内容发布更新时间 : 2024/11/19 22:42:42星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第六章 轴对称结构的静力分析

在工程实践所应用的结构中，有许多结构是可以由一个截面绕一个轴旋转而生成的，如果这种结构所受的外载荷和边界条件也沿此轴对称，则称此结构为轴对称结构。在有限元理论中对于此类结构有专门的简化方法，在ANSYS中也可以通过结构的轴对称性简化模型，缩短计算时间，提高计算效率。

本章所介绍的实例是带有鼓桶的压气机盘结构件，在进行整体分析时，可以通过对模型的简化（比如去除盘上小孔等）将模型简化为符合轴对称性质的结构，从而可以用轴对称方法对压气机盘组件进行整体分析。

6．1 问题描述

某型压气机盘鼓结构件如图6.1所示，在整体分析时不对叶片和压气机上的孔建模，将叶片的引起的离心效果作为线分布力施加于轮盘的边缘。

图6.1 压气机盘鼓件

图中所标各点坐标如表6.1所示。 表6.1 盘上各关键点坐标 点编号 X Y 点编号 X Y 1 2 226 10 3 157 11 4 5 6 237.5 208.8 14 273.8 7 126 276.7 15 254.8 8 138 276.7 16 17 226 9 263 237.5 229.2 12 13 135 208.8 258.7 258.7 220.3 220.3 102.5 102.5 237.5 237.5 243.85 243.85 229.2 162.5 254.8 264.1 5248.7 273.8 264.1 248.7 盘转速为11373转/分，盘材料TC4钛合金，其弹性模量为：1.15×10MPa，泊松比为0.30782，密度为4.48×10

?9吨/立方毫米。

叶片数目为74个，叶片和其安装边总共产生的离心力等效为628232N（沿径向等效），这些力假定其均匀作用于轮盘边缘。

位移约束施加于鼓桶上，为在鼓桶的上表面施加径向约束，在鼓桶的侧面施加轴向约束。

6．2 建立模型

完整的前处理过程包括：设定分析作业名和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。下面就结合本实例进行介绍，本实例中的单位为应力单位MPa，力单位为N，长度为mm。

6．2．1 设定分析作业名和标题

在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库文件名（原因见第二章），并在图形输出窗口中定义一个标题用来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等）ANSYS6.1所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS6.1显示出跟其相对应的菜单选项。

（1）选取菜单路径Utility Menu >File >Change Jobname，将弹出修改文件名(Change Jobname)对话框，如图6.2所示。

图6.2 设定分析文件名

（2）在输入新文件名(Enter new jobname)文本框中输入文字“CH06”，为本分析实例的数据库文件名。

（3）单击按钮，完成文件名的修改。

（4）选取菜单路径Utility Menu >File >Change Title，将弹出修改标题（Change Title）对话框，如图6.3所示。

图6.3 设定分析标题

（5）在输入新标题(Enter new title)文本框中输入文字“static analysis of compressor structure”，为本分析实例的标题名。 （6）单击按钮，完成对标题名的指定。 （7）选取菜单路径Utility Menu>Plot>Replot，指定的标题“static analysis of compressor structure”将显示在图形窗口的左下角，如图6.4所示。

图6.4 显示指定了的分析标题

（8）选取菜单路径Main Menu >Preference，将弹出菜单过滤参数选择（Preference of GUI Filtering）对话框，如图6.5所示。

图6.5 菜单过滤参数选择(Preference of GUI Filtering)对话框

（9）单击对话框中的Structural（结构）选择按钮，选中Structural选项，以便ANSYS6.1的主菜单设置为与结构分析相对应的菜单选项。

（10）单击按钮，完成分析范畴的指定。

6．2．2 定义单元类型

在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合分析实例的有限元单元。本例中选用4节点四边形板单元PLANE42，PLANE42可以通过控制单元行为方式的选项设置其为轴对称单元。

（1）选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete，将弹出单元类型定义(Element Types)对话框，如图6.6所示。

图6.6定义单元类型

（2）单击示。

按钮，将弹出单元类型库(Library of Element Types)对话框,如图6.7所

图6.7 单元类型库对话框

（3）然后在左边的列表框中选择“Solid”，选择实体单元类型。

（4）在右边的列表框中选择“Quad 4node 42”，选择4节点四边形板单元PLANE42。 （5）单击按钮，将PLANE42单元添加，并关闭单元类型库对话框，同时返回到第一步弹出的单元类型对话框，如图6.8所示。

图6.8 单元类型及选项对话框

（6）单击按钮，弹出如图6.9所示的单元选项设置对话框，对PLANE单元进行设置，使其可用于分析轴对称结构。

图6.9 单元选项设置对话框

（7）在单元行为方式（Element behavior）域的下拉列表选择轴对称（Axisymmetric）选项。 （8）单击元类型对话框。

（9）单击

按钮，接受选项，关闭单元选项设置对话框，返回到图6.8所示的单按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。

6．2．3 定义材料属性

本例中选用的单元类型不需定义实常数，故略过定义实常数这一步骤而直接定义材料属性。

考虑惯性力的静力分析中需要定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下：

（1）选取菜单路径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，将弹出材料模型定义(Define Material Model Behavior)对话框，如图6.10所示。

图6.10 定义材料属性对话框

（2）依次双击Structural>Linear>Elastic>Isotropic，展开材料属性的树形结构。将弹出1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图6.11所示。

图6.11 线性各向同性材料的弹性模量和泊松比

（3）在对话框的EX文本框中输入弹性模量为1.15e5，在PRXY文本框中输入泊松比