2.ANSYS结构分析与结构建模
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
有限元分析是对真实物理系统的数值近似。其 物理解释为以一组离散的单元集合体近似代替 原连续结构，通过各单元分析获得单元组合体 结构的特性，在给定的荷载与边界条件下，求 得单元组合体各节点的位移，进而求得各单元 应力等。
采用何种单元集合体来近似代替真实的求解问 题呢？即在实际工程结构仿真分析中，采用何 种单元模拟实际结构呢？在模拟实际结构中要 考虑哪些细节呢？本节就这些问题进行阐述和 讨论。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.1 结构分类及仿真单元
板壳结构： 当L/h<5～8时为厚板，应采用实体单元。 当5～8<L/h<80～100时为薄板，选2D体元或壳元 当L/h>80～100时,采用薄膜单元。 对于壳类结构，一般R/h≥20为薄壳结构，可选择薄 壳单元，否则选择中厚壳单元。
pldisp
!绘制变形图
etable,mforce,smisc,1 !定义单元轴力表
etable,mstress,ls,1 !定义单元应力表
plls,mforce,mforce,1 !绘制单元轴力图
plls,mstress,mstress,1 !绘制单元应力图
prrsol
!列出支承反力表
finish
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.3 模型深度与单元选择
建立何种“深度”的模型才能较好的模拟工程实际， 是模型规划要解决的问题。采用何种单元模拟结构或 构件，是保证计算结果合理的前提，甚至是计算结果 正确与否的关键。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.3 模型深度与单元选择
1. 选择单元类型的原则 ★力学行为原则
!关闭关键点号显示
/pbc,all,,1
!显示实体上的边界条件和荷载
/psymb,ldiv,-1 !关闭线划分单元属性显示
lplot
!绘制线
solve
!执行求解
finish
!退出solu处理器
!----------后处理-------------------------------
/post1
!进入后处理器
获得结构细节或局部的力学行为。例如墩梁连接处、支承处、预应力筋锚固 端、斜拉索锚固区等应采用实体单元模拟，其它部分可采用杆梁单元或板壳 单元模拟。在实体级模型中，一般不全部采用实体单元，而是采用多种单元 的组合进行模拟。
1.5 结构分析的基本过程
1.5.1 基本过程
ANSYS分析过程一般包括三个步骤： ●前处理：创建几何模型或有限元模型、定义单元、 定义材料属性、定义单元划分等，施加荷载和边界条 件也可在该过程完成。 ●求解过程：施加荷载和边界条件、定义求解类型、 定义求解器及求解方式等。 ●后处理：查看分析结果、结果计算与分析等。
⑴ 创建几何模型，再到有限元模型的分析过程命令流
!e1.1--平面桁架分析
!----------前处理--------------------------------------
/filname,truss,1 !定义工作文件名
/title,The Analysis of Plane truss
/replot
/solu
!进入solu处理器
antype,0
!定义分析类型
lplot
!绘制线
dk,1,ux,,,,uy !约束关键点1的Ux,Uy
dk,5,uy
!约束关键点5的Uy
fk,6,fy,-200000 !关键点6施加向下的荷载200000N
fk,8,fy,-200000 !关键点8施加向下的荷载200000N
/prep7
!进入prep7处理器
et,1,link1 !定义单元类型
r,1,0.01$r,2,0.005$r,3,0.0125 !定义单元实常数
mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性
mp,prxy,1,0.3
n,1$n,2,6$n,3,12$n,4,18$n,5,24$n,6,6,8$n,7,12,8$n,8,18,8 !创建节点
/pnum,kp,1
!设定显示关键点号
/pnum,line,1 !设定显示线号
lplot
!绘制线
et,1,link1
!定义单元类型
r,1,0.01$r,2,0.005$r,3,0.0125 !定义单元实常数
mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性
mp,prxy,1,0.3
lsel,s,tan1,y$latt,1,1,1 !选择水平线并定义属性
对于既非梁亦非板壳结构，可选择3D实体单元。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.2 平面模型和空间模型
原则：根据不同的设计阶段而采用不同的计算模型， 以便取得较高的计算效率。
在方案设计过程中，一般可采用平面模型进行结构 的计算分析。此阶段主要研究结构总体的力学行为，如结构
设计参数等，以便得到理想的结构布置，而对结构内力和变形 精度要加向下的荷载400000N
f,3,fy,-400000 !节点3施加向下的荷载400000N
f,4,fy,-400000 !节点4施加向下的荷载400000N
