ansys教程 橋梁土木建筑

平面應(yīng)變、應(yīng)力和板殼單元靜力屈曲分析1

“工程軟件應(yīng)用課程——Ansys軟件”王志強同濟大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系_____________________________辦公室：橋梁館405室：公共郵箱：ansys2014@:密碼：tj2014聯(lián)系電話：65987577：提交作業(yè)郵箱Email:wzq2013_ansys1@

二維單元自由度DxDyDyRzRxDzDyRxRzRyDx膜單元Membrane板單元Plate殼單元Shell二維單元(平面單元、板、殼單元類型)平面應(yīng)變、平面應(yīng)力問題介紹

彈性體在滿足一定條件時，其變形和應(yīng)力的分布規(guī)律可以用在某一平面內(nèi)的變形或應(yīng)力的分布規(guī)律來代替，這類問題稱為平面問題。平面問題分為平面應(yīng)力問題和平面應(yīng)變問題。平面應(yīng)力問題：如設(shè)有很薄的等厚薄板，只在板邊上受到平行于板面并且不沿厚度變化的面力，體力也平行于板面且不沿厚度變化。平面應(yīng)力問題介紹平面應(yīng)變問題：如設(shè)有很長的柱形體，支承情況不沿長度變化，在柱面上受到平行于橫截面而且不沿長度變化的面力。平面應(yīng)變問題介紹平面應(yīng)力或平面應(yīng)變平面應(yīng)力問題平面應(yīng)變問題Ansys平面單元介紹Ansys主要單元類型舉例

X-Y平面單元:

在整體笛卡爾X-Y平面內(nèi)（模型必須建在此面內(nèi)），有幾種類型的ANSYS單元可以選用。其中任何一種單元類型只允許有平面應(yīng)力、平面應(yīng)變等特性。

平面應(yīng)力或應(yīng)變:OKNJMPLIIJK,L,OPNMTriangularOptionY(orAxial)X(orRadial)平面單元Plane42介紹PLANE42常用于模擬平面結(jié)構(gòu)，單元可以模擬平面應(yīng)力、平面應(yīng)變問題。單元有四個節(jié)點，每個節(jié)點有兩個自由度（X、Y方向平動）。單元坐標系統(tǒng)：1.與整體坐標系平行；2.由邊I-J確定平面單元Plane42中的選項平面單元Plane82介紹PLANE82常用于模擬平面不規(guī)則、曲的結(jié)構(gòu)，可以模擬平面應(yīng)力、平面應(yīng)變問題。單元有八個節(jié)點，每個節(jié)點有兩個自由度（X、Y方向平動）。算例介紹兩個圓孔的平面支座分析(Ansys提供的一個平面模型示例）一個圓孔約束，另一個圓孔施加一個壓力，進行平面應(yīng)力分析，如圖：1、建立幾何模型；2、定義材料特性等；3、生成有限元網(wǎng)格；4、施加荷載和求解；5、查看結(jié)果和結(jié)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；半徑為1按OK鍵畫圓；5、UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints

先拾取下面矩形的左下角關(guān)鍵點，其次拾取右側(cè)關(guān)鍵點，按OK鍵。6、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半徑為1按OK鍵畫圓；7、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，拾取ALL。建立幾何模型8、UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，Turnonlinenumbering，按OK。9、UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleoff)10、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>LineFillet，拾取線17和8，按OK，Rad處輸入0.4，按OK。11、UtilityMenu>Plot>Lines12、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines，拾取線1、4、5，按OK。13、UtilityMenu>Plot>Areas14、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，拾取ALL。15、UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleon)建立幾何模型（續(xù)）16、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半徑為0.4，按OK鍵畫圓；17、UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>GlobalOrigin；18、MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircleWPX=0，WPY=0；半徑為0.4，按OK鍵畫圓；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。建立幾何模型（續(xù)）22、MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels

