工字鋼-ANSYS實例分析72道(含結果)

1、2.3 工字鋼-ANSYS實例分析 (三維實體結構)介紹三維實體結構的有限元分析。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體模型，并在考慮重力的情況下對其進行結構靜力分析。圖1 工字鋼結構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、實訓步驟(一) ANSYS10.0的啟動與設置1、啟動。點擊：開始所有程序 ANSYS10.0 ANSYS，即可進入ANSYS圖形用戶主界面。2、功能設置(過濾)。點擊主菜單中

2、的“Preference”菜單(Main Menu Preferences)，彈出“參數(shù)設置”對話框，選中“Structural”復選框，點擊“OK”按鈕，關閉對話框，如圖2所示。本步驟的目的是過濾不必要的菜單，僅使用該軟件的結構分析功能，以簡化主菜單中各級子菜單的結構。圖2 Preference參數(shù)設置對話框3、系統(tǒng)單位設置。由于ANSYS軟件系統(tǒng)默認的單位為英制，因此，在分析之前，應將其設置成國際公制單位。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，但可以在Output Window中查看到結果，如圖3所示)。（注：SI表示國際公制單位）圖3 Output

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

4、對話框中出現(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對話框點擊“Close”，關閉圖7所示對話框。注：Solid45單元用于建立三維實體結構的有限元分析模型，該單元由8個節(jié)點組成，每個節(jié)點具有X、Y、Z方向的三個移動自由度。2、定義材料特性。點擊主菜單中的 “PreprocessorMaterial Props Material Models”，彈出窗口如圖8所示，逐級雙擊右框中“Structural Linear Elastic Isotropic”前圖標，彈出下一級對話框，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，點擊“OK”按鈕，回到上一級對話框。圖8 定義材料特性“Structural Linear Elastic Isotropic”對話框圖9 定義彈性模量和泊松比然后，雙擊圖8中的“Density”選項，在彈出對話框的“DENS”一中輸入材料密度：7800，如圖10所示。圖10 定義材料密度點擊“OK”按鈕關閉對話框，返回到定義材料特性“Structural Linear Elastic Isotropic”對話框，如圖11所示。此時可以看見圖11左框中顯示定義好了兩個材料特性。圖11材料特性定好后的“Structural Linear Elas

6、tic Isotropic”對話框最后，點擊圖11所示窗口右上角“關閉”該窗口，或點擊MaterialExit 菜單退出。(三) 工字鋼三維實體模型的建立1、生成關鍵點圖1所示的工字鋼梁的橫截面由12個關鍵點連線而成，其各點坐標分別為：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）。點擊主菜單中的“PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS”，彈出對話框，如圖12所示。圖12創(chuàng)建關鍵點對話框在“Keypoint number”一欄中輸入關鍵點號1，在“XYZ Location”一欄中輸入關鍵點1的坐標（-0.08，0，0），如圖13所示。圖13創(chuàng)建第1個關鍵點點擊“Apply”按鈕，同理將212點的坐標輸入，此時，在顯示窗口上顯示所生成的12個關鍵點的位置。注意：(1) 所有關鍵點坐標必須首先根據(jù)需要建模的實際情況計算好，并在圖中標出各點坐標以便輸入；(2) 輸入時不能與其他軟件切換，否則對話框會自動消失；(3

8、) 輸錯了可以刪除，然后再按原來的編號再輸入；(4) 如果滾動鼠標，圖形就會不見，可以采用重繪功能再次顯示圖形。2、生成直線點擊主菜單中的“PreprocessorModelingCreate Lines LinesStraightLine”，彈出關鍵點選擇對話框，如圖14所示。圖14生成直線的關鍵點選擇對話框依次點選關鍵點1、2，點擊“Apply”按鈕，即可生成第一條直線。同理，分別點擊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) 點擊實用菜單“Utility Menu PlotCtrls Numbering” 可以進入顯示編號設置，選擇顯示關鍵點和線的編號如圖16。圖16顯示編號設置(2) 如果圖形不顯示，可點擊實用菜單“Utility Menu Plot Lines” 則可以顯示全部前面畫的線條。3、生成平面點擊主菜單中的“PreprocessorModelingCreate AreasArbitraryBy Lines”，彈出“直線選擇”對話框，依次點選112直線，點擊“OK”按鈕關閉對話框，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、生成三維實體點擊主菜單中的“Preprocesso

