工字钢-ANSYS实例分析72道(含结果).docx

2.3工字钢ANSYS实例分析（三维实体结构）介绍三维实体结构的有限元分析。一、问题描述图1所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为=1.0ZnM=O.16m,）=0.2m,c=0.02m,d=0.02m。试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。图1工字钢结构示意图其他参数如下：弹性模量（也称杨式模量）E=206GPa;泊松比=0.3；材料密度P=7800Zg/加.重力加速度g=9.Sms2；作用力Fy作用于梁的上外表沿长度方向中线处，为分布力，其大小Fy=-5000N.二、实训步骤1.）ANSYSl0.0的启动与设置1、启动。点击：开始>所有程序>ANSYS10.0>ANSYS,即可进入ANSYS图形用户主界面。2、功能设置（过滤）。点击主菜单中的“PreIbrence”菜单（MaiIlMenu>Preferences）,弹出“参数设置”对话框，选中“Stniclural"复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2所示。本步骤的目的是过滤不必要的菜单，仅使用该软件的结构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。图2Preference参数设置对话框3、系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS,Sf,然后回车即可（系统一般看不出反响，但可以在OUlPUlWindOW中查看到结果，如图3所示）。（注：SI表示国际公制单位）图3OUtPUtWindow中查看单位设置结果设置完成后按主菜单中前处理器（在ANSYS中称为PREP7）设定的先后顺序进行，具体如图4所示。图4前处理器（PREP7）设定分析步骤（二）单元类型、几何特性及材料特性定义1 >定义单元类型。点击主菜单中的“Preprocessor>ElemenlType>AddEditDelete",弹出对话框（图5)O图5单元类型AddZEditZDelete对话框点击对话框中的“Add按钮，又弹出一对话框，选中该对话框中的“Solid”和"Brick8node45”选项(图6)。图6单元类型库对话框点击“0K，关闭图5对话框，返回至上一级对话框，此时，对话框中出现刚刚选中的单元类型：Solid45,如图7所示。图7添加单元类型后AddZEditZDelcte对话框点击“Close",关闭图7所示对话框。注：SOlid45单元用于建立三维实体结构的有限元分析模型，该单元由8个节点组成，每个节点具有X、Y、Z方向的三个移动自由度。2、定义材料特性。点击主菜单中的“PreprocessoAMateriaipropsAMalerialModels",弹出窗口如图8所示，逐级双击右框中“Structural、Linear'ElasiicIsoiropic"前图标，弹出下一级对话框，在“弹性模量”(EX)文本框中输入：2.06ell,在“泊松比”(PRXY)文本框中输入：0.3,如图9所示，点击“0K”按钮，回到上一级对话框。图8定义材料特性"Structural、Linear'ElaslicIsotropic"对话框图9定义弹性模量和泊松比然后，双击图8中的“Density"选项，在弹出对话框的“DENS”一中输入材料密度：7800,如图10所示。图10定义材料密度点击"OK"按钮关闭对话框，返回到定义材料特性"Structural、Linear'Elastic'Isotropic”对话框，如图11所示。此时可以看见图11左框中显示定义好了两个材料特性。图11材料特性定好后的“Structural、Linear'ElaslicIsotropic”对话框最后，点击图11所示窗口右上角“关闭该窗口，或点击MateriaI>Exil菜单退出。(三)工字钢三维实体模型的建立1、生成关键点图1所示的工字钢梁的横截面由12个关键点连线而成，其各点坐标分别为：11-0.08,0,0)、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)、Il(-0.015,0.02,0)、12(-0.08,0.02,0)。点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS",弹出对话框，如图12所示。图12创立关键点对话框在“Keypointnumber”一栏中输入关键点号1,在“XYZLocationv一栏中输入关键点1的坐标图13创立第1个关键点点击“Apply”按钮，同理将212点的坐标输入，此时，在显示窗口上显示所生成的12个关键点的位置。