ansys高级分析梁分析和横截面形状adv7概要
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状
第七章 梁分析和横截面形状
梁的概况
梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。与实体单元和壳单元相比,梁单元可以效率更高的求解。
两种新的有限元应变单元,BEAM188和BEAM189,提供了更强大的非线性分析能力,更出色的截面数据定义功能和可视化特性。参阅ANSYS Elements Reference中关于BEAM188和BEAM189的描述。
何为横截面,
横截面定义为垂直于梁的轴向的截面形状。ANSYS提供了有11种常用截面形状的梁横截面库,并支持用户自定义截面形状。当定义了一个横截面时,ANSYS建立一个9结点的数值模型来确定梁的截面特性(lyy,lzz等),并求解泊松方程得到弯曲特征。
下图是一个
的Z横截面,示出了截面的质心和剪切中心以及计算的横截面特性:
图8-1 Z向横截面图
横截面和用户自定义截面网格划分将存储在横截面库文件中。可以用LATT命令将梁横截面属性赋给线实体。这样,横截面的特性将在用BEAM188或BEAM189对该线划分网格时包含进去。
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 如何生成横截面
用下列步骤生成横截面:
1( 定义截面并与代表相应截面形状的截面号关联。
2( 定义截面的几何特性数值。
ANSYS中提供了下表列出的命令完成生成、查看、列表横截面和操作横截面库的功能:参阅ANSYS Commands Reference可以得到横截面命令的完整集合。
定义截面并与截面号关联
使用SECTYPE命令定义截面。下面的命令将截面号2与定义号的横截面形状(圆柱体)关联:
命令:SECTYPE,2,BEAM,CSOLID
SECDATA,5,8
SECNUM,2
GUI: Main Menu>Preprocessor>Settings>-Beam-Common Sects
Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs
要定义自己的横截面,使用子形状(ANSYS提供的形状集合)MESH。要定义带特殊特性如lyy和lzz的横截面,使用子形状ASEC。
定义横截面的几何特性数值
使用SECDATA命令定义横截面的几何数值。下面的命令将用SECTYPE命令定义的尺寸赋值给横截面。CSOLID形状有两个尺寸:半径和周长上的格栅数目。
命令:SECDATA,4,6
GUI: Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects
用BEAM188/BEAM189单元划分线实体
在用BEAM188/BEAM189单元划分线实体前,要定义一些属性,包括:
, 要划分线的梁单元类型
, 生成梁单元的横截面特性号
, 以梁单元轴向为基准的横截面定位
, 生成梁单元的
特性号
使用LATT命令将这些属性与线实体关联:
命令:LATT,MAT,,TYPE,,KB,,SECID
GUI: Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs
MAT
与MP命令定义的材料特性相对应,材料号由MAT号指定。
TYPE
与ET命令定义的单元类型相对应,类型号由TYPE号指定。
KB
对应于模型中的关键点号。所生成梁单元的横截面与梁的
两端点和该关键点定义的平面垂直。
SECID
与SECTYPE 命令定义的梁横截面相对应,截面号由SECID
号指定。
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状
使用梁工具生成横截面
SECTYPE,SECDATA和SECOFFSET命令在GUI的路径都在梁工具(BEAM TOOL)中。梁工具的样式取决于所选择的梁横截面形状:
梁工具的顶部是截面形状号[SECTYPE],中部是截面偏移信息[SECOFFSET],底部是截面几何形状信息[SECDATA]。SECDATA命令定义的尺寸
图8-2 梁工具(包括横截面显示)
取决于所选截面形状。可以单击梁工具下的“Help”获取所选截面的帮助信息。在SECDATA也有截面形状尺寸的说明。
控制横截面和用户网格库
通用截面的数据,如CHAN和RECT,可以存储在横截面库中。
用SECWRITE命令生成、存储包括用户划分网格的截面的横截面库。如果在另一个模型中使用横截面库,使用SECREAD命令读入。
侧向扭转屈曲分析实例(GUI方式)
ANSYS Structural Analysis Guide第七章详细叙述了屈曲分析。本例分析了悬臂梁在末端承受横向载荷时的行为。
问题描述
一根直的细长悬臂梁,一端固定一端自由。在自由端施加载荷。本模型做特征值屈曲分析,并进行非线性载荷和变形研究。研究目标为确定梁发生分支点失稳(标志为侧向的大位移)的临界载荷。
问题特性参数
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状
本例使用如下材料特性:
杨氏模量=1.0X10e4psi
泊松比=0.0
本例使用如下的几何特性:
L=100in
H=5in
B=2in
本例的载荷为:
P=1lb
问题示意图
特征值屈曲分析是线性化的计算过程,通常用于弹性结构。屈曲一般发生在小于特征值屈曲分析得到的临界载荷时。这种分析比完全的非线性屈曲分析需要的求解时间要少。
用户还可以做非线性载荷和位移研究,这时用弧长法确定临界载荷。对于更通用的分析,一般要进行崩溃分析。
在模型中有缺陷时一定要做非线性崩溃分析,因为此时模型不会表现出屈曲。可以通过使用特征值分析求解的特征向量来添加缺陷。特征向量是最接近于实际屈曲模态在预测值。添加的缺陷应该比梁的标准厚度要小。缺陷删除了载荷-位移曲线的突变部分。通常情况下,缺陷最大不小于10%的梁厚度。UPGEOM命令在前一步分析的基础上添加位移并更新变形的几何特征。
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状
第一步:设置分析名称和图形选项
1( 选择菜单Utility Menu>File>Change Title。
