梁分析.docx
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梁分析
第七章梁分析和横截面形状
梁的概况
梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。
与实体单元和壳单元相比，梁单元可以效率更高的求解。
两种新的有限元应变单元，BEAM188和BEAM189，提供了更强大的非线性分析能力，更出色的截面数据定义功能和可视化特性。
参阅ANSYSElementsReference中关于BEAM188和BEAM189的描述。
何为横截面？
横截面定义为垂直于梁的轴向的截面形状。
ANSYS提供了有11种常用截面形状的梁横截面库，并支持用户自定义截面形状。
当定义了一个横截面时，ANSYS建立一个9结点的数值模型来确定梁的截面特性（lyy,lzz等），并求解泊松方程得到弯曲特征。
下图是一个标准的Z横截面，示出了截面的质心和剪切中心以及计算的横截面特性：
图8-1Z向横截面图
横截面和用户自定义截面网格划分将存储在横截面库文件中。
可以用LATT命令将梁横截面属性赋给线实体。
这样，横截面的特性将在用BEAM188或BEAM189对该线划分网格时包含进去。
如何生成横截面
用下列步骤生成横截面：
1．定义截面并与代表相应截面形状的截面号关联。
2．定义截面的几何特性数值。
ANSYS中提供了下表列出的命令完成生成、查看、列表横截面和操作横截面库的功能：
参阅ANSYSCommandsReference可以得到横截面命令的完整集合。
定义截面并与截面号关联
使用SECTYPE命令定义截面。
下面的命令将截面号2与定义号的横截面形状（圆柱体）关联：
命令：
SECTYPE,2,BEAM,CSOLID
SECDATA,5,8
SECNUM,2
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Settings>-Beam-CommonSects
MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribs
要定义自己的横截面，使用子形状（ANSYS提供的形状集合）MESH。
要定义带特殊特性如lyy和lzz的横截面，使用子形状ASEC。
定义横截面的几何特性数值
使用SECDATA命令定义横截面的几何数值。
下面的命令将用SECTYPE命令定义的尺寸赋值给横截面。
CSOLID形状有两个尺寸：
半径和周长上的格栅数目。
命令：
SECDATA,4,6
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSects
用BEAM188/BEAM189单元划分线实体
在用BEAM188/BEAM189单元划分线实体前，要定义一些属性，包括：
●要划分线的梁单元类型
●生成梁单元的横截面特性号
●以梁单元轴向为基准的横截面定位
●生成梁单元的材料特性号
使用LATT命令将这些属性与线实体关联：
命令：
LATT,MAT,,TYPE,,KB,,SECID
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribs
MAT
与MP命令定义的材料特性相对应，材料号由MAT号指定。
TYPE
与ET命令定义的单元类型相对应，类型号由TYPE号指定。
KB
对应于模型中的关键点号。
所生成梁单元的横截面与梁的
两端点和该关键点定义的平面垂直。
SECID
与SECTYPE命令定义的梁横截面相对应，截面号由SECID
号指定。
使用梁工具生成横截面
SECTYPE，SECDATA和SECOFFSET命令在GUI的路径都在梁工具（BEAMTOOL）中。
梁工具的样式取决于所选择的梁横截面形状：
梁工具的顶部是截面形状号[SECTYPE]，中部是截面偏移信息[SECOFFSET]，底部是截面几何形状信息[SECDATA]。
SECDATA命令定义的尺寸
图8-2梁工具（包括横截面显示）
取决于所选截面形状。
可以单击梁工具下的“Help”获取所选截面的帮助信息。
在SECDATA也有截面形状尺寸的说明。
控制横截面和用户网格库
通用截面的数据，如CHAN和RECT，可以存储在横截面库中。
用SECWRITE命令生成、存储包括用户划分网格的截面的横截面库。
如果在另一个模型中使用横截面库，使用SECREAD命令读入。
侧向扭转屈曲分析实例（GUI方式）
ANSYSStructuralAnalysisGuide第七章详细叙述了屈曲分析。
本例分析了悬臂梁在末端承受横向载荷时的行为。
问题描述
一根直的细长悬臂梁，一端固定一端自由。
在自由端施加载荷。
本模型做特征值屈曲分析，并进行非线性载荷和变形研究。
研究目标为确定梁发生分支点失稳（标志为侧向的大位移）的临界载荷。
问题特性参数
本例使用如下材料特性：
杨氏模量=1.0X10e4psi
泊松比=0.0
本例使用如下的几何特性：
L=100in
H=5in
B=2in
本例的载荷为：
P=1lb
问题示意图
特征值屈曲分析是线性化的计算过程，通常用于弹性结构。
屈曲一般发生在小于特征值屈曲分析得到的临界载荷时。
这种分析比完全的非线性屈曲分析需要的求解时间要少。
用户还可以做非线性载荷和位移研究，这时用弧长法确定临界载荷。
对于更通用的分析，一般要进行崩溃分析。
在模型中有缺陷时一定要做非线性崩溃分析，因为此时模型不会表现出屈曲。
可以通过使用特征值分析求解的特征向量来添加缺陷。
特征向量是最接近于实际屈曲模态在预测值。
添加的缺陷应该比梁的标准厚度要小。
缺陷删除了载荷-位移曲线的突变部分。
通常情况下，缺陷最大不小于10%的梁厚度。
UPGEOM命令在前一步分析的基础上添加位移并更新变形的几何特征。
第一步：
设置分析名称和图形选项
1．选择菜单UtilityMenu>File>ChangeTitle。
2．输入“LateralTorsionalBucklingAnalysis”并单击OK。
3．确认PowerGraphics正在运行。
选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Hidden-LineOptions。
确认PowerGraphics选项打开并单击OK。
