ansys教程 桥梁土木建筑

平面应变、应力和板壳单元静力屈曲分析1

“工程软件应用课程——Ansys软件”王志强同济大学土木工程学院桥梁工程系_____________________________办公室：桥梁馆405室：公共邮箱：ansys2014@:密码：tj2014联系电话：65987577：提交作业邮箱Email:wzq2013_ansys1@

二维单元自由度DxDyDyRzRxDzDyRxRzRyDx膜单元Membrane板单元Plate壳单元Shell二维单元(平面单元、板、壳单元类型)平面应变、平面应力问题介绍

弹性体在满足一定条件时，其变形和应力的分布规律可以用在某一平面内的变形或应力的分布规律来代替，这类问题称为平面问题。平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。平面应力问题：如设有很薄的等厚薄板，只在板边上受到平行于板面并且不沿厚度变化的面力，体力也平行于板面且不沿厚度变化。平面应力问题介绍平面应变问题：如设有很长的柱形体，支承情况不沿长度变化，在柱面上受到平行于横截面而且不沿长度变化的面力。平面应变问题介绍平面应力或平面应变平面应力问题平面应变问题Ansys平面单元介绍Ansys主要单元类型举例

X-Y平面单元:

在整体笛卡尔X-Y平面内（模型必须建在此面内），有几种类型的ANSYS单元可以选用。其中任何一种单元类型只允许有平面应力、平面应变等特性。

平面应力或应变:OKNJMPLIIJK,L,OPNMTriangularOptionY(orAxial)X(orRadial)平面单元Plane42介绍PLANE42常用于模拟平面结构，单元可以模拟平面应力、平面应变问题。单元有四个节点，每个节点有两个自由度（X、Y方向平动）。单元坐标系统：1.与整体坐标系平行；2.由边I-J确定平面单元Plane42中的选项平面单元Plane82介绍PLANE82常用于模拟平面不规则、曲的结构，可以模拟平面应力、平面应变问题。单元有八个节点，每个节点有两个自由度（X、Y方向平动）。算例介绍两个圆孔的平面支座分析(Ansys提供的一个平面模型示例）一个圆孔约束，另一个圆孔施加一个压力，进行平面应力分析，如图：1、建立几何模型；2、定义材料特性等；3、生成有限元网格；4、施加荷载和求解；5、查看结果和结束分析。1、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensionsX1=0，X2=6，Y1=-1，Y2=1，按Apply；

X1=4，X2=6，Y1=-1，Y2=-3，按OK；2、UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleon)3、UtilityMenu>WorkPlane>WPSettings

拾取onPolar，拾取onGridandTriad，Enter1forsnapincrement.按OK；4、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半径为1按OK键画圆；5、UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints

先拾取下面矩形的左下角关键点，其次拾取右侧关键点，按OK键。6、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半径为1按OK键画圆；7、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，拾取ALL。建立几何模型8、UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，Turnonlinenumbering，按OK。9、UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleoff)10、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>LineFillet，拾取线17和8，按OK，Rad处输入0.4，按OK。11、UtilityMenu>Plot>Lines12、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines，拾取线1、4、5，按OK。13、UtilityMenu>Plot>Areas14、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，拾取ALL。15、UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleon)建立几何模型（续）16、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半径为0.4，按OK键画圆；17、UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>GlobalOrigin；18、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半径为0.4，按OK键画圆；19、UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleoff)20、UtilityMenu>Plot>Replot21、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas，拾取面A2，按APPLY，拾取面A1、A3，按OK。建立几何模型（续）22、MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels

双击onStructural,Linear,Elastic,Isotropic，输入EX为30e6、PRXY为.27，按OK。并退出对话框。23、MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

按Add键，选PLANE82，按OK。按OptionsforPLANE82

，K3中，选取planestresswiththickness项，按CLOSE退出。24、MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete

按Add键，选PLANE82，按OK，输入THK为0.5，按OK，按Close退出。定义材料特性等25、MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshToolSetGlobalSizecontrol，输入0.5，按OK。选择面进行Mesh。生成有限元网格26、UtilityMenu>PlotLines27、MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines，拾取线9、10、11、12，按OK，拾取AllDOF，displacement处输入0。按OK。28、MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines，拾取线6，按Apply，VALUE处输入50，

optionalvalue处输入500，按Apply；拾取线7，按Apply，VALUE处输入500，optionalvalue处输入50，按OK。29、MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，按OK，按CLOSE。施加荷载和求解结果30、MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet31、MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Deformed

