ANSYS 140 土木工程有限元分析从入门到精通.docx
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ANSYS140土木工程有限元分析从入门到精通
ANSYS14.0土木工程有限元分析从入门到精通王伟编著清华大学出版社
北京
内容简介
本书以有限元分析方法为基础，通过丰富的工程应用实例，详细介绍ANSYS14.0在土木工程领域中的应用。
本书包括基础篇、进阶篇、应用实例篇共三篇18章。
通过图形用户界面和命令流方式对不同的工程应用问题进行详细地讲解；其中，基础篇内容包括有限元法概述、ANSYS系列软件简介、ANSYS图形界面介绍、ANSYS文件系统以及ANSYS基础操作介绍等；进阶篇对ANSYS的APDL技术、ANSYS14.0建模、网格划分、加载及求解、后处理、土木工程常用单元进行了详细讲解。
应用实例篇包括简单排架结构实例分析、钢筋混凝土实例分析、常见建筑结构体系实例分析、基础工程实例分析、边坡问题实例分析、隧道及地下工程实例分析、桥梁工程实例分析、大坝工程实例分析以及大跨度空间结构实例分析等内容。
本书光盘包括所有的实例有限元模型及计算结果，方便读者查阅和参考。
本书适合应用ANSYS解决土木工程相关问题的初学者和期望提高工程应用能力的读者，可供高等院校学生、科研院所研究人员和土木工程领域的工程技术人员使用。
随着计算机科学与应用技术的发展，有限元理论日益完善，随之涌现了一大批比较成熟的通用和专业的有限元计算商业软件。
ANSYS作为最著名的通用和有效的商用有限元软件之一，集结构、传热、流体、电磁、碰撞爆破分析于一体，具有强大的前后处理及计算分析能力，能够进行多场耦合，结构-热、流体-结构、电-磁等场的耦合处理求解。
自1996年落户中国以来，ANSYS以其强大的功能、可靠的质量、良好的市场，得到了中国CAE界的广泛认可和青睐，被应用于土木工程、机械制造、汽车工业、水利工程、航空航天、石油化工、生物医学等，为各行业的设计研究做出了重要贡献。
本书以ANSYS14.0作为软件平台，介绍了ANSYS在土木工程应用中的相关理论基础、基本思路、操作步骤和应用技巧，并结合工程应用实例讲述了ANSYS具体工程应用方法。
全书共18章。
第1章 概述，主要讲解有限元法的发展历程和基本概念，以及有限元法的派生方法，并对ANSYS系列软件进行了简单介绍。
第2章 初识ANSYS14.0，主要对ANSYS14.0的图形界面、ANSYS14.0的文件系统以及ANSYS14.0分析问题的基本过程进行了介绍。
第3章 APDL技术应用，主要讲解ANSYS14.0程序化设计语言（APDL）相关知识与重点语句的使用方法。
第4章 ANSYS14.0建模，主要讲解ANSYS14.0多种建模方法，包括自底向上建模、自顶向下建模、直接建立有限元模型以及CAD几何模型的导入。
第5章 ANSYS14.0网格划分，主要讲解ANSYS单元属性的设置、网格的控制、网格划分举例介绍，并讲解了映射网格划分、扫掠网格划分、拉伸网格等高级网格划分方法。
第6章加载及求解，主要讲解荷载与加载方式的种类、施加约束与外荷载的方法、求解过程控制、荷载步的设置与求解操作。
第7章后处理，主要讲解通用后处理器的操作，包括结果读取、图形显示、结果列表、结果查看器、基于单元表的结果处理以及基于路径的结果处理等，时间历程后处理器定义变量、变量运算、查看变量等相关操作。
第8章 土木工程中常用单元，主要对土木工程中几种常用单元LINK、BEAM、PIPE、SOLID、PLANE、SHELL、COMBIN、MESH以及接触单元进行详细介绍。
第9章 单元生死，主要对单元生死的原理、单元生死的使用过程进行了讲解。
第10章 简单排架结构实例分析，对三角形屋架受力分析、钢结构排架的平面外失稳模拟、钢结构排架受力分析、塔式起重机的受力及模态进行了应用实例分析。