4．将GraphicalSolutionTracking打开。
选择菜单MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-OutputCtrls>GrphSoluTrack并确认对话框中radio按钮设置为ON。
单击OK。
5．生成屈曲分析图的输出文件。
选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>RedirectPlots>ToGRPHFile。
将文件名改为buckle.grph并单击OK。
第二步：
定义几何模型
1．进入前处理器并生成梁的关键点。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS，然后输入下列关键点号和坐标值：
关键点号：
1坐标值：
0，0，0
关键点号：
2坐标值：
100，0，0
关键点号：
3坐标值：
50，5，0
2．在关键点1和2之间生成一条直线。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>StraightLine。
将弹出生成直线对话框。
在图形窗口选择关键点1和2并单击OK。
3．存储模型。
选择菜单UtilityMenu>File>SaveAs。
在“SaveDatabaseto”对话框中输入buckle.db作为文件名并单击OK。
第三步：
定义单元类型和横截面信息
1．选择菜单MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete。
将弹出单元类型对话框。
2．单击Add。
将出现单元类型库对话框。
3．在左列选择“StructuralBeam”。
4．在右列选择“3Dfinitestrain,3node189”以选中BEAM189。
5．单击OK，然后的单元类型对话框中单击Close。
6．定义梁的矩形截面。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSects。
将出现梁工具对话框。
缺省时ANSYS将截面号设置为1，将子类型设置为RECT（在子类型处图示一个矩形）。
因为要生成一个矩形横截面，在子类型处不作修改。
7．在梁工具对话框的底部，可以看到横截面形状和尺寸的图示。
在B标志的部分输入0.2作为横截面的宽度；在H标志的部分输入5.0作为横截面的高度。
单击OK确定设置。
8．列出当前截面特性。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>Sections>ListSections。
ANSYS缺省选择特性号1。
单击OK显示横截面信息。
在浏览过以后，在SLIST窗口单击Close。
第四步：
定义材料特性并定位结点
1．选择菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>-Constant-Isotropic。
2．单击OK确认材料号为1。
将出现各向同性材料特性对话框。
3．在杨氏模量框输入1E4。
4．在泊松比（minor）处输入0.0，并单击OK。
5．选择菜单UtilityMenu>Select>Entities来选择线。
选择下列选项：
Lines，ByNum/Pick，FromFull并单击OK。
6．出现选择线对话框。
在图形窗口单击线实体。
在对话框中单击OK。
7．作为线的属性定义结点定位。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>AllLines。
单击PickOrientationKeypointradio按钮旁边的radio按钮将其改变为Yes并单击OK。
ANSYS将材料特性号指向1，将单元类型号指向1并将截面特性号指向1。
8．出现线属性对话框。
在图形窗口选择关键点3并在对话框中单击OK。
9．存储模型。
选择菜单UtilityMenu>File>SaveAs。
选择OK，当ANSYS询问是否覆盖时，单击OK。
第五步：
对线划分网格并确认梁的定位
1．定义网格大小和分段数。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-Lines-AllLines。
在No.OfElementDivisions框中输入10并单击OK。
2．对线划分网格。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>Lines。
确认在“MeshLines”对话框中Pick和Single选定，然后在图形窗口选择线。
在对话框中单击OK对线划分网格。
3．旋转划分好网格的线。
选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,
Zoom,Rotate。
弹出Pan,Zoom,Rotate对话框。
选择ISO并单击Close。
图形窗口中梁将旋转。
4．确认梁的定位。
选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>
Size&Shape。
选择/ESHAPE旁边的radio按钮并单击OK。
5．显示横截面形状。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>Sections>
PlotSection并单击OK。
6．重新显示网格。
选择菜单UtilityMenu>Plot>Elements。
第六步：
定义边界条件
1．定义固定端的边界条件。
选择菜单MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnKeypoints。
将弹出ApplyU,ROTonKPs对话框。
2．定义关键点1为固定端。
在ANSYS输入窗口，输入1并回车，然后单击OK。
3．在对话框中选择“AllDOF”，然后单击OK。
在ANSYS图形窗口将显示边界条件。
4．在自由端施加集中力。
选择菜单MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force/Moment>OnKeypoints。
将出现ApplyF/MonKPs对话框。