2( 输入“Lateral Torsional Buckling Analysis”并单击OK。
3( 确认PowerGraphics正在运行。选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Style>Hidden-Line Options。确认PowerGraphics选项打开并单击OK。
4( 将Graphical Solution Tracking打开。选择菜单Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Grph Solu Track并确认对话框中radio按钮设置为ON。单击OK。
5( 生成屈曲分析图的输出文件。选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Redirect Plots>To GRPH File。将文件名改为buckle.grph并单击OK。
第二步:定义几何模型
1( 进入前处理器并生成梁的关键点。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>In Active CS,然后输入下列关键点号和坐标值:
,0,0 关键点号:1 坐标值:0
关键点号:2 坐标值:100,0,0
关键点号:3 坐标值:50,5,0
2( 在关键点1和2之间生成一条直线。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight Line。将弹出生成直线对话框。在图形窗口选择关键点1和2并单击OK。
3( 存储模型。选择菜单Utility Menu>File>Save As。在“Save Database to”对话框中输入buckle.db作为文件名并单击OK。
第三步:定义单元类型和横截面信息
1(选择菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。将弹出单元类型对话框。
2(单击Add。将出现单元类型库对话框。
3(在左列选择“Structural Beam”。
4(在右列选择“3D finite strain, 3 node 189”以选中BEAM189。
5(单击OK,然后的单元类型对话框中单击Close。
6(定义梁的矩形截面。选择菜单Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects。将出现梁工具对话框。缺省时ANSYS将截面号设置为1,将子类型设置为RECT(在子类型处图示一个矩形)。因为要生成一个矩形横截面,在子类型处不作修改。
7(在梁工具对话框的底部,可以看到横截面形状和尺寸的图示。在B标志的部分输入0.2作为横截面的宽度;在H标志的部分输入5.0作为横截面的高度。单击OK确定设置。
8(列出当前截面特性。选择菜单Main Menu>Preprocessor>Sections>List
Sections。ANSYS缺省选择特性号1。单击OK显示横截面信息。在浏览过以后,
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 在SLIST窗口单击Close。
第四步:定义材料特性并定位结点
1( 选择菜单Main Menu>Preprocessor>Material
Props>-Constant-Isotropic。
2( 单击OK确认材料号为1。将出现各向同性材料特性对话框。
3( 在杨氏模量框输入1E4。
4( 在泊松比(minor)处输入0.0,并单击OK。
5( 选择菜单Utility Menu>Select>Entities来选择线。选择下列选项:Lines,By Num/Pick,From Full并单击OK。
6( 出现选择线对话框。在图形窗口单击线实体。在对话框中单击OK。
7( 作为线的属性定义结点定位。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>All Lines。单击Pick Orientation Keypoint radio按钮旁边的radio按钮将其改变为Yes并单击OK。ANSYS将材料特性号指向1,将单元类型号指向1并将截面特性号指向1。
8( 出现线属性对话框。在图形窗口选择关键点3并在对话框中单击OK。
9( 存储模型。选择菜单Utility Menu>File>Save As。选择OK,当ANSYS询问是否覆盖时,单击OK。
第五步:对线划分网格并确认梁的定位
1( 定义网格大小和分段数。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Lines-All Lines。在No. Of Element Divisions框中输入10并单击OK。
2( 对线划分网格。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>Lines。确认在“Mesh Lines”对话框中Pick和Single选定,然后在图形窗口选择线。在对话框中单击OK对线划分网格。
3( 旋转划分好网格的线。选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Pan,
Zoom,Rotate。弹出Pan,Zoom,Rotate对话框。选择ISO并单击Close。图形窗口中梁将旋转。
4( 确认梁的定位。选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Style>
Size&Shape。选择/ESHAPE旁边的radio按钮并单击OK。
5( 显示横截面形状。选择菜单Main Menu>Preprocessor>Sections>
Plot Section并单击OK。
6( 重新显示网格。选择菜单Utility Menu>Plot>Elements。
第六步:定义边界条件
1( 定义固定端的边界条件。选择菜单Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On Keypoints。将弹出Apply U,ROT on KPs对话框。
2( 定义关键点1为固定端。在ANSYS输入窗口,输入1并回车,然后单击OK。
3( 在对话框中选择“All DOF”,然后单击OK。在ANSYS图形窗口将显示边界条件。
