ANSYS11.0版大型有限元结构分析程序培训内容

1. 两类重要概念

1.1 有限元平衡方程建立、求解知识概述以及相关名词术语介绍

1.2 有限元计算模型的简化、边界条件的选取和单元的划分

2. 常用单元介绍

2.1 线单元:梁单元BEAM3BEAM4BEAM188;杆单元LINK1LINK8

拉索单元LINK10

2.2 二维单元(平面单元和壳单元):4NODE42 SHELL63

2.3 三维单元(体单元):8NODE4520NODE95

3. ANSYS11.0程序使用介绍

  3.1 ANSYS11.0程序的启动和退出  

  3.2 ANSYS11.0程序的图形用户界面

3.3 ANSYS11.0程序的主要菜单路径

4. 实例分析

4.1 梁单元和杆单元实例分析

4.1.1简支梁受力分析(采用BEAM3BEAM4单元)

4.1.2雨蓬结构的变形和应力分析(采用BEAM188单元)

4.1.3复合拉索结构的变形和应力分析(采用LINK8LINK10单元

4.2 平面单元和壳单元实例分析

4.2.1带孔平板的应力集中分析(平面应力问题, 采用4NODE42单元)

4.3 体单元实例分析

 

1. 两类重要概念

1.1 有限元平衡方程建立、求解知识概述以及相关名词术语介绍

1.1.1有限元平衡方程的建立

设有一个连续弹性体在外力作用下处于平衡状态。现在我们将这个连续弹性体分割成有限个单元体,而且每个单元体的性质(几何性质和物理性质)用节点表达。例如:一个受力方板分割成81个单元,100个节点,每个节点具有三个自由度(X YZ向),共有300个自由度。利用几何关系(位移和应变)、物理关系(应力和应变),而且将外力按照一定的原则分配到每个节点的自由度上。由于连续弹性体处于平衡状态,因此就可建立一个用节点自由度表达的连续体在外力作用下的平衡方程组(1-1)。

                           (1-1)

下面用矩阵表达这个方程组就得到方程(1-2)和方程(1-3)。公式如下:

                       (1-2)

矩阵简化为下式:

                                             (1-3)

这样就形成了结构的平衡方程

式中:

 

其含意为:平衡方程的系数,我们称为刚度矩阵,平衡方程的未知数称为位移,平衡方程的右端项称为载荷

由上式可知用有限元推出的结构的平衡方程是一个多元一次方程组。解有限元平衡方程就是解一个多元一次方程组。从概念上讲,有限元不难理解。

 

1.1.2 有限元平衡方程常用的求解方法

有限元平衡方程的求解方法比较多,直接解法有高斯消去法、三角分解法和波前法等;迭代解法有牛顿拉普森法、修正牛顿拉普森法和准牛顿拉普森法等。直接解法用于线弹性分析;迭代解法用于非线性分析。线弹性分析常用高斯消去法,高斯消去法的基本思路是消元和回代。这个方法我们中学时代就学过,只不过当时老师不一定明确指出它就是高斯消去法。

1.2 有限元计算模型的简化、边界条件的选取和单元的划分

众所周知,进行有限元计算分析时,模型的简化、边界条件的选取和单元的划分,三个重要环节是有限元计算结果是否可用的关键所在。如果模型的简化不合理,边界条件的选取不真实,单元的划分没有满足精度要求,其计算结果就不能用于工程。这些是使用有限元计算结果的技术人员必须具备的常识。

虽然有限元计算分析是一个仿真过程,但是由于有限元的解是近似解,这种仿真过于真实,可能导致适得其反。因此,要求仿真要恰到是处,首先是计算模型的简化必须合理。下面我们以叶片结构和轮盘结构计算分析为例说明这个问题。

发动机叶片由于气动性能的要求,通常都做得很薄,按理讲应力分析时,计算模型应该简化成壳体,但是由于如下原因却不能简化成壳体:(1)叶片在气动弯矩和离心弯矩的作用下,叶片根部叶盆和叶背应力差别很大,如果简化成壳体不能反映这种应力分布状态;(2)气动计算得到的叶盆和叶背相对位置上的气动压力不相同,由于叶盆和叶背相对位置上的法向不一致,没有办法计算其压力差数据。如果简化成壳体,则不能输入气动压力数据。因此,在用有限元计算分析叶片应力时,通常将叶片简化成实体,并采用三维立体单元进行计算。

轮盘应力分析时,通常可以简化成两种计算模型:单盘模型和盘鼓组合结构模型。单盘模型分为自由盘模型和盘鼓位移协调模型。前者计算结果误差大,除非独立轮盘外,一般不采用这种模型。盘鼓位移协调模型,边界条件合理,计算结果可靠。

盘鼓组合结构模型属于三维计算模型,通常采用单盘和双鼓组合,即一个轮盘和前后两个鼓筒组合或和一个轴颈及一个鼓筒组合。这种模型可使用平面轴对称模型计算,也可使用循环对称模型计算。前者不能模拟轮盘的偏心孔和榫槽,后者可以模拟轮盘的偏心孔和榫槽,得到偏心孔边应力分布和榫槽圆角应力分布,因此这种计算模型比较理想。

计算模型的简化要求合理性,而边界条件的选取则讲真实性。理论上讲,结构刚度矩阵形成后,在没有加入位移边界条件以前,刚度矩阵是奇异矩阵,只有将位移边界条件嵌入后,使之成为正定对称矩阵,才能对其进行求解。因此,结构分析时加入位移边界条件是必要的。

有限元结构分析时,计算结果只对边界条件负责,只要所选的边界条件满足有限元平衡方程求解要求,就能得到正确结果。例如:在施加边界条件时,限制了整个结构的刚体移动和转动,满足了有限元求解的必要条件,就可得到对应于该边界条件的正确结果。但是,作为工程结构分析这是不够的,还必须满足充分条件,即符合工程实际情况的边界条件。

本文在单盘双鼓组合结构计算模型中,将边界条件取在前后两个鼓筒的一端,符合工程实际情况,即满足了求解的必要条件,也满足了求解的充分条件,较真实地反应了盘鼓组合结构的受力状态,得到的应力和变形计算结果是准确的,特别是其中的循环对称计算模型,还能得到轮盘偏心孔处的应力和榫槽应力。其计算结果完全可以满足工程要求。

有限元结构分析时,单元类型的选择和单元划分多少确定计算精度。本文盘鼓组合结构分析统一采用精度高的三维立体单元:20node95单元,而且划分的单元密度适当,保证了计算结果的精度要求。

工程结构分析时,模型的简化、边界条件的选取和单元的划分等,是结构分析的三个重要环节。通常有这样的说法:计算精度取决于单元的选取和划分,计算结果真实与否则取决于模型的简化和边界条件的选择。

 

 

 

 

2. 常用单元介绍

2.1 线单元:梁单元BEAM3BEAM4BEAM188;杆单元LINK1LINK8;拉索单元LINK10

2.1.1梁单元BEAM3BEAM4BEAM188使用介绍

BEAM3单元是平面梁单元,BEAM4BEAM188是空间梁单元。简支梁结构一般采用平面梁单元BEAM3,空间梁结构必须采用BEAM4BEAM188梁单元。

BEAM3BEAM4梁单元的坐标方位是固定的,即他们的截面特性方向是确定的。有限元计算输入截面惯性矩的方向,应根据梁结构实际摆放位置参考梁单元的固定坐标方位确定。BEAM188梁单元的坐标方位是计算者选定的。通常选择一个不与梁单元轴共线的一点“K”确定梁单元的坐标方位(Z轴方向)。当然这个方位是实际梁结构所要求的方位。

BEAM3BEAM4梁单元的截面特性数据,包括截面惯性矩、截面面积、截面的宽和高等,是计算者通过其他手段得到的,计算时注意方向输入即可;而BEAM188梁单元的上述数据,是由ANSYS程序自动计算得到的,使用时只要计算者选择截面形状给定所需原始数据即可。

对于BEAM3BEAM4梁单元的截面,ANSYS程序只显示当量截面形状,不显示真实截面形状。对于BEAM188梁单元,ANSYS程序根据输入的截面特性数据,输出真实截面形状。例如:工字钢型、槽钢型、角钢型等。

有限元计算时,输入作用在BEAM3BEAM4BEAM188梁单元上的分布载荷,不能施加在线上“On Line”,只应施加在梁单元上“On Beam”。而且梁单元的载荷是有方向要求的。对于BEAM3梁单元,“1”代表Y轴方向,“2”代表X轴方向;对于BEAM4梁单元、BEAM188梁单元,“1”代表Z轴方向,“2”代表Y轴方向,“3”代表X轴方向,使用时不能忽视。

梁单元计算结果的变形(挠度)和冯·米塞斯应力可以用云图显示,其变形(挠度)可以用列表方式输出,但冯·米塞斯应力不能用列表方式输出。要输出梁单元的弯矩、剪力、弯曲应力、剪切应力等数据,可用定义表格方式输出。梁单元的弯曲应力与冯·米塞斯应力的概念是不同的,但是他们的最大应力,通常是一致的。

BEAM3BEAM4BEAM188梁单元:

 

    

 

2-1  BEAM3梁单元                    2-2  BEAM4梁单元

 

2-3  BEAM188梁单元

2.1.2杆单元LINK1LINK8;拉索单元LINK10

ANSYS程序中杆单元有Link1Link8等,拉索单元有Link10。在其他大程序中,例如:SUP系列程序、MARC程序等,把这些单元统称为“桁单元”,并用“Link”单元表示,没有分得这么详细。

Link1是二维杆单元,Link8是三维杆单元,Link1Link8允许受拉、压。Link10是双线性单元,允许只拉或只压,只压用于动力分析。

Link1Link8Link10单元,都允许施加预应变。这为杆单元和拉索单元的非线性分析提供了方便条件。

杆单元、拉索单元只承受轴向力,不承受横向力,即只允许施加节点力。梁单元除可以施加节点力外,还可以在梁单元上施加分布力和力矩等。这是梁单元和杆单元在承受载荷方面的区别,使用这两种单元时要注意。

Link8三维杆单元和Link10双线性单元:

 

    

2-4  Link8单元                       2-5  Link10单元

2.2 二维单元(平面单元和壳单元):PLANE42 SHELL63

1)平面单元PLANE42(4NODE42)PLANE82(8NODE82)

常用的平面单元有4NODE428NODE82等。平面单元包括平面应力单元、平面应变单元和轴对称单元,使用时需在单元类型中选择。

平面应力单元用于受有面力不沿厚度变化的平板,在平面内只有三个应力分量:。例如:长方形等厚桥墩等;平面应变单元用于受有面力不沿长度变化而且平行于横截面的无限长形体,在平面内只有三个应变分量:。例如:比较长的水坝等;轴对称单元用于轮盘、厚壁筒等。

