1、人字形屋架的静力分析问题跨度8m的人字形屋架，左边端点是固定铰链支座，右端是滑动铰链支座。在上面的3个节点上作用有3个向下集中力 P=1kN，结构的几何尺寸和边界条件如图1.4所示，试利用二维杆单元 LINK1 分析该屋架在 3 个集中力作用下的变形和内力。1. 理论解在小变形假设下，两个支座间不会出现水平反力。整个结构和荷载左右对称，所以结构的内力也是左右对称的。只分析左面一半即可知道整个结构的受力了。整个结构是一个静定结构，所以各个杆件的内力可以利用理论力学中的节点法，或者截面法求解出来。依据整个结构的平衡，可以得到左右两个支座的竖向反力为1.5kN。按照图1.5中的节点编号，根据1号和5
2、号单元在1号节点处的的平衡，可以确定出1号单元的内力是 N1=3kN，5号单元的内力是 N5=1.5 5 kN。从3号节点的平衡可以知道，9号单元的内力为 0。取左面一半结构，对节点7列出力矩平衡方程： M7(F)=0, -1.54+12+N22=0可以求出2号单元的内力为 N2=2kN。再根据2号节点处的平衡方程： X=0, N2-N1+N8/ 2 =0 Y=0, N7+N8/ 2 =0可以解出： N8= 2 kN， N7= -1kN再由6号节点的平衡方程： X=0, N62/ 5 -N52/ 5 =0可以解出： N6=1.5 5 kN至此，我们得到所有杆件的内力为：N1=N4=3kN， N
3、2=N3=2kN， N5=N13=1.5 5 kN， N6=N12=1.5 5 kN，N7=N11= -1kN， N8=N10= 2 kN， N9=0。如果需要计算结构在荷载作用下的变形，就必须使用材料力学的知识，且求解过程比较复杂。2ANSYS 求解首先将这个结构在杆件相交的地方，设置节点，节点之间用单元相连接（如图1.5所示）。利用节点定义命令N定义7个节点，用单元定义命令E定义13个单元；用荷载定义命令F在模型的6，7，8节点上施加集中荷载，用位移约束命令D定义1号节点两个位移全部被约束，5号节点的竖向位移被约束。利用下面提供的程序可以完成对该结构的变形和内力计算。如图1.6所示给出的是
4、使用ANSYS程序的步骤（1）到（3）生成好的有限元模型；在第（4）步用D命令定义位移约束，F命令定义荷载后，用SOLVE求解得到各个节点的位移。第（5）步进入一般后处理模块，用PLDISP图形显示结构变形图（如图1.7所示）。在第（6）步用ETABLE定义单元表，以提取单元的计算结果：轴力，轴向应力和轴向应变。在用PRETAB命令列表显示单元表内容的同时，图1.8所示是用PLETAB命令以色度图方式表示的杆件轴力分布情况。图1.4 人字形屋架计算模型示意图图1.5 人字形屋架的单元划分图图1.6 人字形屋架的结构模型图图1.7 屋架在屋面荷载作用下的变形图1.8 屋架杆件的轴力等高线色度图3
5、ANSYS程序FINISH ! 退出以前的模块/CLEAR, START ! 清除系统中的所有数据,不读入启动文件的设置! (1) 设置工程的选项/FILNAME,EX1.2 ! 指定当前工程的文件名, 所有数据用该文件名保存/UNITS, SI ! 申明采用国际单位制 ! 定义问题的标题! (2) 进入前处理模块, 定义节点/PREP7 ! 进入前处理模块: 定义模型N, 1, 0, 0 ! 通过节点的坐标位置定义各个节点, 1号节点1（0, 0）N, 2, 2, 0 ! 2号节点2（2m, 0）N, 3, 4, 0 ! 3号节点3（4m, 0）N, 4, 6, 0 ! 4号节点4（6m,
6、0）N, 5, 8, 0 ! 5号节点5（8m, 0）N, 6, 2, 1 ! 6号节点6（2m, 1m）N, 7, 4, 2 ! 7号节点7（4m, 2m）N, 8, 6, 1 ! 8号节点8（6m, 1m）! (3) 在前处理模块中, 定义单元类型、材料参数和各个单元ET, 1, LINK1 ! 定义第1类单元为二维杆单元LINK1MP, EX, 1, 207E9 ! 定义第1类材料弹性模量EX207GPaR, 1, 0.01 ! 定义杆件第1类实常数,截面积0.01m2E, 1, 2 ! 通过节点连接关系定义各个单元, 单元1由1, 2节点组成E, 2, 3 ! 单元2由2, 3节点组成
7、E, 3, 4 ! 单元3由3, 4节点组成E, 4, 5 ! 单元4由4, 5节点组成E, 1, 6 ! 单元5由1, 6节点组成E, 6, 7 ! 单元6由6, 7节点组成E, 2, 6 ! 单元7由2, 6节点组成E, 2, 7 ! 单元8由2, 7节点组成E, 3, 7 ! 单元9由3, 7节点组成E, 4, 7 ! 单元10由4, 7节点组成E, 4, 8 ! 单元11由4, 8节点组成E, 7, 8 ! 单元12由7, 8节点组成E, 8, 5 ! 单元13由8, 5节点组成/PNUM, NODE,1 ! 打开节点编号显示/NUMBER, 2 ! 只显示编号, 不使用彩色/PNUM
