ANSYS門式框架梁的鉸接處理及靜力

07-門式框架梁的鉸接處理及靜力分析算例來源：《ANSYSWorkbench有限元分析實例詳解》（周炬、蘇金英著）算例制作：孟志華算例校核：關鍵詞：框架、梁單元、鉸接、自由度釋放、靜力分析、Beam188摘要本算例對一個門式框架的梁幾何模型，進行靜力分析，支架結(jié)構(gòu)被簡化為梁結(jié)構(gòu)，采用了Beam188單元。本算例可以學習掌握ANSYS中梁模型的網(wǎng)格劃分、荷載施加，以及梁單元的后處理方法。特別地，對于工程中常見的兩個梁節(jié)點鉸接的連接形式，算例中采用了“梁端節(jié)點自由度釋放”的操作來實現(xiàn)。本例題是ANSYS中梁單元結(jié)構(gòu)分析及后處理的基本例題，是梁結(jié)構(gòu)分析的入門題目。案例描述本算例對一個支架結(jié)構(gòu)進行靜力分析，支架結(jié)構(gòu)被簡化為梁結(jié)構(gòu)。梁結(jié)構(gòu)上作用有頂部的均布力，門架兩個柱的底部節(jié)點固定。門架梁的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖，門架的柱和梁，在一側(cè)為固接形式、另一側(cè)為鉸接形式。柱和梁的橫截面均為圓管截面，材料使用ANSYS自帶的鋼材料3.1打開ANSYSWorkbench，打開Mechanical靜力分析模塊。（1） 首先啟動ANSYSWorkbench環(huán)境。然后通過【File】菜單或快捷按鈕，導入已有的“梁支架.wbpj”文件。文件已經(jīng)提供了梁的幾何模型和橫截面信息，并且梁的連接節(jié)點已經(jīng)做了“共享拓撲”處理。（2） 在Workbench環(huán)境的起始界面下，在項目視窗【ProjectSchematic】中，已經(jīng)創(chuàng)建了一個靜力分析過程項目A。在項目A中，雙擊【Model】（也有使用鼠標右鍵彈出菜單），即可打開Mechanical模塊，在該模塊內(nèi)進行網(wǎng)格劃分、荷載施加、求解計算、后處理。提示：ANSYS已經(jīng)提供了靜力分析、模態(tài)分析、熱分析等分析流程的工具箱，工程師可根據(jù)工程需要，拖動所需流程模板放置到項目流程的視窗中。本例題使用的靜力分析流程，從上至下包含了工程材料數(shù)據(jù)、幾何建模、有限元模型、分析工況設置、求解計算、后處理等步驟，可分別打開不同的模塊來完成不同的操作。3.2.進入Mechanical，進行幾何和截面檢查及材料設置（1）導入的幾何模型檢查確認：在左側(cè)目錄樹【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，該目錄下為所有導入的幾何模型。此處僅有一個“橫梁”零件，因為在Spaceclaim建模時使用了“共享拓撲”的設置，三根梁通過共節(jié)點連接并且材料、截面屬性一致，因此直接被自動合并為一個零件。打開梁截面的顯示開關：在頂部菜單欄，點開【View】菜單，并勾選“Crosssectionsolids”選項，此時，梁的顯示將不再是線條，而是圓管截面的形狀。提示：打開“Crosssectionsolids”選項開關，對于梁模型，將顯示出梁的橫截面，對于殼模型，將顯示殼的厚度。若梁的角鋼布置不符合實際工程，應返回到Spaceclaim模塊中重新用“定向”工具來調(diào)整橫截面的布置方向。3.2.進入Mechanical，進行幾何和截面檢查及材料設置（續(xù)）給梁模型賦予材料：在左側(cè)目錄樹【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，左鍵點中“surfacebody”幾何模型，此時在界面左下角的【Detail】細節(jié)設置面板中可為單個零件賦予材料或更多設置。找到細節(jié)設置面板下的【Material】-【Assignment】，檢查是否設為系統(tǒng)缺省提供的材料structuralsteel。