5．定义关键点2为自由端。
在ANSYS输入窗口，输入2并回车，然后单击OK。
6．在Directionofforce/mom框中选择FY。
7．在数值处输入1并单击OK。
在ANSYS图形窗口将出现集中力标志。
8．存储模型。
选择菜单UtilityMenu>File>SaveAs。
选择OK，当ANSYS询问是否覆盖时，单击Yes。
9．选择菜单MainMenu>Finish。
第七步：
作特征值屈曲分析
1．进入时序后处理器。
选择菜单TimeHistPostpro>DefineVariables。
TIME变量是缺省的。
选择Close。
2．设置分析选项。
选择菜单MainMenu>Solution>AnalysisOptions。
将弹出Static或Steady-StateAnalysis对话框。
3．生成应力-刚度矩阵，存储起来在后续的特征值屈曲分析中使用。
在Stressstiffnessorprestress框中，选择“PrestressON”。
4．定义分析求解方法为sparsesolver。
在Equationsolver框中选择Sparsesolver。
单击OK。
5．选择菜单MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS。
浏览/STAT命令窗口中的内容，然后单击OK开始求解。
6．当“SolutionisDone!
”窗口出现时，单击Close关闭窗口。
7．选择菜单MainMenu>Finish。
8．选择菜单MainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysis。
9．选择“EigenBuckling”选项，然后单击OK。
10．选择菜单MainMenu>Solution>AnalysisOptions。
将弹出特征值屈曲选项对话框。
选择BlockLanczos方法。
在模态数目框中输入4，然后单击OK。
11．在MXPAND命令设置ElementCalculationKey。
选择菜单MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-ExpansionPass>ExpandModes。
12．在扩展模态对话框中，输入4作为模态数，将Calculateelemresults框由No改为Yes，然后单击OK。
13．选择菜单MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS。
浏览/STAT命令窗口中的内容，然后单击OK开始求解。
14．当“SolutionisDone!
”窗口出现时，单击Close关闭窗口。
15．选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Size&Shape。
确认在/ESHAPE旁边的radio按钮为ON，然后选择OK。
16．在ANSYS输入窗口中输入/VIEW,1,1,1,1然后按回车。
17．在ANSYS输入窗口中输入/ANG,1然后按回车。
18．显示求解结果。
选择菜单MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ResultsSummary。
当查看结果完毕后，单击Close关闭窗口。
19．选择菜单MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>-ReadResults->FirstSet。
20．绘出梁的第一个模态。
选择菜单MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape。
将弹出PlotDeformedShape对话框。
选择Def+undefedge并单击OK。
21．选择菜单MainMenu>Finish。
第八步：
作非线性屈曲分析求解
1．引入前面分析中得到的模型缺陷计算结果。
选择菜单MainMenu>Preprocessor>-Modeling-UpdateGeom。
在UpdateGeometry对话框中，输入0.002作为ScalingFactor，在loadstep框中输入1，在Substep框中输入1，在Selection框中输入file.rst。
单击OK。
2．选择菜单MainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysis。
3．选择“Static”选项，单击OK。
4．选择菜单MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-OutputCtrls>DB/ResultsFile，并确认选择了AllItems和Allentities选项，然后单击OK。
5．选择菜单MainMenu>Solution>AnalysisOptions。
设置Largedeformeffects旁边的radio按钮为ON，然后单击OK。
6．设定arc-length方法。
选择菜单MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Nonlinear>Arc-LengthOpts。
设定Arc-length方法为ON，然后单击OK。
7．定义本载荷步中的子步数。
选择菜单MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubsteps。
输入10000作为子步数并单击OK。
8．设置求解中断参数。
选择菜单MainMenu>Solution>Nonlinear>Arc-LengthOpts。
选择theLab菜单旁边的下拉式菜单的位移限制选项。
在最大位移框中输入1.0。
在VAL框中输入结点号为2。
选择DegreeofFreedom旁边的下拉菜单为UZ。
单击OK。
9．求解当前模型。
选择菜单MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS。
浏览/STAT命令窗口中的内容，然后单击OK开始求解。
同时将弹出一个非线性求解窗口。
收敛图也将显示，并在几分钟内完成。
10．当“SolutionisDone!
