动载荷加载必备技能：3种常用方法详解

[本例提示]本例将学习ANSYS中载荷步控制方法以及施加动态载荷的三种加载方法：多载荷步法、表格载荷法和函数载荷法。

[问题描述]

  一个下端固定的圆柱顶面上承受如图1所示的动态压力载荷，试确定其顶面位移响应。已知圆柱长度为0.15m，直径为0.03m，材料的弹性模量为2.06×10⁵MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³。

图1 动态载荷示意图

1.多载荷步法

多载荷步法求解思路为：首先，为每一个载荷步施加载荷并设置载荷步参数。然后，将每个载荷步写入载荷步文件，最后一次性求解所有载荷步。对于本问题：

定义载荷步1：

–  在要求的部位上添加约束；

–  在要求的节点上施加载荷0；

–  规定施加此力的终止时间(1e-6)，指出时间步长0.05和变化方式为Ramp方式；

–  规定输出控制，

–  将此载荷步写入载荷步文件1中。

定义载荷步2：

–  在要求的节点上施加载荷22.5；

–  规定施加此力的终止时间(0.5)，指出时间步长0.05和变化方式为Ramp方式；

–  规定输出控制，

–  将此载荷步写入载荷步文件2中。

定义载荷步3：

–  改变载荷值为10.0；

–  规定终止时间 (1.0)。其他设置同前；

–  将此载荷步写入载荷步文件3中。

定义载荷步4：

–  删除力或将其值设置为零；

–  规定终止时间 (1.5) ，变化方式为Stepped方式；其他设置同前。

–  将此载荷步写入载荷步文件4中

1前处理

[步骤1] 画模型

1)   绘制立方块：选择菜单Main Menu: Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Cylinder→Solid Cylinder，输入底面圆心坐标(0,0)、半径0.03/2、高度0.15/2，单击OK按钮。

2)   保存几何模型：选择菜单Utility Menu：File→Save As，在存储数据库对话框中的Save Database to中输入数据库名：Geometry.db。

[步骤2] 设属性

1)   定义单元类型：选择菜单Main Menu: Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，在单元类型对话框中单击Add按钮，在弹出的单元库对话框中选择Solid和Brike 8 node185（即选Solide185单元），单击OK按钮，再单击Close按钮。

2)   定义材料属性：选择菜单Main Menu: Preprocessor→Material Props→Material Model→在弹出的材料属性窗口中依次双击Structural, Linear, Elastic和Isotropic，在弹出的对话框中设置EX（弹性模量）为2.06e+11；PRXY（泊松比）为0.3，单击OK按钮。在Material Models Available列表框中单击路径：Structural→Density，在密度DENS一栏中输入7800，单击OK按钮。退出材料定义窗口。

[步骤3] 分网格

1)   定义单元尺寸：选择菜单Main Menu: Preprocessor→Meshing→MeshTool，单击MeshTool对话框Global项中的Set按钮，在单元尺寸对话框中，设置Size=5(单元长度为5)，单击OK按钮。

2)   分格：选择菜单Main Menu: Preprocessor→Meshing→MeshTool，选中Mesh栏中的Sweep单选钮，单击MeshTool对话框中的Mesh按钮，在绘图区单击选中圆柱，单击左侧的拾取对话框中的OK按钮。

[步骤4] 保存网格模型

选择菜单Utility Menu：File→Save As，在存储数据库对话框中的Save Database to中输入数据库名：Mesh.db。

2．求解

[步骤1]  指定分析类型：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，选Transient单选钮，选中Full（完全法）单选钮，单击OK按钮。

[步骤2]  对第一个载荷步施加载荷

a) 添加约束：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在图形区中单击圆柱底面，单击左侧的拾取对话框中的Apply按钮，在施加约束对话框中选择All，单击OK按钮。

b)添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。在施加载荷对话框中设VALUE=0，单击OK按钮。

c)设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如图2所示，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）为1e-6，Number of substep（子载荷步数）为5，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中Ramped loading单选钮，单击OK按钮。

d) 写载荷步文件1：选取菜单途径选择菜单Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。在Load step file number n处输入1，单击OK按钮。