PLANE42(4NODE42)单元:

2-6  PLANE42单元

 

2)壳单元SHELL63SHELL93

ANSYS程序中常用的壳单元有SHELL63SHELL93。壳单元的表面可以是平面,也可以是曲面。壳单元与平面单元的主要区别是壳单元可以在表面内施加垂直载荷,而平面单元只能在横截面内施加载荷。壳单元壁厚较薄,例如:玻璃、薄壁圆筒、压力容器等。

SHELL63单元:

2-7  SHELL63单元

 

2.3 三维单元(体单元):8NODE4520NODE95

ANSYS程序中常用的三维单元有8NODE4520NODE95等。其中20NODE95单元有六面体单元、五面体单元和四面体单元,人们将它们称为“金子塔”单元。由于这种单元非常适合于不同形体间网格的过度,因此,最受技术人员欢迎。当前航空发动机设计大家倾向于使用ANSYS程序,与该程序具有这种单元有关。

20NODE95单元:

 

2-8  20NODE95单元

 

3ANSYS11.0程序使用介绍

3.1 ANSYS11.0程序的启动

打开ANSYS程序,建立计算模型文档:“开始”“程序(P)”“ANSYS11.0”“ANSYS Product Launcher”单击弹出界面后,在“Working Directory:”中设置路径,在“JobName:”中设置文件名,然后单击“Run”按钮。

退出ANSYS程序,单击工具栏中的[QUIT]按钮,弹出对话框,选择“Save Everyting”项,保存所有项目。单击[OK]按钮,退出ANSYS11.0版程序。

3.2 ANSYS11.0程序图形用户界面

 

3-1    图形用户界面

图形用户界面有如下几个区:

1.【Utility Menu】实用菜单区

    标题下面的一条黑字:文件 选择 列表等为实用菜单区;

2.【ANSYS Command Prompt 】命令输入区

    在实用菜单区下面,包括图标和空白窗口为命令输入区;

3.【ANSYS Toolbar】工具条区

    在命令输入区和ANSYS工具栏下面的黑字为工具条区;

4.【ANSYS Main Menu】主菜单区

    在工具条区下左边的白长条窗口,包括参数选择前处理求解和通用后处理等为主菜单区;

5.【ANSYS Graphics】图形区

    在主菜单区右面的黑色部分为图形区;

6.图形工具区

在图形区右面为图形工具区;

7.工作状态区

    在最下面的窗口为工作状态区;

8.【Output Window】输出区

    通常位于图形用户界面后面,用到时可点击使其出现在图形用户界面前面。

3.3 ANSYS11.0程序主要菜单路径

3.3.1 ANSYS11.0程序下拉菜单

            

3-2  主菜单            3-3  过滤菜单(选择分析类型)

 

      

       3-4 前处理菜单 3-5 生成几何模型菜单 3-6布尔运算等菜单

            

3-7 网格划分菜单     3-8 尺寸控制菜单     3-9  分网菜单

 

             

3-10 求解菜单     3-11 分析类型选择菜单  3-12 定义载荷菜单

             

3-13 求解菜单     3-14 通用后处理菜单  3-15 云图显示结果菜单

 

      

3-16 列表显示结果菜单  3-17 时程后处理菜单

 

3.3.2 前处理主要菜单路径

(1) 选择单元类型

选择单元类型菜单路径:【PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete

【前处理】【单元类型】【增加/编辑/删除】

执行该菜单路径命令,弹出选择单元类型“Element Types”对话框后,单击[Add…]按钮,弹出单元库“Library of Element Type”对话框后,在其左右两框选择单元类型。

         

     3-18   增加单元              3-19   SHELL63单元

(2) 设置单元实常数或选择截面类型

设置单元实常数菜单路径:【PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete

【前处理】【实常数】【增加/编辑/删除】

执行该菜单路径命令,弹出定义实常数对话框后,单击[Add…]按钮,弹出选择单元类型对话框,选择单元后单击[OK]按钮,弹出设置实常数对话框,输入实常数号及实常数数值,单击[OK]按钮。

选择BEAM4单元,设置实常数对话框如下:

          

3-20   选择单元               3-21   BEAM4实常数

 

选择LINK8单元、LINK10单元,设置实常数对话框如下:

      

3-22   LINK8实常数          3-23   LINK10实常数

选择BEAM188梁单元截面类型菜单路径:【PreprocessorSectionsBeamCommon Sections

【前处理】【截面】【梁】【通用截面】

执行该菜单路径命令,弹出梁单元输入工具对话框后,输入梁单元代号并选择截面类型,根据截面类型输入各截面数据。

下面为选择圆钢管、槽钢、工字钢三种截面类型的对话框:

                  

3-24 钢管截面       3-25 槽钢截面      3-26工字钢截面

 

(3) 设置材料性能数据

设置材料性能数据菜单路径:【PreprocessorMaterial PropsMaterial Models

【前处理】【材料特性】【材料模量】

执行该菜单路径命令弹出对话框后,设置材料号并依次双击“结构(Structural)”“线性(Linaer)”“弹性(Elastic)”“同性(Isotropic)”(也可以依次双击“快捷的(Favorites)”“线性静力(Linaer Static)”“线性同性(Linaer Isotropic”)) 后,出现“Linear Isotropic properties for Material Nomber 1”对话框,在“EX”中输入弹性模量数值,在“PRXY”中输入泊松比数值,单击[OK]按钮。

               

3-27  定义材料弹性模量         3-28  输入线弹性材料数据

 

(4) 建立几何模型(主要菜单路径,弹出的对话框见后面说明)

生成关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCreateKeypointsOn Working Plane

【前处理】【建立几何模型】【生成】【关键点】【在工作平面】

生成直线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

【前处理】【建立几何模型】【生成】【线】【线】【直线】

生成面菜单路径:

PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines

【前处理】【建立几何模型】【生成】【面】【任意面】【用线】

生成体菜单路径:

PreprocessorModelingCreateVolumesArbitraryThrough KPs

【前处理】【建立几何模型】【生成】【体】【任意体】【通过关键点】

沿线扩展面形成体菜单路径:

PreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Line

【前处理】【建立几何模型】【运算】【扩展】【面】【沿着线】

布尔加菜单路径:

PreprocessorModelingOperateBooleansAdd

【前处理】【建立几何模型】【运算】【布尔运算】【加】

布尔减菜单路径:

PreprocessorModelingOperateBooleansSubtract

【前处理】【建立几何模型】【运算】【布尔运算】【减】

布尔分菜单路径:

PreprocessorModelingOperateBooleansDivideLine into N Ln’s

【前处理】【建立几何模型】【运算】【布尔运算】【分】【线分N等份】

合并控制菜单路径:

PreprocessorNubering CtrlsMerge

【前处理】【合并控制】【合并项】

检查关键点距离菜单路径:

PreprocessorModelingCheck GeomKP Distenes

【前处理】【建立几何模型】【检查几何模型】【关键点距离】

设置工作平面菜单路径:

Utility MenuWorkplaneWP Settings…

【实用菜单】【工作平面】【设置工作平面

生成工作平面菜单路径:

Utility MenuWorkplaneAligm WP with

【实用菜单】【工作平面】【产生工作平面

移动工作平面菜单路径:

Utility MenuWorkplaneOffset WP to

【实用菜单】【工作平面】【移动工作平面

转动工作平面菜单路径:

Utility MenuWorkplaneOffset WP by Increments…

【实用菜单】【工作平面】【转动工作平面

执行上述路径命令后,弹出如下对话框:

                

3-29  设置工作平面   3-30  移动工作平面   3-31  转动工作平面

 (5) 给几何模型赋属性

给几何模型赋属性菜单路径:

PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked lines

【前处理】【划分网格】【网格属性】【拾取线】

执行该菜单路径命令后,在图形窗口拾取直线,单击[OK]按钮,弹出给几何模型赋属性对话框后,查看并设置属性,单击[OK]按钮。

给直线赋置BEAM4梁单元属性如下:

 

          

   3-32  选择几何实体          3-33  BEAM4单元属性

 

(6) 设置网格划分尺寸

设置网格划分尺寸菜单路径:

PreprocessorMeshingSize CtrlsManualSizeLinesPicked Lines

【前处理】【划分网格】【尺寸控制】手工设置尺寸【线】【拾取线】

执行划分尺寸菜单路径命令弹出对话框后,用鼠标选择直线并单击[OK]按钮,弹出对话框后,在“NDIV”中输入划分尺寸数值,单击[OK]按钮

(7) 几何模型划分网格

几何模型划分网格通常采用分网工具,其菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshTool

【前处理】【划分网格】【分网工具】

执行上述菜单路径命令后,弹出分网工具“MeshTool”对话框,在“Mesh:”小窗中设置划分实体,在“Shape”中设置单元类型和划分方法,单击[Mesh]按钮,弹出对话框后,在图形窗口选择划分对象,单击[OK]按钮

设置网格划分尺寸和分网工具对话框如下:

 

              

3-34  设置网格划分尺寸         3-35  划分网格

8)合并关键点、节点、单元等菜单路径

     PreprocessorNumbering CtrlsMerge Items

【前处理】【合并控制】【合并项】

执行该菜单路径命令,弹出合并关键点、节点、单元等对话框“Merge Coincident or Equivalently Defined Items”后,通过进行不同的选择,分别合并关键点、节点、单元等。

合并关键点和节点的对话框如下:

               

        3-36  合并关键点            3-37  全合并

9)检查节点距离菜单路径

PreprocessorModelingCheck GeomND Distenes

【前处理】【建立几何模型】【检查几何模型】【检查节点距离】

检查模型和单元形态菜单路径:

PreprocessorChecking CtrlsModel Checking

【前处理】【检查控制】【模型检查】

PreprocessorChecking CtrlsShape Checking

【前处理】【检查控制】【形状检查】

检查节点距离、模型和单元形态的操作过程,在例题中说明。

3.3.3 施加边界条件、载荷及选择求解方法菜单路径

ANSYS程序给计算模型加载的菜单路径有两个,弹出的子菜单是一样的。一条菜单路径在前处理中:【PreprocessorLoadsDefine LoadsApply】(【前处理】【载荷】【定义载荷】【施加】),另一条菜单路径在求解菜单中:【SolutionDefine LoadsApply】(【求解】【定义载荷】【施加】)弹出的子菜单完全相同。

根据结构所受的载荷,从弹出的子菜单中,将载荷施加在有关的线上、面上、关键点和节点上等。

 (1) 施加位移约束

施加位移约束菜单路径:

SolutionDifine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes

【求解】【定义载荷】【施加】【结构】【位移】【在节点上】

执行施加位移约束菜单路径命令,弹出施加位移约束选择节点对话框,采用鼠标在图形窗口拾取有关节点,单击[Apply]按钮,弹出施加位移约束选择分量窗口,选择有关节点位移分量,单击[Apply]按钮,再次选择有关节点位移分量直到施加完所有位移分量,单击[OK]按钮。

