向）。

3、位移云图 4、等效应力云图：最大等效应力发生在78号节点，数值为175064Pa。

5、支座反力(保留两位小数，单位如表中所示) 节点编码FX(kN) FY(kN) FZ(kN) MX(kN﹒m) MY(kN﹒m) MZ(kN﹒m) 1 -3.87 5.33 514.15 -5.19 -3.74 0.00 2 -6.36 0.09 774.5 3 -0.12 -6.13 0.00 3 -6.36 -0.09 774.53 0.12 -6.13 0.00 4 -3.87 -5.33 514.1 5 5.19 -3.74 0.00 5 0.00 8.2 6 693.8 7 -8.00 0.00 0.00 6 0.00 0.06 107.28 -0.08 0.00 0.00 7 0.00 -0.06 107.28 0.08 0.00 0.00 8 0.00 -8.26 693.87 8.00 0.00 0.00 9 3.87 5.33 514.15 -5.19 3.74 0.00 10 6.36 0.09 774.53 -0.12 6.13 0.00 11 6.36 -0.09 774.53 0.12 6.13 0.00 12 3.87 -5.33 514.15 5.19 3.74 0.00 三、模态分析结果 1、各阶振型频率及类型 振型阶次自振频率（Hz）振动形式 1 1.838 2 弯曲振型 2 1.8627 弯曲振型 3 2.2773 扭转振型 4 5.6636 弯曲振型 5 5.7097 弯曲振型

ANSYS学习心得

一学习ANSYS需要认识到的几点 相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件，因而，要学好ANSYS，对学习者就提出了很高的要求，一方面，需要学习者有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。在学习ANSYS的方法上，为了让初学者有一个比较好的把握，特提出以下五点建议：（1）将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来 毫无疑问，刚开始接触ANSYS时，如果对有限元，单元，节点，形函数等《有限元单元法及程序设计》中的基本概念没有清楚的了解话，那么学ANSYS很长一段时间都会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿，即使已经了解了，在学ANSYS之前，也非常有必要先反复看几遍书，加深对有限元单元法及其基本概念的理解。 作为工程力学专业的学生，虽然力学理论知识学了很多，但对许多基本概念的理解许多人基本上是只停留于一个符号的认识上，理论认识不够，更没有太多的感性认识，比如一开始学ANSYS时可能很多人都不知道钢材应输入一个多大的弹性模量是合适的。而在进行有限元数值计算时，需要对相关参数的数值有很清楚的了解，比如材料常数，直接关系到结果的正确性，一定要准确。实际上在学ANSYS时，以前学的很多基本概念和力学理论知识都忘得差不多了，因而遇到有一

定理论难度的问题可能很难下手，特别是对结果的分析，需要用到《材料力学》，《弹性力学》和《塑性力学》里面的知识进行理论上的判断，所以在这种情况下，复习一下《材料力学》，《弹性力学》和《塑性力学》是非常有必要的，加深对基本概念的理解，实际上，适当的复习并不要花很多时间，效果却很明显，不仅能勾起遥远的回忆，加深理解，又能使遇到的问题得到顺利的解决。 在涉及到复杂的非线性问题时（比如接触问题），一方面，不同的问题对应着不同的数值计算方法，求解器的选择直接关系到程序的计算代价和问题是否能顺利解决；另一方面，需要对非线性的求解过程有比较清楚的了解，知道程序的求解是如何实现的。只有这样，才能在程序的求解过程中，对计算的情况做出正确的判断。因此，要能对具体的问题选择什么计算方法做出正确判断以及对计算过程进行适当控制，对《计算方法》里面的知识必须要相当熟悉，将其理解运用到ANSYS的计算过程中来，彼此相互加强理解。要知道ANSYS是基于有限元单元法与现代数值计算方法的发展而逐步发展起来的。因此，在解决非线性问题时，千万别忘了复习一下《计算方法》。此外，对《计算固体力学》也要有所了解（一门非常难学的课），ANSYS对非线性问题处理的理论基础就是基于《计算固体力学》里面所讲到的复杂理论。 作为学工程力学的学生，提高建模能力是非常急需加强的一个方面。在做偏向于理论的分析时，可能对建模能力要求不是很高，但对于实际的工程问题，有限元模型的建立可以说是一个最重要的问题，而后