第11章 钢筋混凝土实例分析，本章对大体积混凝土热分析问题、钢筋混凝土梁、钢筋混凝土板、钢筋混凝土开裂、预应力钢筋混凝土、钢筋混凝土结构大楼浇筑施工模拟进行了应用实例分析。
第12章 常见建筑结构体系实例分析，对钢筋混凝土框架结构、钢结构梁板体系、框架-剪力墙结构进行了应用实例分析。
第13章 基础工程实例分析，对土木工程中常见的基础形式进行了实例分析，包括单柱式桥墩全桩基础、考虑接触单元桩基、房屋刚性独立基础、房屋筏形基础等实例。
第14章 边坡问题实例分析，对饱和度影响边坡稳定问题、挡土墙支护问题进行了应用实例分析。
第15章隧道及地下工程实例分析，对地铁站台的地震响应分析、暗挖隧道的结构受力分析、明挖矩形截面隧道结构受力分析、山体隧道开挖等问题进行了应用实例分析。
第16章桥梁工程实例分析，对钢桁架桥、大跨度悬索桥、斜拉桥等常见桥梁结构进行了应用实例分析。
第17章大坝工程实例分析，对大坝静力分析、重力坝地震动力响应分析进行了应用实例分析。
第18章大跨度空间结构实例分析，对膜结构、单索结构、索网结构、空间刚架结构、空间单层网壳、空间双层网壳等结构形式进行了应用实例分析。
本书适合于应用ANSYS解决土木工程相关问题的初学者和期望提高工程应用能力的读者，所举实例具有典型性和新颖性。
本书配送光盘，包括所有实例的db文件、计算结果文件，读者在学习过程中可直接导入使用以减少建立几何模型的繁琐操作，能使读者轻松快捷地掌握ANSYS14.0的操作技巧和应用方法。
由于编者水平有限、时间仓促，书中错误与缺点在所难免，敬请广大读者批评指正，也欢迎广大同行共同交流探讨。
本书由王伟编著，何嘉扬、张杨、周文华、丁学英、吕广宪、孙万泉、黄利、王清、唐明明、黄利、张小勇、吴永福、郑明辉、刘力、陈磊、李秀峰参与了本书部分章节的编写，在此一并表示感谢。
读者在学习过程中遇到与本书有关的问题，可以发邮件到编者邮箱**************，编者会尽快给予解答。
第8章土木工程中常用单元
导言
在ANSYS单元手册中，ANSYS单元库有200多种单元类型，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。
经过新老交替，ANSYS14.0已淘汰了许多老单元。
一些用处较广的老单元，在GUI添加单元时已无列表显示，但是输入命令或者在添加单元时进行手动输入编号均有效。
本章仅就土木工程分析中最常用的单元进行单元介绍。
对于不常用的单元则不进行太多叙述。
学习目标
★了解ANSYS14.0的单元类型系统
★掌握常用单元的特征
★学会针对不同问题选择合适单元
8.1单元类型简介
ANSYS中提供的单元十分丰富，用户应根据不同的使用需要选择不同的单元。
接下来将具体介绍单元的分类情况，以及选择单元的基本原则。
土木工程中最常用的是结构单元，结构单元根据其特性进行分类，可以分为杆单元、梁单元、管单元、平面实体单元、空间实体单元、壳单元、弹簧单元、质量单元、接触单元、矩阵单元、表面效应单元、黏弹实体单元、超弹实体单元、耦合场单元、界面单元、显式动力分析单元。
选择单元应注意以下原则。
（1）在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。
（2）选择维数最低的单元去获得预期的结果（尽量做到能选择点就不选择线，能选择线就不选择平面，能选择平面就不选择壳，能选择壳就不选择三维实体）。
（3）对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。
可以建立简单模型，结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。
8.2杆单元（LIN180）
ANSYS14.0的GUI单元库中，LINK单元只有LINK180和LINK11两种。