(2) 施加载荷

施加集中力、力矩菜单路径:

Solution】→【Difine Loads】→【Apply】→【Structural】→【Force/Moment】→【On Nodes

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【力/力矩】→【在节点上】

施加分布力菜单路径:

Solution】→【Difine Loads】→【Apply】→【Structural】→【Pressure】→【On Areas

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【压力】→【在面上】

在梁单元上施加分布力菜单路径:

Solution】→【Difine Loads】→【Apply】→【Structural】→【Pressure】→【On Beams

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【压力】→【在梁上】

施加重力加速度菜单路径:

Solution】→【Difine Loads】→【Apply】→【Structural】→【Inertia】→【Gravity】→【Global

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【惯性力】→【重力加速度】→【总体坐标】

执行上述命令后,弹出如下对话框:

           

3-38   施加位移约束          3-39 施加集中力和力矩

 

                   

3-40 线上施加分布载荷         3-41 梁单元施加分布载荷

 

执行施加集中载荷菜单路径命令,弹出施加集中载荷选择节点对话框,采用鼠标在图形窗口拾取有关节点,单击[Apply]按钮,弹出施加集中载荷选择分量窗口,选择有关集中载荷分量,输入集中载荷数值,单击[Apply]按钮。如果有多种集中载荷,可以重复上述命令再次施加,直到施加完所有集中载荷,单击[OK]按钮。

执行施加均匀分布压力载荷菜单路径命令,弹出施加均匀分布压力载荷选择对话框,采用鼠标在图形窗口拾取有关平面(直线),单击[Apply]按钮,弹出施加均匀分布压力载荷输入数值窗口,输入压力载荷数值,单击[Apply]按钮。如果有多种压力载荷,可以重复上述命令再次施加,直到施加完所有压力载荷,单击[OK]按钮。

执行在梁单元上施加压力载荷菜单路径命令,弹出施加压力载荷选择梁单元对话框,采用鼠标在图形窗口拾取有关梁单元,单击[Apply]按钮,弹出施加压力载荷输入数值窗口,在该窗口首先确定施加载荷的作用方向,在“Load Key”后面输入“1”(对于Beam4单元,1代表Z方向,2代表Y方向;对于BEAM3单元1代表Y方向,2代表X方向),然后在“Pressure value at node I”后面输入I节点的压力载荷数值和在“Pressure value at node J”后面输入J节点的压力载荷数值(两个节点的压力载荷数值可以不相同),单击[Apply]按钮。如果有多种压力载荷,可以重复上述命令再次施加,直到施加完所有压力载荷,单击[OK]按钮。

(3) 选择分析类型和求解方法

选择分析类型菜单路径:

SolutionAnalysis TypeNew Analysis

【求解】【分析类型】【新的分析】

执行选择分析类型菜单路径命令,弹出选择分析类型对话窗口,选择分析类型,单击[OK] 按钮。注意:线弹性力学分析为缺省设置,可以不执行这条菜单路径命令。

选择求解方法菜单路径:

SolutionAnalysis TypeSol’n Control

【求解】【分析类型】【求解方法控制】

执行选择求解类型和求解方法菜单路径命令后,弹出对话框如下:

            

3-42  选择求解类型             3-43  选择求解方法

 

线性分析选择“Small Displacement Static”(“小位移静力解”);

非线性分析需选择“Large Displacement Static”(“大位移静力解”)。

(4) 用当前载荷步解题

用当前载荷步解题菜单路径:

SolutionSolveCurrent LS

【求解】【解题】【当前载荷步】

执行用当前载荷步解题菜单路径命令,弹出用当前载荷步求解确认窗口和求解状态窗口,单击求解确认窗口中的[OK]按钮,并退出求解状态窗口,开始执行求解。

用当前步求解确认窗口:

 

           

3-44  求解状态窗口            3-45  求解确认窗口

3.3.4 ANSYS程序通用后处理菜单路径

 通用后处理显示的常用菜单路径:

1 变形云图显示

变形云图显示菜单路径:

General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

执行变形云图显示菜单路径命令,弹出用云图显示节点解数据窗口,单击“DOF Solution”(“自由度解”)项,选择变形分量(例如:“YComponent of displacement”(Y—位移分量)),单击[OK]按钮。

2 应力云图显示

应力云图显示菜单路径:

General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

执行应力云图显示菜单路径命令,弹出用云图显示节点解数据窗口,单击“Stress         (“应力”)项,选择“Von Mises stress”(“冯·米塞斯应力”),单击[OK]按钮。

再选择菜单路径:

Utility MenuPlotctrlsStyleSize and Shape

【实用菜单】【绘图控制】【风格显示】【尺寸和形状】

在弹出的对话框中,激活“Display of element”(“单元应力显示”)项,单击[OK]按钮,出现带标尺的应力图。

执行上述命令后,弹出如下对话框:

           

3-46  变形云图显示        3-47  当量应力云图显示

 

3)查询方式显示

查询方式显示菜单路径:

General PostprocQuery ResultsSubgrid Solu

【通用后处理】【查询结果】【硬点解】

    执行查询方式显示菜单路径命令,弹出用查询方式显示硬点解数据窗口,选择变形分量(或应力分量),单击[OK]按钮,采用鼠标在图形窗口选择有关节点(或采用输入节点总体坐标数据方式),即可查询该节点解数据。

4)列表方式显示

a. 列表方式显示变形菜单路径:

General PostprocList ResultsNodal solution

【通用后处理】【列表结果】节点解

执行列表方式显示节点解菜单路径命令,弹出用列表方式显示节点解窗口,单击“DOF Solution”(“自由度解”)项,选择变形分量(例如:YComponent of displacement(“Y—位移分量”)),单击[OK]按钮。

b. 列表方式显示应力菜单路径:

General PostprocorList ResultsElement solution

    【通用后处理】【列表结果】单元解

执行列表方式显示单元解菜单路径命令,弹出用列表方式显示单元解窗口,单击“Stress”(“应力”)项,选择“Von Mises stress”(“冯·米塞斯应力”),单击[OK]按钮

c. 单元表定义方式显示梁单元应力(轴向应力、弯曲应力等)菜单路径:

General PostprocElement tableDefine table

【通用后处理】【单元表】【定义单元表】

General PostprocElement tableList Elem TablePlot table】)

【通用后处理】【单元表】【列出单元表】【绘制单元表】)

 

              

3-48  BEAM4单元弯曲应力显示 3-49  BEAM188单元弯曲应力显示

执行单元表定义菜单路径命令, 弹出对话框以后单击[Add…]按钮,在滚动框中选择“By Sequence num”,在右框中选择“LS”,在右下框中“LS,”后面输入应力的序列号“4”(BEAM4梁单元弯曲应力为45,各种梁单元应力的序列号是不同的,在单元表中查,见在线帮助),单击[OK]按钮。

执行显示单元表菜单路径命令(也可执行绘单元表菜单路径命令),弹出对话框以后,单击[OK]按钮,显示表内应力数据(或显示云图)。

5)用命令显示剪力图、弯矩图(仅适用于BEAM3梁单元)

对于BEAM3梁单元计算结果而言,可以使用命令显示剪力图、弯矩图,其步骤如下:

a. 定义

首先要使用命令定义单元表数据:

用命令“ETABLEISHEARSMISC2”定义I节点的剪力,用命令“ETABLEJSHEARSMISC8”定义J节点的剪力;用命令“ETABLEIMOMENTSMISC6”定义I节点的弯矩,用命令“ETABLEJMOMENTSMISC12”定义J节点的弯矩。

b. 显示计算结果数据

    用单元表数据显示表中的计算结果:

    用命令“PRETAB”显示单元表中的计算结果。

c. 绘制剪力图和弯矩图

用单元表数据绘制剪力图和弯矩图:

用命令“/TITLE”定义剪力图窗口,并用绘图命令“PLLSISHEARJSHEAR”绘制剪力图;用命令“/TITLE”定义弯矩图窗口,并用绘图命令“PLLSIMOMENTJMOMENT”绘制弯矩图。

剪力图如下:

3-50  简支梁剪力图

弯矩图如下:

3-51  简支梁弯矩图

6)用路径显示应力菜单路径(很少用)

选择菜单路径:

General PostprocPath OperationsDefine PathBy Nodes】,

【通用后处理】【路径操作】【定义】使用节点】,

弹出对话框以后,在图形窗口选择路径前后两个节点,单击[OK]按钮,弹出路径名定义对话框,输入任意路径名字,单击[OK]按钮,完成路径定义。

选择菜单路径:

General PostprocPath OperationsMap onto Path

【通用后处理】【路径操作】影射数据到路径】,

影射数据到定义的路径上,输入上述路径名字、StressVon Mises SEQV,单击[OK]按钮,完成数据影射。

选择菜单路径:

General PostprocPath OperationsPlot Path ItemOn Graph

【通用后处理 【路径操作】【绘制路径项】在图形上】,

弹出对话框以后,选择路径名,单击[OK]按钮,显示应力变化曲线图。

7)输出单元总体积和重量菜单路径

General PostprocElement tableDefine table

【通用后处理】【单元表】【定义单元表】

General PostprocElement tableSum of Each Item

【通用后处理】【单元表】【求各项和,主要是体积和】

Utility MenuParamentersGet Scalar Data

【实用菜单】【参数】【获得比例数据】

Utility MenuParamentersScalar Paramenter

【实用菜单】【参数】【比例参数】

    执行菜单路径命令1,弹出对话框以后,单击[Add…], 弹出单元表对话框,在“lab”中输入用户定义名“EVOL”,在左下列选择“Geometry”,在右列选择“Elem Volume Volu”,单击[OK]按钮。

执行菜单路径命令2,弹出对话框以后,单击[OK]按钮,得到单元总体积值。

执行菜单路径命令3,弹出对话框以后,在左列选择“Results Data”,在右列选择“Elem Table Sums”,单击[OK]按钮,弹出对话框以后输入用户定义名“VTOT”,单击[OK]按钮。

执行菜单路径命令4,弹出对话框以后,选择“VTOT=  ”,再乘比重数值“例如:7.85E-6 VTOT=  *7.85E-6),单击[Accept]按钮,得到单元总重量值(单位:千克重)。还可以对重量进行优化,见优化菜单路径。

3.3.5 ANSYS程序时间历程后处理菜单路径【TimeHist Postpro

时间历程后处理主要菜单路径:

TimeHist PostproDefine Variables

【时程后处理】【定义变量】

TimeHist PostproVariable Viewer

【时程后处理】【变量显示器】

TimeHist PostproList Variables

【时程后处理】【列表显示变量】

TimeHist PostproGraph Variables

【时程后处理】Graph绘制变量】

TimeHist PostproMath OperationsDerivative(Integrative)

