ANSYS门式框架梁的铰接处理及静力分析

1、1 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential07-门式框架梁的铰接处理及静力分析算例来源： ANSYS Workbench有限元分析实例详解（周炬、苏金英著）算例制作：孟志华算例校核：关 键 词：框架、梁单元、铰接、自由度释放、静力分析、Beam1882 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential摘要本算例对一个门式框架的梁几何模型，进行静力分析，支架结构被简化为梁结构，采用了Beam188单元。本算例可以学习掌握ANSYS 中梁模型的网格划分、荷载施加，以及梁单元的后处理方法。特别地

2、，对于工程中常见的两个梁节点铰接的连接形式，算例中采用了“梁端节点自由度释放”的操作来实现。本例题是ANSYS中梁单元结构分析及后处理的基本例题，是梁结构分析的入门题目。3 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential案例描述本算例对一个支架结构进行静力分析，支架结构被简化为梁结构。梁结构上作用有顶部的均布力，门架两个柱的底部节点固定。门架梁的结构尺寸如下图，门架的柱和梁，在一侧为固接形式、另一侧为铰接形式。柱和梁的横截面均为圆管截面，材料使用ANSYS自带的钢材料4 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS C

3、onfidential3.1打开打开 ANSYS Workbench，打开，打开Mechanical静力分析模块。静力分析模块。（1）首先启动ANSYS Workbench环境。然后通过【File】菜单或快捷按钮，导入已有的“梁支架.wbpj”文件。文件已经提供了梁的几何模型和横截面信息，并且梁的连接节点已经做了“共享拓扑”处理。（2）在Workbench环境的起始界面下，在项目视窗【Project Schematic】中，已经创建了一个静力分析过程项目A。在项目A中，双击【Model】（也有使用鼠标右键弹出菜单），即可打开Mechanical模块，在该模块内进行网格划分、荷载施加、求解计算、

4、后处理。提示：ANSYS已经提供了静力分析、模态分析、热分析等分析流程的工具箱，工程师可根据工程需要，拖动所需流程模板放置到项目流程的视窗中。本例题使用的静力分析流程，从上至下包含了工程材料数据、几何建模、有限元模型、分析工况设置、求解计算、后处理等步骤，可分别打开不同的模块来完成不同的操作。5 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.2. 进入Mechanical，进行几何和截面检查及材料设置（1）导入的几何模型检查确认：在左侧目录树【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，该目录下为所有

5、导入的几何模型。此处仅有一个“横梁”零件，因为在Spaceclaim建模时使用了“共享拓扑”的设置，三根梁通过共节点连接并且材料、截面属性一致，因此直接被自动合并为一个零件。打开梁截面的显示开关：在顶部菜单栏，点开【View】菜单，并勾选“Cross section solids”选项，此时，梁的显示将不再是线条，而是圆管截面的形状。提示：打开“Cross section solids”选项开关，对于梁模型，将显示出梁的横截面，对于壳模型，将显示壳的厚度。若梁的角钢布置不符合实际工程，应返回到Spaceclaim模块中重新用“定向”工具来调整横截面的布置方向。6 2018 ANSYS, Inc

6、.March 26, 2022ANSYS Confidential3.2. 进入Mechanical，进行几何和截面检查及材料设置（续）给梁模型赋予材料：在左侧目录树【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，左键点中“surface body”几何模型，此时在界面左下角的【Detail】细节设置面板中可为单个零件赋予材料或更多设置。找到细节设置面板下的【Material】-【Assignment】，检查是否设为系统缺省提供的材料structural steel。7 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confide

7、ntial3.3. 修改右边柱-梁的连接形式，改为“铰接”对于工程中常见的两个梁节点铰接的连接形式，本例题采用了“梁端节点自由度释放”的方法来实现，即将一个共享节点修改为靠1-6个自由度耦合连接的两个节点。操作方法如下：（1）在GUI界面左侧目录树下，找到【Connection】，对其点鼠标右键弹出菜单，插入一个【End Release】操作。提示：在ANSYS的有限元分析过程中，各个零部件的连接关系定义和操作修改，均提供过该目录树【Connection】下的弹出菜单添加。包括接触关系、运动副关系、弹簧连接、梁杆连接等。8 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS

8、 Confidential3.3. 修改右边柱-梁的连接形式，改为“铰接”（续）（2）在【End release】对应的下方细节设置面板中，在【Vertex Geomtry】，先选中右上角柱-梁连接的节点，Apply确认，即选该点为铰接点；再在【Edge Geomtry】选中右边的柱，点Apply确认。然后再设置【Rot Y】项为Free。即释放铰接点的Y方向转动自由度，让柱和梁的共享节点可以发生转动。9 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.4. 进行网格划分（1）完成网格划分：本例题采用系统默认的网格尺寸即可。因此，直接在左侧目

9、录树【Outline】-【Mesh】上鼠标右键点击，弹出菜单中选择Generate Mesh，即可完成网格划分。划分完成后，可以在【Mesh】相关的细节设置面板中，在【Statistics】中看到节点数为74，单元数为36。10 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.5. 施加荷载及约束边界条件（1）施加集中力荷载：在目录树【Outline】-【Static Structural】静力分析工况位置，鼠标右键点击，在弹出菜单中使用【Insert】-【Force】集中力。然后在该集中力的下方细节设置面板中，设置加载位置、方向、数值。具体

