ANSYS实例分析内有结果.doc

ANSYS 算例 3 4 2 1 基于图形界面的桁架桥梁结构分析 step by step 下面以一个简单桁架桥梁为例 以展示有限元分析的全过程 背景素材选自位于密执 安的 Old North Park Bridge 1904 1988 见图 3 22 该桁架桥由型钢组成 顶梁及侧梁 桥身弦杆 底梁分别采用 3 种不同型号的型钢 结构参数见表 3 6 桥长 L 32m 桥高 H 5 5m 桥身由 8 段桁架组成 每段长 4m 该桥梁可以通行卡车 若这里仅考虑卡车位 于桥梁中间位置 假设卡车的质量为 4000kg 若取一半的模型 可以将卡车对桥梁的作用 力简化为 P1 P 2 和 P3 其中 P1 P3 5000 N P2 10000N 见图 3 23 图 3 22 位于密执安的 Old North Park Bridge 1904 1988 图 3 23 桥梁的简化平面模型 取桥梁的一半 表 3 6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数 构件 惯性矩 m4 横截面积 m2 顶梁及侧梁 Beam1 63 810 3 190 桥身弦梁 Beam2 785 底梁 Beam3 6 4 3 解答 以下为基于 ANSYS 图形界面 Graphic User Interface GUI 的菜单操作流程 1 进入 ANSYS 设定工作目录和工作文件 程序 ANSYS ANSYS Interactive Working directory 设置工作目录 Initial jobname 设置工作文件名 TrussBridge Run OK 2 设置计算类型 ANSYS Main Menu Preferences Structural OK 3 定义单元类型 ANSYS Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete Add Beam 2d elastic 3 OK 返回到 Element Types 窗口 Close 4 定义实常数以确定梁单元的截面参数 ANSYS Main Menu Preprocessor Real Constants Add Edit Delete Add select Type 1 Beam 3 OK input Real Constants Set No 1 AREA 2 19E 3 Izz 3 83e 6 1 号实常数用于顶梁和侧 梁 Apply input Real Constants Set No 2 AREA 1 185E 3 Izz 1 87E 6 2 号实常数用于弦杆 Apply input Real Constants Set No 3 AREA 3 031E 3 Izz 8 47E 6 3 号实常数用于底梁 OK back to Real Constants window Close the Real Constants window 5 定义材料参数 ANSYS Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX 2 1e11 PRXY 0 3 定义泊松比及弹性模量 OK Density 定义材料密 度 input DENS 7800 OK Close 关闭材料定义窗口 6 构造桁架桥模型 生成桥体几何模型 ANSYS Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS NPT Keypoint number 1 X Y Z Location in active CS 0 0 Apply 同样输入其余 15 个特征点坐标 最左端为起始点 坐标分别为 4 0 8 0 12 0 16 0 20 0 24 0 28 0 32 0 4 5 5 8 5 5 12 5 5 16 5 5 20 5 5 24 5 5 28 5 5 Lines Lines Straight Line 依次分别连接特征点 OK 网格划分 ANSYS Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Lines 选择桥顶梁及侧 梁 OK select REAL 1 TYPE 1 Apply 选择桥体弦杆 OK select REAL 2 TYPE 1 Apply 选择桥底梁 OK select REAL 3 TYPE 1 OK ANSYS Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool 位于 Size Controls 下的 Lines Set Element Size on Picked Pick all Apply NDIV 1 OK Mesh Lines Pick all OK 划分网格 7 模型加约束 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 选取桥身左端节点 OK select Lab2 All DOF 施加全部约束 Apply 选取桥身右端节点 OK select Lab2 UY 施加 Y 方向约束 OK 8 施加载荷 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force Moment On Keypoints 选取底梁上卡车两侧关键点 X 坐标为 12 及 20 OK select Lab FY Value 5000 Apply 选取底梁上卡车中部关键点 X 坐标为 16 OK select Lab FY Value 10000 OK ANSYS Utility Menu Select Everything 9 计算分析 ANSYS Main Menu Solution