图2 求解控制对话框

[步骤3]  对第二个载荷步施加载荷

a)        添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。在施加载荷对话框中设VALUE=22.5，单击OK按钮。

b)       设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Timeat end of load step（结束时间）为0.5，Number ofsubstep（子载荷步数）为5，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），单击OK按钮。

c)        写载荷步文件2：选取菜单途径选择菜单Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。在Load step file number n处输入2，单击OK按钮。

[步骤4]  对第三个载荷步施加载荷

a)        添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。在施加载荷对话框中设VALUE=10，单击OK按钮。

b)       设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Timeat end of load step（结束时间）为1.0，Number ofsubstep（子载荷步数）为5，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），单击OK按钮。

c)        写载荷步文件3：选取菜单途径选择菜单Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。在Load step file number n处输入3，单击OK按钮。

[步骤5]  对第四个载荷步施加载荷

a)        添加载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。在施加载荷对话框中设VALUE=0，单击OK按钮。

b)       设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Timeat end of load step（结束时间）为1.5，Number ofsubstep（子载荷步数）为5，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中Stepped loading单选钮，单击OK按钮。

c)        写载荷步文件4：选取菜单途径选择菜单Mainmenu→Solution→Load Step Opts→Write LS File，弹出Write Load Step File 对话框。在Load step file number n处输入4，单击OK按钮。

[步骤6]  求解

选择菜单Main Menu→Solution→Solve→From LS File，弹出Solve Load Step Files对话框。在Starting LS file number处输入1；在Ending LSfile number处输入4。单击OK按钮。当求解完成时会出现一个Solution is done的提示对话框。单击close。

3. 结果处理

POST26观察节点146的位移时间历程结果

[步骤1]  定义结果变量：选择菜单Main Menu: TimeHistPostpro，单击按钮，单击Nodal Solution→DOF Solution→Z-compnent of displacement，设Valu Name为Xiangying，单击OK按钮，在图形区单击顶面上的节点，单击拾取对话框中OK按钮。

[步骤2]  绘制位移响应曲线：选择菜单Main Menu: TimeHistPostpro，选中前面定义的Xiangying变量，单击按钮，绘制位移响应曲线，见下图3。

图3  位移响应曲线

Finish

/Clear

/PREP7

CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15

ET,1,SOLID185

MP,EX,1,2.06e11

MP,PRXY,1,0.3

MP,DENS,1,7800

ESIZE,0,5,

VSWEEP,All

FINISH

/SOL

ANTYPE,4

TRNOPT,FULL

NSUBST,5,0,0  

OUTRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL

KBC,0

TIME,1e-6

DA,1,ALL,

SFA,2,1,PRES,0

LSWRITE,1,

TIME,0.5

SFA,2,1,PRES,22.5

LSWRITE,2,  

TIME,1.0

SFA,2,1,PRES,10

LSWRITE,3,  

TIME,1.5

KBC,1  

SFA,2,1,PRES,0

LSWRITE,4,

LSSOLVE,1,4,1,

FINISH

/POST26

FILE,'file','rst','.'  

NSOL,2,96,U,Z, UZ_2

PLVAR,2,

时间位移动图如下

2.表格载荷法

       表格载荷法的求解思路为：首先，将载荷-时间历程用表格表示。然后，用数组参数定义载荷随时间变化的表。最后，施加表载荷，作为一个载荷步一次性求解。表格载荷法的加载过程：定义表格参数表→施加已有表载荷→表格载荷步控制。对于本问题的载荷表为：

表1 载荷-时间历程表

前处理

重复多载荷步求解中的相应步骤或打其保存的网格模型数据库Mesh.db。

求解

[步骤1]  指定分析类型：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，选Transient单选钮，选中Full（完全法）单选钮，单击OK按钮。

[步骤2]  添加约束：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在图形区中单击圆柱底面，单击左侧的拾取对话框中的Apply按钮，在施加约束对话框中选择All，单击OK按钮。

