ANSYS门式框架梁的铰接处理及静力分析T

07-门式框架梁的铰接处理及静力分析算例来源：《ANSYSWorkbench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、Beam188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，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。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3.1打开ANSYSWorkbench，打开Mechanical静力分析模块。（1） 首先启动ANSYSWorkbench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【ProjectSchematic】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、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。3.2.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“Crosssectionsolids”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“Crosssectionsolids”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。3.2.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“surfacebody”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structuralsteel。3.3.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【EndRelease】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。3.3.修改右边柱-梁的连接形式，改为“铰接”（续）（2） 在【Endrelease】对应的下方细节设置面板中，在【VertexGeomtry】，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【EdgeGeomtry】选中右边的柱，点Apply确认。然后再设置【RotY】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。3.4.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，直接在左侧目录树【Outline】-【Mesh】上鼠标右键点击，弹出菜单中选择GenerateMesh，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。3.5.施加荷载及约束边界条件（1） 施加集中力荷载：在目录树【Outline】-【StaticStructural】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ANSYSWorkbench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。3.5.施加荷载载及约束束边界条件件（续））（2） 施加加固定约约束：在在目录树树【Outline】-【StaticStructural】静力分析析工况位位置，鼠鼠标右键键点击，，在弹出出菜单中中使用【Insert】-【【FixedSupport】，即固定定约束。。然后在在该固定定约束的的下方细细节设置置面板中中，在【Geometry】】位置指定定约束的的部位，，即选中中结构的的左下角角、右下下角两个个端点，，并点击击Apply确认。提示：选选择梁端端点时，，建议使使用顶部部快捷工工具栏的的选择工工具，即即在点、、线、面面、体中中切换为为“点””进行选选择操作作。3.6.静力分析析求解本例题虽虽然使用用了梁模模型，但但仍为常常规的静静力、线线性问题题，因此此无需进进行更多多的求解解控制。。在左边边目录树树【Outlines】】-【StaticStructural】或者【Solution】】位置，点点鼠标右右键，弹弹出菜单单选Solve，进行求求解。提示：特特别注意意，在计计算完成成后，可可以找到到左边目目录树【【Outlines】-【StaticStructural】-【Solution】，左键键点击并并在对应应的额下下方细节节设置面面板中，，将【BeamSectionResults】选项设设置为““Yes”。该操操作，是是将在后后处理中中提供梁梁单元截截面的应应力应变变结果，，默认为为No，即不提提供截面面的应力力应变结结果以加加快显示示速度。。3.7.应力/位移结果果后处理理（1） 插入入并查看看VonMises应力结果果：计算算完成后后，在左左侧目录录树【outline】-【Solution】位置，鼠鼠标右键键，弹出出菜单，，选择-【insert】-【stress】-【Equivalentstress/Von-mises】，即可在在Solution栏下插入入一个Von-mises应力的结结果。然然后继续续在左侧侧目录树树【outline】-【Solution】上用鼠标右右键弹出菜菜单，选择择EvaluateResults，完成结果果文件的数数据导入和和图形显示示。在本例题中中，Von-miese应力最大值值为1139Mpa，位置在横横梁跨中偏偏右。3.7.应力/位移结果后处理（续续）（2） 插入并并查看位移移结果：同同理，在后后处理的弹弹出菜单中中，选择-【insert】】-【Deformation】-【【Total】，即可插入入一个结构构总位移的的结果。然然后继续在在左侧目录录树【outline】】-【Solution】上用鼠标右右键弹出菜菜单，选择择EvaluateResults，完成结果果文件的数数据导入和和图形显示示。该例题的结结构总位移移，即X、Y、Z三方向的位位移矢量和和，为1.23mm。3.8.弯矩图剪力力图后处理理在之之前前的的梁梁模模型型后后处处理理的的例例题题中中，，已已经经学学习习过过弯弯矩矩图图、、剪剪力力图图、、轴轴力力图图的的生生成成方方法法。。这这里里将将学学习习另另一一种种显显示示弯弯矩矩图图、、剪剪力力图图、、轴轴力力图图的的方方法法。。（1） 在GUI界面左侧的目目录树中，找找到【Project】-【【Model】，并在其上鼠鼠标右键点击击，弹出菜单单，添加一个个【ConstructionGeometry】，以用于一些些特殊的应用用。（2）继续鼠标右键点击击【ConstructionGeometry】，即在该目目录下添加一一个【Path】路径。该路路径将用于创创建整个门架架的内力图。。3.8.弯矩图剪力图图后处理（续））（3）在【ConstructionGeometry】-【Path】对应的细节节设置面板中中，确保【PathType】为“Edge””，即通过已有有线段来创建建路径的方法法。然后在【【Geometry】位置依次选选中门架结构构的三根柱-梁线段，并点点击Apply确认。此时，，从视图中即即可看到创建建的路径起点点和终点（1-2）。提示：路径创创建时的起点点和终点，和和线段自身的的矢量方向有有关。本题目目中线段的矢矢量方向为逆逆时针。因此此，在接下来来的弯矩图剪剪力图中的起起点将是“路径的起点”。3.8.弯矩图剪力图图后处理（续续）（4） 添加一个个弯矩图、剪剪力图的结果果：在GUI界面左侧目录录树中，找到到后处理相关关的【Solution】目录，并在其其上鼠标右键键，插入一个个【insert】-【BeamResults】-【ShearMomentDiagram】】，即插入一个个剪力-弯矩图图结果果。（5）设设置““剪力力-弯矩图图”结结果的的细节节属性性：如如下图图，在在【TotalShear-MomentDiagram】结果的细节节设置面板板中，在【Path】选项上设置置为刚才步步骤创建的的“path””。3.8.弯矩图剪力力图后处理理（续）（6） 鼠标右右键点击目目录树中的的【Solution】-【TotalShear