Solve Current LS OK 10 结果显示 ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Deformed shape Def shape only OK 返回到 Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution Y Component of Displacement OK 显示 Y 方向位移 UY 见图 3 24 a 定义线性单元 I 节点的轴力 ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab bar I By sequence num SMISC 1 OK Close 定义线性单元 J 节点的轴力 ANSYS Main Menu General Postproc Element Table Define Table Add Lab bar J By sequence num SMISC 1 OK Close 画出线性单元的受力图 见图 3 24 b ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res LabI bar I LabJ bar J Fact 1 OK 11 退出系统 ANSYS Utility Menu File Exit Save Everything OK a 桥梁中部最大挠度值为 0 003 374m b 桥梁中部轴力最大值为 25 380N 图 3 24 桁架桥挠度 UY 以及单元轴力计算结果 ANSYS 算例 3 4 2 2 基于命令流方式的桁架桥梁结构分析 ANSYS 算例 3 4 2 2 begin 注 命令流中的符号 可将多行命令流写成一行 prep7 进入前处理 PLOPTS DATE 0 设置不显示日期和时间 设置单元和材料 ET 1 BEAM3 定义单元类型 R 1 2 19E 3 3 83e 6 定义 1 号实常数用于顶梁侧梁 R 2 1 185E 3 1 87e 6 0 0 0 0 定义 2 号实常数用于弦杆 R 3 3 031E 3 8 47E 6 0 0 0 0 定义 3 号实常数用于底梁 MP EX 1 2 1E11 定义材料弹性模量 MP PRXY 1 0 30 定义材料泊松比 MP DENS 1 7800 定义材料密度 定义几何关键点 K 1 0 0 K 2 4 0 K 3 8 0 K 4 12 0 K 5 16 0 K 6 20 0 K 7 24 0 K 8 28 0 K 9 32 0 K 10 4 5 5 K 11 8 5 5 K 12 12 5 5 K 13 16 5 5 K 14 20 5 5 K 15 24 5 5 K 16 28 5 5 通过几何点生成桥底梁的线 L 1 2 L 2 3 L 3 4 L 4 5 L 5 6 L 6 7 L 7 8 L 8 9 生成桥顶梁和侧梁的线 L 9 16 L 15 16 L 14 15 L 13 14 L 12 13 L 11 12 L 10 11 L 1 10 生成桥身弦杆的线 L 2 10 L 3 10 L 3 11 L 4 11 L 4 12 L 4 13 L 5 13 L 6 13 L 6 14 L 6 15 L 7 15 L 7 16 L 8 16 选择桥顶梁和侧梁指定单元属性 LSEL S 9 16 1 LATT 1 1 1 选择桥身弦杆指定单元属性 LSEL S 17 29 1 LATT 1 2 1 选择桥底梁指定单元属性 LSEL S 1 8 1 LATT 1 3 1 划分网格 AllSEL all 再恢复选择所有对象 LESIZE all 1 1 对所有对象进行单元划分前的分段设置 LMESH all 对所有几何线进行单元划分 在求解模块中 施加位移约束 外力 进行求解 solu NSEL S LOC X 0 根据几何位置选择节点 D all ALL 对所选择的节点施加位移约束 AllSEL all 再恢复选择所有对象 NSEL S LOC X 32 根据几何位置选择节点 D all UY 对所选择的节点施加位移约束 ALLSEL all 再恢复选择所有对象 基于几何关键点施加载荷 FK 4 FY 5000 FK 6 FY 5000 FK 5 FY 10000 replot 重画图形 Allsel all 选择所有信息 包括所有节点 单元和载荷等 solve 求解 进入一般的后处理模块 post1 后处理 PLNSOL U Y 0 1 0 显示 Y 方向位移 PLNSOL U X 0 1 0 显示 X 方向位移 显示线单元轴力 ETABLE bar I SMISC 1 ETABLE bar J SMISC 1 PLLS BAR I BAR J 0 5 1 画出轴力图 finish 结束 ANSYS 算例 3 4 2 2 end ANSYS 算例 3 2 5 3 四杆桁架结构的有限元分析 下面针对 典型例题 3 2 5 1 的问题 在 ANSYS 平台上 完成相应的力学分析 即 如图 3 8 所示的结构 各杆的弹性模量和横截面积都为 4229 510N mE 基于 ANSYS 平台 求解该结构的节点位移 单元应力以及支反力 210mA 图 3 8 四杆桁架结构 解答 对该问题进行有限元分析的过程如下 以下为基于 ANSYS 图形界面 graphic user interface GUI 的菜单操作流程 注意 符 号 表示针对菜单中选项的鼠标点击操作 关于 ANSYS 的操作方式见附录 B 1 基于图形界面的交互式操作 step by step 1 进入 ANSYS 设定工作目录和工作文件 程序 ANSYS ANSYS Interactive Working directory 设置工作目录 Initial jobname 