10、操作是，第一步，在细节设置面板中的【Geometry】，选中顶部横梁“线段”作为加载部位，并点击Apply确认。第二步，点击面板中的【Direction】，选择左边垂直的梁线段，并点击Apply确认。最后，在面板中的【Magnitude】输入10000N（注意在视窗中检查力的方向是向下的）。提示：在ANSYS Workbench环境下，载荷类型【Force】的用途很多且非常方便，可以加传统意义的“集中力”（只能作用在点上），也可以加“分布力”（可以作用在面或线上）。在加“分布力”时，【Force】输入的是作用在面/线上的总作用力数值，【Pressure】则是输入单位面积上的作用力。11 201

11、8 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.5. 施加荷载及约束边界条件（续）（2）施加固定约束：在目录树【Outline】-【Static Structural】静力分析工况位置，鼠标右键点击，在弹出菜单中使用【Insert】-【Fixed Support】，即固定约束。然后在该固定约束的下方细节设置面板中，在【Geometry】位置指定约束的部位，即选中结构的左下角、右下角两个端点，并点击Apply确认。提示：选择梁端点时，建议使用顶部快捷工具栏的选择工具，即在点、线、面、体中切换为“点”进行选择操作。12 2018 ANSYS, Inc.

12、March 26, 2022ANSYS Confidential3.6. 静力分析求解本例题虽然使用了梁模型，但仍为常规的静力、线性问题，因此无需进行更多的求解控制。在左边目录树【Outlines】-【Static Structural】或者【Solution】位置，点鼠标右键，弹出菜单选Solve，进行求解。提示：特别注意，在计算完成后，可以找到左边目录树【Outlines】-【Static Structural】-【Solution】，左键点击并在对应的额下方细节设置面板中，将【Beam Section Results】选项设置为“Yes”。该操作，是将在后处理中提供梁单元截面的应力应变结

13、果，默认为No，即不提供截面的应力应变结果以加快显示速度。13 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.7. 应力/位移结果后处理（1）插入并查看Von Mises应力结果：计算完成后，在左侧目录树【outline】-【Solution】位置，鼠标右键，弹出菜单，选择-【insert】-【stress】-【Equivalent stress/Von-mises】，即可在Solution栏下插入一个Von-mises应力的结果。然后继续在左侧目录树【outline】-【Solution】上用鼠标右键弹出菜单，选择Evaluate Res

14、ults，完成结果文件的数据导入和图形显示。在本例题中，Von-miese应力最大值为1139Mpa，位置在横梁跨中偏右。14 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.7. 应力/位移结果后处理（续）（2）插入并查看位移结果：同理，在后处理的弹出菜单中，选择-【insert】-【Deformation】-【Total】，即可插入一个结构总位移的结果。然后继续在左侧目录树【outline】-【Solution】上用鼠标右键弹出菜单，选择Evaluate Results，完成结果文件的数据导入和图形显示。该例题的结构总位移，即X、Y、Z三

15、方向的位移矢量和，为1.23mm。15 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.8. 弯矩图剪力图后处理在之前的梁模型后处理的例题中，已经学习过弯矩图、剪力图、轴力图的生成方法。这里将学习另一种显示弯矩图、剪力图、轴力图的方法。（1）在GUI界面左侧的目录树中，找到【Project】-【Model】，并在其上鼠标右键点击，弹出菜单，添加一个【Construction Geometry】，以用于一些特殊的应用。（2）继续鼠标右键点击【Construction Geometry】，即在该目录下添加一个【Path】路径。该路径将用于创建整个

16、门架的内力图。16 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.8. 弯矩图剪力图后处理（续）（3）在【Construction Geometry】-【Path】对应的细节设置面板中，确保【Path Type】为“Edge”，即通过已有线段来创建路径的方法。然后在【Geometry】位置依次选中门架结构的三根柱-梁线段，并点击Apply确认。此时，从视图中即可看到创建的路径起点和终点（1-2）。提示：路径创建时的起点和终点，和线段自身的矢量方向有关。本题目中线段的矢量方向为逆时针。因此，在接下来的弯矩图剪力图中的起点将是“路径的起点”。1

17、7 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.8. 弯矩图剪力图后处理（续）（4）添加一个弯矩图、剪力图的结果：在GUI界面左侧目录树中，找到后处理相关的【Solution】目录，并在其上鼠标右键，插入一个【insert】-【Beam Results】-【Shear Moment Diagram】，即插入一个剪力-弯矩图结果。（5）设置“剪力-弯矩图”结果的细节属性：如下图，在【Total Shear-Moment Diagram】结果的细节设置面板中，在【Path】选项上设置为刚才步骤创建的“path”。18 2018 ANSYS,

18、Inc.March 26, 2022ANSYS Confidential3.8. 弯矩图剪力图后处理（续）（6）鼠标右键点击目录树中的【Solution】-【Total Shear-Moment Diagram】结果，使用弹出菜单的【Evaluate Results】，运算并显示结果。显示的结果如下图。图中，从上至下，分别是剪力图、弯矩图、位移分布图。而在GUI窗口下方，提供了剪力、弯矩、位移的数据表格。注意，这里的内力图，是按照之前步骤定义的路径计算的，因此，显示的是从路径1-2（起点-终点）的整个右柱-横梁-左柱的内力图。19 2018 ANSYS, Inc.March 26, 2022A