ANSYS《机械结构设计》上机指导.doc

机械结构设计上机指导第1节ANSYS简介1.1 ANSYS功能及特点作为起点，有必要先了解大型通用有限元计算软件ANSYS基本功能，并掌握使用ANSYS进行有限元分析的一般步骤，对使用有限元软件进行结构分析有一个总体的认识，初学者应仔细阅读本节，并尽快熟悉ANSYS 中使用到的各种菜单、命令、工具栏等。ANSYS是美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元计算软件。有限元计算软件又称FEA软件或FEA(Finite Element Analysis)。ANSYS公司是1970年由John Swanson博士创建的，开发计算机模拟工程的大型通用有限元软件的公司，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡。ANSYS作为大型通用有限元计算软件，是一个融结构、热、流体、电、磁。声学于一体的大型通用有限元软件。作为目前最流行的有限元软件之一，它具备功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点，成为了工程师们开发设计的首选，并广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。ANSYS软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。ANSYS软件从1971年的2.0版本发展到今天，从用户交互图形界面到计算模块、应用数值方法和计算优化上都有了巨大的改进。起初它仅仅提供结构线性力学分析和热分析，到现在已发展成为了一整套可扩展的、灵活集成、可以独立运行的，将有限无分析、计算机图形学和优化技术相结合的，各种模块综合集成化的大型计算软件。ANSYS最基本的模块包含了前处理、求解器以及后处理三大部分。另外值得一提的是，它是目前世界上唯一可以进行耦合场运算的有限元分析软件。模块和运行环境作为了解软件的一个重要部分，有必要列举一下本软件的基本特点、基本模块、与其他软件的接口以及运行环境。l ANSYS的主要技术特点:作为大型通用有限元软件，ANSYS具有很多其他有限元软件所不具备的优势和特 点，例如： 能实现多场及多场耦合分析 能实现统一前处理、求解、后处理及多场分析数据库的大型FEA软件 具有多物理场优化功能的FEA软件 较为强大的非线性分析功能 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据 文件全部兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 多种自动网格划分技术 良好的用户开发环境l ANSYS的主要应用模块 ANSYS/Multiphysics：该模块是目前应用范围最为广阔的软件包，是一个多 物理场耦合的分析程序，用户不仅可以进行诸如结构、热、流体、电磁等的 单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究，提供了模拟真实工程问题 所必须的设计分析功能。 ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广阔的工程分析与设计优化功能，这些功能包括完整的结构、热、压点及声学分析，是一个功能非常强大的设 计校验工具，可以用来确定位移、应力、应变、作用力、温度、压力分布以 及其他重要的设计标准。 ANSYS/Structural：这个模块通过利用先进的非线性功能，可以对工程问题进 行高目标的结构分析，例如几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分 析等，可以精确模拟大型复杂结构的性能。 ANSYS/Linear plus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的一个线性结构 分析选项，可以用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性部分仅包含了对 间隙元以及板、梁结构的大变形分析。 ANSYS/Thermal：该模块是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，可以单独 运行的热分析程序，同时还可以进行稳态及瞬态热分析。 ANSYS/Preppost：该模块为用户提供了强大的前处理功能，使有限元模型的 建立变得简单易行。其后处理器能够使用户检查ANSYS分析的所有结果。 ANSYS/ED：该模块是一个完整的设计模拟程序，它拥有ANSYS/Multiphysics 的全部功能，只是解题规模受到了限制，该软件主要用于培训和教学，可以 独立运行。