设置工 作文件名 planetruss Run OK 2 设置计算类型 ANSYS Main Menu Preferences Structural OK 3 选择单元类型 ANSYS Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete Add Link 2D spar 1 OK 返回到 Element Types 窗口 Close 4 定义材料参数 ANSYS Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic EX 2 95e11 弹性模量 PRXY 0 泊松比 OK 鼠标点击该窗口右上角的 来关闭该窗口 5 定义实常数以确定单元的截面积 ANSYS Main Menu Preprocessor Real Constants Add Edit Delete Add Type 1 OK Real Constant Set No 1 第 1 号实常数 AREA 1e 4 单元的截面积 OK Close 6 生成单元 ANSYS Main Menu Preprocessor Modeling Creat Nodes In Active CS Node number 1 X 0 Y 0 Z 0 Apply Node number 2 X 0 4 Y 0 Z 0 Apply Node number 3 X 0 4 Y 0 3 Z 0 Apply Node number 4 X 0 Y 0 3 Z 0 OK ANSYS Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Elem Attributes 接受默认值 User numbered Thru nodes OK 选择节点 1 2 Apply 选择节点 2 3 Apply 选择节点 1 3 Apply 选择节点 3 4 Apply OK 7 模型施加约束和外载 添加位移的约束 分别将节点 1 X 和 Y 方向 节点 2 Y 方向 节点 4 的 X 和 Y 方向位移约束 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 用鼠标选择节点 1 Apply Lab2 DOFs UX UY VALUE 0 Apply 用鼠标选择节点 2 Apply Lab2 DOFs UY VALUE 0 Apply 用鼠标选择节点 4 Apply Lab2 DOFs UX UY VALUE 0 OK 加载集中力 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force moment On Nodes 用鼠标选择结构节点 2 Apply FX VALUE 20000 Apply 用鼠标选择结构节点 3 Apply FY VALUE 25000 OK 9 分析计算 ANSYS Main Menu Solution Solve Current LS OK Should The Solve Command be Executed Y Close Solution is done 关闭文字窗口 10 结果显示 ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Shape Def Undeformed OK 返回到 Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF solution Displacement vector sum 可 以看到位移云图 ANSYS Main Menu General Postproc List Results Nodal solution DOF solution Displacement vector sum 弹出的文本文件显示各个节点的位移 ANSYS Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu ALL items OK 弹出的文本 文件显示各个节点反力 11 退出系统 ANSYS Utility Menu File Exit Save Everything OK 2 完整的命令流 以下为命令流语句 注意 以 打头的文字为注释内容 其后的文字和符号不起 运行作用 关于命令流的调用方式见附录 B 典型例题 3 2 5 1 begin PREP7 进入前处理 PLOPTS DATE 0 设置不显示日期和时间 设置单元 材料 生成节点及单元 ET 1 LINK1 选择单元类型 UIMP 1 EX 2 95e11 给出材料的弹性模量 R 1 1e 4 给出实常数 横截面积 N 1 0 0 0 生成 1 号节点 坐标 0 0 0 N 2 0 4 0 0 生成 2 号节点 坐标 0 4 0 0 N 3 0 4 0 3 0 生成 3 号节点 坐标 0 4 0 3 0 N 4 0 0 3 0 生成 4 号节点 坐标 0 0 3 0 E 1 2 生成 1 号单元 连接 1 号节点和 2 号节点 E 2 3 生成 2 号单元 连接 2 号节点和 3 号节点 E 1 3 生成 3 号单元 连接 1 号节点和 3 号节点 E 4 3 生成 4 号单元 连接 4 号节点和 3 号节点 FINISH 前处理结束 在求解模块中 施加位移约束 外力 进行求解 SOLU 进入求解状态 在该状态可以施加约束及外力 D 1 ALL 将 1 号节点的位移全部固定 D 2 UY 将 2 号节点的 Y 方向位移固定 D 4 ALL 将 4 号节点的位移全部固定 F 2 FX 20000 在 2 号节点处施加 X 方向的力 20000 F 3 FY 25000 在 3 号节点处施加 Y 方向的力 25000 SOLVE 进行求解 