ANSYS 入门教程(43)- 结构线性静力分析(a)

ANSYS 入门教程 (43) - 结构线性静力分析 (a) 第6章 结构线性静力分析 6.1 结构线性静力分析概述 6.2 桁架结构 6.3 梁结构 6.4 板壳结构 6.5 实体结构

6.6 杆梁壳体的连接处理 6.7 结构分析的特殊问题 6.1 结构线性静力分析概述

结构线性静力分析的重要性：

★ 结构线性静力分析最为常用。

★ 设计规范基本上采用线弹性分析结构的内力。 ★ 是各种分析的基础。

结构分析的四个基本步骤： ◆ 创建几何模型 ◆ 生成有限元模型 ◆ 加载与求解

◆ 结果评价与分析。

1. 创建几何模型

⑴ 清除当前数据库

① 回到开始层：FINISH 命令。清除数据库的操作要在开始层。 ② 清除数据库：/CLEAR 命令。开始新工作前清除数据库。 ⑵ 工作文件名与主标题

① 工作文件名：/FILNAME 命令。建议用户定义。 ② 主标题：/TITLE 命令。用于在图形区显示。 子标题可用 /STITLE 命令定义。 ⑶ 创建具体的几何模型

2. 生成有限元模型

⑴ 定义单元类型、实常数和材料性质

① 定义单元类型，设置单元的 KEYOPT 的选项。 ② 定义单元实常数，如有初应变时也应设置。

③ 定义弹性模量，如为各项同性时只需定义 EX 即可。 ④ 定义质量密度，以便计算自重影响或惯性释放计算。 ⑤ 定义热膨胀系数等。

此部分常常在创建具体的几何模型之前定义，以便在几何模型上施加荷载与约束。

⑵ 定义网格划分属性

① 定义单元划分数目或大小。

② 定义单元划分类型和划分方式，如映射网格或自由网格等。 ③ 对几何模型实施网格划分。

3. 加载与求解

⑴ 定义求解选项

① 进入求解层。有些荷载可以在前处理层施加，不必一定到求解层施加。 ② 定义分析类型，ANSYS缺省分析类型为静态分析，也可省略。 ③ 定义求解选项，如输出、求解器等选项的设置。 ⑵ 加载

① 划分荷载步。

② 施加约束，约束可在几何模型上施加，也可在有限元模型上施加。 ③ 施加荷载，静力分析的荷载如集中荷载、分布荷载、温度、自重和旋转惯性力。对梁单元的分布荷载必须施加在有限元模型上。 ⑶ 求解

4. 结果评价与分析

① 进入通用后处理，一般不必进入时程后处理。 ② 读入结果数据，如确定读入哪个荷载步的结果。 ③ 对结果处理，并图形显式和列表显示结果。

④ 误差估计，仅 SOLID 和 SHELL 单元可考察网格密度对结果的影响。

6.2 桁架结构

桁架结构特点：

★ 由若干杆件在两端用铰联结而形成的结构 ★ 各铰结点为无摩擦的理想铰 ★ 各杆轴线通过铰中心

★ 荷载和支座反力作用在结点上 模拟单元：LINK 系列（2D 和 3D） 单元特点：

★只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩 ★节点只有平动自由度 ★荷载：集中力和温度

一、 平面桁架

如图平面桁架，设桁架中各杆件的面积均为 100 mm^2，材料弹性模量为 210GPa， 对此桁架进行静力分析。

命令流示例：

! EX6.1 平面桁架线性静力分析 finish$/clear$/prep7

et,1,link1 $ r,1,1e-4 $ mp,ex,1,2.1e11 ! 定义单元类型、实常数和材料性质

k,1 $ k,2,2 $ k,3,3 $ k,4,4 $ k,5,6 ! 创建关键点 k,6,2,-1 $ k,7,4,-1

l,1,2 $ l,2,3 $ l,3,4 $ l,4,5 $ l,1,6 $ l,2,6 ! 创建线 l,3,6 $ l,3,7 $ l,4,7 $ l,6,7 $ l,5,7