我们上机实习就采用该版本。 ANSYS/FLOTRAN：该程序是一个灵活的CFD软件，可以求解各种流体流动 问题，具体包括了层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。通过与 ANSYS/Mechanical的耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一具有设计优化能 力的CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。 ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可以模拟电磁场、静 电学、电路及电流传导分析。与其他ANSYS模块联合使用，具有多物理场 分析功能，能够研究流场、电磁场以及结构力学间的相互影响。 ANSYS/LS-DYNA：这是一个显式求解软件，可以解决高度非线性结构动力 学问题，可以模拟板料成形、碰撞分析、大变形冲击、非线性材料性能以及 多物体接触分析等，可以加入第一类软件包中运行，也可以单独运行。l ANSYS与其他CAD软件的接口 Unigraphics Pro/ENGINEER I-DEAS CATIA CADDS Solid Edge SolidWorks一般来说，推荐将 ANSYS安装在高性能的工作站上，最好是选购品牌 PC工作站。如果是兼容机，则应注意选择较好的显卡，具体要求是硬件支持OpenGL 1.2加速。1.2 ANSYS基础知识这一节将介绍有关有限元计算以及ANSYS基本操作的一些基础的背景知识。对于有一定基础的读者，可以粗略浏览或跳过本节。1.2.1 有限元法的基本构架目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法。就其广泛性而言，有限单元法在结构分析中的地位是不可替代的。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列有限大小的单元，单元之间通过节点相连，每个单元被看作是一个整体。单元内部任意位置的待求量只能够由单元节点上的求解值通过选定的函数关系插值得到。由于设定的单元形状简单，因此易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，通过求解所有这些单元方程组合成的一个总体代数平衡方程组，最终获得复杂模型的近似数值解。显然，单元越小结果也越接近实际，却同时也需要更多的计算量。构成有限元系统的是3个基本元素：节点、单元和自由度。l 节点（Node） 节点是构成有限元系统的基本对象，也就是整个工程系统中的一个 最基本点。它包含了坐标位置以及具有物理意义的自由度信息。l 单元(element) 单元是由节点与节点相连而成，是构成有限元系统的基础。一个 有限元系统必须有至少一个以上的单元。单元和单元之间由各节点相互连接。在 具有不同特性的材料和不同的具体结构当中，可选用不同种类的单元，单元中包 含了物理对象的各种特性。ANSYS提供了一百多种可供不同分析选择的单元，例 如梁单元、平面单元、体积单元等。在工程分析时，选择了适当的单元将可以大 大提高计算的效率和精度。l 自由度（Degree of Freedom或DOF）：在ANSYS中，提出了两个自由度的概念， 一个是整个系统的自由度，在分析中需要进行适当的约束，另一个是节点自由度， 每个节点都有各自的节点坐标系和对应的节点自由度，对于不同的单元上的节点， 具有不同的自由度。后面在使用到时将再进一步进行介绍。要了解节点、单元和自由度的详细描述，请参考ANSYS的帮助文档中的Element Reference内容，那里有每种单元类型的详尽介绍。1.2.2 ANSYS架构了解了有限元求解问题的基本思路以后，再来看看ANSYS在求解有限元问题时起到一个什么样的作用，以及ANSYS是如何进行有限元问题求解的。ANSYS构架分为两层，一是起始层(Begin Level)，二是处理层(Processor Level)。当一个操作命令输入时，通过起始层过滤和分流，进入到处理层中不同的程序求解器（或称为求解模块，processor）。求解器可视为解决问题步骤中的组合代码，执行特定的指令，解决问题的一个部分。一个完整的ANSYS应用分析，典型的分析过程分为3个主要步骤：1创建有限元模型前处理(1) 创建或读入限元模型。(2) 定义材料属性。(3) 划分网格。2施加载荷并求解求解(1) 施加载荷及设定约束条件。(2) 求解。3查看结果后处理(1) 看分析结果。(2) 查结果是否正确。