注意：（1）所有关键点坐标必须首先根据需要建模的实际情况计算好，并在图中标出各点坐标以便输入；（2）输入时不能与其他软件切换，否那么对话框会自动消失；（3）输错了可以删除，然后再按原来的编号再输入；（4）如果滚动鼠标，图形就会不见，可以采用重绘功能再次显示图形。2、生成直线点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Creale>Lines>Lines>StraightLinev>弹出关键点选择对话框，如图14所示。图14生成直线的关键点选择对话框依次点选关键点1、2,点击“Apply"按钮，即可生成第一条直线。同理，分别点击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条直线。生成后的组成工字钢梁横截面的直线如图15所示。图15生成后的组成工字钢梁横截面的直线注：点击实用菜单“UtilityMemiAPlotCtrls>Numbering"可以进入显示编号设置，选择显示关键点和线的编号如图16。图16显示编号设置（2）如果图形不显示，可点击实用菜单“UtilityMenu>Plot>Lines"那么可以显示全部前面画的线条。3、生成平面点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbilrary>ByLines",弹出"直线选择”对话框，依次点选112直线，点击“OK按钮关闭对话框，即可生成工字钢的横截面，如图17所示。图17生成工字钢的横截面4、生成三维实体点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>>Operale>Exlrude>Areas>AlongNorma1”,弹出平面选择对话框，点选上一步骤生成的平面，点击“0K”按钮。之后弹出另一对话框（如图18）,在“DIST”一栏中输入：1（工字钢梁的长度），其他保存缺省设置。图18横截面拉伸设置点击OK按钮关闭对话框，即可生成工字钢梁的三维实体模型，如图19所示。图19生成工字钢梁的三维实体模型注：（1）点击OK按钮关闭对话框后，可能看不见三维实体模型，可以通过右侧按钮换一个角度即可实现；（2）三维实体模型可能会显示很大，可以通过右侧“FilView"按钮刚好显示。-以上为几何建模!-一（四）网络划分一注意：如果有多个单元，必须要对不同部位进行单元分配！（本例只有一个单元，不用分配）1、设定单元大小点击主菜单中的“Preprocessor>Meshing>MeshTool",弹出划分网格对话框（如图20）。图20划分网格对话框在“SizeControl”标签中的GlobaI一栏点击Sel按钮，弹出“网格尺寸设置”对话框，在SIZE一栏中输入：0.02,其他保存缺省设置，点击OK按钮关闭对话框。一一命令如何写？2、接着上一步，在图20的划分网格的对话框中，选中单项选择框“Hex”和"Sweep”,其他保存缺省设置，然后点击“Sweep"按钮，弹出体选择对话框，点选图形窗口中的工字钢梁实体，并点击OK按钮，即可用扫掠方式完成对整个实体结构的网格划分，其结果如图21所示。注意：选中单项选择框“Hex”和"Sweep"后点击"Mapped"按钮是指采用映射网格划分体。图21划分网格后的工字钢梁模型注意：（1）在此要把单元说清楚！一PPT1.2MeSh的不同方式（10.0P181）：MeSh和SWeeP（扫掠，只针对体P195VSWEEP）。（五）施加载荷1、施加位移约束点击主菜单的“Preprecessor>Loads>DefineLoads>Apply>StructuaraI>Displacemengt>OnAreasv（或Preprecessor>Solu（ion>DefineLoads>Aply>Slructuaral>Displacemeng（>OnAreas"）,弹出面选择对话框，点击该工字梁的左端面，点击“0K”按钮，弹出对话框如图示，选择右上列表框中的“AllDOF",并点击“OK按钮，即可完成对左端面的位移约束，相当于梁的固定端。同理，对工字钢的右端面进行固定端约束。注意：如何查看施加后的位移约束？2、施加分布力（Fy）载荷（1）选择施力节点。点击实用菜单中的“SelecoEmiiies.”,弹出对话框在第一个列表框中选择“Nodes"选项（对选择的节点进行加载），第二个列表框中选择“ByLocation”选项，选中“Zcoordinales"单项选择框，并在“Min,Max”参数的文本框中输入：0.5（表示选择工字钢梁沿Z方向的中间横截面（z=0,5）上的所有节点），其他参数保存缺省设置，如图22所示。注意：坐标系。此时的x、y、Z的方向分别是。？Z是指工字钢长度为Im方向。图22SelectEntities对话框点击“Apply"按钮（不退出对话框）完成选择。点击“Plot”按钮，在显示窗口上显示出工字钢梁中间横截面（Z=O.5）上的所有节点，如图23所示。图23窗口上显示出工字钢梁中间横截面上的所有节点注意：有可能没有任何节点显示，这就是很可能网格划分时太粗，选的位置刚好没有节点。