ANSYS应用实例—圆轴扭转分析摘要：本文建立了圆轴的模型，并对其施加了扭转应力，应用ANSYS软件，对圆轴的扭转进行了分析，分析表明，ANSYS的分析结果与实际理论计算的结果是十分接近的。
关键词：圆轴扭转ANSYS问题描述:设等直圆轴截面直径D=50mm，长度120mm，作用在圆轴两端上的转矩M=1.5X103N.m，试分析该圆轴的扭转情况。
分析步骤：(1)改变工作名：拾取菜单Utility Menu→File→Change Jobname，在弹出的文本框中输入适当的文件名，单击OK即可。
(2) 创建单元类型：拾取菜单Utility Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete。
在弹出的对话框中单击Add按钮，在左侧列表中选Structural Solid，在右侧列表中选Quad 8node 183，单击Apply按钮，再在右侧列表中选择Brick 20node 186，单击OK按钮，然后单击对话框中的Close按钮。
图1 单元类型对话框（3 ）定义材料类型：拾取菜单Utility Menu→Preprocessor→Material Props→Material Model。
弹出如图2所示的对话框，在右侧列表中一次双击Structural、Linear、Elastic、Isotropic，弹出如图3所示的对话框，在EX文本框中输入弹性模量2.08e11，在PRXY中输入泊松比0.3，单击OK，关闭对话框即可。
图3 材料特性对话框（4 ）创建矩形面：拾取菜单Utility Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→By Dimensions。
弹出如图4所示的对话框，在“X1，X2“文本框中输入0,0.025，在”Y1，Y2”文本框中输入0，0.12，单击OK按钮即可。
图4 创建矩形面对话框（5 ）划分单元：拾取菜单Utility Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Tool。
弹出如图6所示的对话框，单击Size Controls区域中的Lines后的Set按钮，弹出拾取窗口，拾取矩形面的任意短边，单击OK，在如图7中的弹出对话框在NDIV 文本框中输入5，单击Apply按钮，在此弹出拾取窗口，拾取矩形面的任一长边，单击OK按钮，再次弹出对话框，在NDIV文本框中输入8，单击OK按钮。
在Mesh区域，选择单元形状为Quad，选择划分单元的方法为Mapped，单击Mesh 按钮，弹出拾取窗口，拾取面，单击OK，然后关闭窗口即可。
图5 划分单元工具对话框图6 单元尺寸对话框（6）设定挤出选项：拾取菜单Utility Menu→Preprocessor→Modeling→Operate →Extrude→Elem Ext Opts。
弹出图8所示的对话框，在VAL1文本框中输入5（挤出段数），选定ACLEAR为Yes，即选择清除矩形面上的单元，单击OK即可。
图7 单元尺寸对话框（7）由面旋转挤出体：拾取Utility Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→About Axis。
弹出拾取窗口，拾取矩形面，单击OK；再次弹出拾取窗口，拾取矩形面在Y轴上的两个关键点，单击OK按钮，随后弹出如图所示的对话框，在ARC文本框中输入360，单击OK按钮。
图8 由面旋转挤出体对话框（8）显示单元：拾取菜单Utility Menu→Plot→Elements。
（9 改变视点：拾取菜单Utility Menu→PlotCtrls→Pan Zoom Rotate，在弹出的对话框中，依次单击按钮ISO、Fit。
（10）旋转工作平面：拾取菜单Utility Menu→WorkPlane→Offset WP by Increment。
弹出对话框，在XY、YZ、ZX、Angles文本框中输入0，-90，单击OK 按钮即可。
(11) 创建局部坐标系：拾取菜单Utility Menu→WorkPlane→Local Coordinate System→Create Local CS→At WP Origin。
弹出如图所示的对话框，在KCN文本框中输入11，选择KCS为Cylindrical1，单击OK按钮，即创建一个代号为11，类型为圆柱坐标系的局部坐标系，并激活使之成为当前坐标系。
图9 创建局部坐标系对话框(12) 选中圆柱面上的所有节点：拾取菜单Utility Menu→Select→Entity，弹出如图所示的对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中一次选择Nodes、By Location、X coordinates、0.025、From Full，单击Apply按钮。
(13)旋转节点坐标系到当前坐标系：拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Move/Modify→Rotate Node CS→To Active CS，弹出拾取窗口，单击Pick All按钮。