一般包含的流程中必然使用到的求解器和执行功能简单描述如下：l 前处理器(Genneral Preprocessor或PREP7) 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、单元内节点排列次序 设定材料属性，如泊松比和弹性模量等 划分单元l 求解器（Solution Processor或SOLU） 设定结构载荷 设定边界条件 问题求解l 后处理器（General Postprocessor或 POST1、Time Domain Postprocessor或 POST26） 查看求解结果中的变形、应力、应变、反作用力等基本信息 获取求解结果的分析信息 绘制求解结果的各种分析曲线 获取动态结果分析 用于与时间相关的结果处理在分析的不同阶段，需要进入不同的求解器进行操作。既可以通过菜单选项进入，也可以通过输入命令进入。例如，可通过斜杠/加处理器的名称进入到相应的求解器，如/PREP7进入前处理器，/SOLU进入求解器，而/POST1命令则进入后处理器。退出处理器、进行处理器间的转换，可以通过finish命令或fini命令先回到起始层，然后进入想到达的求解器位置。1.3本手册的格式和符号约定本上机手册为每个例子都提供了交互的求解步骤，每步均给出了详细的菜单和文字提示。提示使用下面的格式：This is a step in the analysis (这是分析中的一步)各步骤都用序号标明且包含一系列相关菜单路径和操作，如下面所示：Main Menu：PreprocessorMaterial PropsConstantIsotropic上式就给出了一个菜单路径(代表图形用户界面上特定功能的完整位置的字符串)，其第一部分(Main Menu)就表明该功能位于系统的主菜单(ANSYS的两个主要菜单区是Main Menu和Utility Menu)，必须到主菜单区找相应的功能。上面菜单路径的其余部分表示特定的菜单标题，每级分标题用“”分隔。如果菜单中使用粗体字(如Material Props)，就说明你必须用鼠标左键单击该项。而有些菜单项中包含描述性标签，如ConstantIsotropic，则不必点击该标签(Constant)。菜单路径中包含下划线的项表明你已经处在该项菜单内，因而不必再单击该项。1 序号代表一个特定的动作及其顺序，例如一个鼠标动作和输入一行文字。所有动作都在操作步骤中顺序编号，而且在图示和对话框中也有对应的编号。使用键盘输入的文字用下面的斜体字体：Type in text 表示需要你按一下回车键。1.4 进入ANSYSSNSYS有若干启动选择项，其中最常用的两个选项是：Jobname：标识由ANSYS运行中所产生的所有文件的名称前缀。所有文件的命名规则是jobname.ext，这里ext代表独一无二的ANSY文件扩展名以标识文件的内容。而ANSYS程序启动时填写的Jobname被称为初始jobname，你在ANSYS执行过程中随时都可以更改jobname。Working directory：这是ANSYS运行时所在的目录，所有由ANSYS产生的文件也存放在该目录中。在Window2000下启动ANSYS的步骤如下：1在Windows中用鼠标左键单击“开始程序ANSYSED 5.7Interactive”。12在弹出的Interactive对话框中填写Working directory。也可以单击“”按钮选择你在ANSYS分析中使用的工作目录。缺省的目录是“c:”，不过建议不要使用该目录，因为ANSYS运行过程中会产生许多中间文件或结果文件。另外，目录和文件名不要使用中文以免产生乱码。3在弹出的Interactive对话框中填写Initial Jobname。如果不填写则ANSYS使用“file”作为缺省的文件名。4输入运行ANSYS时需要的内存量，单位是MB。5单击“Save & Run”键，运行ANSYS Interactive。6ANSYS将弹出版权提示窗口。单击“OK”或直接就可以进入ANSYS的交互界面。45321.5 ANSYS的图形用户界面(GUI)介绍ABCDEFA: Utility Menu，实用工具菜单。包含整个ANSYS分析过程中用到的功能，例如文件控制、实体选择、图形控制、参数设置和退出ANSYS等。B: Main Menu，主要菜单。包含主要的ANSYS分析功能。菜单的顺序是按照处理器排列的，例如Preprocessor, Solution, General Postprocessor, Design Optimizer等等。C: Toolbar，快捷工具栏。包含执行常见ANSYS命令和功能的按钮。用户可以自行定义新的功能按钮。D: Input Window，输入窗口。显示程序的提示信息，并允许用户直接输入命令。所有先前执行的命令也保留在窗口里以供参考和应用。