ansys高級技術(shù)分析指南part7 梁分析和橫截面形狀

1、ANSYS高級分析技術(shù)指南 梁分析和橫截面形狀 梁分析和橫截面形狀梁的概況梁單元用于生成三維結(jié)構(gòu)的一維理想化數(shù)學模型。與實體單元和殼單元相比，梁單元可以效率更高的求解。兩種新的有限元應(yīng)變單元，BEAM188和BEAM189，提供了更強大的非線性分析能力，更出色的截面數(shù)據(jù)定義功能和可視化特性。參閱ANSYS Elements Reference中關(guān)于BEAM188和BEAM189的描述。何為橫截面？橫截面定義為垂直于梁的軸向的截面形狀。ANSYS提供了有11種常用截面形狀的梁橫截面庫，并支持用戶自定義截面形狀。當定義了一個橫截面時，ANSYS建立一個9結(jié)點的數(shù)值模型來確定梁的截面特性（lyy,l

2、zz等），并求解泊松方程得到彎曲特征。下圖是一個標準的Z橫截面，示出了截面的質(zhì)心和剪切中心以及計算的橫截面特性： 圖8-1 Z向橫截面圖橫截面和用戶自定義截面網(wǎng)格劃分將存儲在橫截面庫文件中?？梢杂肔ATT命令將梁橫截面屬性賦給線實體。這樣，橫截面的特性將在用BEAM188或BEAM189對該線劃分網(wǎng)格時包含進去。如何生成橫截面用下列步驟生成橫截面：1 定義截面并與代表相應(yīng)截面形狀的截面號關(guān)聯(lián)。2 定義截面的幾何特性數(shù)值。ANSYS中提供了下表列出的命令完成生成、查看、列表橫截面和操作橫截面庫的功能：參閱ANSYS Commands Reference可以得到橫截面命令的完整集合。 定義截面并與

3、截面號關(guān)聯(lián) 使用SECTYPE命令定義截面。下面的命令將截面號2與定義號的橫截面形狀（圓柱體）關(guān)聯(lián)：命令：SECTYPE,2,BEAM,CSOLID SECDATA,5,8 SECNUM,2GUI: Main Menu>Preprocessor>Settings>-Beam-Common Sects Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs要定義自己的橫截面，使用子形狀（ANSYS提供的形狀集合）MESH。要定義帶特殊特性如lyy和lzz的橫截面，使用子形狀A(yù)SEC。 定義橫截面的幾何

4、特性數(shù)值使用SECDATA命令定義橫截面的幾何數(shù)值。下面的命令將用SECTYPE命令定義的尺寸賦值給橫截面。CSOLID形狀有兩個尺寸：半徑和周長上的格柵數(shù)目。命令：SECDATA,4,6GUI: Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects 用BEAM188/BEAM189單元劃分線實體在用BEAM188/BEAM189單元劃分線實體前，要定義一些屬性，包括：l 要劃分線的梁單元類型l 生成梁單元的橫截面特性號l 以梁單元軸向為基準的橫截面定位l 生成梁單元的材料特性號使用LATT命令將這些屬性與線實體關(guān)聯(lián)：命令：LA

5、TT,MAT,TYPE,KB,SECIDGUI: Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs MAT 與MP命令定義的材料特性相對應(yīng)，材料號由MAT號指定。 TYPE 與ET命令定義的單元類型相對應(yīng)，類型號由TYPE號指定。 KB 對應(yīng)于模型中的關(guān)鍵點號。所生成梁單元的橫截面與梁的 兩端點和該關(guān)鍵點定義的平面垂直。 SECID 與SECTYPE 命令定義的梁橫截面相對應(yīng)，截面號由SECID 號指定。 使用梁工具生成橫截面SECTYPE，SECDATA和SECOFFSET命令在GUI的路徑都在梁工具（BEA

6、M TOOL）中。梁工具的樣式取決于所選擇的梁橫截面形狀：梁工具的頂部是截面形狀號SECTYPE，中部是截面偏移信息SECOFFSET，底部是截面幾何形狀信息SECDATA。SECDATA命令定義的尺寸 圖8-2 梁工具（包括橫截面顯示）取決于所選截面形狀。可以單擊梁工具下的“Help”獲取所選截面的幫助信息。在SECDATA也有截面形狀尺寸的說明。控制橫截面和用戶網(wǎng)格庫通用截面的數(shù)據(jù)，如CHAN和RECT，可以存儲在橫截面庫中。用SECWRITE命令生成、存儲包括用戶劃分網(wǎng)格的截面的橫截面庫。如果在另一個模型中使用橫截面庫，使用SECREAD命令讀入。側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲分析實例（GUI方式）ANS

