5.2 实例1——实体静力学分析

本节主要介绍使用ANSYS Workbench的DesignModeler模块进行外部几何模型导入的操作，并对其进行静力学分析。

学习目标：

（1）熟练掌握ANSYS Workbench的DesignModeler模块进行外部几何模型导入的方法，了解DesignModeler模块支持的外部几何模型文件的类型。

（2）掌握ANSYS Workbench实体静力学分析的方法及过程。

5.2.1 问题描述

如图5-4所示为某铝合金模型，请使用ANSYS Workbench 2020分析作用在上端面的压力为11 000N时，中间圆杆的变形及应力分布。

5.2.2 建立分析项目

① 在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→“ANSYS 2020 R1”→“Workbench 2020 R1”命令，启动ANSYS Workbench 2020，进入主界面。

② 双击主界面“Toolbox”（工具箱）中的“Analysis Systems”→“Static Structural”（静态结构）命令，即可在“Project Schematic”（工程项目管理窗格）中创建分析项目A，如图5-5所示。

5.2.3 导入几何体

① 右击A3栏的“Geometry”，在弹出的快捷菜单中选择“Import Geometry”→“Browse”命令，如图5-6所示，此时会弹出“打开”对话框。

② 在弹出的“打开”对话框中选择文件路径，导入几何体文件“Bar.stp”，如图5-7所示，此时A3栏的“Geometry”后的图标变为图标，表示实体模型已经存在。

③ 双击项目A中A2栏的“Geometry”，此时会进入DesignModeler界面，选择单位为“mm”，单击“OK”按钮，此时在“Tree Outline”（模型树）中的“Import1”前会显示图标，表示需要生成几何体，但图形窗口中没有图形显示，如图5-8所示。

④ 单击（生成）按钮，即可显示生成的几何体，如图5-9所示，此时可在几何体上进行其他操作，本例无须进行操作。

⑤ 单击DesignModeler界面右上角的（关闭）按钮，关闭DesignModeler平台，返回到Workbench 2020主界面。

5.2.4 添加材料库

① 双击项目A中A2栏的“Engineering Data”，进入如图5-10所示的材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。

② 在界面的空白处右击，在弹出的快捷菜单中选择“Engineering Data Sources”（工程数据源）命令，此时的界面会变为如图5-11所示的界面。原界面中的“Outline of Schematic A2：Engineering Data”表消失，出现“Engineering Data Sources”及“Outline of General Materials”表。

③ 在“Engineering Data Sources”表中选择A4栏的“General Materials”，然后单击“Outline of General Materials”表中A4栏的“Aluminum Alloy”（铝合金）后的B4栏的（添加）按钮，此时在C4栏中会显示（使用中）图标，如图5-12所示，表示添加材料成功。

④ 同步骤2，在界面的空白处右击，在弹出的快捷菜单中选择“Engineering Data Sources”（工程数据源）命令，返回到初始界面。

⑤ 根据实际工程材料的特性，在“Properties of Outline Row 4：Aluminum Alloy”表中可以修改材料的特性，如图5-13所示，本实例采用的是默认值。

⑥ 单击工具栏中的按钮，返回到Workbench 2020主界面，完成材料库的添加。

5.2.5 添加模型材料属性

① 双击项目A中A4栏的“Model”，进入如图5-14所示的Mechanical界面，在该界面下可以进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。

② 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Geometry”→“Bar”命令，即可在“Details of‘Bar’”面板中给模型添加材料，如图5-15所示。

③ 单击“Material”→“Assignment”栏后的按钮，会出现刚刚设置的材料“Aluminum Alloy”，选择该选项即可将其添加到模型中。如图5-16所示，表示材料已经添加成功。

5.2.6 划分网格

① 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Mesh”命令，此时可在“Details of‘Mesh’”面板中修改网格参数，如图5-17所示，本例在“Defaults”→“Element Size”栏中输入“1.e-003m”，其余选项采用默认设置。