[步骤3]  定义表格载荷

1. 定义表格：选择菜单Utility Menu: Parameter→Array Parameter→Define/Edit，在数组定义对话框中单击Add按钮，在新数组对话框中设ParameterName为Table load，Parameter Type为Table，设I,J,K为（5,1,1），Var1为Time，单击OK按钮完成表定义。
2. 填充表格：选择菜单Utility Menu: Parameter→Array Parameter→Define/Edit，在数组定义对话框中选中前面定义的表格Table load，单击Edit按钮，在表填充对话框中输入时间_载荷历程表，如图 4所示，单击菜单File→Apply/Quit，单击OK按钮完成表填充。

图4 定义表格数组

[步骤4]  施加表载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。在施加载荷对话框中设[SFA]下拉式列表框为Existing Table，在弹出的表载荷选择对话框中选中Table Load表载荷，单击OK按钮。

[步骤5]  设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如图2-16所示，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）为1.5，Number of substep（子载荷步数）为50，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中Ramped loading单选钮，单击OK按钮。

图5 求解控制对话框

[步骤6]  求解：选择菜单Main Menu→Solution→Solve→Current LS ，单击OK钮。当求解完成时会出现一个Solutionis done的提示对话框。单击close。

结果处理

重复多载荷步求解中的相应步骤，POST26观察顶面位移时间历程结果。

命令流如下：

Finish

/Clear

/PREP7

CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15

ET,1,SOLID185  

MP,EX,1,2.06e11

MP,PRXY,1,0.3  

MP,DENS,1,7800

ESIZE,0,5,

VSWEEP,All

FINISH

*DIM,Tab_Load,TABLE,5,1,1,Time, ,  

!*

*SET,TAB_LOAD(1,0,1) , 0

*SET,TAB_LOAD(2,0,1) , 0.5

*SET,TAB_LOAD(2,1,1) , 22.5

*SET,TAB_LOAD(3,0,1) , 1

*SET,TAB_LOAD(3,1,1) , 10  

*SET,TAB_LOAD(4,0,1) , 1.001

*SET,TAB_LOAD(5,0,1) , 1.5

/SOLU  

ANTYPE,4

TRNOPT,FULL

LUMPM,0

!*

NSUBST,50,0,0  

OUTRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL

TIME,1.5

DA,1,ALL,

SFA,2,1,PRES, %TAB_LOAD%

SOLVE  

FINISH

/POST26

FILE,'file','rst','.'  

NSOL,2,51,U,Z, UZ_2

PLVAR,2,

3.函数载荷法

 函数载荷法的求解思路为：首先，将载荷-时间历程用函数工具表示。然后，将载荷-时间函数转换为表格载荷。最后，施加已有表载荷，作为一个载荷步一次性求解。函数载荷法的加载过程：定义函数关系式→转换为表格载荷→施加已有表载荷→表格载荷步控制。载荷-时间历程函数为下图6：

图6 载荷函数

前处理

重复多载荷步求解中的相应步骤或打其保存的网格模型数据库Mesh.db。

求解

[步骤1]  指定分析类型：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→New Analysis，选Transient单选钮，选中Full（完全法）单选钮，单击OK按钮。

[步骤2]  添加约束：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Displacement→On Area，在图形区中单击圆柱底面，单击左侧的拾取对话框中的Apply按钮，在施加约束对话框中选择All，单击OK按钮。

[步骤3]  定义函数载荷

a.定义函数载荷：选择菜单Utility Menu: Parameter→Function→Define/Edit，在函数编辑窗口的Function卡中选中Multivalued function based on regime variable（分段函数）单选钮，在下拉式列表框中选择<regime var>为TIME。在regime1卡片中，设自变量范围为[0,0.5]，Result=45*{TIME}（{TIME}不能输入，列表框中选择TIME）。重复上述步骤，在regime2卡片中，设自变量范围为[0.5,1.0]，Result=-25*{TIME}+35。在regime3卡片中，设自变量范围为[1.0,1.5]，Result=0。在函数编辑窗口中单击菜单File→Save，在文件保存对话框中设文件名为Load，单击OK按钮，在函数编辑窗口中单击菜单File→Close，完成载荷函数定义。