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

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

12、完成對整個實體結構的網(wǎng)格劃分，其結果如圖21所示。注意：選中單選框“Hex”和“Sweep”后點擊“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，只針對體P195VSWEEP)。(五) 施加載荷1、施加位移約束點擊主菜單的“PreprecessorLoadsDefine LoadsApplyStructuaralDisplacemengtOn Areas”(或“PreprecessorSolution Define LoadsApplyStruc

13、tuaralDisplacemengtOn Areas”)，彈出面選擇對話框，點擊該工字梁的左端面，點擊“OK”按鈕，彈出對話框如圖示，選擇右上列表框中的“All DOF”，并點擊“OK”按鈕，即可完成對左端面的位移約束，相當于梁的固定端。同理，對工字鋼的右端面進行固定端約束。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。點擊實用菜單中的“SelectEntities.”，彈出對話框在第一個列表框中選擇“Nodes”選項(對選擇的節(jié)點進行加載)，第二個列表框中選擇“By Location”選項，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），其他參數(shù)保留缺省設置，如圖22所示。注意：坐標系。此時的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 對話框點擊“Apply”按鈕(不退出對話框)完成選擇。點擊“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，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)點注意：有可能沒有任何節(jié)點顯示，這就是很可能網(wǎng)格劃分時太粗，選的位置剛好沒有節(jié)點。因此，如果要顯示則要把網(wǎng)格劃得比較細，在sweep時要控制好尺寸。如何控制呢？

15、然后，重新進入圖22所示對話框中選中“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)有活動節(jié)點即上述選擇的中間橫截面中，再選擇y=0.2的節(jié)點為活動節(jié)點）單選框，其他參數(shù)保留缺省設置，然后依次點擊“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，這組節(jié)點即為施力節(jié)點，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(施力節(jié)點)正視圖（2）施加載荷。點擊主菜單中的“PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStr

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

17、擇所有節(jié)點。在求解之前必須選擇所有已創(chuàng)建的對象為活動對象（如點、線、面、體、單元等），否則求解會出錯。因此，點擊應用菜單中的“SelectEverything”，即可完成該項工作。需要注意的是，此時顯示窗口僅顯示施力節(jié)點及作用力的方向箭頭。若要顯示整個工字鋼梁的網(wǎng)絡模型，可點擊應用菜單中的“PlotElements”即可，結果如圖26所示。圖26點擊應用菜單中的“PlotElements”結果3、施加重力載荷。點擊主菜單中的“PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralInertia GravityGlobal”，在彈出對話框的“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)會自動利用密度等參數(shù)進行分析計算），其他保留缺省設置，如圖27所示，點擊“OK”關閉對話框。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欄中不會顯示9.8，而是顯示0；圖28施加重力載荷結果圖圖29施加重力載荷結果正視圖(2) 要負號嗎？-9.8？在圖中如何查看施加情況？如果沒有負號則重力加速度會向上，如圖30所示。應該是正值，因為系統(tǒng)規(guī)定：正的 加速度引起 負方向 的撓度。例如：如果 Y 向上，正的 ACELY 值將使結構向下變形。 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)結束。(六) 求解點擊主菜單中的“SolutionSolveCurrent LS”，在彈出對話框中點擊“OK”按鈕，開始進行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口提示用戶已完成求解(圖31)，點擊“Close”按鈕關閉對話框即可。圖31 求解完成對話框至于在求解時產(chǎn)生的STATUS Command窗口，點擊“”關閉即可。說明：到此為止，有限元分析的求解部分已經(jīng)結束。此時，窗口看不到如何東西！(七) 分析結果瀏覽1、點擊主菜單中的“General PostprocPlot ResultsContou