E: Graphics Window: 图形显示窗口。F: Output Window: 输出窗口。列出程序和命令执行过程中的响应信息。该窗口一般隐藏在其它窗口之后，当需要的时候可以把它提到前面来。所有的窗口可以自由地重新排列，也可以关闭除Output Window以外地其它窗口。1.6 鼠标键功能的设置1.6.1 鼠标键功能在点选操作时鼠标键功能设置如下： 左键：左键拾取或取消离鼠标指针最近的实体或位置。按下并拖动鼠标左键可以使你“预览”即将拾取或取消的目标。 中键：中键确认拾取的项并执行与之对应的功能。它与拾取菜单的“Apply”键等效。如果使用两键鼠标，则按“SHIFT+鼠标右键”来模仿中键。 右键：右键在拾取和取消模式中切换。其功能与拾取菜单上的“Pick”和“Unpick”按键等效。1.6.2 鼠标键点选的热点位置热点是指在拾取过程中，实体标识自身的位置。例如，在拾取两个相邻单元中的一个时，实际被选择到的单元就是其热点距离鼠标指针最近的单元。而在点选面、体积和单元时，热点就是其形心的位置。至于线则有三个热点：一个在中点，其余在两端。如果你选取的位置上有两个和多个重合的实体(其热点重合)，则会出现一个“Multiple Entities”对话框允许你遍历重合的实体，直到所期望的实体被突出显示出来。1.6.3 作图命令在ANSYS中的作图命令：当建模过程中需要画出相应的实体时，执行下面的命令画关键点：Utility Menu: PlotKeypointsKeypoints画线：Utility Menu: PlotLines画面：Utility Menu: PlotAreas画体：Utility Menu: PlotVolumes画节点：Utility Menu: PlotNodes画单元：Utility Menu: PlotElements1.7 图形拾取和图形操作 AAABBCCDDEEFFGHIJFANSYS程序的许多功能都包含图形拾取使用鼠标识别图形实体和坐标位置。最常用的图形拾取操作有：一个是位置拾取，即用户确定新点的坐标位置。例如，创建关键点时在工作平面上的拾取操作；另一个是实体检索拾取，即由用户识别已经存在的实体。例如，给某一点上施加载荷和位移约束时，在屏幕上拾取已经存在的实体。在建模时经常需要对屏幕上的图形进行放大、平移和选择等操作，为此ANSYS专门提供了一个操作工具。A: 功能名称。标识工具栏的名称B: 拾取模式。共有两种模式，拾取模式和取消拾取模式。这两种模式是互斥的。这两种模式也可以通过鼠标右键进行切换。当图标指针的箭头朝上时处于拾取模式，当指针的箭头朝下时处于取消拾取模式。为了加快拾取多种实体，除了单选外还可以窗选、多边形选、圆窗选，在这些图形构成的界内的实体将同时被选取或从已经选择的集合内排除。C: 拾取状态。已经拾取实体的个数(Count)，最大和最小的允许拾取数目。D: 被拾取实体的数据。显示正在被拾取的实体的信息。如果是位置拾取，此时显示的是被选点在工作平面和总体坐标系上的坐标值。如果是实体拾取，则显示被选实体的编号。E: 键盘输入选项。有时在Input Window上直接用键盘输入坐标或实体编号更方便F: 执行键。OK：确认执行的操作，关闭工具栏。Apply：与OK功能相同，但不关闭工具栏。Reset：取消所有选择Pick All：选取所有实体，仅限于实体拾取。Help：对执行的操作提供帮助G: 将实体移动到预定义的视角，如主视图、俯视图、左视图、右视图等等H: 窗口放大等操作I: 箭头方向表示了平移的方向，中间的圆形按钮则是对模型整体放大或缩小。J: 绕X、Y和Z轴旋转模型，旋转方向有正向和反向。第2节二维桁架的静力分析2.1 问题描述以下面的简单桁架为例进行静力分析。桁架的加载和约束的情况如图所示。根据所给出的尺寸、材料和力，求约束反力和各杆件的内力和应力，画出桁架的变形。桁架杆件尺寸：A=0.5 m2材料特性：弹性模量E=2.05e5N/mm2=2.05e11N/ m2，泊松比m=0.3根据问题的实际情况，所有力、支反力和变形等都出现X-Y平面中，我们需要进行二维分析。桁架中的每一个构件都使用杆单元(LINK1单元)模拟，因为各杆件之间都是靠铰连接，只传递轴力不传递弯矩。桁架由一个固定铰支座和一个活动铰支座约束起来。在固定铰支座处，X和Y方向的位移都被约束起来。在活动铰支座处，仅Y方向的位移被约束。2.2 求解步骤概述1. 前处理1) 确定分析标题2) 设置菜单偏好3) 定义单元类型4) 定义单元实常数5) 定义材料特性6) 创建桁架铰点处的单元节点7) 在节点间创建杆单元2. 求解8) 对模型设置约束和施加载荷；9) 求解3. 后处理10) 绘制桁架变形图；11) 定义和查询单元表项；12) 绘制支反力；13) 退出ANSYS。