FINISH 结束求解状态 进入一般的后处理模块 POST1 进入后处理 PLDISP 1 显示变形状况 FINISH 结束后处理 典型例题 3 2 5 1 end ANSYS 算例 3 3 7 3 三梁平面框架结构的有限元分析 针对 典型例题 3 3 7 1 的模型 即如图 3 19 所示的框架结构 其顶端受均布力作用 用有限元方法分析该结构的位移 结构中各个截面的参数都为 13 0PaE 相应的有限元分析模型见图 3 20 在 ANSYS 平746 510mI 426 810A 台上 完成相应的力学分析 图 3 19 框架结构受一均布力作用 a 节点位移及单元编号 b 等效在节点上的外力 图 3 20 单元划分 节点位移及节点上的外载 解答 对该问题进行有限元分析的过程如下 1 基于图形界面的交互式操作 step by step 1 进入 ANSYS 设定工作目录和工作文件 程序 ANSYS ANSYS Interactive Working directory 设置工作目录 Initial jobname 设置工 作文件名 beam3 Run OK 2 设置计算类型 ANSYS Main Menu Preferences Structural OK 3 选择单元类型 ANSYS Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete Add beam 2D elastic 3 OK 返回到 Element Types 窗口 Close 4 定义材料参数 ANSYS Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic EX 3e11 弹性模量 OK 鼠标点击该窗口右上角的 来关闭该窗口 5 定义实常数以确定平面问题的厚度 ANSYS Main Menu Preprocessor Real Constants Add Edit Delete Add Type 1 Beam3 OK Real Constant Set No 1 第 1 号实常数 Cross sectional area 6 8e 4 梁的横截面积 OK Close 6 生成几何模型 生成节点 ANSYS Main Menu Preprocessor Modeling Creat Nodes In Active CS Node number 1 X 0 Y 0 96 Z 0 Apply Node number 2 X 1 44 Y 0 96 Z 0 Apply Node number 3 X 0 Y 0 Z 0 Apply Node number 4 X 1 44 Y 0 Z 0 OK 生成单元 ANSYS Main Menu Preprocessor Modeling Create Element Auto Numbered Thru Nodes 选择节点 1 2 生成单元 1 apply 选择节点 1 3 生成单元 2 apply 选择节点 2 4 生成单元 3 OK 7 模型施加约束和外载 左边加 X 方向的受力 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force Moment On Nodes 选择节点 1 apply Direction of force FX VALUE 3000 OK 上方施加 Y 方向的均布载荷 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Beams 选取 单元 1 节点 1 和节点 2 之间 apply VALI 4167 VALJ 4167 OK 左 右下角节点加约束 ANSYS Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 选取节点 3 和节点 4 Apply Lab ALL DOF OK 8 分析计算 ANSYS Main Menu Solution Solve Current LS OK Should the Solve Command be Executed Y Close Solution is done 关闭文字窗口 9 结果显示 ANSYS Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Shape Def Undeformed OK 返回到 Plot Results 10 退出系统 ANSYS Utility Menu File Exit Save Everything OK 11 计算结果的验证 与 MATLAB 支反力计算结果一致 2 完全的命令流 典型例题 3 3 7 3 begin PREP7 进入前处理 ET 1 beam3 选择单元类型 R 1 6 5e 7 6 8e 4 给出实常数 横截面积 惯性矩 MP EX 1 3e11 给出材料的 弹性模量 N 1 0 0 96 0 生成 4 个节点 坐标 0 0 96 0 以下类似 N 2 1 44 0 96 0 N 3 0 0 0 N 4 1 44 0 0 E 1 2 生成单元 连接 1 号节点和 2 号节点 以下类似 E 1 3 E 2 4 D 3 ALL 将 3 号节点的位移全部固定 D 4 ALL 将 4 号节点的位移全部固定 F 1 FX 3000 在 1 号节点处施加 X 方向的力 3000 SFBEAM 1 1 PRESS 4167 施加均布压力 FINISH 结束前处理状态 SOLU 进入求解模块 SOLVE 求解 FINISH 结束求解状态 POST1 进入后处理 PLDISP 1 显示变形状况 FINISH 结束后处理 典型例题 3 3 7 3 end 实验一 衍架的结构静力分析 一 问题描述 图 1 所示为由 9 个杆件组成的衍架结构 两端分别在 1 