选择Def+undeformed，按OK。32、MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu

选择Stress和vonMises(SEQV).按OK。33、ExittheANSYSprogram。查看结果和结束板、壳单元介绍实体单元建立有限元模型通常规模较大，尤其对于三维实体单元如果选用适当的结构单元(shellsandbeams)会得到一个更经济的解决方案，模拟相同的问题，用结构体单元通常需要的单元数量比实体单元少很多结构层次上的单元(壳和梁单元)是与连续的实体单元相对应的板弯曲问题主要受弯曲弯矩和剪力适用于模拟中等程度厚的板仅受平面外荷载总的说明（General）每个节点自由度为

3每个节点位移自由度为

1每个节点转动自由度为

2用于平板式结构应用（Application）模拟面结构承受面外荷载，如楼板受竖向荷载等板单元介绍Ansys壳单元介绍当结构的总体厚度相对于典型长度很小时可使用壳单元，长度比厚度大十倍以上的问题可决定使用壳单元。公开的文献中有各种壳理论，这源于对壳位移的不同近似描述。ANSYS中的壳单元的理论主要有两种，包括“薄”壳理论和“厚”壳理论。Ansys壳单元介绍(续)经典Love-Kirchhoff理论

Shell63

是“薄”壳单元。Shell63包含弯曲和薄膜效应但忽略横向剪切变形。Reissner/Mindlin理论

Shell43,143,181,91,93和99

是“厚”壳单元。其包含弯曲、薄膜和横向剪切效应。横向剪切被表示为整个厚度上的常剪切应变,这种一阶近似只适用于“中等厚度”壳体。Ansys板、壳单元类型举例SHELL63单元具有模拟平面外弯曲和平面内变形的能力，可承受面内、面外荷载。单元通常有四个节点，每个节点有6个自由度（三个平动自由度X、Y、Z和三个转动自由度。可输入4个厚度尺寸。壳单元Shell63中的选项SHELL93单元适合于模拟曲面结构，平面内形函数是二次的。单元通常有八个节点，每个节点有6个自由度（三个平动自由度X、Y、Z和三个转动自由度。可输入4个厚度尺寸。壳单元Shell93介绍算例介绍

板壳结构的动力分析也是一类重要的工程问题，这里我们对一个悬臂板进行模态分析计算,计算板的前5阶频率。1. 启动ANSYS.

以交互模式进入ANSYS，工作文件名为Shell.2.

创建基本模型a. MainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS...b. 输入关键点编号1.c. 输入x,y,z坐标0,-0.06,0.d. 选择Apply.e. 输入关键点编号2.输入x,y,z坐标0.5,-0.06,0选择Apply输入关键点编号

3.输入x,y,z坐标0.5,0.06,0选择Apply输入关键点编号4.输入x,y,z坐标0,0.06,0.k. 选择OK.l.MainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitrary>ThroughKPsm.选取四个关键点；n.在拾取菜单中选择OK。3.设定单元类型相应选项.a. MainMenu:Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Deleteb. 选择Add...c. 左边单元库列表中选择

Shell.在右边单元列表中选择

(Shell63).选择OK接受单元类型并关闭对话框.f. 选择Close关闭单元类型对话框.4.定义实常数.a. MainMenu:Preprocessor>RealConstants选择Add...在ShellthicknessatnodeI(TK)对话框中输入0.03（厚度）选择OK定义实常数并关闭对话框选择

Close关闭实常数对话框5. 定义材料属性.a. Preprocessor>MaterialProps>-Structural-Linear-elastic-Isotropicb. 选择OK定义材料1.在EX框中输入2.07e11（弹性模量）在PRXY框中输入0.33（泊松比）Preprocessor>MaterialProps>-Structural-Density在Dens框中输入7800（密度）选择OK定义材料属性并关闭对话框。对几何模型划分网格.a. MainMenu:Preprocessor>MeshTool