雙擊onStructural,Linear,Elastic,Isotropic，輸入EX為30e6、PRXY為.27，按OK。并退出對話框。23、MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

按Add鍵，選PLANE82，按OK。按OptionsforPLANE82

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

按Add鍵，選PLANE82，按OK，輸入THK為0.5，按OK，按Close退出。定義材料特性等25、MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshToolSetGlobalSizecontrol，輸入0.5，按OK。選擇面進行Mesh。生成有限元網(wǎng)格26、UtilityMenu>PlotLines27、MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines，拾取線9、10、11、12，按OK，拾取AllDOF，displacement處輸入0。按OK。28、MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines，拾取線6，按Apply，VALUE處輸入50，

optionalvalue處輸入500，按Apply；拾取線7，按Apply，VALUE處輸入500，optionalvalue處輸入50，按OK。29、MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，按OK，按CLOSE。施加荷載和求解結(jié)果30、MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet31、MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Deformed

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

選擇Stress和vonMises(SEQV).按OK。33、ExittheANSYSprogram。查看結(jié)果和結(jié)束板、殼單元介紹實體單元建立有限元模型通常規(guī)模較大，尤其對于三維實體單元如果選用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元(shellsandbeams)會得到一個更經(jīng)濟的解決方案，模擬相同的問題，用結(jié)構(gòu)體單元通常需要的單元數(shù)量比實體單元少很多結(jié)構(gòu)層次上的單元(殼和梁單元)是與連續(xù)的實體單元相對應(yīng)的板彎曲問題主要受彎曲彎矩和剪力適用于模擬中等程度厚的板僅受平面外荷載總的說明（General）每個節(jié)點自由度為

3每個節(jié)點位移自由度為

1每個節(jié)點轉(zhuǎn)動自由度為

2用于平板式結(jié)構(gòu)應(yīng)用（Application）模擬面結(jié)構(gòu)承受面外荷載，如樓板受豎向荷載等板單元介紹Ansys殼單元介紹當結(jié)構(gòu)的總體厚度相對于典型長度很小時可使用殼單元，長度比厚度大十倍以上的問題可決定使用殼單元。公開的文獻中有各種殼理論，這源于對殼位移的不同近似描述。ANSYS中的殼單元的理論主要有兩種，包括“薄”殼理論和“厚”殼理論。Ansys殼單元介紹(續(xù))經(jīng)典Love-Kirchhoff理論

Shell63

是“薄”殼單元。Shell63包含彎曲和薄膜效應(yīng)但忽略橫向剪切變形。Reissner/Mindlin理論

Shell43,143,181,91,93和99

是“厚”殼單元。其包含彎曲、薄膜和橫向剪切效應(yīng)。橫向剪切被表示為整個厚度上的常剪切應(yīng)變,這種一階近似只適用于“中等厚度”殼體。Ansys板、殼單元類型舉例SHELL63單元具有模擬平面外彎曲和平面內(nèi)變形的能力，可承受面內(nèi)、面外荷載。單元通常有四個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度（三個平動自由度X、Y、Z和三個轉(zhuǎn)動自由度?？奢斎?個厚度尺寸。殼單元Shell63中的選項SHELL93單元適合于模擬曲面結(jié)構(gòu)，平面內(nèi)形函數(shù)是二次的。單元通常有八個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度（三個平動自由度X、Y、Z和三個轉(zhuǎn)動自由度?？奢斎?個厚度尺寸。殼單元Shell93介紹算例介紹

板殼結(jié)構(gòu)的動力分析也是一類重要的工程問題，這里我們對一個懸臂板進行模態(tài)分析計算,計算板的前5階頻率。1. 啟動ANSYS.

以交互模式進入ANSYS，工作文件名為Shell.2.

