ANSYS結(jié)構(gòu)計(jì)算與經(jīng)典力學(xué)計(jì)算探析

1、ANSYS結(jié)構(gòu)計(jì)算與經(jīng)典力學(xué)計(jì)算探析摘要：隨著計(jì)算機(jī)的普及、有限元方法與理論的成熟，現(xiàn)在一些大型結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用有限元軟件進(jìn)行分析，彌補(bǔ)了用經(jīng)典力學(xué)公式無(wú)法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算的難題，提高了工作效率，但是經(jīng)常有一些初學(xué)有限元軟件或?qū)τ邢拊碚摿私獠簧畹耐瑢W(xué)對(duì)軟件有諸多的疑問(wèn)，其中一個(gè)重要的問(wèn)題就是用軟件計(jì)算的結(jié)果有多大的可靠性，準(zhǔn)確度如何和經(jīng)典力學(xué)公式計(jì)算出的結(jié)果相比較，哪個(gè)更可信。本文采用的有限元分析軟件為ANSYS19.0，將用兩種方法對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，以探析兩者之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞：有限元;經(jīng)典力學(xué);ANSYS中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j ki.16723198.2

2、021.32.071在工程領(lǐng)域中目前比較常見(jiàn)的有限元軟件有ANSYS、ADINA、ABAQUS等，其中尤以ANSYS應(yīng)用最為廣泛，在高校的有限元教學(xué)中一般也采用ANSYS作為教學(xué)軟件，ANSYS是一款大型有限元分析軟件，由美國(guó)ANSYS公司開發(fā)，用于結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)分析等，ANSYS全稱為Analysissystem，從名稱上就能看出ANSYS是一個(gè)更側(cè)重分析的軟件，因而以專業(yè)的分析功能著稱。梁結(jié)構(gòu)是工程中一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，本篇論文將以梁結(jié)構(gòu)為例，介紹用有限元軟件ANSYS19.0計(jì)算結(jié)構(gòu)問(wèn)題的過(guò)程及經(jīng)典力學(xué)公式計(jì)算的過(guò)程，對(duì)兩種方法計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行分析和比較，從中找出兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系，

3、以便讓初學(xué)者對(duì)有限元軟件ANSYS190有一個(gè)深入透徹的了解，更加熟練的掌握軟件。梁結(jié)構(gòu)如圖1，其中跨度L為1m，彈性模量EX為210GPa，梁截面0.05m×0.05m，集中載荷q為5kN，垂直向下作用于跨中。截面的慣性矩I=bh3/12=0.05x0.053/12=052x10-6m4。1有限元ANSYS計(jì)算對(duì)于這樣的梁結(jié)構(gòu)問(wèn)題，根據(jù)參數(shù)在ANSYS中選擇BEAM3或者BEAM4均可，這里選擇BEAM3單元，單元特性如表1。下面是梁結(jié)構(gòu)在ANSYS19.0中的具體操作步驟：1設(shè)定分析模塊;2前處理;3求解;4后處理。1.1設(shè)定分析模塊如圖2所示，點(diǎn)擊Preferences前置，在

4、彈出的對(duì)話框中，選擇Structural結(jié)構(gòu)選項(xiàng)，其他選項(xiàng)默認(rèn)，點(diǎn)擊OK，設(shè)定分析模塊為結(jié)構(gòu)。1.2前處理1.2.1定義單位ANSYS中單位可以不定義，但建模時(shí)一定要保證單位的一致，如采用單位m-kg-s-N，那么建模過(guò)程中的所有參數(shù)都選用m-kg-s-N，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果應(yīng)力單位為Pa，變形單位為m，如采用單位mm-kg-s-N，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果應(yīng)力單位為MPa，變形單位為mm。1.2.2定義單元類型及截面參數(shù)在ANSYS19.0中，BEAM3及截面參數(shù)無(wú)法在GUI圖形用戶界面中直接定義，需要用命令流方式輸入。在Commandprompt命令流窗口中輸入et，1，beam3，回車，定義單元類型為be

5、am3;輸入R，1，00025，0.52e-6，回車，定義截面面積及慣性矩，單位為國(guó)際單位。1.2.3定義材料屬性點(diǎn)擊Preprocessor前處理>MaterialModels材料模型，在彈出的DefineMaterialModelBehavior定義材料模型行為對(duì)話框中，依次點(diǎn)擊Structural結(jié)構(gòu)>Linear線性>Elastic彈性>Isotropic各向同性，在EX彈性模量欄中輸入2.1e11，點(diǎn)擊OK，完成材料屬性的定義，如圖3所示。1.2.4創(chuàng)立關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)擊Preprocessor前處理>Modeling建模>Create創(chuàng)立>Keyp