3.3.修改右邊柱-梁的連接形式，改為“鉸接”對于工程中常見的兩個梁節(jié)點鉸接的連接形式，本例題采用了“梁端節(jié)點自由度釋放”的方法來實現(xiàn)，即將一個共享節(jié)點修改為靠1-6個自由度耦合連接的兩個節(jié)點。操作方法如下：（1） 在GUI界面左側(cè)目錄樹下，找到【Connection】，對其點鼠標右鍵彈出菜單，插入一個【EndRelease】操作。提示：在ANSYS的有限元分析過程中，各個零部件的連接關系定義和操作修改，均提供過該目錄樹【Connection】下的彈出菜單添加。包括接觸關系、運動副關系、彈簧連接、梁桿連接等。3.3.修改右邊柱-梁的連接形式，改為“鉸接”（續(xù)）（2） 在【Endrelease】對應的下方細節(jié)設置面板中，在【VertexGeomtry】，先選中右上角柱-梁連接的節(jié)點，Apply確認，即選該點為鉸接點；再在【EdgeGeomtry】選中右邊的柱，點Apply確認。然后再設置【RotY】項為Free。即釋放鉸接點的Y方向轉(zhuǎn)動自由度，讓柱和梁的共享節(jié)點可以發(fā)生轉(zhuǎn)動。3.4.進行網(wǎng)格劃分（1） 完成網(wǎng)格劃分：本例題采用系統(tǒng)默認的網(wǎng)格尺寸即可。因此，直接在左側(cè)目錄樹【Outline】-【Mesh】上鼠標右鍵點擊，彈出菜單中選擇GenerateMesh，即可完成網(wǎng)格劃分。劃分完成后，可以在【Mesh】相關的細節(jié)設置面板中，在【Statistics】中看到節(jié)點數(shù)為74，單元數(shù)為36。3.5.施加荷載及約束邊界條件（1） 施加集中力荷載：在目錄樹【Outline】-【StaticStructural】靜力分析工況位置，鼠標右鍵點擊，在彈出菜單中使用【Insert】-【Force】集中力。然后在該集中力的下方細節(jié)設置面板中，設置加載位置、方向、數(shù)值。具體操作是，第一步，在細節(jié)設置面板中的【Geometry】，選中頂部橫梁“線段”作為加載部位，并點擊Apply確認。第二步，點擊面板中的【Direction】，選擇左邊垂直的梁線段，并點擊Apply確認。最后，在面板中的【Magnitude】輸入10000N（注意在視窗中檢查力的方向是向下的）。提示：在ANSYSWorkbench環(huán)境下，載荷類型【Force】的用途很多且非常方便，可以加傳統(tǒng)意義的“集中力”（只能作用在點上），也可以加“分布力”（可以作用在面或線上）。在加“分布力”時，【Force】輸入的是作用在面/線上的總作用力數(shù)值，【Pressure】則是輸入單位面積上的作用力。3.5.施加荷載及約束邊界條件（續(xù)）（2） 施加固定約束：在目錄樹【Outline】-【StaticStructural】靜力分析工況位置，鼠標右鍵點擊，在彈出菜單中使用【Insert】-【FixedSupport】，即固定約束。然后在該固定約束的下方細節(jié)設置面板中，在【Geometry】位置指定約束的部位，即選中結(jié)構(gòu)的左下角、右下角兩個端點，并點擊Apply確認。提示：選擇梁端點時，建議使用頂部快捷工具欄的選擇工具，即在點、線、面、體中切換為“點”進行選擇操作。3.6.靜力分析求解本例題雖然使用了梁模型，但仍為常規(guī)的靜力、線性問題，因此無需進行更多的求解控制。在左邊目錄樹【Outlines】-【StaticStructural】或者【Solution】位置，點鼠標右鍵，彈出菜單選Solve，進行求解。提示：特別注意，在計算完成后，可以找到左邊目錄樹【Outlines】-【StaticStructural】-【Solution】，左鍵點擊并在對應的額下方細節(jié)設置面板中，將【BeamSectionResults】選項設置為“Yes”。