工字鋼-ANSYS實(shí)例分析72道(含結(jié)果)

1、2.3 工字鋼-ANSYS實(shí)例分析 (三維實(shí)體結(jié)構(gòu))介紹三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的有限元分析。一、問題描述圖1所示為一工字鋼梁，兩端均為固定端，其截面尺寸為。試建立該工字鋼梁的三維實(shí)體模型，并在考慮重力的情況下對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。圖1 工字鋼結(jié)構(gòu)示意圖其他已知參數(shù)如下：彈性模量（也稱楊式模量） E= 206GPa；泊松比； 材料密度；重力加速度；作用力Fy作用于梁的上表面沿長度方向中線處，為分布力，其大小Fy=-5000N。 二、實(shí)訓(xùn)步驟(一) ANSYS10.0的啟動(dòng)與設(shè)置1、啟動(dòng)。點(diǎn)擊：開始所有程序 ANSYS10.0 ANSYS，即可進(jìn)入ANSYS圖形用戶主界面。2、功能設(shè)置(過濾)。點(diǎn)擊主菜單中

2、的“Preference”菜單(Main Menu Preferences)，彈出“參數(shù)設(shè)置”對(duì)話框，選中“Structural”復(fù)選框，點(diǎn)擊“OK”按鈕，關(guān)閉對(duì)話框，如圖2所示。本步驟的目的是過濾不必要的菜單，僅使用該軟件的結(jié)構(gòu)分析功能，以簡化主菜單中各級(jí)子菜單的結(jié)構(gòu)。圖2 Preference參數(shù)設(shè)置對(duì)話框3、系統(tǒng)單位設(shè)置。由于ANSYS軟件系統(tǒng)默認(rèn)的單位為英制，因此，在分析之前，應(yīng)將其設(shè)置成國際公制單位。在命令輸入欄中鍵入“/UNITS，SI”，然后回車即可(系統(tǒng)一般看不出反應(yīng)，但可以在Output Window中查看到結(jié)果，如圖3所示)。（注：SI表示國際公制單位）圖3 Output

3、Window中查看單位設(shè)置結(jié)果設(shè)置完成后按主菜單中前處理器 (在ANSYS中稱為 PREP7)設(shè)定的先后順序進(jìn)行，具體如圖4所示。圖4 前處理器(PREP7)設(shè)定分析步驟(二) 單元類型、幾何特性及材料特性定義1、定義單元類型。點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorElement Type Add/Edit/Delete”，彈出對(duì)話框（圖5）。圖5 單元類型Add/Edit/Delete對(duì)話框點(diǎn)擊對(duì)話框中的“Add”按鈕，又彈出一對(duì)話框，選中該對(duì)話框中的“Solid”和“Brick 8node 45”選項(xiàng)（圖6）。圖6 單元類型庫對(duì)話框點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉圖5對(duì)話框，返回至上一級(jí)對(duì)話框，此時(shí)，

4、對(duì)話框中出現(xiàn)剛才選中的單元類型：Solid45，如圖7所示。圖7 添加單元類型后Add/Edit/Delete對(duì)話框點(diǎn)擊“Close”，關(guān)閉圖7所示對(duì)話框。注：Solid45單元用于建立三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z方向的三個(gè)移動(dòng)自由度。2、定義材料特性。點(diǎn)擊主菜單中的 “PreprocessorMaterial Props Material Models”，彈出窗口如圖8所示，逐級(jí)雙擊右框中“Structural Linear Elastic Isotropic”前圖標(biāo)，彈出下一級(jí)對(duì)話框，在“彈性模量”（EX）文本框中輸入：2.06e11，在“泊松

5、比”（PRXY）文本框中輸入：0.3，如圖9所示，點(diǎn)擊“OK”按鈕，回到上一級(jí)對(duì)話框。圖8 定義材料特性“Structural Linear Elastic Isotropic”對(duì)話框圖9 定義彈性模量和泊松比然后，雙擊圖8中的“Density”選項(xiàng)，在彈出對(duì)話框的“DENS”一中輸入材料密度：7800，如圖10所示。圖10 定義材料密度點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，返回到定義材料特性“Structural Linear Elastic Isotropic”對(duì)話框，如圖11所示。此時(shí)可以看見圖11左框中顯示定義好了兩個(gè)材料特性。圖11材料特性定好后的“Structural Linear Elas