fk,1,fy,-5000 $ fk,2,fy,-8000 ! 在几何模型上施加荷载 fk,3,fy,-6000 $ fk,4,fy,-8000

dk,1,ux,,,,uy ! 在关键点 1 施加两个方向的约束，等效于 DK,1,ALL

lesize,all,,,1 ! 每根线划分 1 个单元，对 LINK1 必须如此

lmesh,all ! 划分网格

*afun,deg ! 定义三角函数的计算采用度，而不是弧度

ref=asin(1/sqrt(5)) ! 求右端支座方向与竖直方向的夹角 REF

nmodif,5,,,,ref ! 修改节点 5 的节点坐标系方向

d,5,uy ! 节点 5 施加 Y 方向约束

f,5,fy,-5000*cos(ref) ! 在节点 5 按旋转后的节点坐标系施加荷载

f,5,fx,-5000*sin(ref) ! 这里将 5000 分解到旋

转后的节点坐标系 X 和 Y 方向

nmodif,2,,,,45 ! 修改节点 2 的节点坐标系(转 45°)其上荷载随转动

ftran$dtran ! 将荷载与约束传到有限元模型上（不是必须的）

/pbc,f,,2 $ eplot ! 显示荷载符号并在旁边标注荷载值

finish $ /solu $ solve ! 进入求解层，求解 finish $ /post1 ! 进入通用后处理

pldisp,1 ! 显示变形图，并同时显示变形前形状 /pnum,sval,1 ! 在图上显示应力、内力等值 etable,axst,ls,1 ! 以单元应力定义单元表 AXST plls,axst,axst,0.5 ! 显示单元应力，且显示比率为 0.5 pletab,axst ! 用云图显示单元应力

etable,axfor,smisc,1 ! 以单元轴力定义单元表 AXFOR plls,axfor,axfor,0.5 ! 显示单元轴力，且显示比率为 0.5 pletab,axfor ! 用云图显示单元轴力

plesol,smisc,1 ! 直接用云图显示单元轴力 !列表显示结果

prrsol $ prnsol,u $ prnld $ presol,forc $ presol,smisc,1

需要注意以下几个问题：

① 斜向荷载的处理：可采用分解法将荷载分解为与节点坐标系平行的荷载，也可旋转节点坐标系进而施加整个荷载。建议采用分解法施加荷载。

② 斜向支承的处理：斜向支承（约束）处理需要旋转节点坐标系，但当同时具有荷载和约束时要注意，应避免所加非所想的情况，如上述例题中右端支承问题。

③ 后处理技巧：线单元的内力一般需要单元表操作，图形显示可采用云图和线性化图两种方式，而标注结果值时采用云图可使结果更加直观。

二、 空间桁架

建模技术：

★ 分析构成规律 ★ 利用图素复制命令 ★ 注意消除重合图素

如图一吊车梁桁架，采用 N 型万能杆件拼组而成，吊重为 600kN 且在跨中 16m 范围内的两个对应上弦节点上移动。在下平纵联平面内，一端支座固定，其中一个为固定，另外一个横向可动；另外一端支座纵向可动，但与固定支座位于一侧的支座横向固定。假设节点板与螺栓等重量为杆件重量的 7% 且分布在杆件上，活载冲击系数为 1.1。工作状态横向风压强度为 500Pa，风力计算按主桁一侧轮廓面积乘以填充系数，填充系数取为 0.4，且均匀分布在上下弦节点上。要求计算结构杆件最大内力与挠度。

! EX6.2 N 型万能杆件桁架 finish $ /clear $ /prep7

! ① 定义单根杆件的面积参数

arean1=2330e-6 $ arean3=1670e-6 $ arean45=1150e-6 $ sl=2.0 ! ② 定义单元类型、实常数及材料性质

et,1,link8 $ r,1,2*arean1 $ r,2,3*arean1 $ r,3,4*arean1 $ r,4,3*arean3 r,5,4*arean3 $ r,6,4*arean45 $ r,7,2*arean45 $ mp,ex,1,2.1e11 mp,dens,1,7850*1.07

! ③ 创建几何模型 - 主桁

k,1 $ k,2,sl $ k,3,2*sl $ kgen,2,all,,,,sl

l,1,2 $ l,2,3 $ l,4,5 $ l,5,6 $ l,1,4 $ l,2,5 $ l,3,6 $ l,1,5 l,5,3 $ lgen,6,all,,,2*sl $ nummrg,all $ lgen,2,all,,,,,sl ! ③ 创建几何模型---上下平纵联

lsel,none $ k,101,,,sl $ k,102,sl,,sl $ k,103,2*sl,,sl

l,1,101 $ l,2,102 $ l,3,103 $ l,1,102 $ l,3,102 $ lgen,6,all,,,2*sl $ lgen,2,all,,,,sl

lsel,all $ l,1,16 $ *get,l1,line,,num,max $ lgen,13,l1,,,sl nummrg,all $ numcmp,all

! ④ 赋予线属性 - 2N1 类杆件

lsel,s,loc,x,0,4 $ lsel,a,loc,x,20,24 $ lsel,r,tan1,y $ lsel,r,tan1,z cm,l2n1,line $ latt,1,1,1

! ④ 赋予线属性---3N1类杆件

lsel,s,loc,x,4,8 $ lsel,a,loc,x,16,20 $ lsel,r,tan1,y $ lsel,r,tan1,z cm,l3n1,line $ latt,1,2,1