/replot
!显示个线的实常数号
lesize,all,,,1 !定义各个线所划分的单元个数
lmesh,all !对所有线进行单元划分
finish
!退出prep7处理器
!----------加载和求解-------------------------------------------------------
fk,2,fy,-400000 !关键点2施加向下的荷载400000N
fk,3,fy,-400000 !关键点3施加向下的荷载400000N
fk,4,fy,-400000 !关键点4施加向下的荷载400000N
/pnum,real,0
!关闭实常数号显示
/pnum,line,0
!关闭线号显示
/pnum,kp,0
杆系结构、板壳结构和实体结构划分，分别采用与之力学行为相符的线单元、 板壳单元和实体单元。
★单元维数原则
在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，建议优先选择 梁杆单元，其次是板壳单元，最后是实体单元。
★单元阶数原则
在保证计算精度的情况下，优先选择低阶单元，但一般而言，高阶单元具有 较好的计算结果。当没有足够的经验时，建议采用高阶单元以获得较好的计 算结果。
type,1$mat,1$real,1 !定义单元类型号为1、材料类型为号1、实常数为号1
e,1,2$e,2,3$e,3,4$e,4,5$e,6,7$e,7,8 !定义单元
real,2
!定义实常数为号2
e,2,6$e,3,7$e,4,8$e,6,3$e,3,8 !定义单元
real,3
!定义实常数为号3
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.1 结构分类及仿真单元
在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。 按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板 壳结构和实体结构。 杆系结构：其杆件特征是一个方向的尺度远大于其它 两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的 梁。单元类型有杆、梁和管单元（一般称为线单元） 板壳结构：是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺 度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单元 实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构， 例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为3D实体单元和2D 实体单元
学行为。平面模型的计算结果可用于方案设计，空间模型的计算结果可用于 技术设计。
★板壳级：主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型，以便获得结
构构件的力学行为。例如桥梁的主梁或主拱、主墩等可采用板壳单元模拟， 其它构件可采用杆梁单元模拟，以得到结构构件较为精确的内力和变形。
★实体级：主要采用实体单元或与杆梁、板壳单元结合建立模型，以便
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.1 结构分类及仿真单元
杆系结构： ①当构件15>L/h≥4时，采用考虑剪切变形的梁单元。 ②当构件L/h≥15时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。 ③BEAM18X系列可不必考虑的上限，但在使用时必须 达到一定程度的网格密度。
对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必 须考虑剪切变形的影响。
1.5 结构分析的基本过程
1.5.2 几何建模-有限元模型的GUI方式
1. 问题描述
如图所示平面桁架，材料的弹性模量=210GPa 水平杆的截面面积为0.01m2 竖杆和中间两斜杆的截面面积为0.005m2 两边斜杆的截面面积为0.0125m2
200
200
8
400
400
400
4×6=24
图1.2 平面桁架结构(尺寸单位:m，荷载单位:kN)
1.5 结构分析的基本过程
1.5.2 几何建模-有限元模型的GUI方式
2.前处理 启动ANSYS，并设定工作目录。
⑴ 定义工作文件名
输入文件名称
⑵ 定义工作标题
⑶ 重新显示
⑷ 创建关键点
需要说明的是坐标为“0”的数值可以不输入，当不 输入数值时ANSYS默认为“0”值。
⑸ 创建线
⑹ 显式关键点号和线号
⑺ 显式实体
⑻ 定义单元类型
⑼ 定义单元实常数
⑽ 定义材料属性
⑾ 定义几何模型属性
拾取6条水平线后
⑿ 显示实体的属性编号
⒀定义单元网格划分参数
⒁ 划分单元
3.加载与求解 ⑴ 定义分析类型
⑵ 显示线实体
⑶ 定义约束条件
拾取KP5后OK
e,1,6$e,8,5 !定义单元
finish
!退出prep7处理器
/solu
!进入solu处理器
antype,0
!定义分析类型
d,1,ux,,,,,uy !约束节点1的Ux,Uy
d,5,uy
!约束节点5的Uy