(14)施加约束：拾取菜单Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural →Displacement→On Node。
弹出拾取窗口，单击Pick All按钮。
弹出的对话框在Lab2列表中选择UX，单击OK按钮。
图10在节点上施加约束对话框(15) 选中圆柱面最上端的所有节点：再次激活选择实体对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择Nodes、By Location、Z coordinates、0.12、Reselect，单击Apply按钮即可。
(16) 施加载荷：拾取菜单Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural →Force/Moment→On Nodes ，弹出拾取窗口，单击Pick All按钮。
弹出如图所示对话框，在Lab下拉列表中选择FY，在VALUE文本框中输入1500，单击OK按钮。
这样，在结构上一共施加了40个大小为1500N的集中力，它们对圆心力矩和为1500N.m。
图11 在节点上施加载荷对话框(17)选择所有：拾取菜单Utility Menu→Select→Everything。
(18)显示体：拾取菜单Utility Menu→Plot→Volume。
(19)施加约束：拾取菜单Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural →Displacement→On Areas。
弹出拾取窗口，拾取圆柱体下侧底面（一共4部分），单击OK，弹出窗口，在Lab2列表框中选择ALL DOF，单击OK按钮。
图12 施加约束对话框(20) 求解：拾取菜单Main Menu→Solution→Solve→Current LS，单击Solve Current Load Step对话框的OK按钮，在单击随后弹出的对话框的Yes按钮，当出现Solution is done!时，表明求解已经结束，就可以查看结果了。
(21)显示变形：拾取菜单Main Menu→General Postproc→Plot Results→Deformed Shape。
在弹出的对话框中，选择Def+undeformed，即变形+未变形的单元边界，单击OK按钮。
图13 圆轴的变形(22) 改变结果坐标系为局部坐标系：拾取菜单Main Menu→General Postproc→Options for Outp。
弹出如图所示对话框，在RSYS下拉列表中选择Local system，在Local system reference no文本框中输入11，单击OK按钮。
图14 输出选项对话框(23) 选择所有Z=0.045m的所有节点，在选择实体对话框中，在下拉列表中依次选择Nodes、By Location、Z coordinates、0045、From Full，然后单击Apply按钮，之后再在各下拉列表中选择Nodes、By Location、Y coordinates、0、Reselect，然后单击Apply按钮。
(24) 列表显示节点位移：拾取菜单Main Menu→General Postproc→List Results→Nodal Solution。
在弹出的对话框中一次选择Nodal Solution→DOF Solution→Y Component od displacement，单击OK按钮。
列表结果是：图15 显示节点位移列表结果表明，在18号节点上有最大的切向位移3.4383X10-5m，相对应的转角位3.4383X10-5/0.025=1.375X10-3rad，实践证明，这与理论结果是完全一致的。
(25) 选择单元，在选择实体对话框中，在下拉列表框，文本框，单选按钮中一次选择Nodes、By Location、Z coordinates、0，0.045、From Full，然后单击Apply按钮，再依次选择Elements、Attached to、Nodes all、Reselect，然后单击Apply按钮。
这与的目的是在下一步显示应力时，不包含集中力作用点附近的单元，以得到更好的计算结果。
（26）查看结果，用等高线显示剪应力：拾取菜单Main Menu→General Postproc →Plot Results→Contour Plot→Element Solu。
弹出对话框，依次选择Element Solution→Stress→YZ shear Stress。
结果如图所示，从图上可以看出，剪应力的最大值为61.7Mpa，这与理论结果是一致的。
图16剪应力的计算结果分析总结（1） ANSYS是一款功能十分强大的分析软件，使用ANSYS软件可以非常方便、精确的模拟出圆轴扭转的过程。
（2）通过分析，可知圆轴扭转的剪应力的最大值为61.7Mpa，这与理论结果是一致的。
最大的切向位移3.4383X10-5m，相对应的转角位3.4383X10-5/0.025=1.375X10-3rad，实践证明，这与理论结果是完全一致的。