因此，如果要显示那么要把网格划得比拟细，在SWeeP时要控制好尺寸。如何控制呢？然后，重新进入图22所示对话框中选中“Ycoordinates”单项选择框，在“Min,Max"参数文本框中输入：0.2（表示工字钢梁的上外表），选中“Reselect"（表示在现有活动节点即上述选择的中间横械面中，再选择y=0.2的节点为活动节点）单项选择框，其他参数保存缺省设置，然后依次点击“Apply"和“Plot"按钮，即可在显示窗口上显示出工字钢梁上外表沿长度方向中线处的一组节点，这组节点即为施力节点，如图24所示。图24显示出工字钢梁上外表沿长度方向中线处的一组节点（施力节点）一正视图（2）施加载荷。点击主菜单中的“Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>ForceMoment>OnNodeszz,弹出“节点选择”对话框，点击“PickA11”按钮，即可选中（1）中所选择的这组需要施力的节点，之后弹出另一个对话框，在该对话框中的“Directionofforcemomw一项中选择：“F,在FOrCe/momentvalue"一项中输入：-5000（注：负号表示力的方向与Y的方向相反），其他保存缺省装置，然后点击“0K”按钮关闭对话框，如图25所示。这样，通过在该组节点上施加与Y向相反的作用力，就可以模拟该实训中所要求的分布力Fy=-5000N图25在该组节点上施加与Y向相反的作用力Fy=-5000N（3）恢复选择所有节点。在求解之前必须选择所有已创立的对象为活动对象（如点、线、面、体、单元等），否那么求解会出错。因此，点击应用菜单中的“SelecOEverything”,即可完成该项工作。需要注意的是，此时显示窗口仅显示施力节点及作用力的方向箭头。假设要显示整个工字钢梁的网络模型，可点击应用菜单中的“Plot>Elements”即可，结果如图26所示。图26点击应用菜单中的“Plol>Elements"结果3、施加重力载荷。点击主菜单中的“Preprocessor>Loads>Define1.oads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>Global,在弹出对话框的“ACELY”一栏中输入：9.8（表示沿Y方向的重力加速度为9.8mH,系统会自动利用密度等参数进行分析计算），其他保存缺省设置，如图27所示，点击“OK”关闭对话框。图27施加重力载荷注意：（1）从图28和图29中可以查看到结果，或者从图27中也能查看到，即如果未施加上那么Y图28施加重力载荷结果图图29施加重力载荷结果正视图（2）要负号吗？-9.8?在图中如何查看施加情况？如果没有负号那么重力加速度会向上，如图30所示。应该是正值,因为系统规定:正的加速度引起负方向的挠度。例如:如果Y向上,正的ACELY值将使结构向下变形。图30重力载荷向上（反向）到此为止，有限元分析的前置处理局部已经结束。（六）求解点击主菜单中的，$0111丘011>$0山6>01戏1111”,在弹出对话框中点击“OK按钮，开始进行分析求解。分析完成后，又弹出一信息窗口提示用户已完成求解（图31）,点击“Close”按钮关闭对话框即可。图31求解完成对话框至于在求解时产生的STATUSCommand窗口，点击“File>Close"关闭即可。说明：到此为止，有限元分析的求解局部已经结束。此时，窗口看不到如何东西！（七）分析结果浏览1点击主菜单中的“GeneralPostproc>PlotResults>ContourPloODeformedSh叩e”,弹出对话框，其中有三种选择，分别为图32显示变形选择对话框图33显示变形云图2、绘制节点位移云图。点击主菜单中的“GeneralPostproc>PlotResulls>ContourPloi>NodalSolu",弹出对话框，jNodalSolution>DOFSolution>Y-compomentofdisplacementw栏中的"UY”选项，如图34所示，点击“0K”按钮，即可显示本实训工字钢梁各节点在重力和Fy作用下的位移云图，如图35所示。图34注意：要在图34中搞清楚能够查看什么结果。图35同理，通过在图39所示对话框中选择不同的选项，也可以绘制各节点的应力以及沿其他方向的云图。3、显示变形动画。点击应用菜单（UtiliIy>Menu）中的“PlotClis>Animate>DefbrmedResults.）,在弹出的对话框中的“Timedelay”文本框中输入：0.1,并选中右列表框中的“UY选项，其他保存缺省设置，如图36所示。图36点击“OK”按钮关闭对话框，即可显示本实训工字钢梁的变形动画。由于分布力Fy作用于梁中间，可以看出Fy对梁的局部作用过程。说明：到此为止，有限元分析的后置局部已经结束。本实验还可以显示其他许多结果。例如，各单元沿各方向产生的应力、应变等内容，有兴趣的读者可自行尝试。(Zk)ANSYS软件的保存与退出