基于ANSYS的截面几何特性参数计算方法_王瑶

2004，10，40(10)． ［2 ］ 赵勇 ， 周竞欧 ， 颜德恒 . 任 意 多 边 形 薄 壁 杆 断 面 几 何 参 数 计 算 方 法 [J]. 结 构 工 程师 ，2004 ，8，20(4)． ［3］ 谭 建 国 . 使 用 ANSYS6.0 进 行 本 科 ， 有 限 元 分 析 [M]. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社 ， 2002：363-369． ［4］王玉琴.如何在 ANSYS 中实现自定义梁截面[J].陕西工学院学报,2003，19(2):68-70．
1 ） 创建截面几何模型 2 ） 对几何面域进行切割 、 分块 3 ） 定义单元类型 plane82 或 mesh200 4 ） 定义网格尺寸 ， 划分网格
网格的好坏和精细程度 ， 对于计算精度有很大影响 。 网格划分过 密 ， 可能导致计算量大 、 时间长 、 迭代不收敛 。 网格过粗 ， 也会导致求解 结果不精确 。 在第 2 ） 步先对几何图形进行细致的切割 ， 这样每一个小 cell ， 一般划分 2-3 个分段即可 。 5） 将划分好网格的截面通过 Preprocessor→Sections→Beam→Custom Sectns→Write From Areas 保存 6）通过 Preprocessor→Sections→Beam→Custom→Sectns→Read Sect Mesh 读入保存好的截面文件 7） 通过 Preprocessor→Sections→Beam→Plot Section 查看截面特性 计算结果 1.2.3 通过定义实常数求解截面几何特性 1 ） 使用 /output 命令 ， 设置输出结果文件 2 ） 定义单元类型为 beam24 单元并设置 keyopt(1)=1 3 ） 输入实常数 ， 即节段信息 形成截面模型时 ， 一般是沿着所定义的节段点向其两边各延伸一 半厚度 ， 所以定义节段点的坐标时 ， 注意考虑这部分 ， 尤其是在折线段 的交点处 ， 否则截面在交 汇 处 不 连 贯 或 者 重 叠 一 小 部 分 ， 从 而 影 响 结 果精确度 。 4 ） 输入材料属性 、 弹性模量 、 泊松比 5 ） 创建梁单元和方向关键点 6 ） 指定单元属性和单元的方向关键点 7 ） 定义网格尺寸 ， 划分网格 8 ） 设置边界条件并加载求解 9 ） 在第 1 ） 步定义的结果文件中查看计算得到的截面特性
AUTOCAD 626740.1122 IYY 8.23e12 Y -569.008 6.06e11 1.08e18 X 6020 Y -687.644 X Y IXX 1.9198e11 X 6020.1225 IYY 8.2308e12 Y -569.0078
节段数据表
Y 坐标 0 -30 -9.5 -9.5 0 -70 -69.5 -69.5 -55 -69 Z 坐标 1 1 2 58.5 59.25 59.25 30 58.5 31 31
科技信息
○高校讲坛○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2013 年
第 13 期
基于 ANSYS 的截面几何特性参数计算方法
王 瑶 （ 长安大学 理学院 ， 陕西 西安 710064 ）
【 摘 要 】 文 中 介 绍 了 ANSYS 计算 截 面 几 何 特 性的 具 体 过 程 和技 巧 ， 以 简 单 薄 壁 截 面 和复杂 薄 壁 截 面 为 例 进 行 计算 ， 并 与 AUTOCAD 计算 结果 对 比 可 知 ：ANSYS 不 仅 在 截 面 几 何 特 性的 计算 方面 可 与 AUTOCAD 达 到 相 同 的 精 度 ； 而 且 还 可 以 同 时 求 得 扭 转 常 数 、 翘 曲 常 数 和 剪 切 中 心 等 AUTOCAD 不 能 求 解 的 截 面 几 何 特 性 。 【 关键词 】ANSYS ； 截 面 几 何 特 性 ； 自 定 义 截 面 ；AUTOCAD
节段 节段点
ye 0 b b/2 b/2 0 b
ze tf /2 tf /2 tf h-tf h-tf /2 h-tf /2
节段厚度