2.3 详细的交互求解步骤u 前处理1) 确定分析标题Utility Menu: FileChange Title1键入分析的标题：“2-D Truss Analysis”2OK212) 设置菜单偏好根据分析问题的学科性质过滤在分析过程中出现的GUI。在“Preferences”对话框中选择“Structural”项，完全屏蔽所有其他与Thermal、Electromagnetic、Fluid有关的菜单项。因为我们的例子中仅涉及结构分析。Main Menu: Preferences1仅仅打开“Structural”菜单过滤2OK213) 定义单元类型Main Menu: PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete1增加单元类型2选择结构的“Structural Link”单元族；3选择“2-D Spar”(Link1)4OK5Close543214) 定义实常数定义与Link1单元相相关的实常数。所谓的实常数就是不同单元所具有的单元属性。对于LINK1单元，其实常数就是单元的横截面积。Main Menu: PreprocessorReal Constants1增加实常数2按OK为LINK1单元定义实常数；3在“Area”项填入：0.54OK5Close325145) 定义材料特性Main Menu: PreprocessorMaterial PropsMaterial Models1鼠标双击“Isotropic”定义各向同性材料集1；2在“EX”项填入弹性模量：2.05e113在“PRXY”项填入泊松比：0.34OK1432与分析无关的材料项可以不填。保存工作，按菜单条上的保存按钮。Toolbar: SAVE_DB6) 建立在桁架铰点处的节点Main Menu: PreprocessorModelingCreateNodesIn Active CS1在节点号菜单栏键入：1。(如果这个栏空着，ANSYS将自动为生成的节点编号。我们这里要根据要求直接指定编号)2为节点1确定X、Y坐标：6, 03按“Apply”完成节点1的定义213NodeXY160218030841285248按下表的坐标值建立节点25。在输入节点5的X、Y坐标后，按OK键(而不是Apply键)定义节点并关闭对话框。下面列出模型中节点的位置以确认其确性。如果发现定义节点中出现错误，则重复上面建立节点的过程，使用相同的节点编号。这样重新定义的节点就会取代原先错误的节点。Utility Menu: ListNodes4OK5查看弹的节点出列表窗口，然后关闭它。54到目前位置我们定义的所有节点在模型窗口中仅仅是几个点，无法直观了解每个节点具体的编号，我们可以让ANSYS打开节点编号。Utility Menu: PlotCtrlsNumbering1打开节点编号2OK21此时屏幕上的节点旁都有其相应的编号。3Toolbar: Save_DB，保存目前所做的工作7) 在节点间生成杆单元Main MenuPreprocessorCreateElementsAuto NumberedThru Nodes1拾取节点12拾取节点23在弹出的拾取菜单上按“Apply”键完成一个单元的定义。321按照下表重复上述单元定义过程，生成相应的单元。在定义完最后一个单元(单元7)时，按OK键(而不是Apply键)定义节点并关闭对话框。ElementNodeNode112213314424525634745为了直观了解每个单元具体的编号，我们可以让ANSYS打开单元编号。Utility Menu: PlotCtrlsNumbering1打开单元编号2OK正如我们所见到的一样，虽然打开了单元编号，但相应单元上并未出现其编号。这是因为我们最新的一个作图命令是画节点。为了看到有带编号的单元，需要执行绘制单元的命令。Utility Menu: PlotElements12此时屏幕上的每个代表杆单元的线段中部都有其相应的单元编号。3Toolbar: Save_DBu 求解8) 在模型上施加载荷和约束按照前面问题描述中给出的约束和载荷，对已经建立起的模型加载。Main Menu: SolutionLoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes1在屏幕上拾取节点52OK(在拾取菜单)3选择“All DOF”，在“Displacement value”一栏中不填任何值，因此其缺省的位移值为0。因为节点5上有固定铰支座，所以该节点在X、Y方向上都没有位移。4按“Apply”键完成对节点5的约束。1243此处不填任何值5在屏幕上拾取节点26OK(在拾取菜单)7选择“UY”(确保仅仅选择了UY)，以便仅约束节点2的Y方向位移。因为节点2上有滑动铰支座，所以该节点在Y方向上没有位移而X方向可以自由运动。