4( 在自由端施加集中力。选择菜单Main
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force/Moment>On Keypoints。将出现Apply F/M on KPs对话框。
5( 定义关键点2为自由端。在ANSYS输入窗口,输入2并回车,然后单击OK。
6( 在Direction of force/mom框中选择FY。
7( 在数值处输入1并单击OK。在ANSYS图形窗口将出现集中力标志。
8( 存储模型。选择菜单Utility Menu>File>Save As。选择OK,当ANSYS询问是否覆盖时,单击Yes。
9( 选择菜单Main Menu>Finish。
第七步:作特征值屈曲分析
1( 进入时序后处理器。选择菜单TimeHist Postpro>Define Variables。TIME变量是缺省的。选择Close。
2( 设置分析选项。选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Options。将弹出Static或Steady-State Analysis对话框。
3( 生成应力-刚度矩阵,存储起来在后续的特征值屈曲分析中使用。在Stress stiffness or prestress框中,选择“Prestress ON”。
4( 定义分析求解方法为sparse solver。在Equation solver框中选择Sparse solver。单击OK。
( 选择菜单Main Menu>Solution>-Solve-Current LS。浏览/STAT命令5
窗口中的内容,然后单击OK开始求解。
6( 当“Solution is Done!”窗口出现时,单击Close关闭窗口。
7( 选择菜单Main Menu>Finish。
8( 选择菜单Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis。
9( 选择“Eigen Buckling”选项,然后单击OK。
10( 选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Options。将弹出特征值屈曲选项对话框。选择Block Lanczos方法。在模态数目框中输入4,然后单击OK。
11( 在MXPAND命令设置Element Calculation Key。选择菜单Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass>Expand Modes。
12( 在扩展模态对话框中,输入4作为模态数,将Calculate elem results
框由No改为Yes,然后单击OK。
13( 选择菜单Main Menu>Solution>-Solve-Current LS。浏览/STAT命令窗口中的内容,然后单击OK开始求解。
14( 当“Solution is Done!”窗口出现时,单击Close关闭窗口。
15( 选择菜单Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size&Shape。确认在/ESHAPE旁边的radio按钮为ON,然后选择OK。
16( 在ANSYS输入窗口中输入/VIEW,1,1,1,1然后按回车。
17( 在ANSYS输入窗口中输入/ANG,1然后按回车。
18( 显示求解结果。选择菜单Main Menu>General Postproc>List
Results>Results Summary。当查看结果完毕后,单击Close关闭窗口。
19( 选择菜单Main Menu>General Postproc>List Results>-Read
Results->First Set。
20( 绘出梁的第一个模态。选择菜单Main Menu>General Postproc>Plot
Results>Deformed Shape。将弹出Plot Deformed Shape对话框。选择Def+undef
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 edge并单击OK。
21( 选择菜单Main Menu>Finish。
第八步:作非线性屈曲分析求解
1( 引入前面分析中得到的模型缺陷计算结果。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Update Geom。在Update Geometry对话框中,输入0.002作为Scaling Factor,在load step框中输入1,在Substep框中输入1,在Selection框中输入file.rst。单击OK。
2( 选择菜单Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis。
3( 选择“Static”选项,单击OK。
4( 选择菜单Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output
Ctrls>DB/Results File,并确认选择了All Items和All entities选项,然后单击OK。
5( 选择菜单Main Menu>Solution>Analysis Options。设置Large deform effects旁边的radio按钮为ON,然后单击OK。
6( 设定arc-length方法。选择菜单Main Menu>Solution>Load Step
Opts>Nonlinear>Arc-Length Opts。设定Arc-length方法为ON,然后单击OK。
7( 定义本载荷步中的子步数。选择菜单Main Menu>Solution>-Load Step
Opts-Time/Frequenc>Time and Substeps。输入10000作为子步数并单击OK。
( 设置求解中断参数。选择菜单Main 8
Menu>Solution>Nonlinear>Arc-Length Opts。选择the Lab菜单旁边的下拉式菜单的位移限制选项。在最大位移框中输入1.0。在VAL框中输入结点号为2。选择Degree of Freedom旁边的下拉菜单为UZ。单击OK。