7、YS Structural Analysis Guide第七章詳細敘述了屈曲分析。本例分析了懸臂梁在末端承受橫向載荷時的行為。 問題描述一根直的細長懸臂梁，一端固定一端自由。在自由端施加載荷。本模型做特征值屈曲分析，并進行非線性載荷和變形研究。研究目標為確定梁發(fā)生分支點失穩(wěn)（標志為側(cè)向的大位移）的臨界載荷。 問題特性參數(shù)本例使用如下材料特性：楊氏模量=1.0X10e4psi泊松比=0.0本例使用如下的幾何特性：L=100inH=5inB=2in本例的載荷為：P=1lb問題示意圖 特征值屈曲分析是線性化的計算過程，通常用于彈性結(jié)構(gòu)。屈曲一般發(fā)生在小于特征值屈曲分析得到的臨界載荷時。這種分析比完全

8、的非線性屈曲分析需要的求解時間要少。用戶還可以做非線性載荷和位移研究，這時用弧長法確定臨界載荷。對于更通用的分析，一般要進行崩潰分析。在模型中有缺陷時一定要做非線性崩潰分析，因為此時模型不會表現(xiàn)出屈曲?？梢酝ㄟ^使用特征值分析求解的特征向量來添加缺陷。特征向量是最接近于實際屈曲模態(tài)在預(yù)測值。添加的缺陷應(yīng)該比梁的標準厚度要小。缺陷刪除了載荷-位移曲線的突變部分。通常情況下，缺陷最大不小于10%的梁厚度。UPGEOM命令在前一步分析的基礎(chǔ)上添加位移并更新變形的幾何特征。 第一步：設(shè)置分析名稱和圖形選項1 選擇菜單Utility Menu>File>Change Title。2 輸入“La

9、teral Torsional Buckling Analysis”并單擊OK。3 確認PowerGraphics正在運行。選擇菜單Utility Menu>PlotCtrls>Style>Hidden-Line Options。確認PowerGraphics選項打開并單擊OK。4 將Graphical Solution Tracking打開。選擇菜單Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Grph Solu Track并確認對話框中radio按鈕設(shè)置為ON。單擊OK。5 生成屈曲分析圖的輸出文件。選擇

10、菜單Utility Menu>PlotCtrls>Redirect Plots>To GRPH File。將文件名改為buckle.grph并單擊OK。 第二步：定義幾何模型1 進入前處理器并生成梁的關(guān)鍵點。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>In Active CS，然后輸入下列關(guān)鍵點號和坐標值：關(guān)鍵點號：1 坐標值：0，0，0關(guān)鍵點號：2 坐標值：100，0，0關(guān)鍵點號：3 坐標值：50，5，02 在關(guān)鍵點1和2之間生成一條直線。選擇菜單Main Menu>Preproc

11、essor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight Line。將彈出生成直線對話框。在圖形窗口選擇關(guān)鍵點1和2并單擊OK。3 存儲模型。選擇菜單Utility Menu>File>Save As。在“Save Database to”對話框中輸入buckle.db作為文件名并單擊OK。 第三步：定義單元類型和橫截面信息1 選擇菜單Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。將彈出單元類型對話框。2 單擊Add。將出現(xiàn)單元類型庫對話框。3 在左列選擇“

12、Structural Beam”。4 在右列選擇“3D finite strain, 3 node 189”以選中BEAM189。5 單擊OK，然后的單元類型對話框中單擊Close。6 定義梁的矩形截面。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects。將出現(xiàn)梁工具對話框。缺省時ANSYS將截面號設(shè)置為1，將子類型設(shè)置為RECT（在子類型處圖示一個矩形）。因為要生成一個矩形橫截面，在子類型處不作修改。7 在梁工具對話框的底部，可以看到橫截面形狀和尺寸的圖示。在B標志的部分輸入0.2作為橫截面的寬度；在H標志的部分輸入

13、5.0作為橫截面的高度。單擊OK確定設(shè)置。8 列出當前截面特性。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>Sections>List Sections。ANSYS缺省選擇特性號1。單擊OK顯示橫截面信息。在瀏覽過以后，在SLIST窗口單擊Close。 第四步：定義材料特性并定位結(jié)點1 選擇菜單Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isotropic。2 單擊OK確認材料號為1。將出現(xiàn)各向同性材料特性對話框。3 在楊氏模量框輸入1E4。4 在泊松比(minor)處輸入0.0，并單擊OK。5