用ANSYS进行桥梁结构分析

用ANSYS进行桥梁结构分析 谢宝来华龙海 引言：我院现在进行桥梁结构分析主要用桥梁博士和BSACS，这两种软件均以平面杆系为计算内核，多用来解决平面问题。近来偶然接触到ANSYS，发现其结构分析功能强大，现将一些研究心得写出来，并用一个很好的学习例子（空间钢管拱斜拉桥）作为引玉之砖，和同事们共同研究讨论，共同提高我院的桥梁结构分析水平而努力。 【摘要】本文从有限元的一些基本概念出发，重点介绍了有限元软件ANSYS平台的特点、使用方法和利用APDL语言快速进行桥梁的结构分析，最后通过工程实例来更近一步的介绍ANSYS进行结构分析的一般方法，同时进行归纳总结了各种单元类型的适用范围和桥梁结构分析最合适的单元类型。 【关键词】ANSYS有限元APDL结构桥梁工程单元类型 一、基本概念 有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。 真实系统有限元模型 自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。

节点和单元 荷载 1、每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 2、作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。 3、信息是通过单元之间的公共节点传递的。 4、节点自由度是随连接该节点单元类型变化的。 单元形函数 1、FEA仅仅求解节点处的DOF值。 2、单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。 3、因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状”。 4、单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。 5、单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。 6、DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。 7、这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来的（如，结构应力，热梯度）。 8、如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数

ansys心得

1. 讨论两种Ansys求极限荷载的方法 （1）力加载 可以通过对应的方法（比如说特征值屈曲）估计结构的极限荷载的大致范围，然后给结构施加一个稍大的荷载，打开自动荷载步二分法进行非线性静力分析，最后计算会因不收敛终止，则倒数第二个子步对应的就是结构的极限荷载；另外，也可以选择弧长法，采用足够的子步（弧长法可以一直分析到极限承载力之后的过程）同样可以从绘制的荷载位移曲线或计算结果中找出结构的极限荷载。 （2）位移加载 给结构施加一个比较大的位移，打开自动荷载步二分法进行非线性分析，保证足够的子步数，这样也可以分析到极限荷载以后，通过绘制荷载位移曲线或查看相应结果文件也可知道结构的极限荷载。 希望众高手讨论一下 （1）弧长法求极限荷载的收敛性问题，如何画到荷载位移曲线的下降段？ （2）位移法求极限荷载的具体步骤？ 2. 需要注意的问题 1. 由于SOLID 65单元本身是基于弥散裂缝模型和最大拉应力开裂判据，因此在很多情况下会因为应力集中而使混凝土提前破坏，从而和试验结果不相吻合，因此，在实际应用过程中应该对单元分划进行有效控制，根据作者经验，当最小单元尺寸大于5cm 时，就可以有效避免应力集中带来的问题； 2. 支座是另一个需要注意的问题。在有限元分析中，很多时候约束是直接加在混凝土节点上，这样很可能在支座位置产生很大的应力集中，从而使支座附近的混凝土突然破坏，造成求解失败。因此，在实际应用过程中，应该适当加大支座附近单元的尺寸或者在支座上加一些弹性垫块，避免支座的应力集中； 3. 六面体的SOLID 65 单元一般比四面体的单元计算要稳定且收敛性好，因此，只要条件允许，应该尽量使用六面体单元； 4. 正确选择收敛标准，一般位移控制加载最好用位移的无穷范数控制收敛，而用力控制加载时可以用残余力的二范数控制收敛。在裂缝刚刚出现和接近破坏的阶段，可以适当放松收敛标准，保证计算的连续性； 3. 关于下降段的问题 1）在实际混凝土中都有下降段，但是在计算的时候要特别小心下降段的问题。 2）下降段很容易导致计算不收敛，有时为了计算的收敛要避免设置下降段，采用rush模型。 3）利用最大压应变准则来判断混凝土是否破坏。 4. Solid65单元中的破坏准则 1）采用Willam&Warnke五参数破坏准则 2）需要参数： 单轴抗拉强度，单轴，双轴抗压强度，围压压力，在围压作用下双轴，单轴抗压强度 5. 近来我对混凝土单元进行了一点思考，有一些想法，贴在下面，共同探讨： 1）分析混凝土结构，选择合理的材料特性是建立模型的关键，所以有必要弄清混凝土的材料特性。混凝土是脆性材料,并具有不同的拉伸和压缩特性。典型混凝土的抗拉强度只有抗压强度的8％-15%。 在ANSYS中，对于混凝土单元，材料特性ANSYS要求输入以下数据（为了清楚起见，我将几个系数均译为了中文）：弹性模量、泊松比、张开与闭合滑移面的剪切强度缩减系数、抗拉与抗压强度、极限双轴抗压强度、周围静水应力状态、静水应力状态下单轴与双轴压缩的