在ElementAttributes中选Global，点Set设置TYPE=1,MAT=1,REAL=1,then[OK]SizeControls:Lines:press[Set]在拾取框点PickL2和L4,NDIV=2,then[OK]SizeControls:Lines:press[Set]在拾取框点PickL1和L3,NDIV=10,then[OK]Mesh:设置到[Areas]，Shape:设置为"Quad"and"Free"点[Mesh],[PickAll]b. 在拾取对话框中选择OK.7. 施加约束.a. MainMenu:Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnNodesb. 拾取节点1~11.c. 在拾取菜单中选择

OK.d. 选择AllDOF.e.选择OK.（如果不输入任何值，位移约束默认为0）8. 定义分析类型.a. MainMenu:Solution>-AnalysisType-NewAnalysis>ModalMainMenu:Solution>-

AnalysisOptions>-MODOPT->BlockLanczos----5MainMenu:Solution>-

AnalysisOptions>-MXPAND->5选择

OK.9. 进行求解.a. MainMenu:Solution>-Solve-CurrentLSb. 查看状态窗口中的信息,然后选择

File>Closec. 选择

OK开始计算.d. 当出现“Solutionisdone!”提示后，选择OK关闭此窗口.10. 进入通用后处理读取分析结果.a. MainMenu:GeneralPostproc>-ReadResults->FirstSet11. 图形显示变形.a. MainMenu:GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShapeb. 在对话中选择

deformedandundeformed.c. 选择OK.12. 进入通用后处理读取分析结果.a. MainMenu:GeneralPostproc>-ReadResults->NextSet13. 图形显示变形.a. MainMenu:GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShapeb. 在对话中选择

deformedandundeformed.c. 选择OK.14. 退出ANSYS.a. 工具条:Quitb. 选择Quit-NoSave!c. 选择OK.静力屈曲分析屈曲分析的概念

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状(结构发生屈曲响应时的特征形状)的技术。屈曲分析的类型两种结构屈曲载荷和屈曲模态的分析方法：非线性屈曲分析和特征值(线性)屈曲分析。这两种方法通常得到不同的结果，下面先讨论一下二者的区别。特征值屈曲分析特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度(分叉点)。该方法相当于教科书里的弹性屈曲分析方法。但是，初始缺陷和非线性使得很多实际结构都不是在其理论弹性屈曲强度处发生屈曲。因此，特征值屈曲分析经常得出非保守结果，通常不能用于实际的工程分析。非线性屈曲分析

非线性屈曲分析比线性屈曲分析更精确，故建议用于对实际结构的设计或计算。该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷。特征值屈曲分析可按如下步骤进行分析：

1、建立模型；

2、获得静力解；

3、获得特征值屈曲解；

4、展开解；

5、观察结果。特征值(线性)屈曲分析步骤1、建立模型定义作业名和分析标题，进入PREP7定义单元类型、单元实常数、材料性质、模型几何实体。这些任务与其它大多数分析类似。注意事项：•

只允许线性行为。如果定义了非线性单元，则将按线性单元对待。若结构中包含有接触单元，则基于它在静态预应力分析后的状态来进行其刚度计算，而且在后续分析中永不改变。•

必须定义材料的弹性模量EX(或某种形式的刚度)。材料性质可以是线性、各向同性或各向异性，恒值或与温度相关。非线性性质即使定义了也将被忽略。2、获得静力解该过程与一般静力分析过程一致，只是要注意以下几点：•

必须激活预应力影响。因该分析需要计算应力刚度矩阵。•

通常只要施加一个单位载荷就足够了(亦即不用施加实际载荷)。由屈曲分析计算出的特征值，表示屈曲载荷系数。因此，若施加的是单位载荷，则该特征值就表示实际的屈曲载荷，并且所有的载荷都是作相应的缩放。•

注意特征值对所有的载荷都作相应的缩放。3、获得特征值屈曲解这一步需要从静力分析中得到的Jobname.EMAT和Jobname.ESAV文件。而且，数据库必须包含该模型(需要时可以应用RESUME命令恢复)。获得特征值屈曲解有如下几个步骤：

1）、进入求解

GUI：MainMenu>Solution2）、定义分析类型

GUI：MainMenu>Solution-AnalysisType-NewAnalysis3）、定义分析选项

GUI：MainMenu>Solution>AnalysisOptions注意：用户可以指定下面这些选项：•Method：指定特征值提取方法。选择子空间迭代法或BlockLanczos方法。•NMODE：指定提取的特征值数。缺省为1，一般来说已经足够。•SHIFT：指定要计算特征值的点(荷载系数)。该选项在遇到数值问题时(例如由负特征值引起的问题)很有用。缺省值是0.0。4）、定义载荷步选项特征值屈曲分析中，有效的载荷步选项是扩展过程选项和输出控制。

GUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-OutputCtrls>SoluPrintout

可以把扩展过程作为特征值求解过程的一个选项，也可以单独的步骤执行。在此处，按单独执行来考虑。5）、用一个另外的文件名保存一个数据库的备份文件(SAVE命令)GUI：UtilityMenu>File>SaveAs6）、开始求解

GUI：MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS7）、退出求解器

GUI：关闭求解菜单。4、扩展解若用户想要观察屈曲模态形状，则不管采用何种方法提取的特征值，都必须对解作展开。对于子空间迭代法(这时应用完全系统矩阵)，用户可简单地认为此步是将屈曲模态形状写入结果文件。注意事项

•

必须存在从特征值屈曲分析得到的模态文件(Jobname.MODE)。

•

数据库必须包含与求解时相同的模型。5、查看结果屈曲扩展过程的结果写在结果文件(Jobname.RST)中，包括屈曲载荷系数、屈曲模态形状、相对应力分布等，可在POST1中对结果进行观察。1、显示所有屈曲载荷系数

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>ResultsSummary2、读入想要观察的模态，以显示屈曲模态形状(在结果文件中，每个模态是作为一个独立的子步来保存的)。

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>-ReadResults-loadstep3、显示模态形状

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape4、等值线显示相对应力分布

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-NodalSolution或

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-ElementSolution屈曲分析算例问题：

计算一个底部嵌固，顶部自由的钢柱（截面尺寸10mmⅩ10mm）在顶部受一个集中力时的临界屈曲力？1. 启动ANSYS.

以交互模式进入ANSYS，工作文件名为buckling.2.

创建基本模型a. MainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS...b. 输入关键点编号1.c. 输入x,y,z坐标0,0,0.d. 选择Apply.e. 输入关键点编号2.输入x,y,z坐标0,100,0选择OKMainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>InActiveCoord选取2个关键点；在拾取菜单中选择OK。3.设定单元类型相应选项.a. MainMenu:Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Deleteb. 选择Add...c. 左边单元库列表中选择

Beam.在右边单元列表中选择

(BEAM3).选择OK接受单元类型并关闭对话框.f. 选择Close关闭单元类型对话框.4.定义实常数.a. MainMenu:Preprocessor>RealConstants选择Add...在Cross-sectionalareaAREA中输入100（面积）在AreamomentofinertiaIZZ中输入833.333（抗弯惯矩）在TotalBeamHeightHEIGHT中输入10（梁高）选择OK定义实常数并关闭对话框选择

Close关闭实常数对话框5. 定义材料属性.a. Preprocessor>MaterialProps>-Structural-Linear-elastic-Isotropicb. 选择OK定义材料1.在EX框中输入200000（弹性模量）在PRXY框中输入0.3（泊松比）选择OK定义材料属性并关闭对话框。6. 对几何模型划分网格.a. MainMenu:Preprocessor>MeshTool

在ElementAttributes中选Global，点Set设置TYPE=1,MAT=1,REAL=1then[OK]SizeControls:Lines:press[Set]在拾取框点PickAll.NDIV=20,then[OK]Mesh:设置到[Lines]，点[Mesh][PickAll]b. 在拾取对话框中选择OK.7. 施加约束.a. MainMenu:Solution>-DefineLoads-Apply>-Structural-Displacement>OnNodesb. 拾取节点1.c. 在拾取菜单中选择

OK.d. 选择AllDOF.e.选择OK.（如果不输入任何值，位移约束默认为0）8. 施加荷载.a. MainMenu:Solution>-DefineLoads-Apply>-Structural-Force/Moment>OnKeypointsb. 拾取关键节点2.c.在Lab中力/弯矩选项中选(FY)，Value中输入-1在拾取菜单中选择

OK.9. 定义分析类型.a. MainMenu:Solution>-AnalysisType-NewAnalysis>StaticMainMenu:Solution>AnalysisType>Analysis

Options

激活

prestresseffects

选项。选择

OK.10. 进行求解.a. MainMenu:Solution>-Solve-CurrentLSb.