在土木工程中一般使用LINK180。
LINK180单元是有着广泛工程应用的杆单元，如图8-1所示。
它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。
这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：
沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。
就像铰接结构一样，本单元不承受弯矩。
本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能。
默认情况下，无论进行何种分析，当使用命令NLGEOM,ON时，LINK180单元的应力刚化效应开关打开。
同时本单元还具有弹性、各向同性塑性硬化、动力塑性硬化、Hill（各向异性塑性）、Chaboche（非线性塑性硬化）以及蠕变等性能。
图8-1LINK180几何特性
在LINK180里输入摘要。
●单元名称：
LINK180。
●节点：
I，J。
●自由度：
UX,UY,UZ。
●实常数：
AREA,ADDMAS。
●材料特性：
EX（弹模），（PRXYorNUXY），ALPX（热膨胀系数），DENS（密度），GXY，DAMP（对于阻尼域的矩阵乘数K）。
●面荷载：
无。
●体荷载：
温度--T（I），T（J）。
●特殊特性：
塑性、粘弹性、粘塑性、蠕变、应力刚化（仅当NLGEOM,ON时）、大变形、大应变、初始应力输入、单元生死。
支持下列用TB命令相关的数据表种类:
BISO，MISO，NLISO，BKIN，MKIN，KINH，CHABOCHE，HILL，RATE，CREEP，PRONY，SHIFT，CAST及USER。
注意：
材料类型的详细情况见ANSYS.Inc.TheoryReference。
●KEYOPT
（2）：
仅当NLGEOM,ON被激活时使用。
●0：
执行不可压缩性；轴向拉伸功能通过截面积依比例决定（默认值）。
假定截面为刚性。
●KEYOPT（10）。
Ø0：
无用户子程序提供初始应力。
Ø1：
通过用户子程序USTRESS读入初始应力。
LIN180的应力输出如图8-2所示。
图8-2LINK180应力输出
附加的单元输出，如表8-1所示。
表8-1LINK180单元输出信息表
名称
定义
O
R
EL
单元号
Y
Y
NODES
单元节点号（IandJ）
Y
Y
MAT
单元材料号
Y
Y
VOLU:
单元体积
-
Y
XC,YC，ZC
输出结果的位置
Y
3
AREA
截面积
Y
Y
FORCE
单元坐标系中力的项
Y
Y
STRESS
轴向应力
Y
Y
EPEL
轴向弹性应变
Y
Y
TEMP
温度T（I）,T（J）
Y
Y
EPTH
轴向热应变
Y
Y
EPPL
轴向塑性应变
1
1
PWRK
塑性功
1
1
EPCR
轴向蠕应变
2
2
CWRK
蠕变功
2
2
注：
O列表示该项存在于Jobname.OUT文件；R列表示该项存在于结果文件。
Y表示该项总是可用的，而减号“-”表示该项不可用。
杆单元假定为一直杆，轴向荷载作用在末端，自杆的一端至另一端均为同一属性。
杆长应大于零，即节点I和J不重合。
面积也必须比零要大。
假定温度沿杆长线性变化。
位移函数暗含在杆上具有相同的应力。
8.3梁单元（BEAM188）
BEAM188适用于分析细长的梁。
该元素是基于Timoshenko梁理论的，具有扭切变形效果。
BEAM188是二节点的三维线性梁，如图8-3所示。
BEAM188在每个节点上有6或7个自由度，自由度数目的变化是由KEYOPT
（1）来控制的。
当KEYOPT
（1）=0时（默认），每节点有6个自由度。
分别是沿x,y,z的位移及绕其的转动。
当KEYOPT
（1）=1时，会添加第7个自由度（翘曲量）。
图8-3BEAM188单元几何特性