ANSYS基本模块介绍

ANSYS简介 开放、灵活的仿真软件，为产品设计的每一阶段提供解决方案 通用仿真电磁分析流体力学行业化分析模型建造设计分析多目标优化客户化 结构分析解决方案 结构非线性强大分析模块 Mechanical 显式瞬态动力分析工具 LS-DYNA 新一代动力学分析系统 AI NASTRAN 电磁场分析解决方案 流体动力学分析 行业化分析工具 设计人员快捷分析工具 仿真模型建造系统 多目标快速优化工具 CAE客户化及协同分析环境开发平台

ANSYS Structure ANSYS Structure 是ANSYS产品家族中的结构分析模块，她秉承了ANSYS家族产品的整体优势，更专注于结构分析技术的深入开发。除了提供常规结构分析功能外，强劲稳健的非线性、独具特色的梁单元、高效可靠的并行求解、充满现代气息的前后处理是她的四大特色。 ANSYS Structure产品功能 非线性分析 ·几何非线性 ·材料非线性 ·接触非线性 ·单元非线性 动力学分析 ·模态分析 - 自然模态 - 预应力模态 - 阻尼复模态 - 循环模态 ·瞬态分析 - 非线性全瞬态 - 线性模态叠加法 ·响应谱分析 - 单点谱 - 模态 - 谐相应 - 单点谱 - 多点谱 ·谐响应分析 ·随机振动

叠层复合材料 ·非线性叠层壳单元 ·高阶叠层实体单元 ·特征 - 初应力 - 层间剪应力 - 温度相关的材料属性 - 应力梯度跟踪 - 中面偏置 ·图形化 - 图形化定义材料截面 - 3D方式察看板壳结果 - 逐层查看纤维排布 - 逐层查看分析结果 ·Tsai-Wu失效准则 求解器 ·迭代求解器 - 预条件共轭梯度(PCG) - 雅可比共轭梯度(JCG) - 非完全共轭梯度(ICCG)自然模态·直接求解器 - 稀疏矩阵 - 波前求解器 ·特征值 - 分块Lanczos法 - 子空间法 - 凝聚法 - QR阻尼法(阻尼特征值) 并行求解器

ANSYS工程分析 基础与观念Chapter04

第4章 ANSYS结构分析的基本观念Basic Concepts for ANSYS Structural Analysis 这一章要介绍关于ANSYS结构分析的基本观念，熟悉这些基本观念有助于让你很快地区分你的工程问题的类别，然后依此选择适当的ANSYS分析工具。在第1节中我们会对分析领域（analysis fields）做一个介绍，如结构分析、热传分析等。第2节则对分析类别（analysis types）作一介绍，如静力分析、模态分析、或是瞬时分析等。第3节解释何谓线性分析，何谓非线性分析。第4节要对结构材料模式（material models）作一个讨论并作有系统的分类。第5节讨论结构材料破坏准则。第6、7节分别举两个实例，一个是结构动力分析，一个是非线性分析来总合前面的讨论。这两个例子再加上第3章介绍过的静力分析例子，这三个例子可以说是用来做为正式介绍ANSYS命令（第5、6、7章）之前的准备工作。最后（第8节）我们以两个简单的练习题做本章的结束。