【时程后处理】【数学运算】【变量求导】(【变量积分】)

 

3-52  时间—变量显示器

 

4. 实例分析

4.1梁单元和杆单元实例分析

4.1.1简支梁受力分析

设有一扇单窗:高×宽=1.32×0.85=1.122m2,在风荷载的作用下,进行挠度计算分析。通常将其窗框简化成一个简支梁,见下图。

 1. 原始数据

(1) 计算模型和坐标数据

简支梁计算模型如下:

   4-1  简支梁计算模型

外窗边框几何尺寸:侧边框长L=1320mm

截面面积A=647mm2  惯性矩IZZ=146730mm4  IYY=242618mm4

                  截面高TKZ=50mm  截面宽TKY=45mm

坐标数据:

    节点号    X      Y      Z

        1     0      0       0

        2  1320      0       0

(2) 材料数据:弹性模量E=0.7E5    泊松比μ=0.33

(3) 载荷数据

设风荷载设计值为2.45KN/ M2,按传统荷载规范将窗玻璃分成四快,其中梯形面积为:A1=(1.32+0.74)×0.425/2=0.3804,三角形面积为:A2=0.85×0.425=0.1806

作用在窗边框上的荷载P1=2.45×0.3804/1.32=0.7060( N/mm)

作用在窗横框上的荷载P2=2.45×0.1806/0.85=0.5206( N/mm)

(4) 边界条件

    简支梁边界条件:左端:UX= UY= 0  右端:UY= 0

(5) 单元类型:平面梁单元:BEAM3

2. 操作命令

(1) 前处理

1) 选择单元类型

选择单元类型菜单路径:【PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete

                     【前处理】【单元类型】【增加/编辑/删除】

执行选择单元类型菜单路径命令,弹出定义单元类型对话框,单击[Add…]按钮,弹出单元类型库对话框,然后选择“Beam 2Delastic 3”梁单元,单击[OK]按钮,单击[Close]按钮。

2) 设置单元实常数

设置单元实常数菜单路径:【PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete

                       【前处理】【实常数】【增加/编辑/删除】

执行设置单元实常数菜单路径命令,弹出对话框后单击[Add…]按钮,选择“BEAM3单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,首先将实常数集号“Real constant Set NO.”设置为“1”,输入实常数值:“A=647”,“Izz =242618, HEIGHT=50”单击[OK]按钮。单击[Close]按钮。

3) 设置材料性能数据

设置材料性能数据菜单路径:【PreprocessorMaterial PropsMaterial Models

                         【前处理】【材料特性】【材料模量】

执行设置材料性能数据菜单路径命令,弹出定义材料性能数据对话框,选择右侧材料有关变量依次双击“结构(Structural)”“线性(Linaer)”“弹性(Elastic)”“同性(Isotropic)”(也可以依次双击“快捷的(Favorites)”“线性静力(Linaer Static)”“线性同性(Linaer Isotropic”)) 后,在出现的对话框中,输入弹性模量“EX=0.7E5”和泊松比“PRXY=0.33”数值,单击[OK]按钮,并退出对话框。

4) 建立几何模型

建立几何模型主要菜单路径:

PreprocessorModelingCreateKeypointsOn Working Plane

【前处理】【建立几何模型】【生成】【关键点】【在工作平面】

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

【前处理】【建立几何模型】【生成】【线】【线】【直线】

PreprocessorModelingOperateBoolaensDivideLine into NLn’s

【前处理】【建立几何模型】【运算】【布尔运算】【分】

执行生成关键点菜单路径命令,在弹出的工作平面对话框中,依照上述坐标次序,输入两个关键点坐标值:“XYZ”,最后单击工作平面对话框中的[OK]按钮。

执行生成直线菜单路径命令,弹出生成直线对话框,采用鼠标在图形窗口依次点击前、后两个关键点,生成一条直线,单击对话框中的[OK]按钮。

执行分直线菜单路径命令,弹出对话框后,采用鼠标在图形窗口选择直线,单击[Apply]按钮,在弹出的对话框“NDIV”中输入“8”,单击对话框中的[OK]按钮。

单击工具栏中的[S**E-DB]按钮,保存几何实体文件。

5) 给几何模型赋属性

给几何模型赋属性菜单路径:

PreprocessorMeshingMesh AttributePicked lines

【前处理】【划分网格】【网格属性】【拾取线】

执行给几何模型赋属性菜单路径命令,采用鼠标在图形窗口拾取各线,单击[Apply]按钮, 弹出赋属性对话框,选择属性:材料号“MAT”为“1,实常数号“REAL”为“1,单元类型号“TYPE”为“1 BEAM3”,截面号“SECT”没有,该题为一种材料、一种实常数、一种单元类、没有截面类型,采用缺省设置即可,单击[OK]按钮。

6) 设置网格划分尺寸

设置网格划分尺寸菜单路径:

PreprocessorMeshingSize CtrlsManualSizeLinesPicked Lines

【前处理】【划分网格】【尺寸控制】手工设置尺寸【线】【拾取线】

执行设置网格划分尺寸菜单路径命令,采用鼠标在图形窗口拾取有关各线,单击[Apply]按钮,在弹出的对话框“NDIV”中输入所需尺寸数值“1”,单击[OK]按钮。

7) 几何模型划分网格

几何模型划分网格通常采用分网工具,其菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshTool

【前处理】【划分网格】【分网工具】

执行分网工具菜单路径命令,弹出分网工具对话框。采用影射网格划分,先在分网工具窗口中确定网格实体:“Lines”,单击[Mesh]按钮后,采用鼠标在图形窗口拾取各线,单击[OK]按钮。

单击工具栏中的[S**E-DB]按钮,保存几何实体文件。

(2) 加载求解

1) 施加位移约束

施加位移约束菜单路径:

SolutionDifine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes

【求解】【定义载荷】【施加】【结构】【位移】【在节点上】

执行施加位移约束菜单路径命令,弹出施加位移约束选择节点对话框,采用鼠标在图形窗口拾取左端节点,单击[Apply]按钮,弹出施加位移约束选择分量窗口,选择节点位移分量:“UX= UY=0”,单击[Apply]按钮,再次拾取右端节点,单击[Apply]按钮,在施加位移约束选择分量窗口,选择节点位移分量:“UY= 0”,单击[OK]按钮。

2) 施加载荷

施加载荷菜单路径:

Solution】→【Difine Loads】→【Apply】→【Structural】→【Pressure】→【On Beams

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【压力】→【在梁上】

执行在梁单元上施加压力载荷菜单路径命令,弹出施加压力载荷选择梁单元对话框,采用鼠标在图形窗口拾取左侧第一段梁单元,单击[Apply]按钮,弹出施加压力载荷输入数值窗口,首先在载荷开关“LKEY”中输入“1”(BEAM3梁单元Y向载荷位置),在“VALI”中输入I节点的压力载荷数值“0.706”和在“VALJ”中输入J节点的压力载荷数值“0.706”,单击[Apply]按钮,其余各段按同样方法、同样数据施加,单击[OK]按钮(也可将所有各段梁一次加载)。

3) 选择分析类型和求解方法

选择分析类型菜单路径:【SolutionAnalysis TypeNew Analysis

【求解】【分析类型】【新的分析】

执行选择分析类型菜单路径命令,弹出选择分析类型对话框,选择分析类型,激活“静力分析”(Static),单击[OK]按钮。

选择求解方法菜单路径:【SolutionAnalysis TypeSol’n Control

【求解】【分析类型】【求解方法控制】

执行选择求解方法菜单路径命令,弹出求解方法控制窗口,在分析选项中选择求解方法“Small Displacement Static(“小位移静力解”),单击[OK]按钮。

注意:线弹性力学分析的分析类型和求解方法为缺省设置,可以不执行上述菜单路径命令,直接用前载荷步求解。

4) 用当前载荷步解题

用当前载荷步解题菜单路径:【SolutionSolveCurrent LS

【求解】【解题】【当前载荷步】

执行用当前载荷步解题菜单路径命令,弹出用当前载荷步解题对话框和状态命令窗口,退出状态命令窗口,单击求解窗口中的[OK]按钮进行解题。

当出现此句英语:“Solution is done !”则结果正确,单击[Close]按钮。

(3) 后处理

1) 变形云图显示

变形云图显示菜单路径:

General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

执行变形云图显示菜单路径命令,弹出用云图显示节点解数据窗口,单击“DOF Solution      (自由度解)”项,选择变形分量(例如:YComponent of displacementY—位移分量)),单击[OK]按钮。

2) 当量应力云图显示

应力云图显示菜单路径:

General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

执行应力云图显示菜单路径命令,弹出用云图显示节点解数据窗口,单击“Stress(应力)”项,选择“Von Mises stress(冯·米塞斯应力)”,单击[OK]按钮。

梁单元的当量应力需要再次采用风格显示,菜单路径:

Utility MenuPlotCtrlsStyleSise and Shape

【实用菜单】【绘图控制】【样式】【尺寸和形状】

执行菜单路径,弹出对话框后激活“Display of element”,单击[OK]按钮

3) 用定义表格方式显示梁单元的弯矩、弯曲应力等数据:

定义表格菜单路径:【General PostprocElement tableDefine table

【通用后处理】【单元表】【定义单元表】

执行定义表格菜单路径命令,弹出对话框以后单击[Add…]按钮,在滚动框中选择“By Sequence num”,在右框中选择“LS”,在右下框中“LS,”后面输入应力的序列号“3”(BEAM3梁单元弯曲应力序列号可用3,各种梁单元应力的序列号是不同的,见在线帮助),单击[OK]按钮。

绘制(或显示)表格菜单路径:

General PostprocElement tableList Elem TablePlot table】)

【通用后处理】【单元表】【列出单元表】【绘制单元表】)

执行绘制(或显示)表格菜单路径命令,弹出对话框以后,单击[OK]按钮,显示应力云图(或显示应力数据)。

4) 列表方式显示位移(变形)菜单路径:

    General PostprocList ResultsNodal solution

【通用后处理】【列表结果】节点解

执行列表方式显示节点解菜单路径命令,弹出用列表方式显示节点解窗口,单击“DOF Solution(自由度解)”项,选择变形分量(例如:YComponent of displacementY—位移分量)),单击[OK]按钮。

5) 列表方式显示应力菜单路径:【General PostprocList ResultsNodal solution

【通用后处理】【列表结果】节点解

执行列表方式显示节点解菜单路径命令,弹出用列表方式显示节点解窗口,单击“Stress    (应力)”项,选择“Von Mises Stress(冯·米塞斯应力)”项,单击[OK]按钮。