此元素能很好的应用于线性分析，大偏转，大应力的非线性（分析）。
BEAM188包含应力刚度，在默认情况下，在某些分析中由NLGEOM来打开。
在进行弯曲（flexural），侧向弯曲（lateral），和扭转稳定性（torsionalstability）分析时，应力刚度应该是被打开的。
BEAM18能够采用SECTYPE,SECDATA,SECOFFSET,SECWRITE和SECREAD来定义任何截面（形状）。
弹性（elasticity），蠕变（creep）和塑性（plasticity）模型都是允许的（不考虑次截面形状）。
Beam188由整体坐标系的节点i和j定义。
节点K是定义单元方向的所选方式。
Beam188可以在没有方向节点的情况下被定义。
在这种情况下，单元的x轴方向为i节点指向j节点。
对于两节点的情况，默认的Y轴方向按平行X-Y平面自动计算。
对于单元平行与Z轴的情况（或者斜度在0.01％以内），单元的Y轴的方向平行与整体坐标的y轴。
用第三个节点的选项，用户可以定义单元的X轴方向。
如果两者都定义了，那么第三节点的选项优先考虑。
第三个节点（K），如果采用的话，将和i、j节点一起定义包含单元x轴和z轴的平面。
如果该单元采用大变形分析，需要注意这个第三号节点紧紧在定义初始单元方向的时候有效。
梁单元是一维空间线单元。
横截面资料用sectype和secdata命令独立的提供，参见ANSYSStructuralAnalysisGuide的BeamAnalysisandCrossSections。
截面与单元用截面ID号（SECNUM）来关联，截面号是独立的单元属性。
除了等截面，还可以用sectype命令中的锥形选项来定义锥形截面（参考DefiningaTaperedBeam）。
示意图如图8-4所示。
图8-4梁单元截面特性
单元基于铁木辛哥梁理论，这个理论是一阶剪切变形理论；横向剪切应力在横截面是不变的，也就是说变形后横截面保持平面不发生扭曲。
Beam188是一阶铁木辛哥梁单元，沿着长度用了一个积分点，用默认的KEYOPT（3）设置。
因此，在i和j节点要求SMISC数值的时候，中间数值在两端节点均输出。
当KEYOPT
（1）设置为2，两个积分点作为延长的线性变量被运用。
Beam188/beam189单元可以用在细长或者短粗的梁。
由于一阶剪切变形的限制，只有适度的“粗”梁可以分析。
梁的长细比（GAL2/（EI））可以用来判定单元的适用性，这里：
G为剪切模量；A为截面积；L为长度；EI为抗弯刚度。
需要注意的是这个比例的计算需要用一些全局距离尺寸，不是基于独立的单元尺度。
●单元名称：
LINK180
●节点：
I，J，K
●自由度：
UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ
●材料属性：
EX,（PRXYorNUXY）,ALPX,DENS,GXY,GYZ,GXZ,DAMP
●表面力：
压力（用负数表示作用方向相反）
●体力：
温度T（0,0）,T（1,0）,T（0,1）ateachendnode
●特殊特征：
Plasticity为塑性；Viscoelasticity为粘弹性；Viscoplasticity为粘弹性；Creep为蠕变；Stressstiffening为应力刚化；Largedeflection为大挠曲；Largestrain为大应变；Initialstressimport为初始应力引入；Birthanddeath（requiresKEYOPT（11）=1）为单元的生死；Automaticselectionofelementtechnology为自动选择单元技术。
●支持下列用TB命令相关的数据表种类:
BISO,MISO,NLISO,BKIN,MKIN,KINH,CHABOCHE,HILL,RATE,CREEP,PRONY,SHIFT,CASTandUSER。
