Ansys工字梁建模与应力分析

工字梁建模与应力分析
所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为，。

试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。

其他已知参数如下：
弹性模量（也称杨式模量）E= 206GPa；泊松比；
材料密度；重力加速度；
作用力Fy作用于梁的上表面沿长度方向中线处，为分布力，其大小Fy=-5000N 四、步骤
（二）单元类型、几何特性及材料特性定义
1定义单元类型。

点击主菜单中的“Preprocessor>Element
Type >Add/Edit/Delete”，弹出对话框，点击对话框中的“Add…”按钮，又弹出一对话框（图26），选中该对话框中的“Solid”和“Brick 8node 45”选项，点击“OK”，关闭图26对话框，返回至上一级对话框，此时，对话框中出现刚才选中的单元类型：Solid45，如图27所示。

点击“Close”，关闭图27所示对话框。

注：Solid45单元用于建立三维实体结构的有限元分析模型，该单元由8个节点组成，每个节点具有X、Y、Z方向的三个移动自由度。

2．定义材料特性。

点击主菜单中的“Preprocessor>Material Pro ps >Material Models”，弹出窗口如图28所示，逐级双击右框中“Structural\ Linear\ Elastic\ Isotropic”前图标，弹出下一级对话框，在“弹性模量”（EX）文本框中输入：，在“泊松比”（PRXY）文本框中输入：，如图29所示，点击“OK”按钮，回到上一级对话框，然后，双击右框中的“Density”选项，在弹出对话框的“DENS”一栏中输入材料密度：7800，点击“OK”按钮关闭对话框。

最后，点击图2-31所示窗口右上角“关闭”该窗口。

（三）工字钢三维实体模型的建立
1．生成关键点。

所示的工字钢梁的横截面由12个关键点连线而成，其各点坐标分别为：1（,0,0）、2（,0,0）、3（,,0）、4（,,0）、5（,,0）、6（,,0）、7（,,0）、8（,,0）、9（,,0）、10（,,0）、11（,,0）、12（,,0）。

点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>
Keypoints>In Active CS”，弹出对话框。

在“Keypoint number”一栏中输入关键点号1，在“XYZ Location”一栏中输入关键点1的坐标（，0，0），如图所示，点击“Apply”按钮，同理将2~12点的坐标输入，此时，在显示窗口上显示所生成的12个关键点的位置。

2．生成直线。

点击主菜单中的
“Preprocessor>Modeling>Create >Lines >Lines>StraightLine”，弹出关键点选择对话框，依次点选关键点1、2，点击“Apply”按钮，即可生成第一条直线。

同理，分别点击2、3；3、4；4、5；5、6；6、7；7、8；8、9；9、10；10、11；
11、12；12、1可生成其余11条直线。

生成后的组成工字钢梁横截面的直线如图31所示。

3．生成平面。

点击主菜单中的
“Preprocessor>Modeling>Create >Areas>Arbitrary>By Lines”，弹出“直线选择”对话框，依次点选1~12直线，点击“OK”按钮关闭对话框，即可生成工字钢的横截面。

4．生成三维实体。

点击主菜单中的
“Preprocessor>Modeling>>Operate>Extrude>Areas
>Along Normal”，弹出平面选择对话框32，点选上一步骤生成的平面，点击“OK”按钮。

之后弹出另一对话框33，在“DIST”一栏中输入：1（工字钢梁的长度），其他保留缺省设置，点击OK按钮关闭对话框，即可生成工字钢梁的三维实体模型。

所示。

（四）网络划分
1．设定单元大小。

点击主菜单中的“Preprocessor>Meshing>MeshTool”,弹出对话框，在“Size Control”标签中的Global一栏点击Set按钮，弹出“网格尺寸设置”对话框，在SIZE一栏中输入：，其他保留缺省设置，点击OK按钮关闭对话框。

2．接着上一步，在图的划分网格的对话框中，选中单选框“Hex”和“Sweep”，其他保留缺省设置，然后点击“Sweep”按钮，弹出体选择对话框，点选34中的工字钢梁实体，并点击OK按钮，即可完成对整个实体结构的网格划分，其结果所示。

（五）施加载荷
1．施加位移约束。

点击主菜单的“Preprecessor>Loads>Define
Loads>Apply>Structuaral>Displacemengt>On Areas”，弹出面选择对话框，点击该工字梁的左端面，点击“OK”按钮，弹出对话框如图示，选择右上列表框中的“All DOF”，并点击“OK”按钮，即可完成对左端面的位移约束，相当于梁的固定端。