在“Displacement value”一栏同样采用缺省的位移值为0。8OK。7865Main Menu: SolutionLoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes9在屏幕上拾取节点310OK(在拾取菜单)11在下拉菜单中选择“FY”作为载荷方向。12输入载荷值：-2000。负号表示该力的方向与坐标系Y轴正方向相反。13按“Apply”键完成对节点3的约束屏幕上拾取节点415OK(在拾取菜单)16输入载荷值：-1000(仍然沿FY方向)。17按“OK”键完成对节点4的约束并退出节点加载菜单。17161514为了看清边界条件情况，可以打开边界符号选项。这样随后的模型图中都包含载荷符号和边界条件。Utility Menu: PlotCtrlsSymbols18选择“Applied BCs”。仅显示施加的载荷和位移约束。19OK1819重新画单元：Utility Menu: PlotElements20Toolbar: Save_DB此时模型已经能用于求解了。9) 求解Main Menu: SolutionSolveCurrent LS在求解之前最好能预先看一下求解的功能选项和载荷步的设置，这将允许你在执行分析前确认你的模型的情况。1分析状态窗口提供的信息，然后关闭它2OK，开始分析求解3Close。求解完成后关闭信息窗口213u 后处理10) 绘制变形图Main Menu: General PostprocPlot ResultsDeformed Shape1点击“Def+undeformed”。该选项将绘制桁架的变形图，同时屏幕上叠加用虚线绘制的未变形的模型轮廓图。2OK21下面我们将查看桁架中不同杆件的应力和内力。为此，我们首先需要定义单元表。因为从每个单元中可以计算出不同类型的数据，在定义单元表的过程中需要确定需要查看哪种数据。在本例中我们需要查看每个单元的轴向力和轴向应力。11) 定义和查看单元表项Main Menu: General PostprocElement TableDefine Table1新增一个单元表数据2键入“Axial”作为数据项的名称标签3向下滚动，选择“By sequence number”项4选择“LS，”项5在选择域“LS，”字串后面键入数据：16按“Apply”键，定义轴向应力作为单元表Etable的一项。6543217键入“Memfor”作为数据项的名称标签8向下滚动，选择“By sequence number”项9选择“SMISC，”项10在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：111按“OK”键，定义单元X向(轴向)内力作为单元表Etable的一项。12关闭对话框121110987下面的命令列出刚建立的单元表。Main Menu: General PostprocElement TableList Elem Table1选择“Axial”和“Memfor”项2按“OK”列出高亮选择的项目3查看列出的数据信息，然后选择“FileClose”关闭该窗口23112) 列出支反力Main Menu: General PostprocList ResultsReaction Solu1点击“All struc forc F”或“All Items”项2点击OK3查看列出的数据信息，然后选择“FileClose”关闭该窗口312113) 绘制支反力Utility Menu: Plot CtrlsSymbols1点击“For Individual”项2点击OK3向下滚动，打开支反力项4点击OK，作图绘制出支反力432114) 退出ANSYSTool bar: Quit1点击“QuitNo Save!”项2点击OK21第3节 二维刚架的静力分析上例计算的桁架是一个静定结构而且各个构件中只存在轴向力，不存在弯矩或者剪力。本节将以一个超静定刚架为例，分析其位移、弯矩和剪力等。刚架的加载和约束的情况如图所示。根据下面所给出的尺寸、材料和力，求约束反力和各杆件的内力和应力，画出刚架的变形。刚架的基本数据如下：桁架杆件尺寸：工字钢I20a，面积A=35.5 cm2=35.510-4 m2，惯性矩I=2370 cm4=237010-8 m4材料特性：弹性模量E=2.1e5N/mm2，泊松比m=0.3 (钢材)载荷：=20kN/mu 前处理1) 确定分析标题Utility Menu: FileChange Title1键入标题：“2-D Frame Analysis”2OK212) 设置菜单偏好根据分析问题的学科性质过滤在分析过程中出现的GUI。在“Preferences”对话框中选择“Structural”项，完全屏蔽所有其他与Thermal、Electromagnetic、Fluid有关的菜单项。