第4.1节学科领域与元素类型 Disciplines and Element Types 4.1.1 学科领域（Disciplines） 我们之前提过，ANSYS提供了五大学科领域的分析能力：结傋分析、热传分析、流场分析、电场分析、磁场分析（电场分析及磁场分析可统称为电磁场分析），此外ANSYS也提供了偶合场分析（coupled-field analysis）的能力。为了能分析横跨多学科领域的偶合场，ANSYS提供了一些偶合场元素（coupled-field elements），但是这些元素还是无法涵盖所有偶合的可能性（举例来说，ANSYS 并没有流场与结构的偶合场元素）。但是在ANSYS的操作环境下，再加上利用APDL [Ref. 20]，理论上可以进行各种偶合场分析（但是计算时间及收敛性常是问题所在）。下一小节将举几个例子来解说偶合场分析的含义，更详细的偶合场分析步骤你必须参阅Ref. 15。 4.1.2 偶合场分析 以下我们举三个例子来说明何谓偶合场分析。 第一个例子是热应力的计算，这是最常会遇到的问题之一。当你进行热应力分析时，通常分成两个阶段：先做热传分析解出温度分布后，再以温度分布作为结构负载来进行结构分析，而解出应力值。在第一个阶段，热边界条件（thermal boundary conditions）是热传分析的负载，我们希望知道在此热边界条件之下，温度是怎么分布的。因为不均匀的温度分布会造成结构的翘曲变形，所以第二个阶段是希望知道在这些温度分布下结构的变形及应力。这是一个很典型的偶合场分析问题，因为结构怎么变形是依温度怎么分布而定，而温度如何分布则与结构如何变形（变形量很大时，几何形状会改变）有关，这种相依的关系就称为偶合（coupling）。严格来说，前述的分析程序（先做热传分析再做结构分析）观念上不是很正确的，较正确的做法应该是热传与结构分析必须同时进行，也就是说温

ANSYS分析报告

《大型结构分析软件的应用及开发》 学习报告 学院：建筑工程学院 专业班级：工程力学141 姓名：付贤凯 指导老师：姚激 学号：201411012111

1．模型介绍 如下图所示的一桁架结构，受一集中力大小为800N的作用，杆件的弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。杆件的截面为正方形达长为1m，横截面面积为1m2。现求它的变形图与轴力图。 图1 桁架模型与受力简图（单位：mm） 2．建模与划分网格 利用大型有限元软件ANSYS，采用Link，2Dspar 1的单元进行模拟，通过网格的划分得到如图2所示的有限元模型。 图2 有限元模型

结合有限元模型中的约束条件为左侧在X与Y方向铰支固定，荷载条件为最右侧处施加向下的集中力P=800N。施加约束与荷载后的几何模型如图4所示。 图3 施加荷载与约束的几何模型 3．位移与轴力图 因在Y方向受力，所以主要做Y方向的位移图，又因为杆件在轴线方向有变形，故在X 方向仍有一定的位移。则图5为变形前后的板件形状。图6为模型沿Y方向的位移图，图7为模型沿X方向的位移图，图8为模型的总位移图。 图4 桁架变形前后形状图

图5 Y方向位移图 图6 X方向位移图

图7总位移图 分析所有的位移图可以看出从以看出左端变形最小，为零，右端变形最大。从总位移图可以看出最大的位移在左下点处，大小为0.164×10?5m。从X方向位移图可以看出，左下点处在X方向位移最大为0.36×10?6。从Y方向位移图可以看出最大位移在左下点处为0.164×10?5。都符合实际情况，图9为模型的轴力图。 图8 轴力图

ANSYS分析报告分析

有限元与CAE分析报告 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 2016年 1 月 2 日

简支梁的静力分析 一、问题提出 长3m的工字型梁两端铰接中间1.5m位置处受到6KN的载荷作用，材料弹性模量E=200e9，泊松比0.28，密度7850kg/㎡ 二、建立模型 1.定义单元类型 依次单击Main Menu→Preprocessor→Elementtype→Add/Edit/Delete，出现对话框如图，单击“Add”，出现一个“Library of Element Type”对话框，在“Library of Element Type”左面的列表栏中选择“Structural Beam”，在右面的列表栏中选择3 node 189,单击“OK”。