4 点用铰链支承 3 点受到一 个方向向下的力 Fy 衍架的尺寸已在图中标出 单位 m 试计算各杆件的受力 其他已知参数如下 弹性模量 也称扬式模量 E 206GPa 泊松比 0 3 作用力 Fy 1000N 杆件 的横截面积 A 0 125m2 显然 该问题属于典型的衍架 静力分析问题 通过理论求解 方法 如节点法或截面法 也可以很容易求出个杆件的受力 但这里为什么要用 ANSYS 软 件对其分析呢 三 结果演示 通过使用 ANSYS8 0 软件对该衍架结构进行静力分析 其分析结果与理论计算结果如表 1 所示 表 1 ANSYS 分析结果与理论计算结果的比较 杆件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ANSYS 分 析结果 N 333 33 333 33 666 67 471 40 0 666 67 471 40 666 67 947 81 理论计算 结果 N 333 333 333 333 666 667 471 405 0 666 667 471 405 666 667 942 809 误差 0 3 0 3 0 3 0 5 0 0 3 0 5 0 3 0 1 比较结果表明 使用 ANSYS 分析的结果与理论计算结果的误差不超过 0 5 因此 利用 ANSYS 软件分析来替代理论计算是完全可行的 四 实训步骤 一 ANSYS8 0 的启动与设置 1 启动 点击 开始 所有程序 ANSYS8 0 ANSYS 即可进入 ANSYS 图形用户主界 面 如图 2 所示 其中 几个常用的部分有应用菜单 命令输入栏 主菜单 图形显示区 和显示调整工具栏 分别如图 2 所示 图 1 衍架结构简图 2 功能设置 电击主菜单中的 Preference 菜单 弹出 参数设置 对话框 选 中 Structural 复选框 点击 OK 按钮 关闭对话框 如图 3 所示 本步骤的目的是 为了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 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 SI 然后回车即可 注 SI 表示国际公制单位 二 单元类型 几何特性及材料特性定义 图 3 Preference 参数设置对话框 图 4 单元类型库对话框 图 5 单元类型对话框 1 定义单元类型 电击主菜单中的 Preference Element Type Add Edit Delete 弹出对话框 点击对话框中的 Add 按钮 又弹出一对话框 图 4 选中该对话框中 的 Link 和 2D spar 1 选项 点击 OK 关闭图 4 对话框 返回至上一级对话 框 此时 对话框中出现刚才选中的单元类型 LINK1 如图 5 所示 点击 Close 关闭 图 5 所示对话框 注 LINK1 属于二维平面杆单元 即我们常说的二力杆 只承受拉压 不考虑弯矩 2 定义几何特性 在 ANSYS 中主要是实常数的定义 点击主菜单中的 Preprocessor RealContants Add Edit Delete 弹出对话框 点击 Add 按钮 第二 1 步定义的 LINK1 单元出现于该对话框中 点击 OK 弹出下一级对话框 如图 6 所示 在 AREA 一栏杆件的截面积 0 125 点击 OK 回到上一级对话框 如图 7 所示 图 6 单元类型对话框 图 7 实常数对话框 图 8 材料特性对话框 点击 Close 关闭图 7 所示对话框 3 定义材料特性 点击主菜单中的 Preprocessor Material Props Material Models 弹出对话框 如图 8 所示 逐级双击右框中 Structural Linear Elastic Isotropic 前图标 弹出下一级对话框 在弹性模量文本 框中输入 206E9 在泊松比文本框中输入 0 3 如图 9 所示 点击 OK 返回上一级对 话框 并点击 关闭 按钮 关闭图 8 所示对话框 三 衍架分析模型的建立 1 生成节点 图 10 所 示衍架中共有 6 个节点 其 坐标根据已知条件容易求出 如下 1 0 0 0 2 1 0 0 3 2 0 0 4 3 0 0 5 1 1 0 6 2 1 0 点击主菜单中 的 Preprocessor Modeling C reate Nodes In Active CS 弹出对话框 在 Node number 一栏中输入节点号 1 在 XYZ Location 一栏中 输入节点 1 的坐标 0 0 0 如图 10 所 示 点击 Apply 按钮 在生成 1 节点的同 时弹出与图 10 一样的对 图 9 材料特性参数对话框 图 10 节点生成参数输入对话框 图 11 生成节点显示 话框 同理将 2 6 点的坐标输入 以生成其余 5 个节点 此时 在显示窗口上显示所生成 的 6 个节点的位置 如图 11 所示 2 生成单元格 点击主菜单中的 Preprocessor Modeling Create Elements AutoNumbered Thru Nodes 弹出 节点选择 对话框 如图 12 所示 依次点选节点 1 2 点击 Apply 按钮 既可生成 单元 同理 分别点击 2 3 3 4 1 5 2 5 5 6 3 5 3 6 4 6 可生成其 余 8 个单元 生成后的单元如图 13 所示 四 施加载荷 1 施加位移约束 点击主菜单中的 Preprocessor Loads Apply Structural Displacement On Nodes 弹出与图 12 所示类似的 节点选择 对话框 点选 1 节后 然后点击 Apply 按钮 弹出对话框如图 14 所示 选 择右上列表框中的 All DOF 并点击 Apply 按钮 弹出 对话框如图 