3. 计算结果

(1)    按材料力学简支梁计算公式计算结果

==1.6433mm                          3-2

式中:—最大挠度;

q 梁上分布压力;  L 梁的长度;

      E 弹性模量;      J 截面惯性矩。

(2) 按简支梁有限元计算结果

1) 变形计算结果

          

                        4-2  简支梁变形分布云图

    最大变形在中部,其值为UZ =-1.643mm

2) 当量应力计算结果

 

4-3  简支梁当量应力分布云图

最大当量应力在中部附近,其值为σv=15.045 MPa

3) 弯曲应力计算结果

4-4  简支梁弯曲应力分布云图

最大弯曲应力在中部附近,其值为σv=15.845 MPa

4. 计算结果分析

              3-1  简支梁挠度有限元解与理论解比较

 

简支梁理论解

有限元计算解

结果比较

计算模型

单梁

单梁

相同

 

求解方法

公式计算

有限元计算

不同

 

截面特性

代入公式

输入数据

不同

 

施加载荷

分布压力

分布压力

相同

 

边界条件

简支条件

简支条件

相同

 

计算结果(挠度)

1.643

1.643

完全相同

 

由上表中数据可知,在计算模型、载荷、边界条件等相同时,有限元计算结果与理论解完全一致。

注:该题还可以用BEAM4进行计算,计算过程同前,只是单元类型改为BEAM4,惯性特性输入两个方向的数据即可。

4.1.2雨蓬结构的变形和应力分析(其中梁采用BEAM188)

    该题重点是:BEAM188梁单元实常数的输入方法、分布载荷的计算和施加、边界条件的处理。

1. 原始数据

1)几何尺寸如图

4-5  雨蓬结构

坐标数据(单位:mm)

    关键点号  X      Y      Z

     1      0      0       0

     2      0      0     1500.0

     3      0      0     3000.0

     4      0      0     4500.0

     5      0    3000.0     0.0

     6      0    3000.0  1500.0

     7      0    3000.0  3000.0

X方向复制1-5关键点,间隔为2000.0,复制7次。

2)材料性能数据和截面数据

材的物理性能:

          ρ=7.85×10-9t/mm3

          E=2.06×105 Mpa

          μ=0.3

           =215 Mpa

工字钢截面:120×100×8×6mm

槽钢截面:   120×80×8×6mm

圆管钢截面:Φ120×4mm  =60  =56

拉杆截面:  Φ60×4mm  A=703.72mm2  =0.0001

3载荷数据

载荷设计值(包括风荷载、雪荷载、人体重量等)2.45kN/m2

每块玻璃的面积A=1.5×2.0=3m2,通过计算得到节点上的载荷如下:

中间节点F=7350N

边节点F/2=3675N

角节点F/4=1837.5N

4)边界条件

雨蓬与墙和拉杆与墙连接处各节点全部约束,拉杆与梁连接采用自由度耦合。

5)单元类型

梁单元 BEAM188

杆单元 LINK8

2. 操作命令

1)前处理

1)选择单元类型

选择单元类型菜单路径:

PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete

【前处理】【单元类型】【增加/编辑/删除】

执行选择单元类型菜单路径命令,弹出定义单元类型对话框,单击[Add…]按钮,弹出单元类型库对话框,然后选择“Beam 2node 188”梁单元,单击[OK]按钮。

用同样方法选择“Link Spar 8”杆单元,单击[OK]按钮。

2)设置单元实常数

设置单元实常数菜单路径:

PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete

【前处理】【实常数】【增加/编辑/删除】

执行设置单元实常数菜单路径命令,弹出对话框后,单击[Add…]按钮,选择“Type 2 LINK8单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,在“ID”中输入“1”,在“AREA”中输入“703.72”,在“ISTRN”中输入“0.0001”,单击[OK]按钮。

3)设置单元截面数据

    工字钢截面设置:

执行菜单路径命令:

PreprocessorSectionsBeamCommon sections

【前处理】【截面】【梁】【通用截面】

弹出定义截面特性对话框后,在“ID”中设置梁单元截面代号“1”,在“Name”中设置梁单元截面名称“M1”,在[Sub-Type]中选择工字钢截面图形。在“W1”中输入“100”,在“W2”中输入“100”,在“W3”中输入“120”,在“t1”中输入“8”,在“t2”中输入“8”,在“t3”中输入“6”,单击[OK]按钮。

槽钢梁截面设置:

执行菜单路径命令:

PreprocessorSectionsBeamCommon sections

【前处理】【截面】【梁】【通用截面】

弹出定义截面特性对话框后,在“ID”中设置梁单元截面代号“2”,在[Sub-Type]中选择槽钢截面图形。在“W1”中输入“80”,在“W2”中输入“80”,在“W3”中输入“120”,在“t1”中输入“8”,在“t2”中输入“8”,在“t3”中输入“6”,单击[OK]按钮。

圆管梁截面设置:

执行菜单路径命令:

PreprocessorSectionsBeamCommonSections

【前处理】【截面】【梁】【通用截面】

弹出对话框后,在“ID”中设置梁单元截面代号“3”,在“Sub-Type”中选择圆管钢截面图形。在“Ri”中输入“56”,在“R0”中输入“60”,单击[OK]按钮。

4)设置材料性能数据

PreprocessorMaterial PropsMaterial Models

【前处理】【材料特性】【材料模量】

执行设置材料性能数据菜单路径命令,弹出定义材料性能数据对话框,选择右侧材料有关变量依次双击“Structural”“Linaer”“Elastic”“Isotropic (也可以依次双击“Favorites”“Linaer Static”“Linaer Isotropic) 后,在出现的对话框中,输入弹性模量“EX=2.06E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值,输入密度数值“7.85E-9”,单击[OK]按钮,并退出对话框。

5)建立几何模型

a. 生成关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCreateKeypointsOn Working Plane

【前处理】【建立几何模型】【生成】【关键点】【在工作平面】

执行生成关键点菜单路径命令,在弹出的工作平面对话框中,依照上述坐标次序,输入各关键点坐标值:“XYZ”,最后单击工作平面对话框中的[OK]按钮。

轴侧显示菜单路径:【Utility MenuPlotctrlsPan Zoom RotateISO

b. 复制关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCopyKeypoints

【前处理】【建立几何模型】【拷贝】【线】

执行复制关键点菜单路径命令,弹出对话框后,拾取1-5关键点,单击[APPLY]按钮,在弹出对话框“Number of Copies-”中输入“7”,在“DX”中输入“2000”,单击[OK]按钮。

c. 生成竖直线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

【前处理】【建立几何模型】【生成】【线】【线】【直线】

执行生成直线菜单路径命令,弹出生成直线对话框,采用鼠标在图形窗口依次点击前、后两个关键点,生成各直线(包括三条拉杆线),单击对话框中的[OK]按钮。

d. 生成横线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

【前处理】【建立几何模型】【生成】【线】【线】【直线】

执行生成直线菜单路径命令,弹出生成直线对话框,采用鼠标在图形窗口依次点击前、后两个关键点,生成所有横直线,单击对话框中的[OK]按钮。

e. 给各直线赋置属性菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshing AttributePicked lines

【前处理】【划分网格】【网格属性】【拾取线】

执行赋属性菜单路径命令,弹出对话框后,采用鼠标在图形窗口拾取左边第一直线,单击[Apply]按钮,弹出赋属性对话框,选择属性:材料号“MAT”为“1”,实常数号“REAL”为默认值,单元类型号“TYPE”为“1 BEAM188”,截面号“SECT”为“1”,并激活“Pick Orientation Keypoints”,单击[Apply]按钮,用鼠标在第一直线起点上选择确定梁单元Z轴方向的“K”点,单击[OK]按钮。其余6条直线按同样方法赋置属性。

前数第一横直线为圆管钢,截面号为“3”,梁单元Z轴方向的“K”点,可以任意选择一点即可。第二、三横直线为槽钢,截面号为“2”,梁单元Z轴方向的“K”点选择第二、三横直线上方一点,单击[OK]按钮。

f. 拉杆线的属性赋置同前。

g. 各直线划分尺寸设置为“1

PreprocessorMeshingSize CtrlsManualSizeLinesPicked Lines

【前处理】【划分网格】【尺寸控制】手工设置尺寸【线】【拾取线】

执行设置划分尺寸菜单路径命令,采用鼠标在图形窗口拾取全部直线,单击[Apply]按钮,在弹出的对话框“NDIV”中输入尺寸数值“1”,单击[OK]按钮。

h. 进行网格划分

PreprocessorMeshingMeshTool

【前处理】【划分网格】【分网工具】

执行分网工具菜单路径命令,弹出分网工具对话框。先在分网工具窗口中确定网格实体:“Lines”,单击[Mesh]按钮后,单击[Pick All]按钮。

l. 自由度耦合设置菜单路径:(在拉杆和钢梁之间设置,必须保证同一位置有两个节点号:拉杆的和钢梁的,共三处见图)

PreprocessorConpling/CeqnCoupling DOFs

【前处理】【耦合/【耦合自由度】

    执行自由度耦合设置菜单路径命令,弹出对话框后,在图形窗口拾取耦合点,单击[OK]按钮,再次在该位置拾取耦合点,单击[Apply]按钮,弹出自由度耦合对话框,在“NSET”中输入耦合集号“”,在“Lab”中选择耦合自由度方向“”,单击[Apply]按钮,直到完成所有2对节点位移自由度的耦合,单击[OK]按钮。

单击工具栏中的[S**E-DB]按钮,保存实体网格文件。

2)加载求解

a. 施加位移约束

施加位移约束菜单路径:

SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes

【求解】【定义载荷】【施加】【结构】【位移】【在节点上】

执行施加位移约束菜单路径命令,弹出施加位移约束选择节点对话框,采用鼠标在图形窗口拾取主梁与墙连接点,单击[Apply]按钮,弹出施加位移约束选择分量窗口,选择节点位移分量:“UX=UY=UZ=0ROTX= ROTY=ROTZ=0”,单击[Apply]按钮。

再拾取拉杆与墙连接点,选择节点位移分量:“UX=UY=UZ=0”,单击[OK]按钮。

b. 施加载荷

选择节点菜单路径:

SolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【力/力矩】→【在节点上】

执行选择节点菜单路径命令,弹出对话框后,在图形窗口拾取雨蓬中间各节点,单击[Apply]按钮,弹出的对话框后选择“FY”,在[VALUE]框中输入“-7350”,单击[Apply]按钮;拾取雨蓬边缘各节点,单击[Apply]按钮,弹出的对话框后选择“FY”,在[VALUE]框中输入“-3675”,单击[Apply]按钮;拾取雨蓬各角节点,单击[Apply]按钮,弹出对话框后选择“FY”,在[VALUE]框中输入“-1837.5”,单击[OK]按钮。

c. 施加重力加速度(对于雨篷分析而言,一般不考虑重量的影响)

