1、1.4 ANSYS 结构分析与结构建模有限元分析是对真实物理系统的数值近似。其物理解释为以一组离散的单元集合体近似代替原连续结构，通过各单元分析获得单元组合体结构的特性，在给定的荷载与边界条件下，求得单元组合体各节点的位移，进而求得各单元应力等。采用何种单元集合体来近似代替真实的求解问题呢？即在实际工程结构仿真分析中，采用何种单元模拟实际结构呢？在模拟实际结构中要考虑哪些细节呢？本节就这些问题进行阐述和讨论。1.4.1 结构分类及仿真单元在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板壳结构和实体结构。a. 杆系结构：杆件的特征是一个方向的尺度远大于
2、其它两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的梁。单元类型有杆、梁和管单元（一般称为线单元）。b. 板壳结构：是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单元实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构，例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为 3D 实体单元和 2D 实体单元。c. 杆系结构： 当构件 15L/h4 时，采用考虑剪切变形的梁单元。 当构件 L/h15 时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。 BEAM18X 系列可不必考虑上述限制，但在使用时必须达到一定程度的网格密度。对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必须考虑剪切变形的影响。d. 板壳结构：
3、当 L/h80100 时,采用薄膜单元。对于壳类结构，一般 R/h20 为薄壳结构，可选择薄壳单元，否则选择中厚壳单元。对于既非梁亦非板壳结构，可选择 3D 实体单元。1.4.2 平面模型和空间模型原则：根据不同的设计阶段而采用不同的计算模型，以便取得较高的计算效率。在方案设计过程中，一般可采用平面模型进行结构的计算分析。此阶段主要研究结构总体的力学行为，如结构设计参数等，以便得到理想的结构布置，而对结构内力和变形精度要求不高。在技术设计过程中，一般宜采用空间模型进行结构的计算分析。此阶段对结构的各种荷载效应要求有较高的精度和可靠性，以便对各个构件进行设计。过去采用简化方法计算，如荷载横向分布
4、系数或偏载系数等。现在则可以直接建立空间力学模型进行各种效应分析。而除此之外，许多结构按平面模型分析存在许多困难，如城市中的宽桥、斜交桥、弯梁桥及异形桥等，单拱面的拱桥或单索面的斜拉桥等。1.4.3 模型深度与单元选择建立何种“深度”的模型才能较好的模拟工程实际，是模型规划要解决的问题。采用何种单元模拟结构或构件，是保证计算结果合理的前提，甚至是计算结果正确与否的关键。(1) 选择单元类型的原则 力学行为原则杆系结构、板壳结构和实体结构划分，分别采用与之力学行为相符的线单元、板壳单元和实体单元。 单元维数原则在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，建议优先选择梁杆单元，其次是板壳
5、单元，最后是实体单元。 单元阶数原则在保证计算精度的情况下，优先选择低阶单元，但一般而言，高阶单元具有较好的计算结果。当没有足够的经验时，建议采用高阶单元以获得较好的计算结果。 建模方便原则当确定了单元类型后，应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元，采用 BEAM4、BEAM188/189 均可行时，应该选择 BEAM188/189 单元。(2) 模型深度 杆系级：主要采用杆单元和梁单元建立模型，以便获得结构总体的力学行为。平面模型的计算结果可用于方案设计，空间模型的计算结果可用于技术设计。 板壳级：主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型，以便获得结构构件的力学行为。例如桥梁的主梁或主拱、
6、主墩等可采用板壳单元模拟，其它构件可采用杆梁单元模拟，以得到结构构件较为精确的内力和变形。 实体级：主要采用实体单元或与杆梁、板壳单元结合建立模型，以便获得结构细节或局部的力学行为。例如墩梁连接处、支承处、预应力筋锚固端、斜拉索锚固区等应采用实体单元模拟，其它部分可采用杆梁单元或板壳单元模拟。在实体级模型中，一般不全部采用实体单元，而是采用多种单元的组合进行模拟。1.5.1 基本过程ANSYS 分析过程一般包括三个步骤： 前处理：创建几何模型或有限元模型、定义单元、定义材料属性、定义单元划分等，施加荷载和边界条件也可在该过程完成。 求解过程：施加荷载和边界条件、定义求解类型、定义求解器及求解方
7、式等。 后处理：查看分析结果、结果计算与分析等。1.5.2 几何建模-有限元模型的 GUI 方式(1) 问题描述如图 1.2 所示平面桁架，材料的弹性模量 E = 210GPa水平杆的截面面积为 0.01m2竖杆和中间两斜杆的截面面积为 0.005m2两边斜杆的截面面积为 0.0125m2(2) 前处理a. 启动 ANSYS，并设定工作目录。b. 输入文件名c. 定义工作标题d. 重新显示e. 创建关键点需要说明的是坐标为“0”的数值可以不输入，当不输入数值时，ANSYS 默认为“0”值。f. 创建 Lineg. 显式关键点号和线号h. 显式实体i. 定义单元类型j. 定义单元实常数添加 3
8、个实常数k. 定义材料属性点击 Material - Exit 或对话框右上角的 X，退出材料定义：l. 定义几何模型属性拾取 6 条水平线后定义 Line 的属性：单元类型、材料、实常数 m. 显示实体的属性编号n. 定义单元网格划分参数每根杆划分 1 个单元：划分单元：单元划分结果：3. 加载与求解(1) 定义分析类型(2) 施加约束条件为了便于施加载荷和约束条件，首先显示 Line 实体：所显示的线实体：在 Keypoint 上施加约束，首先选择 KP：在选定的 KP 点施加约束 - 约束全部自由度选择 KP 1，约束全部自由度；对节点 5 约束 y 向自由度，然后 OK：在模型中显示所
