基于ANSYS的压板静力分析

马磊

摘  要：ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元软件，机构分析是有限元分析方法最常用的的一个应用领域。机构分析课分为静力分析、动力学分析（模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析）、非线性分析（几何非线性分析、材料非线性分析、状态非线性分析）、优化设计，可靠性分析等几类。其中，静力分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的响应。本文以塔机井字架固定的压板为例，介绍了运用Ansys进行静力分析的一般步骤和做法。

关键词：ANSYS;静力分析;压板

1 结构静力分析简介

1.1 结构分析概述

结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物;汽车结构，如车身骨架;航空结构，如飞机机身;船舶结构等;同时还包括机械零部件，如活塞，传动轴等等。结构分析就是对这些结构进行分析。

在ANSYS产品家族中有7种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的一些未知量，如应变，应力和反力可通过节点位移导出。绝大多数的ANSYS单元类型可用于结构分析，所用的单元类型从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元。

1.2 结构静力分析

从计算的线性和非线性的角度可以把结构分析分为线性分析和非线性分析，从载荷与时间的关系又可以把结构分析分为静力分析和动态分析，而线性静力分析是最基本的分析，这里专门介绍一下。

静力分析的定义：静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构随时间变化载荷的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价经理风载荷和地震载荷）。线性分析是指在分析过程过程中结构的几何参数和载荷参数只发生微小的变化，以致可以把这种变化忽略，而把分析中的所有非线性项去掉。

静力分析中的载荷：静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

静力分析所施加的载荷包括以下几种：

①外部施加的作用力和压力

②稳态的惯性力（如重力和离心力）

③位移载荷

④温度载荷

1.3 静力分析的类型

静力分析可分为线性静力分析和非线性静力分析，静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非线性类型：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触（间隙）单元、超弹性单元等。从结构的几何特点上讲，无论是线性的还是非线性的静力分析都可以分为平面问题、轴对称问题和周期对称问题及任意三维结构。

2.分析过程

本文将介绍工程中最常见的问题：三维问题。在实际问题中，任何一个物体严格的说都是空间物体，它所受的载荷一般都是空间的，任何简化分析都会带来误差。本文对压板进行ANSYS有限元分析来研究压板设计的可行性。

2.1 问题描述

压板是负责固定井字架钢轨的部件由螺栓连接将固定井字架固定在地面上。本文有两个问题：

①检验压板是否存在质量问题，在承受应变的时候是否会因为应力而被破坏。

②如果压板合格，那么其变形是否会对试验的最终结果有干扰。

本文初选取12.6号槽钢，材料为Q235。根据材料可知常温时弹性模量为193000MPa，泊松比为0.3。其中压板的三维尺寸为700X200X126mm。

计算压板所受到的力：

实验时液压泵推动有8KN，12KN，20KN三个力，取最大値20KN。假设实验时加一个标准节。

a的长度为（标准节）2800+（连接套）300-（下移）100=3000mm

b的长度为1500mm

8个压板的总力F为

20000×3=0.75×F

F=80000N

单个压板受力为10000N。

边界条件为：压板中间与井字架接触的地方位移为零。

2.2 建立模型

建立结构的有限元模型，使用ANSYS软件进行静力分析，进行分析的压板，从Solidworks软件导入ANSYS中建立模型。

2.3 定义材料和选择单元类型

根据Q235和常温的实验环境选择弹性模量1.93e11pa泊松比0.3密度7.85e3kg/m3。

该结构不是线性结构，也不是板桥单元而是实体单元所以选择Solid。Solid185具有塑性，超弹性，应力强化，大变形，大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。本文的一个研究目的是研究压板变形对整体试验的影响，所以选择Solid185。因为是静态分析无特殊要求所以不涉及实常数。

2.4约束与载荷

载荷分析：压板整体受力10000N因为由垫片施加载荷所以载荷是在接触面上的均布载荷。约束：实验时井字架不能运动才能保证实验的准确性，因此井字架与压板必须紧紧接触不能运动，所以约束条件为压板中间与井字架接触的地方位移为零。正面的受力区域施加100个载荷为100N的分力。在与井字架接触的部位施加四个约束。

2.5计算结果分析

2.5.1材料的应力分析

材料采用Q235验证材料是否有压溃的现象。由实验可知应力最大的地方在压板与井字架的接触面上，压板容易发生被左右压断的破坏，最大应力为13.3MPa所以而Q235的屈服极限235MPa所以材料远远安全，不会发生破坏。

2.5.1材料的变形分析

接下来研究材料是否会发生大的变形，由实验结果可知最大变形为0.0618mm所以且发生在左侧。此值会影响螺栓的预紧力可以根据此值选择合适的预紧力，以保障试验的正确。另外还可以看出压板左侧变化大于右侧，这是由于划分网格施加力和约束不准确所致。

3 结论

ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元软件，机构分析是有限元分析方法最常用的的一个应用领域。机构分析可分为静力分析、动力学分析（模态分析、諧响应分析、瞬态动力学分析、谱分析）、非线性分析（几何非线性分析、材料非线性分析、状态非线性分析）、优化设计，可靠性分析等几类。本文利用有限元的思想，通过ANSYS的对零件进行建模分析，得到了在外力载荷作用下零件的位移和应力变化，对零件工作时的载荷分布及位移有了一个直观的了解。

参考文献

[1] 曾攀.有限元分析基础教程[M].北京：清华大学，2008

[2] 张秀辉，胡仁喜，康士廷等.有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012

[3] 谢龙汉，刘新让，刘文超.ANSYS结构及静力学分析[M].北京：电子工业出版社，2012