2设置材料属性 依次单击Main Menu→Preprocessor→MaterialProps>Material Modes，出现“Define Material ModelBehavior”对话框，在“Material Model Available”下面的对话框中，双击打开“Structural→Linear→Elastic→Isotropic”,出现对话框，输入弹性模量EX=2E+011,PRXY=0.28，单击“OK”。 依次单击Main Menu→Preprocessor→MaterialProps>Material Modes，出现“Define Material ModelBehavior”对话框，在“Material Model Available”下面的对话框中，双击打开“Structural→Density”弹出对话框，输入DENS为7850 3.创建几何模型 1)设定梁的截面尺寸

ANSYS 非线性_结构分析

目录 非线性结构分析的定义 (1) 非线性行为的原因 (1) 非线性分析的重要信息 (3) 非线性分析中使用的命令 (8) 非线性分析步骤综述 (8) 第一步：建模 (9) 第二步：加载且得到解 (9) 第三步：考察结果 (16) 非线性分析例题（GUI方法） (20) 第一步：设置分析标题 (21) 第二步：定义单元类型 (21) 第三步：定义材料性质 (22) 第四步：定义双线性各向同性强化数据表 (22) 第五步：产生矩形 (22) 1

第六步：设置单元尺寸 (23) 第七步：划分网格 (23) 第八步：定义分析类型和选项 (23) 第九步：定义初始速度 (24) 第十步：施加约束 (24) 第十一步：设置载荷步选项 (24) 第十二步：求解 (25) 第十三步：确定柱体的应变 (25) 第十四步：画等值线 (26) 第十五步：用Post26定义变量 (26) 第十六步：计算随时间变化的速度 (26) 非线性分析例题（命令流方法） (27) 非线性结构分析 非线性结构的定义 在日常生活中,会经常遇到结构非线性。例如，无论何时用钉书针钉书，金 2

属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。（看图1─1（a））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。（看图1─1（b））。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重量的啬而变化。（看图1─1（c））如果将上面例子所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. 图1─1 非线性结构行为的普通例子 3

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： 状态变化（包括接触） 许多普通结构的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。状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。 接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。 几何非线性 如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。一个例的垂向刚性）。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。 4

ansys数据处理总结

!!!!!~~~~~!!!!!~~~~~!!!!!~~~~~!!!!!~~~~~!!!!!~~~~~!!!!! !!!!!~~~~~~~~~ansys数据处理的相关命令流~~~~~~~~~~~!!!!! !(1)数据输入的相关命令 !利用*TREAD命令读取数据文件并填充TABLE表格 *TREAD, Par, Fname, Ext, --, NSKIP !以下利用*TREAD命令读取1维数据表格 !tdata.txt文本文件含有如下内容 STRAIN STRESS 00 0.0025 0.0046 0.0067 *DIM,Ttxy,table,4,1,,TIME,ACEL *TREAD,Ttxy,tdata,txt,,1 !以下利用*TREAD命令读取2维数据表格 !要特别注意2维数据的行数 !tdata.txt文本文件含有如下内容 TIME X Y Z 0000 0.020.10.20.3 0.040.20.40.6 0.060.30.60.9 !希望输入地震波激励，X、Y、Z三个方向 *DIM,Ttxy,table,3,3,,TIME,ACEL *TREAD,Ttxy,tdata,txt,,1 !以下利用*TREAD命令读取3维数据表格 !tdata.txt文本文件含有如下内容 TEMP X Y Z 0000 0.020.10.20.3 0.040.20.40.6 0.060.30.60.9 5000 0.030.20.30.4 0.050.40.60.8 0.070.60.90.9 !希望读取不同温度下，不同时刻的泊松比 *DIM,Ttxy,table,3,3,2,TIME,NUXP,TEMP *TREAD,Ttxy,tdata,txt,,1 !利用*SREAD命令读取字符文件 *SREAD, StrArray, Fname, Ext, --, nChar, nSkip, nRead 页: 1

