槽钢加筋板的板壳有限元

09-槽钢加筋板的板壳有限元分析算例来源：《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：槽钢、板壳单元、静力分析、摘要本例题对一个加筋的槽钢板进行有限元分析，槽钢板被简化为板壳组成的结构。在有限元分析中，对于厚度方向上远小于其长度和宽度的薄板类结构，非常推荐使用板壳单元来建模并求解分析。相对于实体单元模拟薄板，板壳单元将极大地减少计算资源，并且一般其计算精度更好于实体单元。本例题可以学习掌握ANSYS中对面（板壳）模型的网格划分、荷载施加，以及对板壳结构的后处理。案例描述本算例对一个加筋的槽钢板进行有限元静力分析，槽钢板被简化为板壳组成的结构。加筋的槽钢板结构形状如下图，结构长度400mm，宽度22.5mm，且槽钢主板厚度5mm，筋板厚度3mm。使用ANSYS材料库自带的钢材料。结构顶部翼板收到均布荷载的作用，槽钢两端固定，分析其变形量和应力。3.1.打开ANSYSWorkbench，启动几何建模模块（1） 首先启动ANSYSWorkbench环境。（2） 然后通过【File】菜单或快捷按钮，导入已有的“shell.wbpj”文件。文件已经提供了中面抽取完成后的板壳几何模型，并且已经做了“共享拓扑”处理。（3） 确认静力分析项目流程已经创建：在Workbench的环境下，【ProjectSchematic】区域已经创建了一个静力分析的项目流程——而且，静力分析的几何模型，源自于上一个【Geometry】项目的几何模型，两个项目之间用连线表示模型或数据的传递关系。3.1.打开ANSYSWorkbench，启动几何建模模块（续）（4） 在该静力分析的项目流程中，双击【Model】（也可使用鼠标右键弹出菜单），即可启动并打开Mechanical模块，打开该模块的同时，槽钢板模型会自动载入。在Mechanical模块内，将进行网格划分、荷载施加、求解计算、后处理等工作。3.2.进入Mechanical，进行几何和截面检查及材料设置（1） 检查几何模型：在Mechanical模块中，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。提示：因为在Spaceclaim建模时使用了“共享拓扑”的设置，所以所有的“面”被归总到“Geom”的目录下，通常这代表在网格划分时这些面的边界将形成共节点。3.2.进入Mechanical，进行几何和截面检查及材料设置（续）（2） 检查槽钢板的厚度是否正确：鼠标点击目录树中列出的每一个面，在各个面模型对应的“细节设置面板”中，检查【Thickness】厚度是否正确，槽钢的翼板和腹板厚度应为5mm，筋板的厚度应为3mm。（3） 检查槽钢各板的材料是否正确：同样，在每个面的细节设置面板中，【Material】-【Assignment】，检查是否设为系统缺省提供的材料structuralsteel。此处，可以为每块板赋予材料。提示：由于在Spaceclaim建模模块中，使用了“抽取中面”的方法，可以自动将原实体模型的厚度赋予中面模型，因此，槽钢模型中所有的面都被自动赋予了3mm或5mm厚度。3.3.进行网格划分本例题采用系统默认的网格尺寸即可。（1） 完成网格划分：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。提示：划分完成后，可以在目录树中找到【Mesh】点击，可在其细节设置面板查看网格质量和数量。例如，在【Quality】栏下，可以查看网格质量，在【Statistics】栏下可显示节点和单元数量，进而评估求解计算所需的资源和时长。3.4.施加荷载及约束提示：ANSYS提供了丰富的荷载和约束条件类型，可以模拟工程中各种工况和固定方式，读者应结合例题和帮助，尝试并深入理解每一个荷载和约束条件，结合工程实际灵活运用。设置符合实际的荷载和约束，是做好有限元分析的关键一步，务必重视。（1） 施加均布力荷载：在目录树【Outline】-【StaticStructural】上鼠标右键点击，在弹出菜单中使用【Insert】-【Pressure】，即添加一个均布力荷载。然后在该Pressure荷载的细节设置面板中，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】，选中槽钢的顶面作为加载部位，并点击Apply确认。最后，在面板中的【Magnitude】输入1Mpa。均布力荷载，系统默认正值为压，负值为拉，ANSYSWorkbench提供了强大和方便的模型可视性，读者可以通过GUI窗口自行检查。3.4.施加荷载及约束（续）（2） 施加槽钢两端固定约束：在目录树【Outline】-【StaticStructural】上鼠标右键点击，在弹出菜单中使用【Insert】-【FixedSupport】，即添加一个固定约束。在该FixedSupport约束的细节设置面板中，设置约束的对象（槽钢两端的边线）。具体操作是，按住Ctrl键，一次性选中槽钢板两端的6条边线，点击Apply确认。提示：选择边线时，使用顶部快捷工具栏的选择工具，即在点、线、面、体的选择按钮中切换为“线”，再进行选择操作。3.5.静力分析求解本例题虽然使用了了板壳模型，但仍仍为常规的静力、、线性问题，因此此无需进行更多的的求解控制。在左左边目录树【Outlines】-【StaticStructural】或者【Solution】位置，点鼠标右键键，弹出菜单选Solve，进行求解。3.6.应力/位移结果后处理本例题求解约1分钟完成。（1） 插入并查看VonMises应力结果：计算完完成后，在左侧目目录树【outline】-【Solution】位置，鼠标右键，，弹出菜单，选择择-【insert】-【stress】-【Equivalentstress/Von-mises】，即可插入Von-mises应力的结果。新插插入的入Von-mises应力的结果上用鼠鼠标右键弹出菜单单，选择EvaluateResults，完成结果文件的的数据导入和图形形显示。在本例题中，Von-miese应力最大值为172Mpa，在槽钢板两端固固定位置。（2） 插入并查看位位移结果：同理，，在后处理的弹出出菜单中，选择-【insert】】-【【Deformation】】-【【Total】】，即可可插入入一个个结构构总位位移的的结果果。然然后继继续在在左侧侧目录录树【outline】】-【【Solution】上用鼠鼠标右右键弹弹出菜菜单，，选择择EvaluateResults，完成成结果果文件件的数数据导导入和和图形形显示示。该例题题的结结构总总位移移，即即X、Y、Z三方向向的位位移矢矢量和和，为为0.45mm。（3）板板壳单单元后后处理理的显显示选选项开开关：：对于于板壳壳和梁梁单元元，由由于其其是““抽象象”后后的有有限元元模型型，因因此后后处理理与实实体单单元略略有不不同。。例如如，下下图的的选项项开关关示意意图，，通过过顶部部菜单单【View】下的【ThickShellsandBeams】勾选和和取消消，可可以实实现在在应力力云图图中显显示板板壳厚厚度和和梁截截面的的效果果。读读者可可以自自行尝尝试。。分析小小结本例题题对一一个加加筋的的槽钢钢板进进行有有限元元分析析。荷荷载为为槽钢钢上部部有1Mpa均布压压力，，约束束为槽槽钢两两端固固定。。因为为槽钢钢板的的厚度度尺寸寸远小小于长长度及及宽度度尺寸寸，因因此可可以用用板壳壳单元元来模模拟。。并且且，通通过几几何建建模时时即考考虑了了“共享拓拓扑”的处理理，因因此保保证了了槽钢钢各个个板的的交接接部位位在网网格划划分时时能够够共节节点，，读者者