选择菜单路径:

SolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【惯性力】→【重力加速度】→【总体坐标】

弹出拾取对话框后, [ACELX]中输入“”(水平方向),在[ACELY]中输入“”(垂直方向),单击[OK]按钮。

d. 选择求解方法

选择菜单路径:

Main MenuSolutionAnalysis TypeSol’n control

【主菜单】【求解】【分析类型】【求解方法控制】

弹出对话框后,在“Analysis Options”中选择“Large Displacemant Static”,单击[OK]按钮。

e. 用当前载荷步解题

选择菜单路径:

SolutionSolveCurrent LS

【求解】【解题】【当前载荷步】

弹出状态窗口和求解窗口,退出状态窗口,单击求解窗口中的[OK]按钮,进行解题。

当出现此句英语:“Solution is done !”则结果正确,单击[Close]按钮。

3)后处理

a. 显示变形

选择菜单路径:

General PostprocRead ResultsFirst SetPlot ResultsContour PlotNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

在弹出的对话框中,单击“DOF Solution”项,选择变形分量(例如:YComponent of displacement),单击[OK]按钮,出现带标尺的变形图。

b. 显示当量应力

选择菜单路径:

General PostprocRead ResultsFirst SetPlot ResultsNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

在弹出的对话框中,单击“Stress”项,选择“Von Mises stress”项,单击[OK]按钮。

再选择菜单路径:

Utility MenuPlotctrlsStyleSize and Shape

【实用菜单】【绘图控制】【风格显示】【尺寸和形状】

在弹出的对话框中,激活“Display of elemet”项,单击[OK]按钮,出现带标尺的应力图。

c. 显示弯曲应力

定义单元表格菜单路径:

General PostprocElement tableDefine table

【通用后处理】【单元表】【定义单元表】

执行定义单元表格菜单路径命令,弹出对话框以后单击[Add…]按钮,在滚动框中选择“By Sequence num”,在右框中选择“SMISC”,在右下框中“SMISC,”后面输入应力的序列号“34”(BEAM4梁单元弯曲应力序列号为“LS,4”,各种梁单元应力的序列号是不同的,见在线帮助),单击[OK]按钮。

绘制表格(或列表)菜单路径:

General PostprocElement tablePlot table】(【List Elem Table】)

【通用后处理】【单元表】【绘制单元表】【列出单元表】)

执行绘制表格(或列表)菜单路径命令,弹出对话框以后,单击[OK]按钮,绘制表内应力图形(或列出表格数据)。

d. 支反力显示

列表方式显示支反力菜单路径:

General PostprocList ResultsReaction Solu

【通用后处理】【列表结果】【支反力解】

执行列表方式显示支反力菜单路径命令,弹出用列表方式显示支反力窗口,选择“All Items”项,单击[OK]按钮。

e. 将图形存入文件

首先选择菜单路径:

Utility MenuPlotctrisStyleBackgroud

【实用菜单】【绘图控制】【风格显示】【背景颜色】

单击“Display picture Backgruod”(改变背景颜色,如果背景颜色已经改变则不要执行此步)。

再选择菜单路径:

Utility MenuPlotctrisHard copyTo File

【实用菜单】【绘图控制】【硬拷贝】【形成文件】

弹出的对话框后,在“Save to:”中定义用户文件名,单击[OK]按钮。

f. 输出结构总体积和总重量菜单路径:

General PostprocElement tableDefine table

【通用后处理】【单元表】【定义单元表】

General PostprocElement tableSum of Each Item

【通用后处理】【单元表】【求各项和(主要是体积和)】

Utility MenuParamentersGet Scalar Data

【实用菜单】【参数】【获得比例数据】

Utility MenuParamentersScalar Paramenter

【实用菜单】【参数】【比例参数】

    执行菜单路径命令1,弹出对话框以后,单击[Add…], 弹出单元表对话框,在“lab”中输入用户定义名“EVOL”,在左下列选择“Geometry”,在右列选择“Elem Volume Volu”,单击[OK]按钮。

执行菜单路径命令2,弹出对话框以后,单击[OK]按钮,得到单元总体积值。

执行菜单路径命令3,弹出对话框以后,在左列选择“Results Data”,在右列选择“Elem Table Sums”,单击[OK]按钮,弹出对话框以后输入用户定义名“VTOT”,单击[OK]按钮。

执行菜单路径命令4,弹出对话框以后,在“Items”中选择“VTOT=  ”,再在“Selection”中乘以材料比重数值“例如:7.85E-6 VTOT=  *7.85E-6),单击[Accept]按钮,在“Items”中得到单元总重量值(单位:VTOT=  千克重)。该雨蓬结构需用钢材  吨。

4 计算结果

1Y向位移分布云图:

4-6 雨蓬变形分布云图

2)应力分布云图:

 

4-7 雨蓬当量应力分布云图

4-8 雨蓬的梁弯曲应力分布云图

 

5 结果分析及结论

4.1.3复合拉索结构计算

本节为北京市某幕墙集团公司办公楼大厅门上和两侧玻璃幕墙复合拉索结构。该题为那时培训斑的练习例题,目的在于使学员掌握拉索结构的计算以及对原设计进行摸底。这里对原结构有所修改。

复合拉索结构是由垂直方向的五条鱼腹式拉索、五条承重索和水平方向的十条平行拉索(兼稳定索)组成,拉索中具有一定的预应力,拉索的两端均固定在墙上。

该题的重点是掌握几何非线性结构的计算方法和多种拉索的设计和使用。

1.  原始数据

1)计算模型和坐标数据

计算模型:

4-9  复合拉索结构计算模型

坐标数据:

    坐标点  X        Y        Z

      1     0        0         0

      2     0      1500        0

      3     0      3500        0

      4     0      5500        0

      5     0      7500        0

      6     0      9000        0

建立模型过程:

(1)       DZ=680   复制全部关键点一次;

(2)       DX=1500  复制全部关键点一次;

(3)       在第二列关键点处生成承重索、鱼腹索和压杆;

(4)       DX=1750  复制全部直线五次;

(5)       用第一列关键点DX=10000复制全部第一列关键点一次;

(6)       生成全部平行索(稳定索);

(7)       在复合拉索中下删除有关索,开出门洞;

(8)       施加边界条件和载荷

(9)       进行几何非线性求解。

2)材料数据

  拉索弹性模量E=1.05E5    泊松比μ=0.3

压杆弹性模量E=2.06E5    泊松比μ=0.3

3)载荷数据

复合拉索和承重索交点处承受集中载荷:F=1800N

4)边界条件

    所有与墙连接处均为全约束。

5)单元类型及实常数

鱼腹拉索:Link10    Φ20  A=314.16  ε=0.002(暂定)

承重索和稳定索:Link10    Φ10  A=78.54   ε=0.002(暂定)

压杆:Link8     Φ30  A=706.9

2.操作命令

1)前处理

1)选择单元类型

选择单元类型菜单路径:【PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete

【前处理】【单元类型】【增加/编辑/删除】

执行选择单元类型菜单路径命令,弹出定义单元类型对话框,单击[Add…]按钮,弹出单元类型库对话框,然后选择“Link bilinerar 10”线单元,单击[OK]按钮。

用同样方法选择“Link spar 8”线单元,单击[OK]按钮,单击[Close]按钮。

2)设置单元实常数

设置单元实常数菜单路径:【PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete

【前处理】【实常数】【增加/编辑/删除】

执行设置单元实常数菜单路径命令,弹出对话框后,单击[Add…]按钮,选择“Type 1 Link10单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,在“AREA”中输入“314.16”,在“ISTRN”中输入“0.002”。

单击[Add…]按钮,选择“Type 1 Link10单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,在“AREA”中输入“78.54”,在“ISTRN”中输入“0.002”。

单击[Add…]按钮,选择“Type 2 Link8单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,在“AREA”中输入“706.9”。单击[OK]按钮, 退出对话框。

3)设置材料性能数据

设置材料性能数据菜单路径:【PreprocessorMaterial PropsMaterial Models

【前处理】【材料特性】【材料模量】

执行设置材料性能数据菜单路径命令,弹出定义材料性能数据对话框,选择右侧材料有关变量依次双击“Structural”“Linaer”“Elastic”“Isotropic (也可以依次双击“Favorites”“Linaer Static”“Linaer Isotropic) 后,在出现的对话框中,输入弹性模量“EX=1.05E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值,单击[OK]按钮。单击左上角“Material”,再单击“New Modl…”,弹出输入第二种材料对话框,用同样方法输入第二种材料数据:弹性模量“EX=2.06E5”,泊松比“PRXY=0.3”,单击[OK]按钮,并推出对话框。

4)建立几何模型

a. 生成关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCreateKeypointsOn Working Plane

【前处理】【建立几何模型】【生成】【关键点】【在工作平面】

执行生成关键点菜单路径命令,在弹出的工作平面对话框中,依照上述坐标次序,输入关键点坐标值:“XYZ”,最后单击工作平面对话框中的[OK]按钮。

b. 复制线关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCopyKeypoints

【前处理】【建立几何模型】【复制】【关键点】

执行复制关键点菜单路径命令,弹出对话框后选择全部关键点,单击[Apply]按钮,弹出对话框后,输入“DZ=680”,单击[Apply]按钮,再次选择全部关键点,输入“DX=1500”,单击[OK]按钮。

轴侧显示,单击图形控制对话框中的“Iso”按钮。

c. 生成直线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

【前处理】【建立几何模型】【生成】【线】【线】【直线】

执行生成直线菜单路径命令,弹出生成直线对话框,在第二列关键点处采用鼠标依次点击前、后两个关键点,生成承重索、鱼腹索和压杆,单击对话框中的[OK]按钮。

d. 复制直线菜单路径:【PreprocessorModelingCopyLines

【前处理】【建立几何模型】【复制】【线】

执行复制直线菜单路径命令,弹出对话框后选择全部索线和压杆,单击[Apply]按钮,弹出复制线对话框,在“X-offset in active CS”中输入“1750”,共复制5次,单击对话框中的[OK]按钮。

e. 复制关键点菜单路径:【PreprocessorModelingCopyKeypoints

【前处理】【建立几何模型】【复制】【关键点】

显示关键点后,执行复制关键点菜单路径命令,弹出对话框后选择第一列全部关键点,单击[Apply]按钮,弹出对话框后,输入“DX=10000”,单击[OK]按钮。

f. 生成所有平行索(稳定索)

g. 在复合拉索中下部删除有关各线,开出门洞。

单击工具栏中的[S**E-DB]按钮,保存几何实体文件。

5) 给几何模型赋属性

给几何模型赋属性菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshing AttributePicked lines