6、tic Isotropic”對(duì)話框最后，點(diǎn)擊圖11所示窗口右上角“關(guān)閉”該窗口，或點(diǎn)擊MaterialExit 菜單退出。(三) 工字鋼三維實(shí)體模型的建立1、生成關(guān)鍵點(diǎn)圖1所示的工字鋼梁的橫截面由12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連線而成，其各點(diǎn)坐標(biāo)分別為：1（-0.08,0,0）、2（0.08,0,0）、3（0.08,0.02,0）、4（0.015,0.02,0）、5（0.015,0.18,0）、6（0.08,0.18,0）、7（0.08,0.20,0）、8（-0.08,0.20,0）、9（-0.08,0.18,0）、10（-0.015,0.18,0）、11（-0.015,0.02,0）、12（-0.08,0.0

7、2,0）。點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS”，彈出對(duì)話框，如圖12所示。圖12創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)話框在“Keypoint number”一欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)1，在“XYZ Location”一欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)1的坐標(biāo)（-0.08，0，0），如圖13所示。圖13創(chuàng)建第1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)擊“Apply”按鈕，同理將212點(diǎn)的坐標(biāo)輸入，此時(shí)，在顯示窗口上顯示所生成的12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置。注意：(1) 所有關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)必須首先根據(jù)需要建模的實(shí)際情況計(jì)算好，并在圖中標(biāo)出各點(diǎn)坐標(biāo)以便輸入；(2) 輸入時(shí)不能與其他軟件切換，否則對(duì)話框會(huì)自動(dòng)消失；(3

8、) 輸錯(cuò)了可以刪除，然后再按原來的編號(hào)再輸入；(4) 如果滾動(dòng)鼠標(biāo)，圖形就會(huì)不見，可以采用重繪功能再次顯示圖形。2、生成直線點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorModelingCreate Lines LinesStraightLine”，彈出關(guān)鍵點(diǎn)選擇對(duì)話框，如圖14所示。圖14生成直線的關(guān)鍵點(diǎn)選擇對(duì)話框依次點(diǎn)選關(guān)鍵點(diǎn)1、2，點(diǎn)擊“Apply”按鈕，即可生成第一條直線。同理，分別點(diǎn)擊2、3；3、4；4、5；5、6；6、7；7、8；8、9；9、10；10、11；11、12；12、1可生成其余11條直線。生成后的組成工字鋼梁橫截面的直線如圖15所示。圖15生成后的組成工字鋼梁橫截面的直線注：

9、(1) 點(diǎn)擊實(shí)用菜單“Utility Menu PlotCtrls Numbering” 可以進(jìn)入顯示編號(hào)設(shè)置，選擇顯示關(guān)鍵點(diǎn)和線的編號(hào)如圖16。圖16顯示編號(hào)設(shè)置(2) 如果圖形不顯示，可點(diǎn)擊實(shí)用菜單“Utility Menu Plot Lines” 則可以顯示全部前面畫的線條。3、生成平面點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorModelingCreate AreasArbitraryBy Lines”，彈出“直線選擇”對(duì)話框，依次點(diǎn)選112直線，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，即可生成工字鋼的橫截面，如圖17所示。圖17生成工字鋼的橫截面4、生成三維實(shí)體點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocesso

10、rModelingOperateExtrudeAreasAlong Normal”，彈出平面選擇對(duì)話框，點(diǎn)選上一步驟生成的平面，點(diǎn)擊“OK”按鈕。之后彈出另一對(duì)話框(如圖18)，在“DIST”一欄中輸入：1（工字鋼梁的長度），其他保留缺省設(shè)置。圖18橫截面拉伸設(shè)置點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框，即可生成工字鋼梁的三維實(shí)體模型，如圖19所示。圖19生成工字鋼梁的三維實(shí)體模型注：(1) 點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框后，可能看不見三維實(shí)體模型，可以通過右側(cè)按鈕換一個(gè)角度即可實(shí)現(xiàn)；(2) 三維實(shí)體模型可能會(huì)顯示很大，可以通過右側(cè)“Fit View”按鈕剛好顯示。=以上為幾何建模！=(四) 網(wǎng)絡(luò)劃分注意：如果有多個(gè)單