1（ 起点 ） 1 2（ 终点 ） 3（ 起点 ） 2 4（ 终点 ） 5（ 起点 ） 3 6（ 终点 ）
0 tf 0 tw Leabharlann Baidu tf
1.2.2
创建截面几何模型并划分区格求解截面几何特性
［ 责任编辑 ： 王迎迎 ］
●
（ 上接第 140 页 ） 肌肉能提高劳动能力和运动能力 。 经 常 从 事 体 育 训 练 ， 可以改善肌肉血液的供应情况 ， 增强肌肉的营养 ， 特别是蛋白质的 含量 ， 使肌纤维变粗 ， 肌肉的工作能力加强 。 3.3 提高儿童机体的功能 体育训练能使少儿 体 内 能 量 消 耗 增 加 ， 代 谢 产 物 增 多 ， 新 陈 代 谢 旺盛 ， 血液循环加速 。 从而使血液循环系统 、 呼吸系统 、 消化系统 、 排泄 系统的功能到的改善 。 经常从事体育训练 ， 可使心脏产生运动性肥大 ， 心 肌 增 强 ，心 壁 增 厚 ，心 腔 容 积 增 大 ，在 功 能 上 心 脏 的 每 搏 输 出 量 增 加 ， 而心搏频率减少 ， 出现 “ 节 省 化 ” 现 象 。 肺 的 功 能 也 会 随 运 动 而 提 高 ， 肺活量增大 ， 呼吸深度加深 ， 提高肺通气量 ， 增钱肺的功能 。 3.4 调节儿童心理 ， 发展个性 从事体育训练 ， 能使儿童心情舒畅 ， 精神愉快 ， 减少儿童的不良情 绪 。 坚持参加体育训练 ， 可以使儿童克服困难 ， 培养他们勤奋好学 、 积
2 ） 定义实常数来自定义截面 BEAM24 单元是一个三维薄壁梁单元 ， 通过定义实常数来定义截
面几何形状 。 它的实常数由一系列矩形节段组成 ， 每一个矩形节段可 通过节段起 、 末点坐标和节段厚度来表示 。 ANSYS 规定节段起点的节 段厚度为 0 ， 节段厚度由节段终点设置 。 如图 2 和表 1 所示 。 表 1 截面矩形节段数据
221.158 96100000 X -12.712 Y 76.78 X Y X
224.4
●
【 参考文献 】
［1 ］ 石琴 ， 陈朝阳 . 任意形状 薄 壁 截 面 的 几 何 特 性 参 数 的 计 算 [J]. 机 械 工 程 学 报 ，
Y 74.46
-11.63
2.2
复杂薄壁截面 薄壁构件由于加劲 肋 的 存 在 ， 断 面 形 式 越 来 越 复 杂 ， 从 而 增 加 了 截面特性的计算难度 ， 尤其是抗扭常数的计算 。 本文以复杂薄壁截面 为例 。 截面如图 4 所示 ， 计算结果如表 4 所示 。
278 IXX 100730
278 IYY
3
3．1
结语
100727.3004 210992.4233 100700 211000
质心 扭转常数 翘曲常数 剪切中心
X -31.757
X -31.7572
Y 36.4011
X -31.76
Y 36.40
通 过 ANSYS 自 带 的 截 面 几 何 特 性 计 算 功 能 和 自 定 义 截 面 功 能 均可简单的实现任意截面一般几何特性 （ 质心 、 横截面面积 、 形心惯性 矩等 ） 计算 ， 且与 AUTOCAD 计算结果吻合很好 ， 能达到相同精度 。 3．2 通 过 ANSYS 自 定 义 截 面 功 能 不 仅 可 以 计 算 任 意 截 面 面 积 、 质 心 、 形心惯 性 矩 ， 还 可 同 时 求 得 翘 曲 常 数 、 扭 转 常 数 、 剪 切 中 心 等 AUTOCAD 不能计算的截面几何特性 。 科
0
引言
在结构分析中 ， 内力 、 变形等均与截面几何特性有关 。 实体建模分 析时 ， 截面几何尺寸均为已知 ， 软件会自动计算其特性 ， 但为了提高分 析效率和简化模型 ， 通常会 采 用 简 化 的 梁 单 元 来 求 解 结 构 ， 这 就 需 要 对截面相关几何特性进行指定 。 准确计算各种截面特性并不容易 。 文献 [1] 、[2] 对任意截面几何特 性参数计算方法进行了理论 推 导 ， 并 编 制 了 相 应 程 序 ， 但 需 要 人 工 计 算并手动输入大量基本参数信息 ， 工作量大 ， 易出错 ， 过程复杂 。 工程技术人员只希望快速求得截面几何特性 ， 对计算原理和方法 并不关心 。 因此 ， 运用现有软件计算截面几何特性是工程技术人员的 首 选 。 AUTOCAD 应 用 最 为 广 泛 ， 计 算 方 便 且 精 度 高 ， 能 求 得 截 面 面 积 、 惯性矩 、 质心 ， 但不能求得扭转常数 、 翘曲常数和剪切中心等 。 ANSYS 是通用有限元软件 ， 其本身自带的求解截 面 几 何 特 性 功 能 [3] 和 自 定 义 截 面 功 能 [4]， 和 AUTOCAD 一 样 ， 可 以 求 解 截 面 面 积 、 质 心 、 形心惯性矩 ， 并达到同等精度 。 除此之外 ，ANSYS 的自定义截面功 能， 还可以求得任意截面的剪切中心、 翘曲常数、 扭转常数等 AUTOCAD 不能求解的几何特性 。