f,6,fy,-200000 !节点6施加向下的荷载200000N
f,8,fy,-200000 !节点8施加向下的荷载200000N
★建模方便原则
当确定了单元类型后，应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元，采用 BEAM4、BEAM188/189均可行时，应该选择BEAM188/189单元。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.3 模型深度与单元选择
2. 模型深度 ★杆系级：主要采用杆单元和梁单元建立模型，以便获得结构总体的力
lsel,s,loc,y,1,7$lsel,r,loc,x,6,18$latt,1,2,1 !选择竖杆和中间斜杆并定义属性
lsel,s,loc,y,1,7$lsel,u,loc,x,6,18$latt,1,3,1 !选择两边斜杆并定义属性
allsel,all
!选择全部实体
/pnum,real,1 !设置显示实常数号
在技术设计过程中，一般宜采用空间模型进行结构 的计算分析。此阶段对结构的各种荷载效应要求有较高的精
度和可靠性，以便对各个构件进行设计。过去采用简化方法计 算，如荷载横向分布系数或偏载系数等。现在则可以直接建立 空间力学模型进行各种效应分析。而除此之外，许多结构按平 面模型分析存在许多困难，如城市中的宽桥、斜交桥、弯梁桥 及异形桥等，单拱面的拱桥或单索面的斜拉桥等。
!重新显示
/prep7
!进入prep7处理器
k,1$k,2,6$k,3,12$k,4,18$k,5,24$k,6,6,8$k,7,12,8$k,8,18,8 !创建关键点
l,1,2$l,2,3$l,3,4$l,4,5$l,1,6$l,6,7$l,7,8$l,5,8$l,2,6 !创建线
l,3,7$l,4,8$l,6,3$l,3,8
⑷ 施加荷载
然后再拾取2,3,4并施加-400000
⑸ 关闭编号显示
⑹ 求解
4.后处理 ⑴绘制变形图
1.5 结构分析的基本过程
1.5.3直接建立有限元模型的GUI方式
1.5.4 两种方式的命令流
这里给出上述分析的命令流，其中“$”为续行符,与另 起一行效果相同。“!”表示注释行，可以放在命令行 后面的任意位置，在“！”之后的本行内容ANSYS一律 默认为注释，包括“$”。在ANSYS中除注释外，命令及 命令参数不区分大小写，鉴于习惯和小写便于阅读， 命令流中均可采用小写英文字母。
!/exit,nosav
⑵ 直接建立有限元模型的命令流
!e1.2--平面桁架分析
!----------前处理--------------------------------------
/filname,truss,1 !定义工作文件名
!定义工作标题
/title,The Analysis of Plane truss
有限元分析是对真实物理系统的数值近似。其 物理解释为以一组离散的单元集合体近似代替 原连续结构，通过各单元分析获得单元组合体 结构的特性，在给定的荷载与边界条件下，求 得单元组合体各节点的位移，进而求得各单元 应力等。
采用何种单元集合体来近似代替真实的求解问 题呢？即在实际工程结构仿真分析中，采用何 种单元模拟实际结构呢？在模拟实际结构中要 考虑哪些细节呢？本节就这些问题进行阐述和 讨论。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.1 结构分类及仿真单元
板壳结构： 当L/h<5～8时为厚板，应采用实体单元。 当5～8<L/h<80～100时为薄板，选2D体元或壳元 当L/h>80～100时,采用薄膜单元。 对于壳类结构，一般R/h≥20为薄壳结构，可选择薄 壳单元，否则选择中厚壳单元。
pldisp
!绘制变形图
etable,mforce,smisc,1 !定义单元轴力表
etable,mstress,ls,1 !定义单元应力表
plls,mforce,mforce,1 !绘制单元轴力图
plls,mstress,mstress,1 !绘制单元应力图
prrsol
!列出支承反力表
finish
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.3 模型深度与单元选择
建立何种“深度”的模型才能较好的模拟工程实际， 是模型规划要解决的问题。采用何种单元模拟结构或 构件，是保证计算结果合理的前提，甚至是计算结果 正确与否的关键。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.3 模型深度与单元选择
1. 选择单元类型的原则 ★力学行为原则
!关闭关键点号显示
/pbc,all,,1
!显示实体上的边界条件和荷载
/psymb,ldiv,-1 !关闭线划分单元属性显示
lplot
!绘制线
solve
!执行求解
finish
!退出solu处理器
!----------后处理-------------------------------
/post1
!进入后处理器
获得结构细节或局部的力学行为。例如墩梁连接处、支承处、预应力筋锚固 端、斜拉索锚固区等应采用实体单元模拟，其它部分可采用杆梁单元或板壳 单元模拟。在实体级模型中，一般不全部采用实体单元，而是采用多种单元 的组合进行模拟。
1.5 结构分析的基本过程
1.5.1 基本过程