11、元，必須要對(duì)不同部位進(jìn)行單元分配！(本例只有一個(gè)單元，不用分配)1、設(shè)定單元大小點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorMeshingMeshTool”，彈出劃分網(wǎng)格對(duì)話框(如圖20)。圖20劃分網(wǎng)格對(duì)話框在“Size Control”標(biāo)簽中的Global一欄點(diǎn)擊Set按鈕，彈出 “網(wǎng)格尺寸設(shè)置”對(duì)話框，在SIZE一欄中輸入：0.02，其他保留缺省設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。命令如何寫？2、接著上一步，在圖20的劃分網(wǎng)格的對(duì)話框中，選中單選框“Hex”和“Sweep”，其他保留缺省設(shè)置，然后點(diǎn)擊“Sweep”按鈕，彈出體選擇對(duì)話框，點(diǎn)選圖形窗口中的工字鋼梁實(shí)體，并點(diǎn)擊OK按鈕，即可用掃掠方式

12、完成對(duì)整個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖21所示。注意：選中單選框“Hex”和“Sweep”后點(diǎn)擊“Mapped”按鈕是指采用映射網(wǎng)格劃分體。圖21 劃分網(wǎng)格后的工字鋼梁模型注意：(1) 在此要把單元說清楚！PPT1.2(2) Mesh的不同方式（10.0P181）：Mesh和Sweep(掃掠，只針對(duì)體P195VSWEEP)。(五) 施加載荷1、施加位移約束點(diǎn)擊主菜單的“PreprecessorLoadsDefine LoadsApplyStructuaralDisplacemengtOn Areas”(或“PreprecessorSolution Define LoadsApplyStruc

13、tuaralDisplacemengtOn Areas”)，彈出面選擇對(duì)話框，點(diǎn)擊該工字梁的左端面，點(diǎn)擊“OK”按鈕，彈出對(duì)話框如圖示，選擇右上列表框中的“All DOF”，并點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可完成對(duì)左端面的位移約束，相當(dāng)于梁的固定端。同理，對(duì)工字鋼的右端面進(jìn)行固定端約束。注意：如何查看施加后的位移約束？2、施加分布力（Fy）載荷(1) 選擇施力節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊實(shí)用菜單中的“SelectEntities.”，彈出對(duì)話框在第一個(gè)列表框中選擇“Nodes”選項(xiàng)(對(duì)選擇的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載)，第二個(gè)列表框中選擇“By Location”選項(xiàng)，選中“Zcoordinates”單選框，并在“Min,Max”參數(shù)

14、的文本框中輸入：0.5（表示選擇工字鋼梁沿z方向的中間橫截面（z=0.5）上的所有節(jié)點(diǎn)），其他參數(shù)保留缺省設(shè)置，如圖22所示。注意：坐標(biāo)系。此時(shí)的x、y、z的方向分別是。？z是指工字鋼長度為1m方向。圖22 Select Entities 對(duì)話框點(diǎn)擊“Apply”按鈕(不退出對(duì)話框)完成選擇。點(diǎn)擊“Plot”按鈕，在顯示窗口上顯示出工字鋼梁中間橫截面(z=0.5)上的所有節(jié)點(diǎn)，如圖23所示。圖23窗口上顯示出工字鋼梁中間橫截面上的所有節(jié)點(diǎn)注意：有可能沒有任何節(jié)點(diǎn)顯示，這就是很可能網(wǎng)格劃分時(shí)太粗，選的位置剛好沒有節(jié)點(diǎn)。因此，如果要顯示則要把網(wǎng)格劃得比較細(xì)，在sweep時(shí)要控制好尺寸。如何控制呢？