6、oints關(guān)鍵點(diǎn)>InActiveCS在激活的坐標(biāo)系中，在彈出的對(duì)話框中，依次輸入三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，點(diǎn)擊OK，完成關(guān)鍵點(diǎn)的創(chuàng)立，如圖4所示。1.2.5創(chuàng)立直線點(diǎn)擊Preprocessor前處理>Modeling建模>Create創(chuàng)立>Lines線>StraightLine直線，依次連接1、2點(diǎn)，2、3點(diǎn)，完成兩條直線的創(chuàng)立，如圖5所示。1.2.6劃分網(wǎng)格點(diǎn)擊Preprocessor前處理>Meshing網(wǎng)格劃分>MeshTool網(wǎng)格工具，選擇創(chuàng)立的兩條直線，等分成10份，完成網(wǎng)格的劃分，如圖6所示。1.3求解1.3.1施加約束點(diǎn)擊Solution解算&

7、gt;DefineLoads定義載荷>Apply應(yīng)用>Structural結(jié)構(gòu)>Displacement約束>OnKeypoints在關(guān)鍵點(diǎn)上，選擇左端關(guān)鍵點(diǎn)，約束UX、UY兩個(gè)自由度，然后選擇右端關(guān)鍵點(diǎn)，約束UY自由度，如圖7。1.3.2施加載荷點(diǎn)擊Solution解算>DefineLoads定義載荷>Apply應(yīng)用>Structural結(jié)構(gòu)>Force/Moment力/力矩>OnKeypoints在關(guān)鍵點(diǎn)上，選擇中間的2點(diǎn)，在彈出的對(duì)話框中Lab選項(xiàng)下拉選擇FY，VALUE輸入-5000，點(diǎn)擊OK，完成集中載荷的施加，如圖8所示。1.3

8、.3計(jì)算求解點(diǎn)擊Solution>Solve>CurrentLS，進(jìn)行求解。1.3.4后處理點(diǎn)擊GeneralPostproc后處理>PlotReslts繪圖結(jié)果>ContourPlot等值線繪圖>NodalSolu節(jié)點(diǎn)解，在變形選項(xiàng)下選擇Y-ComponentofdisplacementY向變形，點(diǎn)擊OK，查看Y向變形云圖，如圖10所示。從Y向變形云圖中可以看出，簡(jiǎn)支梁的Y向變形最大值為0.954×10-3m，方向垂直向下，發(fā)生在跨中標(biāo)注MN的位置，最小值為0，在梁兩端點(diǎn)處。圖中變形的結(jié)果比較明顯，是因?yàn)樽冃蔚谋壤蜃臃糯罅?，以便看起?lái)更直觀。2經(jīng)典力

9、學(xué)公式計(jì)算fmax=ql3/48EI式中，fmax為最大撓度，q為集中載荷，l為跨度，E為彈性模量，I為慣性矩。其中q=5000N，l=1m，E=210GPa，I=0.52×10-6m4，代入公式：fmax=5000/48×2.1×1011×0.52×10-6=0954×10-3m用經(jīng)典力學(xué)公式計(jì)算出的跨中最大變形值為0954×10-3m，方向垂直向下。通過(guò)以上兩種計(jì)算方法的比較，可以看出最大變形值用ANSYS計(jì)算和經(jīng)典力學(xué)公式計(jì)算，得到的結(jié)果是一樣的。究其原因：其一，在ANSYS中建立的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)完全符合;其二，ANS

10、YS后臺(tái)進(jìn)行的數(shù)學(xué)和工程力學(xué)計(jì)算也是經(jīng)典力學(xué)公式的計(jì)算，只是整合進(jìn)了ANSYS軟件中，由計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算。3結(jié)論本文用一個(gè)簡(jiǎn)單的梁結(jié)構(gòu)實(shí)例闡述了ANSYS軟件分析結(jié)構(gòu)問(wèn)題的準(zhǔn)確性和可靠性，雖然本文的模型比較簡(jiǎn)單，但是仍然具有代表性和普遍性，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題仍然適用，有時(shí)用經(jīng)典的力學(xué)公式無(wú)法計(jì)算特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，無(wú)法用兩種方法相互驗(yàn)證，在工程中可以通過(guò)在實(shí)際結(jié)構(gòu)中相應(yīng)位置貼應(yīng)變片的方式得到應(yīng)力和應(yīng)變，再和ANSYS軟件計(jì)算的結(jié)果相比較，同樣可以驗(yàn)證ANSYS軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。這里需要注意的一點(diǎn)是如果要得到用ANSYS計(jì)算和經(jīng)典力學(xué)計(jì)算一致或近似的結(jié)果，首先，建立的模型要和實(shí)際結(jié)構(gòu)無(wú)限接近;其次，在網(wǎng)格劃分上既要考慮計(jì)算的精度又要兼顧計(jì)算機(jī)的性能;最后，特別要注意的是約束和載荷的施加，三維結(jié)構(gòu)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有六個(gè)自由度，多一個(gè)約束少一個(gè)約束對(duì)結(jié)果的影響是很大的，甚至是數(shù)量級(jí)上的差異，因此約束考