14、選擇菜單Utility Menu>Select>Entities來選擇線。選擇下列選項：Lines，By Num/Pick，F(xiàn)rom Full并單擊OK。6 出現(xiàn)選擇線對話框。在圖形窗口單擊線實體。在對話框中單擊OK。7 作為線的屬性定義結(jié)點定位。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>All Lines。單擊Pick Orientation Keypoint radio按鈕旁邊的radio按鈕將其改變?yōu)閅es并單擊OK。ANSYS將材料特性號指向1，將單元類型號指向1并將截面特性號指向1。8 出現(xiàn)線屬性對話框。

15、在圖形窗口選擇關(guān)鍵點3并在對話框中單擊OK。9 存儲模型。選擇菜單Utility Menu>File>Save As。選擇OK，當ANSYS詢問是否覆蓋時，單擊OK。 第五步：對線劃分網(wǎng)格并確認梁的定位1 定義網(wǎng)格大小和分段數(shù)。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Lines-All Lines。在No. Of Element Divisions框中輸入10并單擊OK。2 對線劃分網(wǎng)格。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>Lines。確認在“

16、Mesh Lines”對話框中Pick和Single選定，然后在圖形窗口選擇線。在對話框中單擊OK對線劃分網(wǎng)格。3 旋轉(zhuǎn)劃分好網(wǎng)格的線。選擇菜單Utility Menu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate。彈出Pan,Zoom,Rotate對話框。選擇ISO并單擊Close。圖形窗口中梁將旋轉(zhuǎn)。4 確認梁的定位。選擇菜單Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size&Shape。選擇/ESHAPE旁邊的radio按鈕并單擊OK。5 顯示橫截面形狀。選擇菜單Main Menu>Preprocessor>Sect

17、ions>Plot Section并單擊OK。6 重新顯示網(wǎng)格。選擇菜單Utility Menu>Plot>Elements。 第六步：定義邊界條件1 定義固定端的邊界條件。選擇菜單Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On Keypoints。將彈出Apply U,ROT on KPs對話框。2 定義關(guān)鍵點1為固定端。在ANSYS輸入窗口，輸入1并回車，然后單擊OK。3 在對話框中選擇“All DOF”，然后單擊OK。在ANSYS圖形窗口將顯示邊界條件。4 在自由端施加集中力

18、。選擇菜單Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force/Moment>On Keypoints。將出現(xiàn)Apply F/M on KPs對話框。5 定義關(guān)鍵點2為自由端。在ANSYS輸入窗口，輸入2并回車，然后單擊OK。6 在Direction of force/mom框中選擇FY。7 在數(shù)值處輸入1并單擊OK。在ANSYS圖形窗口將出現(xiàn)集中力標志。8 存儲模型。選擇菜單Utility Menu>File>Save As。選擇OK，當ANSYS詢問是否覆蓋時，單擊Yes。9 選擇菜單Main Menu>

19、;Finish。 第七步：作特征值屈曲分析1 進入時序后處理器。選擇菜單TimeHist Postpro>Define Variables。TIME變量是缺省的。選擇Close。2 設(shè)置分析選項。選擇菜單Main Menu>Solution>Analysis Options。將彈出Static或Steady-State Analysis對話框。3 生成應(yīng)力-剛度矩陣，存儲起來在后續(xù)的特征值屈曲分析中使用。在Stress stiffness or prestress框中，選擇“Prestress ON”。4 定義分析求解方法為sparse solver。在Equation so

20、lver框中選擇Sparse solver。單擊OK。5 選擇菜單Main Menu>Solution>-Solve-Current LS。瀏覽/STAT命令窗口中的內(nèi)容，然后單擊OK開始求解。6 當“Solution is Done!”窗口出現(xiàn)時，單擊Close關(guān)閉窗口。7 選擇菜單Main Menu>Finish。8 選擇菜單Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis。9 選擇“Eigen Buckling”選項，然后單擊OK。10 選擇菜單Main Menu>Solution>Analysis O

21、ptions。將彈出特征值屈曲選項對話框。選擇Block Lanczos方法。在模態(tài)數(shù)目框中輸入4，然后單擊OK。11 在MXPAND命令設(shè)置Element Calculation Key。選擇菜單Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass>Expand Modes。12 在擴展模態(tài)對話框中，輸入4作為模態(tài)數(shù)，將Calculate elem results框由No改為Yes，然后單擊OK。13 選擇菜單Main Menu>Solution>-Solve-Current LS。瀏覽/STAT命令窗口中的內(nèi)容，然后