【前处理】【划分网格】【网格属性】【拾取线】

执行给几何模型赋属性菜单路径命令,采用鼠标在图形窗口拾取鱼腹拉索线,单击[Apply]按钮,弹出赋属性对话框,选择属性:材料号“MAT”为“1”,实常数号“REAL”为“1”,单元类型号“TYPE”为“1 LINK10”,没有截面类型,采用缺省设置即可,单击[OK]按钮。

用同样方法给承重索线和稳定索线赋属性,只是实常数号分别改为2;压杆材料号为“2”,单元为LINK8,实常数号为3。最后单击[OK]按钮,退出对话框。

6) 设置网格划分尺寸

设置网格划分尺寸菜单路径:

PreprocessorMeshingSize CtrlsManualSizeLinesPicked Lines

【前处理】【划分网格】【尺寸控制】手工设置尺寸【线】【拾取线】

执行设置网格划分尺寸菜单路径命令,采用鼠标在图形窗口拾取全部索线和拉杆线,单击[Apply]按钮,在弹出的对话框“NDIV”中输入尺寸数值“1”,单击[OK]按钮。

7) 几何模型划分网格

几何模型划分网格通常采用分网工具,其菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshTool

【前处理】【划分网格】【分网工具】

执行分网工具菜单路径命令,弹出分网工具对话框。在分网工具窗口中确定网格实体:“Lines”,单击[Mesh]按钮后,采用鼠标在图形窗口拾取各线,单击[OK]按钮。

8) 合并控制

网格划分完成后,执行合并控制菜单路径:

PreprocessorNubering CtrlsMerge

【前处理】【合并控制】【合并项】

单击工具栏中的[S**E-DB]按钮,保存几何实体文件。

(2) 加载求解

1) 施加位移约束

施加位移约束菜单路径:

SolutionDifine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes

【求解】【定义载荷】【施加】【结构】【位移】【在节点上】

执行施加位移约束菜单路径命令,弹出施加位移约束选择节点对话框,采用鼠标在图形窗口拾取拉索与墙连接各节点,单击[Apply]按钮,弹出施加位移约束选择分量窗口,选择节点位移分量:“All DOF”,单击[OK]按钮。

2) 施加载荷

施加集中载荷菜单路径:

Solution】→【Difine Loads】→【Apply】→【Structural】→【Force/Moment】→【On Nodes

【求解】→【定义载荷】→【施加】→【结构】→【力/力矩】→【在节点上】

执行施加集中载荷菜单路径命令,弹出施加集中载荷选择对话框,采用鼠标在图形窗口拾取鱼腹拉索与承重索连接节点,单击[Apply]按钮,弹出施加集中载荷输入数值窗口,在“Direction of force/mom”中设置“Fz”,在“VALUE”中输入“1800”,单击对话框中的[OK] 按钮。

3) 选择分析类型和求解方法

选择分析类型菜单路径:【SolutionAnalysisNew Analysis

【求解】【分析类型】【新的分析】

执行选择分析类型菜单路径命令,弹出选择分析类型对话框,选择分析类型,激活“Static”,单击[OK]按钮。注意:力学分析为缺省设置,可以不执行这条菜单路径命令。

选择求解方法菜单路径:【SolutionAnalysis TypeSol’n Control

【求解】【分析类型】【求解控制】

执行选择求解方法菜单路径命令,弹出求解方法控制窗口,在分析选项中选择求解方法“Large Displacement Static”(“大位移静力解”),并在“Time at end of Loadstep”中输入“1”,在“Number of Substeps”中输入“10”,单击[OK]按钮。

4) 用当前载荷步解题

用当前载荷步解题菜单路径:【SolutionSolveCurrent LS

【求解】【解题】【当前载荷步】

执行用当前载荷步解题菜单路径命令,弹出用当前载荷步解题对话框和状态命令窗口,退出状态命令窗口,单击求解窗口中的[OK]按钮进行解题。

当出现此句英语:“Solution is done !”则结果正确,单击[Close]按钮。

(3) 通用后处理

1)变形云图显示

选择菜单路径:

General PostprocRead ResultsPlot ResultsContourNodal Solu

【通用后处理】【绘制结果】【云图绘制】【节点解】

在弹出的对话框中,单击“DOF Solution”项,选择变形分量(例如:ZComponent of displacement),单击[OK]按钮,出现带标尺的变形图。

2)轴向应力显示(Link8Ling10单元没有当量应力)

定义单元表菜单路径:【General PostprocElement tableDefine table

【通用后处理】【单元表】【定义单元表】

执行定义单元表菜单路径命令,弹出对话框以后单击[Add…]按钮,在滚动框中选择“By Sequence num”,在右框中选择“LS”,在右下框中“LS,”后面输入应力的序列号“1”( Link8Ling10单元的轴向应力序列号为“1”,见在线帮助),单击[OK]按钮。

3)将图形存入文件

 选择菜单路径:【Utility MenuPlotctrisStyleBackgroud

【实用菜单】【绘制控制】【风格】【背景】

单击“Display picture Backgruod”(“显示背景颜色”)(改变背景颜色,如果背景颜色已经改变则不要执行此步)。

再选择菜单路径:【Utility MenuPlotctrisHard copyTo File

【实用菜单】【绘制控制】【硬拷贝】【形成文件】

弹出的对话框后,在“Save to:”中定义用户文件名,单击[OK]按钮。

4)查询方式显示

  选择菜单路径:【General PostprocQuery ResultsSubgrid Solu

【通用后处理】【查询结果】【硬点解】

弹出“Query Subgrid Solution Data”(“查询硬点解数据”)对话框, 选择“Dof solution”(或“Stress”)项,再选择位移分量(或应力分量)单击[OK]按钮。

弹出对话框后,在图形窗口选择节点,节点和位移在图形窗口中显示,同时也在对话框中显示信息。

5)列表方式显示

a. 列表方式显示变形菜单路径:

General PostprocList ResultsNodal solution

【通用后处理】【列表结果】节点解

执行列表方式显示节点解菜单路径命令,弹出用列表方式显示节点解窗口,单击“DOF Solution”项,选择变形分量(例如:ZComponent of displacement, 单击[OK]按钮。

b. 列表方式显示支反力菜单路径:

General PostprocList ResultsReaction Solu

【通用后处理】【列表结果】【支反力】

执行列表方式显示支反力菜单路径命令,弹出用列表方式显示支反力窗口,选择“All Items”项,单击[OK]按钮。

3. 计算结果

(1) 变形计算结果

4-10  复合拉索Z向变形分布云图

复合拉索的最大变形在中部,其值为:10.3mm

(2) 应力计算结果

4-11  复合拉索轴向应力分布云图

复合拉索的最大拉应力在两侧拉索根部,其值为299.7MPa, 最大压应力在中上压杆,其值为68.1MPa

4. 计算结果分析

该复合拉索的最大变形为10.3mm,最大应力为299.7MPa

复合拉索结构属于柔性结构,它的刚性取决于预应变(或预应力或预紧力)。这种结构必须用几何非线性方法求解。输入的预应变值(0.002)不是固定数据,它需要根据拉索受载后的应力和变形确定。即当受最大载荷时受拉拉索的最大应力不超过材料的许用应力,受压拉索松弛后不致失稳的原则经调整确定。

4.2平面单元和壳单元实例分析

4.2.1带孔等厚平板的应力集中分析(平面应力问题)

    该题重点为前处理中的两种建模方法和两种网格划分方法、对称结构加对称载荷构件的边界条件的处理以及小孔应力集中的求解。

带孔等厚平板的几何尺寸为:平板长20 mm,宽20 mm,厚1 mm,中间圆孔半径为:R=1 mm。上下受有10N拉伸载荷。由于结构对称、载荷对称,具体计算时取其1/4作为计算模型。

1. 原始数据

1)带孔等厚平板1/4

4-12  带孔等厚平板的1/4模型

坐标数据(1/4模型,单位:m m

关键点号    X    Y    Z         关键点号    X    Y    Z

    1       0     0    0              5      1     0    0

2      10     0    0              6      0     1    0

3      10    10    0              7     -0.5   0.5   0

4       0    10    0     (注意:关键点7是用于决定圆弧方位)

2)材料数据

    弹性模量E=2.06E5  泊松比μ=0.3

3)载荷数据

    P=10N

4)边界条件

    对称边界条件

5)单元类型:SHELL63单元

2.首先采用“自底向上地建立几何模型”、“自由网格划分”方法。

1)自底向上地建立几何模型操作命令

1)选择单元类型

选择单元类型菜单路径:

Preprocessor】→【Element Type】→【Add/Edit/Delete

(前处理单元类型增加/编辑/删除)

执行选择单元类型菜单路径命令,弹出定义单元类型对话框,单击[Add…]按钮,弹出单元类型库对话框,然后选择“Shell Elastic 4node63”壳单元,单击[OK]按钮。

2)设置单元实常数

设置单元实常数菜单路径:

PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete

(前处理实常数增加/编辑/删除)

执行设置单元实常数菜单路径命令,弹出对话框后单击[Add…]按钮,选择“TYPE 1 SHELL63单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,在TKI)、TKJ)、TKK)、TKL)中,均输入“1”,单击[OK]按钮。

3)设置材料性能数据

设置材料性能数据菜单路径:

PreprocessorMaterial PropsMaterial Models

(前处理材料特性材料模量)

执行设置材料性能数据菜单路径命令,弹出定义材料性能数据对话框,选择右侧材料有关变量依次双击“结构(Structural)”“线性(Linaer)”“弹性(Elastic)”“同性(Isotropic)”(也可以依次双击“快捷的(Favorites)”“线性静力(Linaer Static)”“线性同性(Linaer Isotropic”)) 后,在出现的对话框中,输入弹性模量“EX=2.06E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值,单击[OK]按钮,并退出对话框。

4)建立几何模型

a. 生成关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCreateKeypointsOn Working Plane

(前处理建立几何模型生成关键点在工作平面)

执行生成关键点菜单路径命令,在弹出的工作平面对话框中,依照上述坐标次序,输入各关键点坐标值:“XYZ”,最后单击工作平面对话框中的[OK]按钮。

b. 生成弧线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesArcsBy end KPS & Rad

(前处理建立几何模型生成线线用两端点和半径

执行生成弧线菜单路径命令,在图形窗口56点,单击[Apply]按钮,再拾取7点(弧线的方位),单击[Apply]按钮,在弹出的对话框“RAD Radius of the arc”中输入 1,单击[OK]按钮。

c. 生成直线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

(前处理建立几何模型生成线线直线)

执行生成直线菜单路径命令,弹出生成直线对话框,用鼠标在图形窗口依次点击前、后两个关键点,生成四条直线,单击对话框中的[OK]按钮。

d. 生成平面菜单路径:

PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy lines

(前处理建立几何模型生成任意面用线)

