工字钢-ANSYS实例分析72道(含结果)

2.3 工字钢-ANSYS 实例分析 (三维实体结构)

介绍三维实体结构的有限元分析。

一、问题描述

图1所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为

1.0,0.16,0.2,0.02,0.02l m a m b m c m d m =====。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。

图1 工字钢结构示意图

其他已知参数如下：

弹性模量（也称杨式模量） E= 206GPa ；泊松比3.0=u ；

材料密度3

/7800m kg =ρ；重力加速度2/8.9s m g =； 作用力F y 作用于梁的上表面沿长度方向中线处，为分布力，其大小F y =-5000N 。

二、实训步骤

(一) ANSYS10.0的启动与设置

1、启动。点击：开始>所有程序> ANSYS10.0> ANSYS ，即可进入ANSYS 图形用户主界面。

2、功能设置(过滤)。点击主菜单中的“Preference”菜单(Main Menu > Preferences)，弹出“参数设置”对话框，选中“Structural”复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2所示。本步骤的目的是过滤不必要的菜单，仅使用该软件的结构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。

图2 Preference参数设置对话框

3、系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS，SI”，然后回车即可(系统一般看不出反应，但可以在Output Window 中查看到结果，如图3所示)。（注：SI表示国际公制单位）

图3 Output Window中查看单位设置结果

设置完成后按主菜单中前处理器(在ANSYS中称为PREP7)设定的先后顺序进行，具体如图4所示。

图4 前处理器(PREP7)设定分析步骤

(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（图5）。

图5 单元类型Add/Edit/Delete对话框

点击对话框中的“Add…”按钮，又弹出一对话框，选中该对话框中的“Solid”和“Brick 8node 45”选项（图6）。

图6 单元类型库对话框

点击“OK”，关闭图5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7所示。

图7 添加单元类型后Add/Edit/Delete对话框

点击“Close”，关闭图7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 Props >Material Models”，弹出窗口如图8所示，逐级双击右框中“Structur al\ 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：2.06e11，在“泊松比”（PRXY）文本框中输入：0.3，如图9所示，点击“OK”按钮，回到上一级对话框。

图8 定义材料特性“Structural\ Linear\ Elastic\ Isotropic”对话框

图9 定义弹性模量和泊松比

然后，双击图8中的“Density”选项，在弹出对话框的“DENS”一中输入材料密度：7800，如图10所示。

图10 定义材料密度

点击“OK”按钮关闭对话框，返回到定义材料特性“Structural\ Linear\ Elastic\ Isotropic”对话框，如图11所示。此时可以看见图11左框中显示定义好了两个材料特性。

图11材料特性定好后的“Structural\ Linear\ Elastic\ Isotropic”对话框最后，点击图11所示窗口右上角“关闭”该窗口，或点击Material>Exit 菜单退出。

(三) 工字钢三维实体模型的建立

1、生成关键点

图1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（-0.08,0,0）、2（0.08,0,0）、3（0.08,0.02,0）、4（0.015,0.02,0）、5（0.015,0.18,0）、6（0.08,0.18,0）、7（0.08,0.20,0）、8（-0.08,0.20,0）、9（-0.08,0.18,0）、10（-0.015,0.18,0）、11（-0.015,0.02,0）、12（-0.08,0.02,0）。

点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS”，弹出对话框，如图12所示。

图12创建关键点对话框

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（-0.08，0，0），如图13所示。

图13创建第1个关键点

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。

注意：(1) 所有关键点坐标必须首先根据需要建模的实际情况计算好，并在图中标出各点坐标以便输入；(2) 输入时不能与其他软件切换，否则对话框会自动消失；(3) 输错了可以删除，然后再按原来的编号再输入；(4) 如果滚动鼠标，图形就会不见，可以采用重绘功能再次显示图形。

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，如图14所示。

图14生成直线的关键点选择对话框

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15所示。