8、, ELEM, 1 ! 打开单元编号显示开关EPLOT ! 图形显示单元FINISH ! 退出前处理模块! (4) 进入求解模块, 设置求解选项, 设置位移边界条件, 加载并开始求解/SOLU ! 进入求解模块:定义力和位移边界条件,并求解ANTYPE, STATIC ! 申明分析类型是静力分析（STATIC或者0）OUTPR, BASIC, ALL ! 在输出结果中, 列出所有荷载步的基本计算结果D, 1, ALL, 0 ! 约束1号节点的所有节点位移自由度UX和UYD, 5, UY, 0 ! 约束5号节点的竖向自由度UYF, 6, FY, -1000 ! 对6号节点施加-Y方向的集中力10
9、00NF, 7, FY, -1000 ! 对7号节点施加-Y方向的集中力1000NF, 8, FY, -1000 ! 对8号节点施加-Y方向的集中力1000NSOLVE ! 发出求解指令FINISH ! 退出求解模块! (5) 进入一般后处理模块, 显示结构变形图/POST1 ! 进入一般后处理模块: 显示变形和内力计算结果PLDISP,2 ! 显示结构变形图, 保留未变形结构的轮廓! (6) 列表显示节点位移和单元的计算结果PRDISP ! 列表显示节点位移值计算结果ETABLE, MFORX,SMISC,1 ! 以杆单元的轴力为内容, 建立单元表MFORXETABLE, SAXL, LS,
10、 1 ! 以杆单元的轴向应力为内容, 建立单元表SAXLETABLE, EPELAXL, LEPEL, 1 ! 以杆单元的轴向应变为内容, 建立单元表EPELAXLPRETAB ! 显示单元表中的计算结果/NUMBER, 0 ! 显示编号, 并使用彩色PLETAB, MFORX ! 用色度图显示单元表MFORX中杆件轴力图FINISH ! 退出后处理模块4结果分析通过建立模型的步骤（1）至（3），得到几何模型，要在模型上显示节点编号，需要用编号显示命令“/PNUM, NODE, 1”打开节点编号，关闭显示需要将这里的“1”该为“0”。命令“/PNUM, ELEM, 1”可以打开单元编号显示，默
11、认的单元颜色显示是编号和彩色同时使用，即各个单元具有不同的颜色。为了突出显示效果，这里使用了选项“/NUMBER, 2”将该设置修改为只显示编号，不使用颜色。后面第（6）步由命令“/NUMBER,0”恢复为彩色和编号同时使用，以突出彩色等高线图的显示。施加荷载和边界条件后，模型图中会出现荷载符号和节点约束标志。这里施加在节点上的集中力一般用红色箭头表示，每一个位移约束用一个小三角符号表示。所以在左侧节点由两个小三角，表示两个方向的线位移被约束。右侧支座则只有一个小三角，表示只约束了竖向线位移。通过求解后，第（6）步利用PRDISP列出了各个节点的位移计算结果（表1.1）。表1.1 人字型屋架的
12、节点位移计算结果节 点 号 水平位移 UX(m) 铅直位移 UY(m)1 0.0000 0.00002 0.28986E-05 -0.26666E-043 0.48309E-05 -0.25865E-044 0.67633E-05 -0.26666E-045 0.96618E-05 0.00006 0.95235E-05 -0.27149E-047 0.48309E-05 -0.25865E-048 0.13832E-06 - -0.27149E-04用定义单元表的方法，可以提取出各个单元的内力和应力。用列出单元表的计算结果指令PRETAB可以查看轴力、轴向应力和轴向应变的计算结果；表1.2是
13、由PRETAB列出的各个单元的轴力、轴向应力和轴向应变计算结果；表1.3是这几项计算结果的最小值和所在单元；表1.4是这几项计算结果的最大值和所在单元。表1.2 所有单元内力计算结果单元编号 轴力MFORX 轴向应力SAXL 轴向应变EPELAXL1 3000.0 0.30000E+06 0.14493E-052 2000.0 0.20000E+06 0.96618E-063 2000.0 0.20000E+06 0.96618E-064 3000.0 0.30000E+06 0.14493E-055 -3354.1 -0.33541E+06 -0.16203E-056 -3354.1 -0.
14、33541E+06 -0.16203E-057 -1000.0 -0.10000E+06 -0.48309E-068 1414.2 0.14142E+06 0.68319E-069 0.0000 0.0000 0.000010 1414.2 0.14142E+06 0.68319E-0611 -1000.0 -0.10000E+06 -0.48309E-0612 -3354.1 -0.33541E+06 -0.16203E-0513 -3354.1 -0.33541E+06 -0.16203E-05表1.3 轴力、向应力和轴向应变的最小值所在单元所在单元ELEM 13 13 13最小值 -3354.1 -0.33541E+06 -0.16203E-05表1.4 轴力、向应力和轴向应变的最大值及所在单元所在单元ELEM 1 1 1最大值 3000.0 0.30000E+06 0.14493E-05和前面的理论计算结果比较，内力计算结果吻合很好。