② 右击“Outline”（分析树）中的“Mesh”命令，在弹出的快捷菜单中选择“Generate Mesh”命令，最终的网格效果如图5-18所示。

5.2.7 施加载荷与约束

① 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Static Structural（A5）”命令，此时会出现如图5-19所示的“Environment”选项卡。

② 选择“Environment”选项卡中的“Structural”（结构）→“Fixed”（固定）命令，此时在分析树中会出现“Fixed Support”命令，如图5-20所示。

③ 选择“Fixed Support”命令，并选择需要施加固定约束的面，单击“Details of‘Fixed Support’”面板中“Geometry”栏的按钮，即可在选中的面上施加固定约束，如图5-21所示。

④ 同步骤2，依次选择“Environment”选项卡中的“Structural”（结构）→“Force”（力）命令，此时在分析树中会出现“Force”命令，如图5-22所示。

⑤ 选择“Force”命令，在“Details of‘Force’”面板中进行以下设置。

在“Geometry”栏中确保如图5-23所示的面被选中并单击按钮，此时在“Geometry”栏中显示“1 Face”，表明一个面已经被选中。

在“Define By”→“Magnitude”栏中输入“15000N”。

在“Direction”栏中单击“Apply”按钮，会在绘图窗格中弹出图标，可以切换箭头的方向，单击一次向右的箭头，此时施加在几何体上的箭头改变方向，其他选项保持默认设置即可。

⑥ 确定后的载荷方向及大小，如图5-24所示。

⑦ 右击“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”命令，在弹出的快捷菜单中选择“Solve”命令，进行求解，如图5-25所示。

5.2.8 结果后处理

① 选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”命令，此时会出现如图5-26所示的“Solution”选项卡。

② 选择“Solution”选项卡中的“Results”（结果）→“Stress”（应力）→“Equivalent（von-Mises）”命令，此时在分析树中会出现“Equivalent Stress”（等效应力）命令，如图5-27所示。

③ 同步骤2，选择“Solution”选项卡中的“Results”（结果）→“Strain”（应变）→“Equivalent（von-Mises）”命令，如图5-28所示，此时在分析树中会出现“Equivalent Elastic Strain”（等效应变）命令。

④ 同步骤2，选择“Solution”选项卡中的“Results”（结果）→“Deformation”（变形）→“Total”命令，图5-29所示，此时在分析树中会出现“Total Deformation”（总变形）命令。

⑤ 右击“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”命令，在弹出的快捷菜单中选择“Evaluate All Results”命令，如图5-30所示。

⑥ 选择“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”→“Equivalent Stress”命令，此时会出现如图5-31所示的应力分析云图。

⑦ 选择“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”→“Equivalent Elastic Strain”命令，此时会出现如图5-32所示的应变分析云图。

⑧ 选择“Outline”（分析树）中的“Solution（A6）”→“Total Deformation”（总变形）命令，此时会出现如图5-33所示的总变形分析云图。

从以上分析可以看出，作用在铝合金模型中的恒定外载荷（压力）使得中间圆柱位置的应力比较大，这符合“截面积小，应力大”的理论，在进行受力结构件的设计时，应该避免出现这种结构，以免增加设计强度。

5.2.9 保存与退出

① 单击Mechanical界面右上角的（关闭）按钮，关闭Mechanical平台，返回到Workbench 2020主界面。

② 在Workbench 2020主界面中单击工具栏中的（保存）按钮，在“文件名”文本框中输入“SolidStaticStructure.wbpj”，保存包含分析结果的文件。

③ 单击右上角的（关闭）按钮，退出Workbench 2020主界面，完成项目分析。

5.2.10 读者演练

本例简单讲解了实体模型的受力分析，读者可以根据前两章的内容，对本例的几何体进行六面体主导网格划分，然后进行静力学分析并与以上结果进行对比。

从以上两种网格划分方式的计算结果来看，网格的好坏对计算结果有一定的影响。