14 所示 选择右上列表框中的 UY 并点击 OK 按 钮 即可完成对节点 4 沿 y 方向的位移约束 图 12 节点选择对话框 图 13 生成单元显示 2 施加集中力载荷 点击主菜单中的 Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Force Moment On Nodes 弹出对话框如图 15 所示 在 Direction of force mom 一项中选择 FY 在 Force Moment value 一项中输 入 1 000 注 负号表示力的方向与 Y 的正向相反 然后点击 OK 按钮关闭对话框 这样 就在节点 3 处给桁架结构施加了一个竖直向下的集中载荷 说明 根据图 1 所示有限元分析的基本过程 到此为止 有限元分析的前置处理部分 已经结束 但在使用 ANSYS 软 件进行分 析的过程 中 施加 载荷这一 步骤往往 既可以在 前置处理中完成 如本实训一样 也可以在求解器中完成 如点击主菜单中的 Solution Define Loads Apply Stuctural 实现过程完全一样 五 开始求解 图 14 节点 1 的位移约束 图 15 施加载荷 点击主菜单中的 Solution Solve Current LS 弹出对话框 图 16 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 图 17 提示用户已完 成求解 点击 Close 按钮关闭对话框即可 至于在求解时产生的 STATUS Command 窗口 点击 File Close 关闭即可 说明 到此为止 有限元分析的求解器计算部分已经结束 六 分析结果显示 1 显示变形图 点击主菜单中的 General Postproc Plot Results Deformed Shape 弹出对话框如图 18 所示 选中 Def undeformed 选项 并点击 OK 按钮 即可显示本实训桁架结构变形前后的结果 如图 19 所示 图 2 3 用户主界面 图 16 求解对话框 图 17 求解完成 图 18 显示变形图设置 2 显示变形动 画 点击应用菜单 Utility Menu 中的 Plot Ctrls Animate Deformed Shape 弹出对话 框如 图 20 所示 选中 Def u ndefo rmed 选 项 并在 Tim e delay 文本框中输入 0 1 然后点击 OK 按钮 即可显示本实训桁架结构的变性动画 由于集中力 FY 作用在 3 节点上 因此 3 节点产生的位移最大 图 21 是动画片 显示桁 架受力变形的过程 右边窗口是动画显示的控制窗口 可以暂停 也可以拖动显示进度条 图 19 用户主界面 图 20 变形动画参数设置 3 列举支反力计算结果 点击主菜单中的 General Postproc List Results Reaction Solu 弹出对话 框如图 22 所示 接 受缺省设 置 点击 OK 按 钮关闭对 话框 并 弹出一列 表窗口 显示了两铰链点 1 4 节点 所受的支反力情况 如图 23 所示 4 列举各杆件的轴向力计算结果 点击主菜单中的 General Postproc List Result Element Solution 弹出对话框如图 24 所示 在中间列表框中移动滚动条至最后 选择 By Sequence num 选项 右上列表框中选择 SMISC 选项 右下文本框中输入 SMISC 1 点击 OK 按钮关闭对话框 并弹出一列表窗口 显示了 9 个杆单元所受 的轴向力 如图 25 所示 此外 还给出了最大 最小力及其发生位置 说明 到此为止 有限元分析的后置处理部分就可以结束了 实际上 ANSYS 软件的 后置处理功能非常强大 除了能显示上述结果外 还可以显示其他许多结果 比如 各节 图 21 动画仿真控制对话框 图 22 显示支反力参数设置对话框 点产生的位移 General Postproc List Results Nodal Solution 和各节点所 受载荷 General Postproc List Results Nodal Loads 等等 有兴趣的 读者可自行尝试 七 ANSYS 软件的保存与退出 1 保存 点击应用菜单中的 File Save as Jobname db ANSYS 自 动将结果保存 缺省的文件名为 下次打 开时 可直接点击 file db 2 退出 点击应用菜单中的 File Exit 弹出保存对话框 选 中 Save Everything 点击 OK 按 扭 即可退出 ANSYS 图 23 显示支反力列表 图 25 显示轴向力列表 图 24 单元求解结果参数选择对话框 实验二 三维实体结构的分析 介绍三维实体结构的有限元分析 一 问题描述 图 25 所示为一工字钢梁 两端均为固定端 其截面尺寸为 试建立该工字钢梁的三维实体模mdcmbaml 03 2 0 16 0 型 并在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析 其他已知参数如下 弹性模量 也称杨式模量 E 206GPa 泊松比 3 0 u 材料密度 重力加速度 3 780mkg 2 8 9smg 作用力 Fy 作用于梁的上表面沿长度方向中线处 为分布力 其大小 Fy 5000N 图 25 工字钢结构示意图 三 结果演示 使用 ASSYS 8 0 软件对该工字钢梁进行结构静 力分析 显示其节点位移云图 四 实训步骤 一 ASSYS8 0 的启动与设置 与实训 1 第一步骤完全相同 请参考 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 Element Type Add Edit Delete 弹出对话框 点击对话框中 的 