ANSYS分析过程一般包括三个步骤： ●前处理：创建几何模型或有限元模型、定义单元、 定义材料属性、定义单元划分等，施加荷载和边界条 件也可在该过程完成。 ●求解过程：施加荷载和边界条件、定义求解类型、 定义求解器及求解方式等。 ●后处理：查看分析结果、结果计算与分析等。
⑴ 创建几何模型，再到有限元模型的分析过程命令流
!e1.1--平面桁架分析
!----------前处理--------------------------------------
/filname,truss,1 !定义工作文件名
/title,The Analysis of Plane truss
/replot
/solu
!进入solu处理器
antype,0
!定义分析类型
lplot
!绘制线
dk,1,ux,,,,uy !约束关键点1的Ux,Uy
dk,5,uy
!约束关键点5的Uy
fk,6,fy,-200000 !关键点6施加向下的荷载200000N
fk,8,fy,-200000 !关键点8施加向下的荷载200000N
/prep7
!进入prep7处理器
et,1,link1 !定义单元类型
r,1,0.01$r,2,0.005$r,3,0.0125 !定义单元实常数
mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性
mp,prxy,1,0.3
n,1$n,2,6$n,3,12$n,4,18$n,5,24$n,6,6,8$n,7,12,8$n,8,18,8 !创建节点
/pnum,kp,1
!设定显示关键点号
/pnum,line,1 !设定显示线号
lplot
!绘制线
et,1,link1
!定义单元类型
r,1,0.01$r,2,0.005$r,3,0.0125 !定义单元实常数
mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性
mp,prxy,1,0.3
lsel,s,tan1,y$latt,1,1,1 !选择水平线并定义属性
对于既非梁亦非板壳结构，可选择3D实体单元。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.2 平面模型和空间模型
原则：根据不同的设计阶段而采用不同的计算模型， 以便取得较高的计算效率。
在方案设计过程中，一般可采用平面模型进行结构 的计算分析。此阶段主要研究结构总体的力学行为，如结构
设计参数等，以便得到理想的结构布置，而对结构内力和变形 精度要加向下的荷载400000N
f,3,fy,-400000 !节点3施加向下的荷载400000N
f,4,fy,-400000 !节点4施加向下的荷载400000N
/replot
!显示个线的实常数号
lesize,all,,,1 !定义各个线所划分的单元个数
lmesh,all !对所有线进行单元划分
finish
!退出prep7处理器
!----------加载和求解-------------------------------------------------------
fk,2,fy,-400000 !关键点2施加向下的荷载400000N
fk,3,fy,-400000 !关键点3施加向下的荷载400000N
fk,4,fy,-400000 !关键点4施加向下的荷载400000N
/pnum,real,0
!关闭实常数号显示
/pnum,line,0
!关闭线号显示
/pnum,kp,0
杆系结构、板壳结构和实体结构划分，分别采用与之力学行为相符的线单元、 板壳单元和实体单元。
★单元维数原则
在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，建议优先选择 梁杆单元，其次是板壳单元，最后是实体单元。
★单元阶数原则
在保证计算精度的情况下，优先选择低阶单元，但一般而言，高阶单元具有 较好的计算结果。当没有足够的经验时，建议采用高阶单元以获得较好的计 算结果。
type,1$mat,1$real,1 !定义单元类型号为1、材料类型为号1、实常数为号1
e,1,2$e,2,3$e,3,4$e,4,5$e,6,7$e,7,8 !定义单元
real,2
!定义实常数为号2
e,2,6$e,3,7$e,4,8$e,6,3$e,3,8 !定义单元
real,3
!定义实常数为号3
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.1 结构分类及仿真单元
在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。 按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板 壳结构和实体结构。 杆系结构：其杆件特征是一个方向的尺度远大于其它 两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的 梁。单元类型有杆、梁和管单元（一般称为线单元） 板壳结构：是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺 度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单元 实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构， 例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为3D实体单元和2D 实体单元