創(chuàng)建基本模型a. MainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS...b. 輸入關(guān)鍵點編號1.c. 輸入x,y,z坐標0,-0.06,0.d. 選擇Apply.e. 輸入關(guān)鍵點編號2.輸入x,y,z坐標0.5,-0.06,0選擇Apply輸入關(guān)鍵點編號

3.輸入x,y,z坐標0.5,0.06,0選擇Apply輸入關(guān)鍵點編號4.輸入x,y,z坐標0,0.06,0.k. 選擇OK.l.MainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitrary>ThroughKPsm.選取四個關(guān)鍵點；n.在拾取菜單中選擇OK。3.設(shè)定單元類型相應(yīng)選項.a. MainMenu:Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Deleteb. 選擇Add...c. 左邊單元庫列表中選擇

Shell.在右邊單元列表中選擇

(Shell63).選擇OK接受單元類型并關(guān)閉對話框.f. 選擇Close關(guān)閉單元類型對話框.4.定義實常數(shù).a. MainMenu:Preprocessor>RealConstants選擇Add...在ShellthicknessatnodeI(TK)對話框中輸入0.03（厚度）選擇OK定義實常數(shù)并關(guān)閉對話框選擇

Close關(guān)閉實常數(shù)對話框5. 定義材料屬性.a. Preprocessor>MaterialProps>-Structural-Linear-elastic-Isotropicb. 選擇OK定義材料1.在EX框中輸入2.07e11（彈性模量）在PRXY框中輸入0.33（泊松比）Preprocessor>MaterialProps>-Structural-Density在Dens框中輸入7800（密度）選擇OK定義材料屬性并關(guān)閉對話框。對幾何模型劃分網(wǎng)格.a. MainMenu:Preprocessor>MeshTool

在ElementAttributes中選Global，點Set設(shè)置TYPE=1,MAT=1,REAL=1,then[OK]SizeControls:Lines:press[Set]在拾取框點PickL2和L4,NDIV=2,then[OK]SizeControls:Lines:press[Set]在拾取框點PickL1和L3,NDIV=10,then[OK]Mesh:設(shè)置到[Areas]，Shape:設(shè)置為"Quad"and"Free"點[Mesh],[PickAll]b. 在拾取對話框中選擇OK.7. 施加約束.a. MainMenu:Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnNodesb. 拾取節(jié)點1~11.c. 在拾取菜單中選擇

OK.d. 選擇AllDOF.e.選擇OK.（如果不輸入任何值，位移約束默認為0）8. 定義分析類型.a. MainMenu:Solution>-AnalysisType-NewAnalysis>ModalMainMenu:Solution>-

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

AnalysisOptions>-MXPAND->5選擇

OK.9. 進行求解.a. MainMenu:Solution>-Solve-CurrentLSb. 查看狀態(tài)窗口中的信息,然后選擇

File>Closec. 選擇

OK開始計算.d. 當出現(xiàn)“Solutionisdone!”提示后，選擇OK關(guān)閉此窗口.10. 進入通用后處理讀取分析結(jié)果.a. MainMenu:GeneralPostproc>-ReadResults->FirstSet11. 圖形顯示變形.a. MainMenu:GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShapeb. 在對話中選擇

deformedandundeformed.c. 選擇OK.12. 進入通用后處理讀取分析結(jié)果.a. MainMenu:GeneralPostproc>-ReadResults->NextSet13. 圖形顯示變形.a. MainMenu:GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShapeb. 在對話中選擇

deformedandundeformed.c. 選擇OK.14. 退出ANSYS.a. 工具條:Quitb. 選擇Quit-NoSave!c. 選擇OK.靜力屈曲分析屈曲分析的概念