! ④ 赋予线属性 - 4N1 类杆件，并将弦杆定义为组件 XG

lsel,s,loc,x,8,16 $ lsel,r,tan1,y $ lsel,r,tan1,z $ cm,l4n1,line $ latt,1,3,1

cmsel,a,l3n1 $ cmsel,a,l2n1 $ cm,xg,line ! ④ 赋予线属性 - 3N3类杆件

lsel,s,loc,x,6,18 $ cmsel,u,xg $ lsel,u,tan1,y $ lsel,u,tan1,x latt,1,4,1 $ cm,l3n3,line

! ④ 赋予线属性---4N3类杆件

lsel,s,loc,x,0,6 $ lsel,a,loc,x,18,24 $ cmsel,u,xg $ lsel,u,tan1,y $ lsel,u,tan1,x

latt,1,5,1 $ cm,l4n3,line

! ④ 赋予线属性 - 4N4 或 4N5 类杆件

lsel,s,loc,x,0,2 $ lsel,a,loc,x,22,24 $ lsel,r,tan1,x $ lsel,r,tan1,z latt,1,6,1 $ cm,l4n4,line $ allsel

! ④ 赋予线属性 - 2N4 或 2N5 类杆件

cmsel,u,xg $ cmsel,u,l3n3 $ cmsel,u,l4n3 $ cmsel,u,l4n4 $ latt,1,7,1 $ allsel

! ⑤ 划分单元

lesize,all,,,1 $ lmesh,all ! ⑥ 施加约束

ksel,s,loc,x,0 $ ksel,r,loc,y,0 $ ksel,r,loc,z,0 $ dk,all,all ksel,s,loc,x,0 $ ksel,r,loc,y,0 $ ksel,r,loc,z,sl $ dk,all,uy

ksel,s,loc,x,24 $ ksel,r,loc,y,0 $ksel,r,loc,z,0 $ dk,all,uy,,,,uz ksel,s,loc,x,24 $ ksel,r,loc,y,0 $ ksel,r,loc,z,sl $ dk,all,uy allsel $ finish

! ⑦ 进入求解层，施加荷载，定义荷载步等

/solu $ acel,,9.8 $ solve ! 自重为第 1 荷载步

acel,,0 $ p1=500*sl $ nsel,s,loc,z,0 $ f,all,fz,p1

nsel,u,loc,x,1,23 $ f,all,fz,p1/2 $ nsel,all $ solve ! 风载为第 2 荷载步

*do,i,1,5 $ fdele,all,all

nsel,s,loc,x,(i+1)*sl $ nsel,r,loc,y,sl

f,all,fy,-300000 $ nsel,all $ solve $ *enddo ! 移动荷载定义为后续荷载步 finish

! ⑧ 进入后处理，定义荷载工况并组合，输出图片和文本文件 /post1 $ set,list $ *do,i,1,7 $ lcdef,i,i $ *enddo

lcfact,1,1.0 $ lcfact,2,1.0 $ *do,i,3,7 $ lcfact,i,1.1 $ *enddo lczero $ lcase,1 $ lcoper,add,2

*do,i,3,7 $ j=i+5 $ lcoper,add,i $ lcwrite,j,lc%j% $ lcoper,sub,i $ *enddo

/output,resfile0,txt $ /view,1,1,2,3 $ /ang,1,-6,xs,1 etable,stre,ls,1 $ etable,forc,smisc,1

*do,ic,1,12 $ /output,resfile%ic%,txt $ lczero $ lcase,ic $ etable,refl /show,jpeg $ pletab,stre $ pldisp,1 $ /show,term /com,--------荷载工况或组合%ic%的结果--------- pretab $ prrsol $ prnsol,u $ *enddo $ /output

该例中需要注意以下几个问题：

① 建模：创建几何模型时，可采用先建局部可重复模型，然后利用复制功能创建相同部分，最后消除重合关键点和线；也可利用 APDL 中的循环语句直接创建各个关键点和线，但需要较好的控制技巧，以便编程创建几何模型。在创建几何模型过程中，可给线赋予材料属性，也可在几何模型创建完成后赋予属性。

② 载荷工况：具有移动载荷时，将载荷划分不同的载荷步求解，后处理时再利用载荷工况处理技术进行组合并输出。该项操作在计算或求解时要有一定的规划，以便后处理时使用各载荷步的结果。

③ 图素选择与组件：图素选择是 ANSYS 的一大技巧，编制命令流文件必须掌握该技巧。图素的选择有很多选项，需根据几何模型的特点灵活运用。在选择某些图素后可定义为元件，在后续选择中可适当利用。

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