执行生成平面菜单路径命令,弹出生成平面对话框,用鼠标在图形窗口依次拾取弧线和各直线,单击[OK]按钮。

在完成模型创建以后,单击工具栏中的S**E-DB按钮,保存几何模型文件。

2)自由网格划分操作命令

1给几何模型赋置属性

几何模型赋属性菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshing AttributePicked Areas

(前处理划分网格网格属性拾取

执行几何模型赋属性菜单路径命令,弹出赋属性对话框,采用默认选项(由于本例题只有一种单元、一种实常数、一种材料),单击[OK]按钮,完成几何模型赋属性。

2)几何模型划分网格

几何模型划分网格通常采用分网工具,其菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshTool

(前处理划分网格分网工具)

执行分网工具菜单路径命令,弹出【MeshTool】对话框。分网工具窗口中,激活“Smart Size”项,并将划分尺寸调整到“3”;在“Mesh”中选择“Areas”;在“Shape”中激活“Quad”和“Free”;单击[Mesh]按钮;弹出对话框后,单击[Pick All]按钮,完成网格划分。

单击工具栏中的S**E-DB按钮,保存网格实体文件。

          

  4-13  带孔等厚平板自由网格

3.然后采用“自上而下地建立几何模型”、“影射网格划分”方法

1)自上而下地建立几何模型操作命令

1)选择单元类型

选择单元类型菜单路径:

Preprocessor】→【Element Type】→【Add/Edit/Delete

(前处理单元类型增加/编辑/删除)

执行选择单元类型菜单路径命令,弹出定义单元类型对话框,单击[Add…]按钮,弹出单元类型库对话框,然后选择“Shell Elastic 4node63”壳单元,单击[OK]按钮。

2)设置单元实常数

设置单元实常数菜单路径:

PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete

(前处理实常数增加/编辑/删除)

执行设置单元实常数菜单路径命令,弹出对话框后单击[Add…]按钮,选择“TYPE 1 SHELL63单元,并单击[OK]按钮,弹出定义实常数对话框,在TKI)、TKJ)、TKK)、TKL)中,均输入“1”,单击[OK]按钮。

3)设置材料性能数据

设置材料性能数据菜单路径:

PreprocessorMaterial PropsMaterial Models

(前处理材料特性材料模量)

执行设置材料性能数据菜单路径命令,弹出定义材料性能数据对话框,选择右侧材料有关变量依次双击“结构(Structural)”“线性(Linaer)”“弹性(Elastic)”“同性(Isotropic)”(也可以依次双击“快捷的(Favorites)”“线性静力(Linaer Static)”“线性同性(Linaer Isotropic”)) 后,在出现的对话框中,输入弹性模量“EX=2.06E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值,单击[OK]按钮,并退出对话框。在出现的对话框中,输入弹性模量“EX=2.06E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值,单击[OK]按钮,并退出对话框。

4)建立几何模型

a. 生成关键点菜单路径:

PreprocessorModelingCreateKeypointsOn Working Plane

(前处理建立几何模型生成关键点在工作平面)

执行生成关键点菜单路径命令,在弹出的工作平面对话框中,依照上述坐标次序,输入前4个关键点坐标值:“XYZ”,最后单击工作平面对话框中的[OK]按钮。

b. 生成平面菜单路径:

PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryThrough KPS

(前处理建立几何模型生成任意通过关键点)

执行生成平面菜单路径命令,依次拾取4个关键点,单击[OK]按钮。

c. 生成实心圆面:

PreprocessorModelingCreateAreasCircleSolid  Circle

(前处理建立几何模型生成圆面实心圆

执行生成实心圆面菜单路径命令,在弹出的对话框中输入:WX=0WY=0Radius=1, 单击[OK]按钮。

d. 面相减菜单路径:

PreprocessorModelingOperateBooleansSubtractAreas

(前处理建立几何模型运算布尔运算

执行面相减菜单路径命令,弹出对话框后先拾取被减平面,单[Apply]按钮,再拾取圆面,单击[OK]按钮。

在完成模型创建以后,单击工具栏中的S**E-DB按钮,保存几何模型文件。

2)影射网格划分操作命令

由于影射网格划分要求被划分平面为4边形,而当前的平面为5边形,必须将当前的平面划分为两个或多个4边形。因此,在影射网格划分以前需增加操作命令。

1)增加操作命令

a. 将弧线分为2等份

  分弧线菜单路径:

PreprocessorModelingOperateBooleansDivideLine into N Ln’s

(前处理建立几何模型运算布尔运算线分N等份)

  执行分弧线菜单路径命令,弹出对话框后,选择弧线,单击[Apply]按钮,输入划分数“2”,单击[OK]按钮。

b. 通过弧线中点和对角顶点做一条直线

生成直线菜单路径:

PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line

(前处理建立几何模型生成线线直线)

执行生成直线菜单路径命令,弹出生成直线对话框,用鼠标在图形窗口点击弧线中点和对角处顶点。

c. 用直线将平面分为2

用直线分面菜单路径:

PreprocessorModelingOperateBooleansDivideAreas by Line

(前处理建立几何模型运算布尔运算用线分面

执行用直线分面菜单路径命令,弹出对话框后选择面,单击[Apply]按钮,弹出对话框后选择刚生成的直线,单击[OK]按钮。

2给几何模型赋属性

几何模型赋属性菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshing AttributePicked Areas

(前处理划分网格网格属性拾取

执行几何模型赋属性菜单路径命令,弹出赋属性对话框,采用默认选项(由于本例题只有一种单元、一种实常数、一种材料),单击[OK]按钮,完成几何模型赋属性。

3)设置单元划分个数

设置单元划分个数菜单路径:

PreprocessorMeshingSize CtrlsManualSizeLinesPicked lines

(前处理划分网格尺寸控制→手工设置尺寸→线拾取线)

执行设置单元划分个数菜单路径命令,弹出控制单元尺寸对话框,拾取下一半图形的上下直线,单击[Apply]按钮,在弹出对话框的[NDIV]项中,输入划分数“30”,单击[Apply]按钮,拾取下一半图形左边的弧线和右边的直线,在弹出对话框的[NDIV]项中,输入划分数“10”,单击[Apply]按钮。对于上一半图形同样处理,单击[OK]按钮。

4)几何模型划分网格

几何模型划分网格通常采用分网工具,其菜单路径:

PreprocessorMeshingMeshTool

(前处理划分网格分网工具)

执行分网工具菜单路径命令,弹出【MeshTool】对话框后,采用影射网格划分。在“Mesh”中选择“Areas”;在“Shape”中激活“Quad”和“Free”;单击[Mesh]按钮;弹出对话框后,单击[Pick All]按钮,完成网格划分。

单击工具栏中的S**E-DB按钮,保存网格实体文件。

 

            

4-14  带孔等厚平板影射网格

   带孔等厚平板通过上述两种前处理后,基本上形成了计算模型,均可施加载荷进行求解。施加载荷进行求解以及后处理的过程都相同,现在任取其中一个计算模型,作加载求解和后处理。

4.加载求解

1)施加约束

施加位移约束菜单路径:

SolutionDifine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes

(求解定义载荷施加结构位移在节点上)

执行施加位移约束菜单路径命令,弹出对话框后,用框选“Box”拾取平面下边缘各点,单击[Apply]按钮,弹出对话框后,选择节点位移分量:“Uy=0”,单击[Apply]按钮。再用框选“Box”拾取左边缘各点,选择节点位移分量“Ux=0”,单击[OK]按钮。

2)施加载荷

施加载荷菜单路径:

SolutionDifine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines

(求解→定义载荷→施加→结构→压力→在线上

执行施加载荷菜单路径命令,弹出对话框后,拾取平面上边缘线,单击[Apply]按钮,在弹出对话框中选择“VALUE Load PRES Value”,在其后面输入“-10”(拉载荷),单击[OK]按钮。

在求解以前,单击工具栏中的S**E-DB按钮,保存加载实体文件。

3)选择求解方法

选择菜单路径:

SolutionAnalysis TypeSol’n controls

(求解分析类型求解方法控制)

在弹出对话框中,选择“小位移静力解”(Small Displacemant Static”,单击[OK]按钮。)

4)用当前载荷步解题

选择菜单路径:

SolutionSolveCurrent LS

(求解解题当前载荷步)

弹出状态窗口和求解窗口,退出状态窗口,单击求解窗口中的[OK]按钮,进行解题。

当出现此句英语:“Solution is done !”则结果正确,单击[Close]按钮。

5.后处理

1)变形分布云图显示

选择菜单路径:

General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu…

(通用后处理绘制结果云图绘制节点解

在弹出的对话框中,选中“自由度解”“Y—位移分量”(DOF Solution”、“Traslation Uy),单击[OK]按钮,在图形窗口显示带标尺的变形图。

2)当量应力分布云图显示

选择菜单路径:

General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu…

(通用后处理绘制结果云图绘制节点解

在弹出的对话框中,选中“应力”“冯·米塞斯应力”(Stress”、“Von Mises SEQV),单击[OK]按钮,出现带标尺的应力图。

3)将图形存入文件

选择菜单路径:

Utility MenuPlotctrisHard copyTo File

(实用菜单绘图控制硬拷贝形成文件)

弹出对话框后,在“Save to:”中定义文件名,单击[OK]按钮。

4)用路径显示应力变化曲线

选择菜单路径:

General PostprocPath OperationsDefine PathBy Nodes

(通用后处理通过路径定义路径使用节点)

弹出对话框后,在图形窗口选择路径前、后两个节点,单击[Apply]按钮,弹出路径定义对话框后,输入任意路径名字,单击[OK]按钮,完成路径定义。

选择菜单路径:

General PostprocPath OperationsMap Onto Path

(通用后处理路径操作→影射数据到路径)

影射数据到定义的路径上,输入上述“路径名”、“应力”“冯·米塞斯应力”(Y向应力)(Stress”“Von Mises SEQV”(或Y-direction SY),单击[OK]按钮,完成数据影射。

选择菜单路径:

General PostprocPath OperationsPlot Path ItemOn Graph

(通用后处理路径操作绘制路径项→在图形上)

弹出的对话框后,选择路径名,单击[OK]按钮,完成应力变化曲线绘制。

6.计算结果

1)变形和应力计算结果

 

4-15  Y向变形分布云图                  4-16  Y应力分布云图

2)沿径向Y向应力分布曲线

4-17  Y应力分布曲线

7.结果分析

    由图2-77 可知,在小孔边缘的最大Y向应力为30.076,而远离小孔边缘的路径中间Y向应力(即为小孔边缘到右端平均应力)约为10左右。因此,其应力集中系数为3左右,这与小孔的理论集中系数相一致。

4.3体单元实例分析(略)

发表于: 2015-12-09 17:18 阅读(2622) 评论(0) 收藏 好文推荐

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