学习ansys的一些心得

学习ansys的一些心得 学习ansys的一些心得（送给初学者和没有盟币的兄弟） 1 做了布尔运算后要重画图形（删除实体）时：需拾取Utility Menu>Plot>Replot 2 标点的输入是在英文状态下，―,‖。 3 线段中点的建立：Modling>Creat>Keypoints>Fill between kps 4 还不会环形阵列。 5 所谓杆系结构指的是长度远远大于其他方向尺寸（10：1）的构件组成的结构，如连续梁，桁架，钢架等。 6 静力学分析的结果包括结构的位移，应变，应力和反作用力等，一般是使用POST1处理（普通后处理器）和查看这些结果。 7 干系结构的静力学分析—平面桁架的建模，用NODE（节点），ELEMENT(元素)创建。复杂体积的建模一般用KPS(关键点)，LINE（Straight line—直线），再生成面，再生成体。 8 如果输入的数据单位是国际单位制单位，则输出的数据单位也是国际制单位。 9 创建正六边形：Creat>Areas>Polygon>Hexagon.指定中心和半径。 10 由面沿线挤出体：Modling>Operate>Extrude>Areas>Along Lines. 11 Ansys中没有Undo命令.需及时保存数据库文件. Def Shape Only:只显示变形图.Def + Undeformed:显示未变形的图.Def + Udef egde:显示未变形的图形的边界. 13 用等高线显示：Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

14 模态分析用于分析结构的振动特性，即确定结构的固有频率和振型，它也是谐响应分析，瞬态动力学分析以及谱分析等其他动力学分析的基础。 15 Ansys的模态分析是线型分析。任何非线型分析，例如，塑性，接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 16 平面桁架：Beam(2D elastic 3) 厚壁圆筒：Solid(8 node 13)>Options(K3—Plane strain) 17 一般材料的弹性模量（EX）：2e11.泊松比(PRXY)：0.3.密度：7800 18 做完静力学分析后，再做模态分析时，要再次求解，同时预应力效果也应该打开（PSTRES,on）.可以在命令行中输入：pstres,on 也可以用菜单路径：Solution>Analysis Type>Analysis Options. 19 弹簧阻尼器单元：Combination-Spring damper 14. 20 接触问题属于状态非线性问题，是一种高度非线性行为，需要较多的计算资源。接触问题有两个基本类型：刚体-柔体的接触，柔体-柔体的接触（许多金属成型的接触问题）。在刚体-柔体的接触问题中，有的接触面与它接触的变形体相比，有较大的刚度而被当做刚体。而柔体-柔体的接触，是一种更普遍的类型，此时两个接触体具有近似的刚度，都为变形体。 21 1 点-点接触：过盈装配问题是用点点接触单元模拟面面接触的典型例子。 2 点-面接触：不必预先知道准确的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有较大的变形和相对滑动。典型实例：模拟插头插入插座里。 3 面-面接触：刚性面作为目标面，柔性面作为接触面。 22 打开自动时间步长：Solution>Load Step Opts>Time Frequenc>Time And Substps.

ansys结构分析基本原理

1 应力-应变关系 本文将介绍结构分析中材料线性理论，在后续再介绍材料非线性的理论。在线弹性理论中应力-应变关系： (1) 其中： {σ}：应力分量，即在ANSYS软件里以S代替σ形式出现。 [D]：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。利用(14)～(19)给出了其具体表达式。(4)给出了其逆矩阵的表达式。通过给出完整的[D]可以定义少数的各向异性单元。在ANSYS中利用命令：TB,ANEL来输入具体数值。 ：弹性应变矢量。在ANSY中以EPEL形式输出。 {ε}：总的应变矢量，即 {εth}：热应变矢量，(3)给出了其定义式，在ANSYS中以EPTH形式给出。 注意： {εel}：是由应力引起的应变。 软件中的剪切应变( εxy、εyz和εxz)是工程应变，他们是拉伸应变的两倍。ε通常用来表示拉伸应变，但为了简化输出而采用此表示。将在材料的非线性分析中说明总应变的分量，以EPTO形式输出。 图1 单元的应力矢量图 如图1给出了单元应力矢量图。ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正，压缩时为负。 (1)式还可以被写作以下形式：