9、施加的约束：(4) 施加载荷：选择 KP 点 2，3，4 ，施加 y 向力 Fy，各 -200000 N：在模型中显示约束和载荷：关闭编号显示：(5) 求解：菜单路径： Solution - Solve - Current LS4. 后处理 绘制变形图点击 OK，显示变形图：以上是直接建立有限元模型的 GUI 方式。5. 两种方式的命令流这里给出上述分析的命令流，其中“$”为续行符，与另起一行效果相同。“!”表示注释行，可以放在命令行后面的任意位置，在“！”之后的本行内容 ANSYS 一律默认为注释，包括“$”。在 ANSYS 中除注释外，命令及命令参数不区分大小写，鉴于习惯和小写便于阅读，命
10、令流中均可采用小写英文字母。 创建几何模型，再到有限元模型的分析过程命令流!e1.1-平面桁架分析!-前处理-/filname,truss,1 !定义工作文件名/title,The Analysis of Plane truss/replot !重新显示/prep7 !进入 prep7 处理器k,1 $k,2,6 $k,3,12 $k,4,18 $k,5,24 $k,6,6,8 $k,7,12,8 $k,8,18,8 !创建关键点l,1,2 $l,2,3 $l,3,4 $l,4,5 $l,1,6 $l,6,7 $l,7,8 $l,5,8 $l,2,6 !创建线l,3,7 $l,4,8 $l,6
11、,3 $l,3,8/pnum,kp,1 !设定显示关键点号/pnum,line,1 !设定显示线号lplot !绘制线et,1,link1 !定义单元类型r,1,0.01 $r,2,0.005 $r,3,0.0125 !定义单元实常数mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性mp,prxy,1,0.3lsel,s,tan1,y$latt,1,1,1 !选择水平线并定义属性lsel,s,loc,y,1,7 $lsel,r,loc,x,6,18 $latt,1,2,1 !选择竖杆和中间斜杆并定义属性lsel,s,loc,y,1,7 $lsel,u,loc,x,6,18 $latt,1,3,1 !
12、选择两边斜杆并定义属性allsel,all !选择全部实体/pnum,real,1 !设置显示实常数号/replot !显示个线的实常数号lesize,all,1 !定义各个线所划分的单元个数lmesh,all !对所有线进行单元划分finish !退出 prep7 处理器!-加载和求解-/solu !进入 solu 处理器antype,0 !定义分析类型lplot !绘制线dk,1,ux,uy !约束关键点 1 的 Ux,Uydk,5,uy !约束关键点 5 的 Uyfk,6,fy,-200000 !关键点 6 施加向下的荷载 200000Nfk,8,fy,-200000 !关键点 8 施加
13、向下的荷载 200000Nfk,2,fy,-400000 !关键点 2 施加向下的荷载 400000Nfk,3,fy,-400000 !关键点 3 施加向下的荷载 400000Nfk,4,fy,-400000 !关键点 4 施加向下的荷载 400000N/pnum,real,0 !关闭实常数号显示/pnum,line,0 !关闭线号显示/pnum,kp,0 !关闭关键点号显示/pbc,all,1 !显示实体上的边界条件和荷载/psymb,ldiv,-1 !关闭线划分单元属性显示lplot !绘制线solve !执行求解finish !退出 solu 处理器!-后处理-/post1 !进入后处理
14、器pldisp !绘制变形图etable,mforce,smisc,1 !定义单元轴力表etable,mstress,ls,1 !定义单元应力表plls,mforce,mforce,1 !绘制单元轴力图plls,mstress,mstress,1 !绘制单元应力图prrsol !列出支承反力表finish!/exit,nosav 直接建立有限元模型的命令流对一些简单问题，有时可以不建立集合模型，而是直接建立有限元模型。以下是上例的有限元建模命令流：! e1.2-平面桁架分析!-前处理-/filname,truss,1 !定义工作文件名!定义工作标题/title,The Analysis of
15、Plane truss/prep7 !进入 prep7 处理器et,1,link1 !定义单元类型r,1,0.01 $r,2,0.005 $r,3,0.0125 !定义单元实常数mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性mp,prxy,1,0.3n,1 $n,2,6 $n,3,12 $n,4,18 $n,5,24 $n,6,6,8 $n,7,12,8 $n,8,18,8 !创建节点type,1 $mat,1 $real,1 !定义单元类型号为 1、材料类型为号 1、实常数为号 1e,1,2 $e,2,3 $e,3,4 $e,4,5 $e,6,7 $e,7,8 !定义单元real,2 !定义实
16、常数为号 2e,2,6 $e,3,7 $e,4,8 $e,6,3 $e,3,8 !定义单元real,3 !定义实常数为号 3e,1,6 $e,8,5 !定义单元finish !退出 prep7 处理器/solu !进入 solu 处理器antype,0 !定义分析类型d,1,ux,uy !约束节点 1 的 Ux,Uyd,5,uy !约束节点 5 的 Uyf,6,fy,-200000 !节点 6 施加向下的荷载 200000Nf,8,fy,-200000 !节点 8 施加向下的荷载 200000Nf,2,fy,-400000 !节点 2 施加向下的荷载 400000Nf,3,fy,-400000
17、 !节点 3 施加向下的荷载 400000Nf,4,fy,-400000 !节点 4 施加向下的荷载 400000Nsolve !执行求解finish !退出 solu 处理器/post1 !进入后处理pldisp !绘制变形图etable,mforce,smisc,1 !定义单元轴力表etable,mstress,ls,1 !定义单元应力表plls,mforce,mforce,1 !绘制单元轴力图plls,mstress,mstress,1 !绘制单元应力图prrsol !列出支承反力表finish!/exit,nosav6. 作业：如图所示结构，对其进行结构分析。要求： 形成命令流文件 绘制变形图 绘制轴力图 绘制应力图