22、單擊OK開始求解。14 當“Solution is Done!”窗口出現(xiàn)時，單擊Close關(guān)閉窗口。15 選擇菜單Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size&Shape。確認在/ESHAPE旁邊的radio按鈕為ON，然后選擇OK。16 在ANSYS輸入窗口中輸入/VIEW,1,1,1,1然后按回車。17 在ANSYS輸入窗口中輸入/ANG,1然后按回車。18 顯示求解結(jié)果。選擇菜單Main Menu>General Postproc>List Results>Results Summary。當查看結(jié)果完畢后，單擊Close關(guān)

23、閉窗口。19 選擇菜單Main Menu>General Postproc>List Results>-Read Results->First Set。20 繪出梁的第一個模態(tài)。選擇菜單Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape。將彈出Plot Deformed Shape對話框。選擇Def+undef edge并單擊OK。21 選擇菜單Main Menu>Finish。 第八步：作非線性屈曲分析求解1 引入前面分析中得到的模型缺陷計算結(jié)果。選擇菜單Main Menu>Pre

24、processor>-Modeling-Update Geom。在Update Geometry對話框中，輸入0.002作為Scaling Factor，在load step框中輸入1，在Substep框中輸入1，在Selection框中輸入file.rst。單擊OK。2 選擇菜單Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis。3 選擇“Static”選項，單擊OK。4 選擇菜單Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File，并確認選

25、擇了All Items和All entities選項，然后單擊OK。5 選擇菜單Main Menu>Solution>Analysis Options。設(shè)置Large deform effects旁邊的radio按鈕為ON，然后單擊OK。6 設(shè)定arc-length方法。選擇菜單Main Menu>Solution>Load Step Opts>Nonlinear>Arc-Length Opts。設(shè)定Arc-length方法為ON，然后單擊OK。7 定義本載荷步中的子步數(shù)。選擇菜單Main Menu>Solution>-Load Step Opt

26、s-Time/Frequenc>Time and Substeps。輸入10000作為子步數(shù)并單擊OK。8 設(shè)置求解中斷參數(shù)。選擇菜單Main Menu>Solution>Nonlinear>Arc-Length Opts。選擇the Lab菜單旁邊的下拉式菜單的位移限制選項。在最大位移框中輸入1.0。在VAL框中輸入結(jié)點號為2。選擇Degree of Freedom旁邊的下拉菜單為UZ。單擊OK。9 求解當前模型。選擇菜單Main Menu>Solution>-Solve-Current LS。瀏覽/STAT命令窗口中的內(nèi)容，然后單擊OK開始求解。同時將彈

27、出一個非線性求解窗口。收斂圖也將顯示，并在幾分鐘內(nèi)完成。10 當“Solution is Done!”窗口出現(xiàn)時，單擊Close關(guān)閉窗口。11 選擇菜單Main Menu>Finish。12 重畫梁網(wǎng)格。選擇菜單Utility Menu>Plot>Elements。13 定義要從結(jié)果文件中讀出的載荷點位移。選擇菜單Main Menu>TimeHist Postpro>Define Variables。當出現(xiàn)對話框時，單擊OK。14 當彈出Add Time-History Variable窗口時，確認Nodal DOF result選項選中，然后單擊OK。15 出現(xiàn)

28、Define Nodal Data 選擇對話框。在圖形窗口，選擇結(jié)點2（梁的右端結(jié)點）并單擊OK。16 出現(xiàn)Define Nodal Data窗口。確認參數(shù)Ref號和結(jié)點號都設(shè)置為2。在User-specified框中輸入TIPLATDI。選擇UZ平移并單擊OK。17 定義從結(jié)果文件中讀出的總支反力。在Define Time-History Variables窗口選擇Add。18 當Add Time-History Variable 窗口出現(xiàn)時，選擇Reaction forces radio按鈕并選擇OK。19 出現(xiàn)Define Nodal Data選擇對話框。在ANSYS輸入窗口中輸入1（梁

29、的左端結(jié)點）并選擇OK。單擊Close關(guān)閉對話框。20 出現(xiàn)Define Reaction Force Variable 窗口。確認參數(shù)Ref號設(shè)置為3，結(jié)點號設(shè)置為1。選擇Struct Force FY選項并單擊OK。21 選擇菜單Main Menu>TimeHist Postpro>Math Operators>Multiply。在Multiply Time-History Variables窗口，在結(jié)果框中輸入4作為參考號，輸入-1.0在1st Factor 框，在1st Variable框中輸入3，單擊OK。22 顯示X變量。選擇菜單Main Menu>TimeHist Postpro>Settings>Graph。在Single variable no.框輸入2并單擊OK。23 繪出載荷和位移關(guān)系曲線以確定特征值法計算出的臨界載荷。選擇菜單Main Menu>TimeHist Postpro>Graph Varia