梁单元输出属性如表8-2所示。
表8-2BEAM188应力输出
Name
Definition
O
R
EL
单元号
Y
Y
NODES
单元节点号
Y
Y
MAT
材料号
Y
Y
C.G.:
X,Y,Z
重心
Y
Y
AREA
截面积
1
Y
SF:
Y,Z
截面剪力
1
Y
SE:
Y,Z
截面剪应变
1
Y
S:
XX,XZ,XY
截面点应力
2
Y
E:
XX,XZ,XY
截面应变
2
Y
MX
扭矩
Y
Y
KX
扭应变
Y
Y
KY,KZ
曲率
Y
Y
EX
轴向应变
Y
Y
FX
轴向力
Y
Y
MY,MZ
弯矩
Y
Y
BM
双向力矩
3
3
BK
双曲率
3
3
8.4管单元（PIPE16）
该单元基于三维梁单元（BEAM4），包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。
PIPE16是一种单轴单元，具有拉压、扭转和弯曲性能。
该单元在两个结点有6个自由度：
沿节点X,Y,Z方向的平移和绕结点X,Y,Z轴的旋转。
几何特性如图8-5所示。
该单元的X轴为从I结点到J节点的方向。
当单元由2个结点组成时，单元的Y轴被自动设成平行于整体坐标系的X-Y面。
在单元平行于Z轴的情况下在沟（或在0.01%坡度范围内），该单元的Y轴是与整体坐标系的Y轴平行的。
用户若想人为控制单元X轴的方向，需定义第3个节点。
如果使用了第3节点（K），则K和I、J一起定义了包括单元X轴和Y轴的平面。
绕管圆周的输入与输出位置定义为：
若沿单元Y轴为0；类似的，沿Z轴为90°。
图8-5PIPE16几何特性
应力增量系数（SIF）影响弯曲应力。
若KEYOPT
（2）=0，则应力增量系数在I（SIFI）节点和J（SIFJ）节点末端输入；若KEYOPT
（2）=1,2,或3，则软件按照T形接头自行计算并确定。
当SIF的值小于1.0时取1.0。
挠曲系数（FLEX）被分为截面的转动惯量，从而生成一个计算弯曲刚度所需的修正转动惯量。
FLEX的默认直为1.0，但也可以输入任何正数。
单元的质量可由管壁材料，外部绝缘体和内部流体计算得到。
绝缘体和流体决定了单元的质量矩阵。
允许侵蚀厚度用来计算应力。
确定的管壁其质量是常数，不用考虑其计算值。
非零的绝缘体面积是常数，不用考虑其计算值（由管壁外直径和长度获得）。
非零的刚度也是常数，不考虑管的轴向刚度。
单元荷载的分布见NodeandElementLoads。
压力将作为单元表面的面荷载输入，单元表面由PIPE16的循环数字表示。
内部压力与外部压力以正数输入。
把由风荷载或拉力荷载（管的单位长度上）产生的横向压力（PX,PY,PZ）定义在世界坐标的笛卡尔方向，正的横向压力作用在坐标的正向，可用常规的组成或规则的满布荷载（KEYOPT（5））。
逐渐变小的压力可不考虑。
只考虑单元受的恒压。
温度将作为单元节点的主要荷载输入。
温度由管壁厚坡度和直径坡度决定（KEYOPT
（1））。
I（TOUT（I）orTAVG（I））节点的初始温度默认值为TUNIF。
如果初温以后的温度没有确定，则默认值为初温。
如果已输入了I节点的所有温度，而J节点未知，则J节点的默认值为对应的I节点的值。
对于别的输入模式，未知温度的默认值为TUNIF。
KEYOPT（4）用于确定单元类型便于输出标志和后处理操作。
KEYOPT（7）用于计算一个不对称的，可逆的，有阻尼的矩阵（经常用于旋转动力分析）。
旋转频率以确定常数SPIN（弧度/次数，取单元X轴的正向为正）输入。
●单元名称：
PIPE16。
●节点：
I,J,K（K节点的正向已选定）。
●自由度：
UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ。
●常量：