(2) 三维情况下，热应变矢量为： (3) 其中： ：方向的正割热膨胀系数。 ΔT=T-T ref T：问题中节点当前温度。 ：参考温度也就是应变自由时的温度。用TREF或MP命令输入。 T ref 柔度矩阵的定义： (4) 其中： E x: 方向上的杨氏模量，在MP命令中用EX输入。 v xy:主泊松比，在MP命令中用PRXY输入。 :次泊松比，在MP命令中用NUXY输入。 v yx G : 平面上的剪切模量，在MP命令中用GXY输入。 xy 此外，[D]-1是对称矩阵，因此 (5)

ANSYS使用心得体会

ANSYS使用心得体会 本次结构力学课程设计是学习使用ANSYS软件对框架结构内力进行计算，在未学习该软件前，对于此类问题，通常会采用力矩分配法来进行计算，计算过程繁复，计算量大。导致过程缓慢。 通过对ANSYS软件的学习和了解，知道了它的一些明显的优点。 相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件，因而，要学好ANSYS，对我们提出了很高的要求，一方面，需要我们有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要我们不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。 刚开始接触ANSYS时，没有限元，单元，节点，形函数等的基本概念没有清楚的了解话，会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿，即使已经了解了，必要先反复看几遍书，加深对有限元单元法及其基本概念的理解。 ANSYS在对结构力学的静力学分析非常方便，用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 但是学习的过程是充满烦恼和惊喜的，因为总是会碰到许多的新问题，需要较好的耐心去解决这些问题，这是在学习过程中遇到的最大的难题。然而，在解决问题之后，就会有恍然大悟的喜悦，可以说是痛苦和快乐并存的。所以对于初学者，缺乏经验是非常难的。必须保持良好的心态，对于不断出现的ERROR提示要坚定自己的信心，坚信自己可以解决这些问题。所有困难都会迎刃而解。 本次的学习让我认识到了提高建模能力是非常急需加强的一个方面。在做偏向于理论的分析时，可能对建模能力要求不是很高，但对于实际的工程问题，有限元模型的建立可以说是一个最重要的问题，而后面的工作变得相对简单。建模能力的提高，需要掌握好的建模思想和技巧。 ANSYS软件是一款在建模等方面非常实用的软件，本次的学习我其实并没有完全熟练地掌握它的应用，以后还要加强对它的学习，相信在以后的学习和工作中会带来巨大的便利。

ansys基本操作完整指南

第二章 ANSYS 入门21 21 图2-3 带孔平板模型 1．问题描述 难度级别：普通级别。 所需时间：一个小时或者更多（视ANSYS操作熟练程度而定）。 实例类型：ANSYS结构分析。 分析类型：线性静力分析。 单元类型：PLANE82 ANSYS功能示例：实体建模包括基本的建模操作，布尔运算和网格细化；施加均布载荷；显示变形后形状和应力等值线图、单元信息列表；基本的结果验证技巧。 ANSYS帮助文件：在ANSYS Structural Analysis Guide了解Structural Static Analysis分析知识，在ANSYS Elements Reference部分了解Plane82单元的详细资料。 2．建立有限元模型 1．建立工作目录并添加标题 以Interactive方式进入ANSYS，选择工作文件名为Plane、标题为plane。 2．创建实体模型 （1）创建矩形 通过定义原点、板宽和板高定义矩形，其操作如下： GUI：PreProcessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners 弹出Rectangle by 2 corners对话框（如图2-4所示），如图2-4所示填写。WP X和WP Y 表示左下角点坐标。 命令：BLC4,0,0,200,100

第二章 有限元分析基础 22 图2-4 生成矩形 （2）生成圆面 首先在矩形面上生成圆，然后挖去生成圆孔。生成圆面得操作如下： GUI：PreProcessor > Modeling > Create > Areas > Circle > Solid Circle 弹出Solid Circular Area对话框（如图2-5所示），依图2-5输入 圆面几何参数。 图2-5 生成圆 命令：CYL4,100,50,20 下面通过布尔“减”操作生成圆孔，其操作如下： GUI：Processor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas 先选择矩形面为Base Area，单击OK按钮，然后选择圆，单击OK按钮。布尔操作完毕 之后，实体模型如图2-6所示。