学行为。平面模型的计算结果可用于方案设计，空间模型的计算结果可用于 技术设计。
★板壳级：主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型，以便获得结
构构件的力学行为。例如桥梁的主梁或主拱、主墩等可采用板壳单元模拟， 其它构件可采用杆梁单元模拟，以得到结构构件较为精确的内力和变形。
★实体级：主要采用实体单元或与杆梁、板壳单元结合建立模型，以便
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.1 结构分类及仿真单元
杆系结构： ①当构件15>L/h≥4时，采用考虑剪切变形的梁单元。 ②当构件L/h≥15时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。 ③BEAM18X系列可不必考虑的上限，但在使用时必须 达到一定程度的网格密度。
对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必 须考虑剪切变形的影响。
1.5 结构分析的基本过程
1.5.2 几何建模-有限元模型的GUI方式
1. 问题描述
如图所示平面桁架，材料的弹性模量=210GPa 水平杆的截面面积为0.01m2 竖杆和中间两斜杆的截面面积为0.005m2 两边斜杆的截面面积为0.0125m2
200
200
8
400
400
400
4×6=24
图1.2 平面桁架结构(尺寸单位:m，荷载单位:kN)
1.5 结构分析的基本过程
1.5.2 几何建模-有限元模型的GUI方式
2.前处理 启动ANSYS，并设定工作目录。
⑴ 定义工作文件名
输入文件名称
⑵ 定义工作标题
⑶ 重新显示
⑷ 创建关键点
需要说明的是坐标为“0”的数值可以不输入，当不 输入数值时ANSYS默认为“0”值。
⑸ 创建线
⑹ 显式关键点号和线号
⑺ 显式实体
⑻ 定义单元类型
⑼ 定义单元实常数
⑽ 定义材料属性
⑾ 定义几何模型属性
拾取6条水平线后
⑿ 显示实体的属性编号
⒀定义单元网格划分参数
⒁ 划分单元
3.加载与求解 ⑴ 定义分析类型
⑵ 显示线实体
⑶ 定义约束条件
拾取KP5后OK
e,1,6$e,8,5 !定义单元
finish
!退出prep7处理器
/solu
!进入solu处理器
antype,0
!定义分析类型
d,1,ux,,,,,uy !约束节点1的Ux,Uy
d,5,uy
!约束节点5的Uy
f,6,fy,-200000 !节点6施加向下的荷载200000N
f,8,fy,-200000 !节点8施加向下的荷载200000N
★建模方便原则
当确定了单元类型后，应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元，采用 BEAM4、BEAM188/189均可行时，应该选择BEAM188/189单元。
1.4 ANSYS结构分析与结构建模
1.4.3 模型深度与单元选择
2. 模型深度 ★杆系级：主要采用杆单元和梁单元建立模型，以便获得结构总体的力
lsel,s,loc,y,1,7$lsel,r,loc,x,6,18$latt,1,2,1 !选择竖杆和中间斜杆并定义属性
lsel,s,loc,y,1,7$lsel,u,loc,x,6,18$latt,1,3,1 !选择两边斜杆并定义属性
allsel,all
!选择全部实体
/pnum,real,1 !设置显示实常数号
在技术设计过程中，一般宜采用空间模型进行结构 的计算分析。此阶段对结构的各种荷载效应要求有较高的精
度和可靠性，以便对各个构件进行设计。过去采用简化方法计 算，如荷载横向分布系数或偏载系数等。现在则可以直接建立 空间力学模型进行各种效应分析。而除此之外，许多结构按平 面模型分析存在许多困难，如城市中的宽桥、斜交桥、弯梁桥 及异形桥等，单拱面的拱桥或单索面的斜拉桥等。
!重新显示
/prep7
!进入prep7处理器
k,1$k,2,6$k,3,12$k,4,18$k,5,24$k,6,6,8$k,7,12,8$k,8,18,8 !创建关键点
l,1,2$l,2,3$l,3,4$l,4,5$l,1,6$l,6,7$l,7,8$l,5,8$l,2,6 !创建线
l,3,7$l,4,8$l,6,3$l,3,8
⑷ 施加荷载
然后再拾取2,3,4并施加-400000
⑸ 关闭编号显示
⑹ 求解
4.后处理 ⑴绘制变形图
1.5 结构分析的基本过程
1.5.3直接建立有限元模型的GUI方式
1.5.4 两种方式的命令流
这里给出上述分析的命令流，其中“$”为续行符,与另 起一行效果相同。“!”表示注释行，可以放在命令行 后面的任意位置，在“！”之后的本行内容ANSYS一律 默认为注释，包括“$”。在ANSYS中除注释外，命令及 命令参数不区分大小写，鉴于习惯和小写便于阅读， 命令流中均可采用小写英文字母。
!/exit,nosav
⑵ 直接建立有限元模型的命令流
!e1.2--平面桁架分析
!----------前处理--------------------------------------
/filname,truss,1 !定义工作文件名
!定义工作标题
/title,The Analysis of Plane truss