Add 按钮 又弹出 一对话框 图 26 选中该 对话框中的 Solid 和 Brick 8node 45 选项 点 击 OK 关闭图 26 对话 框 返回至上一级对话框 此时 对话框中出现刚才选 中的单元类型 Solid45 如 图 27 所示 点击 Close 图 26 单元类型库对话框 图 27 单元类型对话框 图 28 材料特性参数对话框 关闭图 27 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 Preprocessor Material Props Material Models 弹出窗口如图 28 所示 逐级双击右框中 Structural Linear Elastic Isotropic 前图标 弹 出下一级对话框 在 弹性模量 EX 文本框中输入 2 06e11 在 泊松比 PRXY 文本框中输入 0 3 如图 29 所示 点击 OK 按钮 回到上一级对话框 然 后 双击右框中的 Density 选项 在弹出对话框的 DENS 一栏中输入材料密度 7800 点击 OK 按钮关闭对话框 最后 点击图 2 31 所示窗口右上角 关闭 该窗口 三 工字钢三维实体模型的建立 1 生成关键点 图 30 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 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 图 28 材料特性对话框 图 30 节点生成参数输入对话框 0 08 0 18 0 10 0 015 0 18 0 11 0 015 0 02 0 12 0 08 0 02 0 点击主菜单 中的 Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 弹出对话框 在 Keypoint number 一栏中输入关键点号 1 在 XYZ Location 一栏中输入关键点 1 的坐标 0 08 0 0 如图 30 所示 点击 Apply 按钮 同理将 2 12 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 2 生成直线 点击主菜单中的 Preprocessor Modeling Create Lines Lines StraightLine 弹出关键点选择对话框 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 31 所示 3 生成平面 点击主菜单中的 Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines 弹出 直线选择 对话 框 依次点选 1 12 直线 点 击 OK 按钮 图 31 生成直线显示 图 32 面选择对话框 图 33 平面拉伸成体的参数设置 关闭对话框 即可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 Operate Extrude Areas Along Normal 弹出平面选择对话框 32 点选上一步骤生成的平面 点击 OK 按钮 之后弹出另一对话框 33 在 DIST 一栏中输入 1 工字钢梁的长度 其他保 留缺省设置 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 34 所示 四 网络 划分 1 设定 单元大小 点 击主菜单中的 Preprocess or Meshing M eshTool 弹 出对话框 在 Size Control 标 签中的 Global 一栏点击 Set 按钮 弹出 网格尺寸设置 对话框 在 SIZE 一栏中输入 0 02 其他保留缺省设置 点击 OK 按钮关闭对话 框 2 接着上一步 在图 35 的划分网格的对话 框中 选中单选框 Hex 和 Sweep 其他保 留缺省设置 然后点击 Sweep 按钮 弹出体选 择对话框 点选 34 中的工字钢梁实体 并点击 OK 按钮 即可完成对整个实体结构的网格划分 其结果如 36 所示 五 施加载荷 图 34 工字钢梁三维实体模型 图 36 划分网格后的工字钢梁模型 1 施加位移约束 点击主菜单的 Preprecessor Loads Define Loads Apply Structuaral Displacemengt On Areas 弹出面选择对话框 点击该工字梁的左端面 点击 OK 按钮 弹出对话框如图示 选择右上列表框中的 All DOF 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 2 施加分布力 Fy 载荷 1 选择施力节点 点击应用菜单中的 Select Entities 弹出对话框如图 37 所示 在 第一个列表框中选择 Nodes 选项 第二个列表框中选 择 By Location 选项 选中 Zcoordinates 单选框 并在 Min Max 参数的文本框中输入 0 5 表示选择 工字钢梁沿的中间横截面上的所有节点 其他参数保 留缺省设置 点击 Apply 按钮完成选择 点击 Plot 按钮 在显示窗口上显示出工字钢梁中间横截 面上的所有节点 然后 在图 37 所示对话框中选中 Ycoordinates 单选框 在 Min Max 参数文本框中 输入 0 2 表示工字钢梁的上表面 选中 Reselect 表示在现有活动节点 即上述选择的 中间横截面中 再选择 y 坐标等于 0 2 的节点为活动节 点 单选框 其他参数保留缺省设置 参见图 37 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表面沿长度方向中线处的一组节 点 这组节点即为施力节点 