15、然后，重新進(jìn)入圖22所示對(duì)話框中選中“Ycoordinates”單選框，在“Min,Max”參數(shù)文本框中輸入：0.2（表示工字鋼梁的上表面），選中“Reselect”（表示在現(xiàn)有活動(dòng)節(jié)點(diǎn)即上述選擇的中間橫截面中，再選擇y=0.2的節(jié)點(diǎn)為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)）單選框，其他參數(shù)保留缺省設(shè)置，然后依次點(diǎn)擊“Apply” 和“Plot”按鈕，即可在顯示窗口上顯示出工字鋼梁上表面沿長度方向中線處的一組節(jié)點(diǎn)，這組節(jié)點(diǎn)即為施力節(jié)點(diǎn)，如圖24所示。圖24顯示出工字鋼梁上表面沿長度方向中線處的一組節(jié)點(diǎn)(施力節(jié)點(diǎn))正視圖（2）施加載荷。點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStr

16、ucturalForce/Moment On Nodes”，彈出“節(jié)點(diǎn)選擇”對(duì)話框，點(diǎn)擊“Pick All”按鈕，即可選中（1）中所選擇的這組需要施力的節(jié)點(diǎn)，之后彈出另一個(gè)對(duì)話框，在該對(duì)話框中的“Direction of force/mom”一項(xiàng)中選擇：“FY,在Force/moment value”一項(xiàng)中輸入：-5000（注：負(fù)號(hào)表示力的方向與Y的方向相反），其他保留缺省裝置，然后點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，如圖25所示。這樣，通過在該組節(jié)點(diǎn)上施加與Y向相反的作用力，就可以模擬該實(shí)訓(xùn)中所要求的分布力Fy =-5000N。圖25在該組節(jié)點(diǎn)上施加與Y向相反的作用力Fy =-5000N（3）恢復(fù)選

17、擇所有節(jié)點(diǎn)。在求解之前必須選擇所有已創(chuàng)建的對(duì)象為活動(dòng)對(duì)象（如點(diǎn)、線、面、體、單元等），否則求解會(huì)出錯(cuò)。因此，點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“SelectEverything”，即可完成該項(xiàng)工作。需要注意的是，此時(shí)顯示窗口僅顯示施力節(jié)點(diǎn)及作用力的方向箭頭。若要顯示整個(gè)工字鋼梁的網(wǎng)絡(luò)模型，可點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“PlotElements”即可，結(jié)果如圖26所示。圖26點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“PlotElements”結(jié)果3、施加重力載荷。點(diǎn)擊主菜單中的“PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralInertia GravityGlobal”，在彈出對(duì)話框的“ACELY”一欄中輸

18、入：9.8（表示沿Y方向的重力加速度為9.8m/s2，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用密度等參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算），其他保留缺省設(shè)置，如圖27所示，點(diǎn)擊“OK”關(guān)閉對(duì)話框。圖27施加重力載荷注意：(1)從圖28和圖29中可以查看到結(jié)果，或者從圖27中也能查看到，即如果未施加上則Y欄中不會(huì)顯示9.8，而是顯示0；圖28施加重力載荷結(jié)果圖圖29施加重力載荷結(jié)果正視圖(2) 要負(fù)號(hào)嗎？-9.8？在圖中如何查看施加情況？如果沒有負(fù)號(hào)則重力加速度會(huì)向上，如圖30所示。應(yīng)該是正值，因?yàn)橄到y(tǒng)規(guī)定：正的 加速度引起 負(fù)方向 的撓度。例如：如果 Y 向上，正的 ACELY 值將使結(jié)構(gòu)向下變形。 圖30 重力載荷向上(反向)到此為止，有限元分析的前置處理部分已經(jīng)結(jié)束。(六) 求解點(diǎn)擊主菜單中的“SolutionSolveCurrent LS”，在彈出對(duì)話框中點(diǎn)擊“OK”按鈕，開始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口提示用戶已完成求解(圖31)，點(diǎn)擊“Close”按鈕關(guān)閉對(duì)話框即可。圖31 求解完成對(duì)話框至于在求解時(shí)產(chǎn)生的STATUS Command窗口，點(diǎn)擊“”關(guān)閉即可。說明：到此為止，有限元分析的求解部分已經(jīng)結(jié)束。此時(shí)，窗口看不到如何東西！(七) 分析結(jié)果瀏覽1、點(diǎn)擊主菜單中的“General PostprocPlot ResultsContou