”窗口出现时，单击Close关闭窗口。
11．选择菜单MainMenu>Finish。
12．重画梁网格。
选择菜单UtilityMenu>Plot>Elements。
13．定义要从结果文件中读出的载荷点位移。
选择菜单MainMenu>TimeHistPostpro>DefineVariables。
当出现对话框时，单击OK。
14．当弹出AddTime-HistoryVariable窗口时，确认NodalDOFresult选项选中，然后单击OK。
15．出现DefineNodalData选择对话框。
在图形窗口，选择结点2（梁的右端结点）并单击OK。
16．出现DefineNodalData窗口。
确认参数Ref号和结点号都设置为2。
在User-specified框中输入TIPLATDI。
选择UZ平移并单击OK。
17．定义从结果文件中读出的总支反力。
在DefineTime-HistoryVariables窗口选择Add。
18．当AddTime-HistoryVariable窗口出现时，选择Reactionforcesradio按钮并选择OK。
19．出现DefineNodalData选择对话框。
在ANSYS输入窗口中输入1（梁的左端结点）并选择OK。
单击Close关闭对话框。
20．出现DefineReactionForceVariable窗口。
确认参数Ref号设置为3，结点号设置为1。
选择StructForceFY选项并单击OK。
21．选择菜单MainMenu>TimeHistPostpro>MathOperators>
Multiply。
在MultiplyTime-HistoryVariables窗口，在结果框中输入4作为参考号，输入-1.0在1stFactor框，在1stVariable框中输入3，单击OK。
22．显示X变量。
选择菜单MainMenu>TimeHistPostpro>Settings>
Graph。
在Singlevariableno.框输入2并单击OK。
23．绘出载荷和位移关系曲线以确定特征值法计算出的临界载荷。
选择菜单MainMenu>TimeHistPostpro>GraphVariables。
在1stvariabletograph框中输入1。
24．列出变量随时间的变化曲线。
选择菜单MainMenu>TimeHistPostpro>ListVariables。
在1stvariabletolist框中输入2，在2ndvariable框中输入4并单击OK。
25．在PRVAR命令窗口中检验数值并比较其与特征值屈曲分析的结果。
关闭PRVAR命令窗口。
26．选择菜单MainMenu>Finish。
第九步：
绘出并查看结果
1．在ANSYS工具栏，单击Quit。
2．选择一个存储选项并单击OK。
悬臂梁求解实例：
命令行格式
可以用命令行格式完成同样的分析问题：
/PREP7
/GRA,POWER
GST,ON
/SHOW,BUCKLE,GRPH
K,1,0,0,0,
K,2,100.0,0,0,
K,3,50,5,0,
LSTR,1,2
ET,1,BEAM189
SECTYPE,1,BEAM,RECT,
SECDATA,0.2,5.0
SLIST,1,1,,
MP,EX,1,1E4
MP,NUXY,1,0.0
LSEL,S,,,1,1,1
LATT,1,,1,0,3,,1
LESIZE,all,,,10
SECN,1
LMESH,all
/VIEW,,1,1,1
/ESHAPE,1EPLOT
DK,1,,,,0,ALL,,
FK,2,FY,1.0
FINISH
/SOLU
PSTRES,ON
EQSLV,SPARSE
SOLVE
FINISH
/SOLU
ANTYPE,BUCKLE
BUCOPT,LANB,4
MXPAND,4,,,YES
SOLVE
/POST1
/ESHAPE,1
/VIEW,1,1,1,1
/ANG,1
SET,LISTSET,1,1
PLDI,2
FINISH
UPGEOM,0.002,1,1,file,rst
/SOLU
ANTYPE,
STATIC
OUTRES,ALL,ALL
NLGEOM,ON
ARCLEN,ON
NSUBST,10000
ARCTRM,U,1.0,2,UZ
SOLVE
FINISH
/POST26
NSOL,2,2,U,Z,TIPLATDISP
RFORCE,3,1,F,Y,
PROD,4,3,,,,,,-1.0,1,1,
XVAR,2
PLVAR,4
PRVAR,2,4
FINISH
升级会员 