同理，对工字钢的右端面进行固定端约束。

2．施加分布力（Fy）载荷。

（1）选择施力节点。

点击应用菜单中的“Select>Entities...”，弹出对话框所示，在第一个列表框中选择“Nodes”选项，第二个列表框中选择“By Location”选项，选中“Zcoordinates”单选框，并在“Min,Max”参数的文本框中输入：（表示选择工字钢梁沿的中间横截面上的所有节点），其他参数保留缺省设置，点击“Apply”按钮完成选择。

点击“Plot”按钮，在显示窗口上显示出工字钢梁中间横截面上的所有节点。

然后，在图37所示对话框中选中“Zcoordinates”单选框，在“Min,Max”参数文本框中输入：（表示工字钢梁的上表面），选中“Reselect”（表示在现有活动节点——即上述选择的中间横截面中，再选择y坐标等于的节点为活动节点）单选框，其他参数保留缺省设置（参见图），然后依次点击“Apply” 和“Plot”按钮，即可在显示窗口上显示出工字钢梁上表面沿长度方向中线处的一组节点，这组节点即为施力节点。

（2）施加载荷。

点击主菜单中的“Preprocessor>Loads>Define
Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Noads”，弹出“节点选择”对话框，点击“Pick All”按钮，即可选中（1）中所选择的这组需要施力的节点，之后弹出另一个对话框，在该对话框中的“Direction of force/mom”一项中选择：“FY,在Force/moment value”一项中输入：-5000（注：负号表示力的方向与Y的方向相反），其他保留缺省装置，如图所示，然后点击“OK”按钮关闭对话框，这样，通过在该组节点上施加与Y向相反的作用力，就可以模拟该实训中所要求的分布力Fy =-5000N。

（3）恢复选择所有节点。

在求解之前必须选择所有已创建的对象为活动对象（如点、线、面、体、单元等），否则求解会出错。

因此，点击应用菜单中的“Select>Everything”，即可完成该项工作。

需要注意的是，此时显示窗口仅显示施力节点及作用力的方向箭头。

若要显示整个工字钢梁的网络模型，可点击应用菜单中的“Plot>Elements”即可。

3．施加重力载荷。

点击主菜单中的“Preprocessor>Loads>Define
Loads>Apply>Struc tural>Inertia>Gravity”,在弹出对话框的“ACELY”一栏中输入：（表示沿Y方向的重力加速度为9.8m/s，系统会自动利用密度等参数进行分析计算），其他保留缺省设置，点击“OK”关闭对话框。

到此为止，有限元分析的前置处理部分已经结束。

（六）求解
点击主菜单中的“Solution>Solve>Current LS”，在弹出对话框中点击“OK”按钮，开始进行分析求解。

分析完成后，又弹出一信息窗口提示用户已完成求解，点击“Close”按钮关闭对话框即可。

至于在求解时产生的STATUS Command窗口，点击“File>Close”关闭即可。

说明：到此为止，有限元分析的求解部分已经结束。

（七）分析结果浏览
1．绘制节点位移云图。

点击主菜单中的“General Postproc>Plot
Results>Contour Plot>Nodal Solu”，弹出对话框，选中右上列表框“Translation”栏中的“UY”选项，其他保留缺省设置。

点击“OK”按钮，即可显示本实训工字钢梁各节点在重力和Fy作用下的位移云图，如图所示。

同理，通过在图所示对话框中选择不同的选项，也可以绘制各节点的应力以及沿其他方向的云图。

2．列举各节点的位移解。

点击主菜单中的General Postproc>Plot
Results>Contour Plot>Nodal Solu”，弹出对话框如图所示，全部保留缺省设置，点击“OK”按钮关闭对话框，并弹出一列表窗口，显示了该工字钢梁各节点的位移情况，显然，由于受力方向为y方向，因此，从窗口数据看出，各节点沿y
的位移最大。

3．显示变形动画。

点击应用菜单(Utility>Menu)中的“Plot
Ctrls>Animate>Deformed Results...)，在弹出的对话框中的“Time delay”文本框中输入：，并选中右列表框中的“UY”选项，其他保留缺省设置，点击“OK”按钮关闭对话框，即可显示本实训工字钢梁的变形动画。