图7 函数编辑

b.转换为表格载荷：选择菜单UtilityMenu: Parameter→Function→Read from File，选中前一步保存的函数Load.fun，在函数载荷对话框的Table parameter name（表格载荷名称）中输入Fun_load，单击OK按钮，将载荷函数转化为表格载荷。

c.施加表载荷：选择菜单Main Menu: Solution→Define Loads→Apply→Structure→Pressure→On Area，在图形区中单击圆柱顶面，单击OK按钮。在施加载荷对话框中设[SFA]下拉式列表框为Existing Table，在弹出的表载荷选择对话框中选中Table Load表载荷，单击OK按钮。

[步骤4]  设置载荷步：选择菜单Main Menu: Solution→Analysis Type→Sol’s Control，如图8所示，在求解控制对话框的Basic卡中完成以下设置：Time at end of load step（结束时间）为1.5，Number of substep（子载荷步数）为50，Frequency为write Every substep（存储所有计算结果），在求解控制对话框的Transient卡中设置选中Ramped loading单选钮，单击OK按钮。

图8  求解控制对话框

[步骤5]  求解：选择菜单Main Menu→Solution→Solve→Current LS ，单击OK按钮。当求解完成时会出现一个Solutionis done的提示对话框。单击close。

结果处理

重复多载荷步求解中的相应步骤，POST26观察顶面位移时间历程结果。

Finish

/Clear

/PREP7

CYL4, , ,0.03/2, , , ,0.15

ET,1,SOLID185  

MP,EX,1,2.06e11

MP,PRXY,1,0.3  

MP,DENS,1,7800

ESIZE,0,5,

VSWEEP,All

FINISH

! 定义函数

*DEL,_FNCNAME  

*DEL,_FNCMTID  

*DEL,_FNCCSYS  

*SET,_FNCNAME,'Fun_Load'

*SET,_FNCCSYS,0

! /INPUT,Load.func,,,1

*DIM,%_FNCNAME%,TABLE,6,5,4,,,,%_FNCCSYS%  

! Begin of equation: {TIME}

*SET,%_FNCNAME%(0,0,1), 0.0, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,1), 1.0, 99, 0, 1, 1,0, 0

*SET,%_FNCNAME%(0,2,1),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,3,1),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,4,1),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,5,1),   0

! End of equation: {TIME}  

! Begin of equation: 45*{TIME}

*SET,%_FNCNAME%(0,0,2), 0.5, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,2), 1.0, -1, 0, 45, 0,0, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,2,2), 0.0, -2, 0, 1, -1,3, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,3,2),   0, 99, 0, 1, -2, 0, 0

*SET,%_FNCNAME%(0,4,2),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,5,2),   0

! End of equation: 45*{TIME}

! Begin of equation: -25*{TIME}+35

*SET,%_FNCNAME%(0,0,3), 1.0, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,3), 1.0, -1, 0, -25, 0,0, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,2,3), 0.0, -2, 0, 1, -1,3, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,3,3),   0, -1, 0, 35, 0, 0, -2

*SET,%_FNCNAME%(0,4,3), 0.0, -3, 0, 1, -2,1, -1

*SET,%_FNCNAME%(0,5,3), 0.0, 99, 0, 1, -3,0, 0

! End of equation: -25*{TIME}+35

! Begin of equation: 0

*SET,%_FNCNAME%(0,0,4), 1.5, -999  

*SET,%_FNCNAME%(2,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,4), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,4), 1.0, 99, 0, 0, 0,0, 0

*SET,%_FNCNAME%(0,2,4),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,3,4),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,4,4),   0

*SET,%_FNCNAME%(0,5,4),   0

! End of equation: 0

!-->

/SOL

ANTYPE,4

TRNOPT,FULL

LUMPM,0

NSUBST,50,0,0  

OUTRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL

TIME,1.5

DA,1,ALL,

SFA,2,1,PRES, %FUN_LOAD%

SOLVE  

FINISH

/POST26

FILE,'file','rst','.'  

NSOL,2,81,U,Z, UZ_2

PLVAR,2,

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