因为我们的例子中仅涉及结构分析。Main Menu: Preferences1仅仅打开“Structural”菜单过滤2OK213) 定义单元类型Main Menu: PreprocessorElement typeAdd/Edit/Delete1增加单元类型2选择结构的“Structural Beam”单元族；3选择“2-D Elastic 3”(BEAM3)4OK5Close543214) 定义实常数定义与Beam3单元相关的实常数。所谓的实常数就是不同单元所具有的单元属性。对于Beam3单元，其实常数就是单元的横截面积、惯性矩和梁高。Main Menu: PreprocessorReal Constants1增加实常数2按OK为Beam3单元定义实常数；3在“Area”项填入：35.5e-44在“IZZ” 项填入：2370e-85在“HEIGHT” 项填入：0.26OK7Close76543215) 定义材料特性Main Menu: PreprocessorMaterial PropsMaterial Models1鼠标双击“Isotropic”定义材料集1；2在“EX”项填入：2.1e113在“PRXY”项填入：0.34OK5MaterialExit，退出材料定义54321与分析无关的材料项可以不填。保存工作，按菜单条上的保存按钮。Toolbar: SAVE_DB6) 建立在刚架的节点Main Menu: PreprocessorModelingCreateNodesIn Active CS1在节点号菜单栏键入：1。(如果这个栏空着，ANSYS将自动为生成的节点编号。我们这里要根据要求直接指定编号)2为节点1确定X、Y坐标：0, 03按“Apply”完成节点1的定义231NodeXY1002603-6040-4.5按下表的坐标值建立节点24。在输入节点4的X、Y坐标后，按OK键(而不是Apply键)定义节点并关闭对话框。下面列出模型中节点的位置以确认其正确性。如果发现定义节点中出现错误，则重复上面建立节点的过程，使用相同的节点编号。这样重新定义的节点就会取代原先错误的节点。Utility Menu: ListNodes4OK5查看弹出的节点列表窗口，然后关闭它。21到目前位置我们定义的所有节点在模型窗口中仅仅是几个点，无法直观了解每个节点具体的编号，我们可以让ANSYS打开节点编号。Utility Menu: PlotCtrlsNumbering1打开节点编号2OK21此时屏幕上的节点旁都有其相应的编号。3Toolbar: Save_DB，保存目前所做的工作7) 在节点间直接生成梁单元Main MenuPreprocessorCreateElementsAuto NumberedThru Nodes1拾取节点12拾取节点23在弹出的拾取菜单上按“Apply”键完成一个单元的定义。321按照下表重复上述单元定义过程，生成相应的单元。在定义完最后一个单元(单元3)时，按OK键(而不是Apply键)定义单元并关闭对话框。ElementNodeNode112213314为了直观了解每个单元具体的编号，我们可以让ANSYS打开单元编号。Utility Menu: PlotCtrlsNumbering1打开单元编号2OK正如我们所见到的一样，虽然打开了单元编号，但相应单元上并未出现其编号。这是因为我们最新的一个作图命令是画节点。为了看到有带编号的单元，需要执行绘制单元的命令。Utility Menu: PlotElements21此时屏幕上的每个代表杆单元的线段中部都有其相应的单元编号。u 求解8) 在模型上施加载荷和约束按照前面问题描述中给出的约束和载荷，对已经建立起的模型加载。Main Menu: SolutionLoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes1在屏幕上拾取节点22OK(在拾取菜单)3选择“All DOF”，在“Displacement value”一栏中不填任何值，因此其缺省的位移值为0。因为节点2上有固定支座，所以该节点在X、Y方向上都没有位移，也不能绕Z轴旋转。4按“Apply”键完成对节点2的约束。43215在屏幕上拾取节点36OK(在拾取菜单)7选择“UY”(确保仅仅选择了UY)，以便仅约束节点3的Y方向位移。因为节点3上有滑动铰支座，所以该节点在Y方向上没有位移而X方向可以自由运动。在“Displacement value”一栏同样采用缺省的位移值为0。8按“Apply”键完成对节点3的约束。87659在屏幕上拾取节点410OK(在拾取菜单)11选择“UY”和“ROTZ”(确保仅仅选择了UY和ROTZ)，以便仅约束节点4的Y方向位移和绕Z轴的旋转。