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀(結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲響應(yīng)時的特征形狀)的技術(shù)。屈曲分析的類型兩種結(jié)構(gòu)屈曲載荷和屈曲模態(tài)的分析方法：非線性屈曲分析和特征值(線性)屈曲分析。這兩種方法通常得到不同的結(jié)果，下面先討論一下二者的區(qū)別。特征值屈曲分析特征值屈曲分析用于預(yù)測一個理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強度(分叉點)。該方法相當于教科書里的彈性屈曲分析方法。但是，初始缺陷和非線性使得很多實際結(jié)構(gòu)都不是在其理論彈性屈曲強度處發(fā)生屈曲。因此，特征值屈曲分析經(jīng)常得出非保守結(jié)果，通常不能用于實際的工程分析。非線性屈曲分析

非線性屈曲分析比線性屈曲分析更精確，故建議用于對實際結(jié)構(gòu)的設(shè)計或計算。該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)來求得使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷。特征值屈曲分析可按如下步驟進行分析：

1、建立模型；

2、獲得靜力解；

3、獲得特征值屈曲解；

4、展開解；

5、觀察結(jié)果。特征值(線性)屈曲分析步驟1、建立模型定義作業(yè)名和分析標題，進入PREP7定義單元類型、單元實常數(shù)、材料性質(zhì)、模型幾何實體。這些任務(wù)與其它大多數(shù)分析類似。注意事項：?

只允許線性行為。如果定義了非線性單元，則將按線性單元對待。若結(jié)構(gòu)中包含有接觸單元，則基于它在靜態(tài)預(yù)應(yīng)力分析后的狀態(tài)來進行其剛度計算，而且在后續(xù)分析中永不改變。?

必須定義材料的彈性模量EX(或某種形式的剛度)。材料性質(zhì)可以是線性、各向同性或各向異性，恒值或與溫度相關(guān)。非線性性質(zhì)即使定義了也將被忽略。2、獲得靜力解該過程與一般靜力分析過程一致，只是要注意以下幾點：?

必須激活預(yù)應(yīng)力影響。因該分析需要計算應(yīng)力剛度矩陣。?

通常只要施加一個單位載荷就足夠了(亦即不用施加實際載荷)。由屈曲分析計算出的特征值，表示屈曲載荷系數(shù)。因此，若施加的是單位載荷，則該特征值就表示實際的屈曲載荷，并且所有的載荷都是作相應(yīng)的縮放。?

注意特征值對所有的載荷都作相應(yīng)的縮放。3、獲得特征值屈曲解這一步需要從靜力分析中得到的Jobname.EMAT和Jobname.ESAV文件。而且，數(shù)據(jù)庫必須包含該模型(需要時可以應(yīng)用RESUME命令恢復(fù))。獲得特征值屈曲解有如下幾個步驟：

1）、進入求解

GUI：MainMenu>Solution2）、定義分析類型

GUI：MainMenu>Solution-AnalysisType-NewAnalysis3）、定義分析選項

GUI：MainMenu>Solution>AnalysisOptions注意：用戶可以指定下面這些選項：?Method：指定特征值提取方法。選擇子空間迭代法或BlockLanczos方法。?NMODE：指定提取的特征值數(shù)。缺省為1，一般來說已經(jīng)足夠。?SHIFT：指定要計算特征值的點(荷載系數(shù))。該選項在遇到數(shù)值問題時(例如由負特征值引起的問題)很有用。缺省值是0.0。4）、定義載荷步選項特征值屈曲分析中，有效的載荷步選項是擴展過程選項和輸出控制。

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

可以把擴展過程作為特征值求解過程的一個選項，也可以單獨的步驟執(zhí)行。在此處，按單獨執(zhí)行來考慮。5）、用一個另外的文件名保存一個數(shù)據(jù)庫的備份文件(SAVE命令)GUI：UtilityMenu>File>SaveAs6）、開始求解

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

GUI：關(guān)閉求解菜單。4、擴展解若用戶想要觀察屈曲模態(tài)形狀，則不管采用何種方法提取的特征值，都必須對解作展開。對于子空間迭代法(這時應(yīng)用完全系統(tǒng)矩陣)，用戶可簡單地認為此步是將屈曲模態(tài)形狀寫入結(jié)果文件。注意事項

?