該操作，是將在后處理中提供梁單元截面的應力應變結(jié)果，默認為No，即不提供截面的應力應變結(jié)果以加快顯示速度。3.7.應力/位移結(jié)果后處理（1） 插入并查看VonMises應力結(jié)果：計算完成后，在左側(cè)目錄樹【outline】-【Solution】位置，鼠標右鍵，彈出菜單，選擇-【insert】-【stress】-【Equivalentstress/Von-mises】，即可在Solution欄下插入一個Von-mises應力的結(jié)果。然后繼續(xù)在左側(cè)目錄樹【outline】-【Solution】上用鼠標右鍵彈出菜單，選擇EvaluateResults，完成結(jié)果文件的數(shù)據(jù)導入和圖形顯示。在本例題中，Von-miese應力最大值為1139Mpa，位置在橫梁跨中偏右。3.7.應力/位移結(jié)果后處理（續(xù)）（2） 插入并查看位移結(jié)果：同理，在后處理的彈出菜單中，選擇-【insert】-【Deformation】-【Total】，即可插入一個結(jié)構(gòu)總位移的結(jié)果。然后繼續(xù)在左側(cè)目錄樹【outline】-【Solution】上用鼠標右鍵彈出菜單，選擇EvaluateResults，完成結(jié)果文件的數(shù)據(jù)導入和圖形顯示。該例題的結(jié)構(gòu)總位移，即X、Y、Z三方向的位移矢量和，為1.23mm。3.8.彎矩圖剪力圖后處理在之前的梁模型后處理的例題中，已經(jīng)學習過彎矩圖、剪力圖、軸力圖的生成方法。這里將學習另一種顯示彎矩圖、剪力圖、軸力圖的方法。（1） 在GUI界面左側(cè)的目錄樹中，找到【Project】-【Model】，并在其上鼠標右鍵點擊，彈出菜單，添加一個【ConstructionGeometry】，以用于一些特殊的應用。（2）繼續(xù)鼠標右鍵點擊【ConstructionGeometry】，即在該目錄下添加一個【Path】路徑。該路徑將用于創(chuàng)建整個門架的內(nèi)力圖。3.8.彎矩圖剪力圖后處理（續(xù)）（3）在【ConstructionGeometry】-【Path】對應的細節(jié)設置面板中，確?！綪athType】為“Edge”，即通過已有線段來創(chuàng)建路徑的方法。然后在【Geometry】位置依次選中門架結(jié)構(gòu)的三根柱-梁線段，并點擊Apply確認。此時，從視圖中即可看到創(chuàng)建的路徑起點和終點（1-2）。提示：路徑創(chuàng)建時的起點和終點，和線段自身的矢量方向有關。本題目中線段的矢量方向為逆時針。因此，在接下來的彎矩圖剪力圖中的起點將是“路徑的起點”。3.8.彎矩圖剪力圖后處理（續(xù)）（4） 添加一個彎矩圖、剪力圖的結(jié)果：在GUI界面左側(cè)目錄樹中，找到后處理相關的【Solution】目錄，并在其上鼠標右鍵，插入一個【insert】-【BeamResults】-【ShearMomentDiagram】，即插入一個剪力-彎矩圖結(jié)果。（5） 設置“剪力-彎矩圖”結(jié)果的細節(jié)屬性：如下圖，在【TotalShear-MomentDiagram】結(jié)果的細節(jié)設置面板中，在【Path】選項上設置為剛才步驟創(chuàng)建的“path”。3.8.彎矩圖剪力圖后處理（續(xù)）（6） 鼠標右鍵點擊目錄樹中的【Solution】-【TotalShear-MomentDiagram】結(jié)果，使用彈出菜單的【EvaluateResults】，運算并顯示結(jié)果。顯示的結(jié)果如下圖。圖中，從上至下，分別是剪力圖、彎矩圖、位移分布圖。而在GUI窗口下方，提供了剪力、彎矩、位移的數(shù)據(jù)表格。注意，這里的內(nèi)力圖，是按照之前步驟定義的路徑計算的，因此，顯示的是從路徑1-2（起點