因为节点4上有滑动双铰链支座，所以该节点在Y方向上没有位移和绕Z轴的旋转，而X方向可以自由运动。在“Displacement value”一栏同样采用缺省的位移值为0。12按“OK”键完成对节点4的约束。1211109Main Menu: SolutionLoadsApplyStructuralPressureOn Beams1在屏幕上拾取单元12OK(在拾取菜单)3菜单栏“VALI Pressure value at node I”中输入载荷值：20e3。而菜单栏“VALI Pressure value at node J”不填，表示作用在该梁上的压力是均匀的。4按“OK”键完成对单元1的加载，并退出单元加载菜单。4321为了看清边界条件情况，可以打开边界符号选项。这样随后的模型图中都包含载荷符号和边界条件。Utility Menu: PlotCtrlsSymbols1选择“Applied BCs”。仅显示施加的载荷和位移约束。23压力用箭头表示。4OK4321重新画单元：Utility Menu: PlotElements20Toolbar: Save_DB此时模型已经能用于求解了。9) 求解Main Menu: SolutionSolveCurrent LS在求解之前最好能预先看一下求解的功能选项和载荷步的设置，这将允许你在执行分析前确认你的模型的情况。1分析状态窗口提供的信息，然后关闭它2OK，开始分析求解3Close。求解完成后关闭信息窗口321u 后处理10) 绘制变形图Main Menu: General PostprocPlot ResultsDeformed Shape该选项将绘制桁架的变形图，同时屏幕上叠加用虚线绘制的未变形模型轮廓图。可以发现绘制的刚架变形误差较大，这是因为模型中单元数量太少。下面我们将查看桁架中不同杆件的应力和内力。为此，我们首先需要定义单元表。因为从每个单元中可以计算出不同类型的数据，在定义单元表的过程中需要确定需要查看哪种数据。在本例中我们需要查看每个单元的轴向力和轴向应力。11) 定义和查看单元表项Main Menu: General PostprocElement TableDefine Table1新增一个单元表数据2键入“Fx_A”作为数据项的名称标签(名称可以自定义)。3向下滚动，选择“By sequence number”项4选择“SMISC，”项5在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：16按“Apply”键，定义X向(轴向) 内力作为单元表Etable的一项。它代表在单元起始节点上的内力。6443127键入“Fy_A”作为数据项的名称标签(名称可以自定义)。8向下滚动，选择“By sequence number”项9选择“SMISC，”项10在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：211按“Applly”键，定义单元Y向剪力作为单元表Etable的一项。它代表在单元起始节点上的内力。811109712键入“M_A”作为数据项的名称标签(名称可以自定义)。13向下滚动，选择“By sequence number”项14选择“SMISC，”项15在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：616按“Apply”键，定义单元Z向弯矩作为单元表Etable的一项。它代表在单元起始节点上的内力。161514131217键入“Fx_J”作为数据项的名称标签(名称可以自定义)。18向下滚动，选择“By sequence number”项19选择“SMISC，”项20在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：721按“Apply”键，定义X向(轴向) 内力作为单元表Etable的一项。它代表在单元另一端节点上的内力。212019181722键入“Fy_J”作为数据项的名称标签(名称可以自定义)。23向下滚动，选择“By sequence number”项24选择“SMISC，”项25在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：826按“Apply”键，定义Y向剪力作为单元表Etable的一项。它代表在单元另一端节点上的内力。262524232227键入“M_J”作为数据项的名称标签(名称可以自定义)。28向下滚动，选择“By sequence number”项29选择“SMISC，”项30在选择域“SMISC，”字串后面键入数据：12，定义Z向弯矩作为单元表Etable的一项。它代表在单元另一端节点上的内力。31按