节段厚度
截面几 何特 性
ANSYS 和 AUTOCAD 计算结果
ANSYS （PLANE82 ） 626740 IXX 1.92e11
质心 扭转常数 翘曲常数 剪切中心 面积 形心惯性矩
1（ 起点 ） 1 2（ 终点 ） 3（ 起点 ） 2 4（ 终点 ） 5（ 起点 ） 3 6（ 终点 ） 7（ 起点 ） 4 8（ 终点 ） 9（ 起点 ） 5 10（ 终点 ）
0 2 0 1 0 1.5 0 1 0 2
X 6020
表3
截面几何特 性 面积 形心惯性矩
简单薄壁截面截面几何特性的 ANSYS 和 AUTOCAD 计算结果
AUTOCAD 278 IYY 210990 Y 36.401 IXX IYY IXX ANSYS
（Beam42 ）
ANSYS
（PLANE82 ）
图1
ANSYS 自定义截面面域
2
2.1
算例分析
（a ） 截 面 几 何 形状 图
（b ） 截 面 矩 形 节 段
图2
简单薄壁截面 薄壁构件在土木工程中有较为广泛的应用 ， 例如桥梁结构中的箱 梁 、 轻钢结构中的框架以及幕墙结构的立柱和横梁等 。 在薄壁构件的 分析设计中 ， 特别是在约束扭转分析中 ， 断面的形心 、 扭心 、 惯性矩 、 扭 转惯矩等截面几何特性参数非常重要 。 本文以非对称开口薄壁截面为 例 。 其几何图形和矩形节段如图 3 示 ， 节段数据如表 2 所示 。 计算结果 如表 3 所示 。
1
1.1
计算过程
ANSYS 自带求解截面几何特性功能 ANSYS 本 身 自 带 的 求 解 截 面 几 何 特 性 功 能 ， 求 解 过 程 与 AUTOCAD 类似 ， 只可以求解截面面积 、 质心 、 惯性矩 、 惯性积 、 形 心 主
惯性矩 ， 不能求解扭转常数 、 翘曲常数 、 剪切中心 、 剪切惯性矩 。 具体操 作过程如下 ： 1 ） 创建截面几何模型 2）使用命令 Preprocessor→Modeling→Operate→Calc Geom Items → 选择相应的几何模型选项 →ok 即可 1.2 ANSYS 自定义截面功能 若需求解扭转常数、 翘曲常数、 剪切中心等截面几何特性， AUTOCAD 和本文 1.1 中的方法已不能满足要求 ， 可以使用 ANSYS 自 定义截面功能求解 。 1.2.1 自定义截面功能介绍 1 ） 创建截面几何模型并划分区格来自定义截面 ANSYS 可以将要计算的截面视为多区格有限元面 域 模 型 ， 使 用 积分方式识别截面几何形状并迭代求解几何特性 。 采用 PLANE82 或 MESH200 单 元 划 分 网 格 ， 每 个 网 格 视 为 一 个 cell ， 包 含 9 个 节 点 和 4 个积分点 ， 每个 cell 可以赋予不同的材料属性 。 如图 1 所示 。
以上两个例子均可看出 ，ANSYS 对截面几何特性 （ 面积 、 质 心 、 形 心 惯 性 矩 ） 计 算 结 果 与 AUTOCAD 非 常 吻 合 ， 可 达 到 相 同 精 度 ， 且 ANSYS 同时求得了扭转常 数 、 翘 曲 常 数 和 剪 切 中 心 等 AUTOCAD 不 能求解的几何特性 。
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2013 年
第 13 期
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
○高校讲坛○
科技信息
（a ） 截 面 几 何 图 形 ( 单 位 :cm)
（b ） 截 面 矩 形 节 段 图
图4
图3 表2
节段 节段点
截面几何图形 （ 截面厚度 ：20mm ， 肋厚度 ：8mm ， 图中尺寸单位均为 ：mm ） 表4 复杂薄壁截面截面几何特性的