由于分布力Fy作用于梁中间，可以看出Fy对梁的局部作用过程。

（八）ANSYS软件的保存与退出
基于ANSYS的流体流动状态分析
时间：2011-06-12 23:13:52 来源：e-works 作者：
一、层流与紊流简介
流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。

此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。

流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。

管内流体的平均流速与最大流速之比等于，根据雷诺实验，当雷诺准数Re<2100时，流体的流动状态为层流。

紊流是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。

具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。

紊流一般相对“层流”而言。

一般用雷诺数判定。

雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。

雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流状态，Re=2000～4000为过渡状态。

在不同的流动状态下，流体的运动规律.流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。

因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。

研究层流和紊流判断多借助试验进行分析，分析过程比较繁琐。

借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很轻松地解决层流和紊流问题。

ANSYS软件中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维和三维流体流动场的先进工具，使用FLOTRAN CFD分析中的FLUID 141和FLUID 141单元，可以解决如下问题：
1)作用于气动翼型上的升力和阻力;
2)超音速喷管中的流场;
3)弯管中流场的复杂三维流动;
同时FLOTRAN还具有以下功能：
1)计算发动机排气系统中气体的压力和温度分布;
2)研究管路系统中热的层化和分离;
3)使用混合流研究来评估热冲击的可能性;
4)用自然对流分析来估计电子封装中芯片的热性能;
5)对含有多种流体的热交换器进行研究;
二、FLOTRAN的分析类型：
(一)层流或湍流分析
层流中速度场都是平滑而有序的，高粘性流体(如石油等)的低速流动通常是层流。

湍流分析用于处理那些速度足够高，黏性足够低而引起的湍流波动的流体的流动情况，ANSYS中的二次湍流模型可用来模拟平均流动下湍流速度波动的影响。

(二)传热或绝热分析
流体分析中常常会要求解流场中的温度分布情况，如果流体性质不随温度改变，就可不解温度方程而使流场收敛。

在共轭传热中，要在同时包含流体和非流体的整个区域上求解温度方程。

在自然对流传热中，流体由于温度分布不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，对强迫对流问题不同是：自然对流一般没有外部流动源。

(三) 可压缩或不可压缩流体分析
对于高速气流，由很强的压力梯度而引起的流体密度的变化将显著的影响流体性质，对此种流动情况要使用本分析方法进行处理。

(四) 牛顿流或非牛顿流分析
应力与应变率之间呈线性关系的这种理论不足以解释很多流体的流动，对于这种非牛顿流体，软件提供三种黏性模型和一个用户自定义子程序供用户使用。

(五) 多组分传输分析
这种分析一般是用于研究有毒流体性质的稀释或大气中污染气体的传播情况，同时，也可以用于研究含有多种流体同时存在相互被固体分开的热交换分析。

三、FLOTRAN 的分析步骤作总结：
1)确定问题的分析区域
读者必须先确定分析问题的明确范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，如果并不知道精确的边界条件而必须作出假定时，就不要将边界条件设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变化梯度大的地方。

2)确定流体状态
需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质，边界几何以及流场的速度幅值函数。

大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度变化，都可以得到足够精确的解。

可用马赫数来判断流体是否可压缩。

流场中任意一点的马赫数是该点的流体速度与该点的音速的比值，当马赫数大于时，就应该考虑用可压缩算法来进行计算。

3)生成有限元网格
如果用了湍流模型，靠近壁面区域的网格密度必须要比层流模型密得多。

4)施加边界条件
可在划分网格之前或之后对模型施加边界条件，此时要将模型的所有边界条件考虑进去。

5)设置FLOTRAN分析参数
为了使用诸如湍流模型或求解温度方程时，读者必须激活它们。

6)求解
7)查看结果
四、实例
以下是一个典型的工程实例，图1是一个二维的导流管模型，判断流体在导流管中的流动情况。

图1
分析时假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为0。

在所有壁面上施加无滑移边界条件，即所有速度分量都为0，假定流体不可压缩，在出口处施加的速度边界条件出口方向上速度为2 m/s，管内流体为空气。

空气密度：1.205 kg/m3;空气黏性：-5 kgm .s;进口速度：20 m/s;出口速度：2m/s。

边界条件施加完成后的整个模型如图2。

图2
图3
图4
图3是分析完成后，导流管中流体的速度矢量图，从图中可以非常清楚地看到：流体(空气)在这种型号的导流管中会发生湍流现象，流体速度分布是随机的。

图4显示的是靠近导流管出口处的速度分布图，从这张图中也可以清楚看到，流体确实已经发生湍流。