2 施加载荷 点击主菜单中的 Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Force Moment On Loads 弹出 节点选择 对话框 点击 Pick All 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 Direction of force mom 一项中选择 FY 在 Force moment 图 35 网格划分对话框 value 一项中输入 5000 注 负号表示力的方向与 Y 的方向相反 其他保留缺省装 置 如图 38 所示 然后点击 OK 按钮关闭对话框 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 3 恢复选择所有节点 在求解之前必须选择所有已创建的对象为活动对象 如点 线 面 体 单元等 否则求解会出错 因此 点击应用菜单中的 Select Everything 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 若要显示整个工 字钢梁的网络模型 可点击应用菜单中的 Plot Elements 即可 3 施加重力载荷 点击主菜单中的 Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Inertia Gravity 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 8m s 系统会自动利用密度等参数进行分析 计算 其他保留缺省设置 点击 OK 关闭对话框 到此为止 有限元分析的前置处理部分已经结束 六 求解 点击主菜单中的 Solution Solve Current LS 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 点击 Close 按钮关闭对话框即可 至于在求解时产生的 STATUS Command 窗口 点击 File Close 关闭即可 说明 到此为止 有限元分析的求解部分已经结束 七 分析结果浏览 1 绘制节点位移云图 点击主菜单中的 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 弹出对话框 选中右上列表框 Translation 栏中的 UY 选项 其他保留缺省设置 点击 OK 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 40 所示 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 图 37 节点选择 2 列举各节点的位移解 点击主菜单中的 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 弹出对话框如图 39 所示 全部保留缺省设置 点击 OK 按钮关闭 对话框 并弹出 一列表 窗口 显示了 该工字 钢梁各 节点的 位移情况 显然 由于受力方向为 y 方向 因此 从窗口数据看出 各节点沿 y 的位移最 大 图 39 节点位移显示设置 图 38 施加载荷时的参数设置 3 显示变形动画 点击应用菜单 Utility Menu 中的 Plot Ctrls Animate Deformed Results 在弹出的对话框中的 Time delay 文本框中输 入 0 1 并选中右列表框中的 UY 选项 其他保留缺省设置 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 有限元分析的后置部分已经结束 与实验一一样 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 八 ANSYS 软件的保存与退出 图 40 节点位移云图 实验三 变截面高速轴的最优化设计 一 问题描述 在图 41 所示的变截面轴上 安装有一个质量为 Q 的轮子 轴的长度为 3 各段长度已l 知 要求解决的问题是确定在满足动力稳定性条件下 轴的质量最小时的直径 和 1d2 该问题的 分析过程如下 1 选择设 计变量 此最优 化问题 有两个 设计变 量 即 要求确 定的轴 直径 和1d 2 2 建立目标函数 以轴的质量 作为目标函数 选用材料的密度为 则目标函gM 数如下 2121 4gfxfdld 3 确定约束条件 当轴的旋转速度 达到其临界转速时的角速度 或横向振动 弯曲 c 振动 的固有频率 时 轴便处于共振状态 在大多数情况下 需要进行这种动力稳定性n 图 41 轴的简图 设计的轴 其质量 总小于轮子的质量 Q 为了简化计算 在确定 时时常忽略 gMn gM 而简化为单自由度的振动问题 因此 轴的横向振动的固有频率为 nu 式中 g 为重力加速度 u 为轴的中间截面处的静挠度 按照图 41 给出的条件 根据材料力学可求得 3412 810 67QlEd 式中 E 为材料的弹性模量 为保证轴在工作时的动力稳定性 应使 cnnK 或 式中 K 为大于 1 的安全系数 将 u 的表达式及 代入上式 经过整理后得到动力稳定性所要求的等式约束ngu 条件为 32412 38010 67EQlKd 另外 根据结构尺寸要求的条件为 min1ax2min2max dd 因此 装有一个重轮的变截面高速旋转直轴 当以轴的质量为目标函数时 其最优化 设计的数学模型为 2121min 4fdld 32412 3800 67EgQlK 1minaxd 2i2m 二 实训目的 理解 最优化设计 的概念和方法 了解 最优化设计 的建模方法 了解 最优化 设计 问题的解决过程 了解 LINGO 的编程 方法和求解过程 图 43 LINGO 程序主界面 三 结果演示