9( 求解当前模型。选择菜单Main Menu>Solution>-Solve-Current LS。浏览/STAT命令窗口中的内容,然后单击OK开始求解。同时将弹出一个非线性求解窗口。收敛图也将显示,并在几分钟内完成。
10( 当“Solution is Done!”窗口出现时,单击Close关闭窗口。
11( 选择菜单Main Menu>Finish。
12( 重画梁网格。选择菜单Utility Menu>Plot>Elements。
13( 定义要从结果文件中读出的载荷点位移。选择菜单Main Menu>TimeHist Postpro>Define Variables。当出现对话框时,单击OK。
14( 当弹出Add Time-History Variable窗口时,确认Nodal DOF result选项选中,然后单击OK。
15( 出现Define Nodal Data 选择对话框。在图形窗口,选择结点2(梁的右端结点)并单击OK。
16( 出现Define Nodal Data窗口。确认参数Ref号和结点号都设置为2。在User-specified框中输入TIPLATDI。选择UZ平移并单击OK。
17( 定义从结果文件中读出的总支反力。在Define Time-History Variables窗口选择Add。
18( 当Add Time-History Variable 窗口出现时,选择Reaction forces radio按钮并选择OK。
19( 出现Define Nodal Data选择对话框。在ANSYS输入窗口中输入1(梁的左端结点)并选择OK。单击Close关闭对话框。
20( 出现Define Reaction Force Variable 窗口。确认参数Ref号设置
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ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 为3,结点号设置为1。选择Struct Force FY选项并单击OK。
21( 选择菜单Main Menu>TimeHist Postpro>Math Operators>
Multiply。在Multiply Time-History Variables窗口,在结果框中输入4作为参考号,输入-1.0在1st Factor 框,在1st Variable框中输入3,单击OK。
22( 显示X变量。选择菜单Main Menu>TimeHist Postpro>Settings>
Graph。在Single variable no.框输入2并单击OK。
23( 绘出载荷和位移关系曲线以确定特征值法计算出的临界载荷。选择菜单Main Menu>TimeHist Postpro>Graph Variables。在1st variable to graph
框中输入1。
24( 列出变量随时间的变化曲线。选择菜单Main Menu>TimeHist Postpro>List Variables。在1st variable to list 框中输入2,在2nd variable
框中输入4并单击OK。
25( 在PRVAR命令窗口中检验数值并比较其与特征值屈曲分析的结果。关闭PRVAR命令窗口。
26( 选择菜单Main Menu>Finish。
第九步:绘出并查看结果
1( 在ANSYS工具栏,单击Quit。
2( 选择一个存储选项并单击OK。
悬臂梁求解实例:命令行
可以用命令行格式完成同样的分析问题:
/PREP7
/GRA,POWER
GST,ON
/SHOW,BUCKLE,GRPH
K,1,0,0,0,
K,2,100.0,0,0,
K,3,50,5,0,
LSTR, 1, 2
ET,1,BEAM189
SECTYPE, 1, BEAM, RECT,
SECDATA, 0.2, 5.0
SLIST, 1, 1, ,
MP,EX,1,1E4
MP,NUXY,1,0.0
LSEL,S, , , 1, 1, 1
LATT,1, ,1,0, 3, ,1
LESIZE, all, , ,10
SECN,1
LMESH,all
/VIEW,,1,1,1
/ESHAPE,1EPLOT
DK,1, , , ,0,ALL, ,
7-9
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状
FK,2,FY,1.0
FINISH
/SOLU
PSTRES,ON
EQSLV,SPARSE SOLVE
FINISH
/SOLU
ANTYPE,BUCKLE BUCOPT,LANB,4 MXPAND,4,,,YES SOLVE
/POST1
/ESHAPE,1
/VIEW, 1 ,1,1,1 /ANG, 1
SET,LISTSET,1,1 PLDI,2
FINISH
UPGEOM,0.002,1,1,file,rst
/SOLU
ANTYPE,
STATIC
OUTRES,ALL,ALL NLGEOM,ON
ARCLEN,ON
NSUBST,10000 ARCTRM,U,1.0,2,UZ SOLVE
FINISH
/POST26
NSOL,2,2,U,Z,TIP LAT DISP
RFORCE,3,1,F,Y, PROD,4,3, , , , , ,-1.0,1,1,
XVAR,2
PLVAR,4
PRVAR,2,4
FINISH
7-10
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状
7-11
书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔
人的影响短暂而微弱,书的影响则广泛而深远——普希金
人离开了书,如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫
书不仅是生活,而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫
书籍把我们引入最美好的社会,使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯
书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的,是富有启发性的养料。而阅读,则正是这种养料———雨果