OD,TKWALL,SIFI,SIFJ,FLEX,DENSFL,DENSIN,TKIN,TKCORR,AREAIN,MWALL,STIFF,SPIN。
●材料特性：
EX,ALPX,PRXYorNUXY,DENS,GXY,DAMP。
●面荷载：
压力为1-PINT,2-PX,3-PY,4-PZ,5-POUT
●体荷载：
温度为TOUT（I）,TIN（I）,TOUT（J）,TIN（J）如果KEYOPT
（1）=0,或TAVG（I）,T90（I）,T180（I）,TAVG（J）,T90（J）,T180（J）如果KEYOPT
（1）=1。
●特殊性质：
应力硬化，过大偏差，起始与终止。
●KEYOPT
（1）
Ø0：
用温度描述的沿壁厚方向的梯度。
Ø1：
用温度描述的直径梯度。
●KEYOPT
（2）
Ø1：
用温度描述的直径梯度。
●KEYOPT（3）
Ø0：
SIFI和SIFJ的应力强度系数
Ø1：
T型连接计算中I节点的应力强度系数
Ø2：
T型连接计算中J节点的应力强度系数
Ø3：
T型连接计算中两端节点的应力强度系数
●KEYOPT（4）单元核对计算输出与后处理。
Ø0：
直管
Ø1：
阀型管
Ø2：
变径管
Ø3：
法兰管
Ø4：
膨胀连接
Ø5：
斜接弯曲
Ø6：
T型分支
●KEYOPT（5）用PX,PY与PZ代表横向压力。
Ø0：
只有法线分布的荷载
Ø1：
使用满布荷载（法线与剪切方向组成）
●KEYOPT（6）
Ø0：
不打印输出结构单元的力或力矩
Ø2：
打印结构单元在该单元的坐标系中的力或力矩
●KEYOPT（7）
Ø0：
无阻尼的回转矩阵
Ø1：
计算回转的阻尼矩阵。
常量SPIN必须比零大。
DENSFL和DENSIN必须为零。
与单元相关的两种结论输出形式如下：
（1）移置节点包括在所有的节点方案中。
（2）附加单元的输出如表8-3所示。
表8-3单元输出
名称
定义
O
R
EL
单元数量
Y
Y
NODES
节点-I,J
Y
Y
MAT
材料数量
Y
Y
VOLU:
体积
--
Y
XC,YC,ZC
数值结论位置
Y
6
CORAL
允许侵蚀厚度
1
1
TEMP
TOUT（I）,TIN（I）,TOUT（J）,TIN（J）
2
2
TEMP
TAVG（I）,T90（I）,T180（I）,TAVG（J）,T90（J）,T180（J）
3
3
PRES
PINT,PX,PY,PZ,POUT
Y
Y
SFACTI,SFACTJ
节点I与节点J的应力增强系数
Y
Y
STH
沿管壁厚度方向的最大热量梯度所引起的应力
Y
Y
SPR2
环向压应力的计算编码
--
Y
SMI,SMJ
节点I与节点J瞬时应力的计算编码
--
Y
SDIR
径向（轴向）应力
--
Y
SBEND
外表面的最大弯曲应力
--
Y
ST
由扭转引起的外表面剪应力
--
Y
SSF
由剪切力引起的剪应力
--
Y
S（1MX,3MN,INTMX,EQVMX）
最大主应力，最小主应力，最大应力集度，最大等效应力（都作用在外表面）
Y
Y
S（AXL,RAD,H,XH）
轴向，径向，环向和剪切应力
4
4
S（1,3,INT,EQV）
最大主应力，最小主应力，应力集度，等效应力
4
4
EPEL（AXL,RAD,H,XH）
轴向，景象，环向与剪切应变
4
4
EPTH（AXL,RAD,H）
轴向，径向，与环向热应变
4
4
MFOR（X,Y,Z）
节点I与节点J上力的组成（在单元坐标系中）
5
Y
MMOM（X,Y,Z）
节点I与节点J上力矩的组成（在单元坐标系中）
5
Y
8.5实体单元（SOLID）
土木工程中常用的实体单元有SOLID65钢筋混凝土单元，以及SOLID185三维八节点结构单元。
SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋
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