必須存在從特征值屈曲分析得到的模態(tài)文件(Jobname.MODE)。

?

數(shù)據(jù)庫必須包含與求解時相同的模型。5、查看結(jié)果屈曲擴展過程的結(jié)果寫在結(jié)果文件(Jobname.RST)中，包括屈曲載荷系數(shù)、屈曲模態(tài)形狀、相對應(yīng)力分布等，可在POST1中對結(jié)果進行觀察。1、顯示所有屈曲載荷系數(shù)

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>ResultsSummary2、讀入想要觀察的模態(tài)，以顯示屈曲模態(tài)形狀(在結(jié)果文件中，每個模態(tài)是作為一個獨立的子步來保存的)。

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>-ReadResults-loadstep3、顯示模態(tài)形狀

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape4、等值線顯示相對應(yīng)力分布

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

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-ElementSolution屈曲分析算例問題：

計算一個底部嵌固，頂部自由的鋼柱（截面尺寸10mmⅩ10mm）在頂部受一個集中力時的臨界屈曲力？1. 啟動ANSYS.

以交互模式進入ANSYS，工作文件名為buckling.2.

創(chuàng)建基本模型a. MainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS...b. 輸入關(guān)鍵點編號1.c. 輸入x,y,z坐標0,0,0.d. 選擇Apply.e. 輸入關(guān)鍵點編號2.輸入x,y,z坐標0,100,0選擇OKMainMenu:Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>InActiveCoord選取2個關(guān)鍵點；在拾取菜單中選擇OK。3.設(shè)定單元類型相應(yīng)選項.a. MainMenu:Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Deleteb. 選擇Add...c. 左邊單元庫列表中選擇

Beam.在右邊單元列表中選擇

(BEAM3).選擇OK接受單元類型并關(guān)閉對話框.f. 選擇Close關(guān)閉單元類型對話框.4.定義實常數(shù).a. MainMenu:Preprocessor>RealConstants選擇Add...在Cross-sectionalareaAREA中輸入100（面積）在AreamomentofinertiaIZZ中輸入833.333（抗彎慣矩）在TotalBeamHeightHEIGHT中輸入10（梁高）選擇OK定義實常數(shù)并關(guān)閉對話框選擇

Close關(guān)閉實常數(shù)對話框5. 定義材料屬性.a. Preprocessor>MaterialProps>-Structural-Linear-elastic-Isotropicb. 選擇OK定義材料1.在EX框中輸入200000（彈性模量）在PRXY框中輸入0.3（泊松比）選擇OK定義材料屬性并關(guān)閉對話框。6. 對幾何模型劃分網(wǎng)格.a. MainMenu:Preprocessor>MeshTool

在ElementAttributes中選Global，點Set設(shè)置TYPE=1,MAT=1,REAL=1then[OK]SizeControls:Lines:press[Set]在拾取框點PickAll.NDIV=20,then[OK]Mesh:設(shè)置到[Lines]，點[Mesh][PickAll]b. 在拾取對話框中選擇OK.7. 施加約束.a. MainMenu:Solution>-DefineLoads-Apply>-Structural-Displacement>OnNodesb. 拾取節(jié)點1.c. 在拾取菜單中選擇

OK.d. 選擇AllDOF.e.選擇OK.（如果不輸入任何值，位移約束默認為0）8. 施加荷載.a. MainMenu:Solution>-DefineLoads-Apply>-Structural-Force/Moment>OnKeypointsb. 拾取關(guān)鍵節(jié)點2.c.在Lab中力/彎矩選項中選(FY)，Value中輸入-1在拾取菜單中選擇

OK.9. 定義分析類型.a. MainMenu:Solution>-AnalysisType-NewAnalysis>StaticMainMenu:Solution>AnalysisType>Analysis

Options

激活

prestresseffects

選項。選擇

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