ANSYS 圆管屈曲分析实验报告1

圆管屈曲分析实验报告

1、问题描述

图1为一薄壁圆管，壁厚为0.216m，直径为4m，高度为21.6m。圆管的材料弹性模量为210Gpa，泊松比为0.3。圆管两端面受约束，试分析此薄壁圆管侧壁四周受压情况下的屈曲临界载荷。

图1 薄壁圆管模型

2、问题分析

2.1、什么是模态及本题的模态阶数选取

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。通过模态分析可以得出物体在某一易受影响的频率

范围内各阶主要模态的特性，就可以预知结构在此频段内，在外部或内

部各种振源作用下实际振动反应。因此，模态分析是结构动态设计及设

备的故障诊断的重要方法。

一个物体有很多固有振动频率（理论上是无穷多个），按照从小到大的顺序，第一个就叫一阶固有频率，以此类推。模态的阶数对应固有频

率阶数。一般，低阶模态刚度相对比较弱，在同样量级的激励作用下，

响应会相对所占的权值大一些，所以工程上低阶模态比较受关注，理论

上低阶模态理论也相对成熟。且用有限元进行模态分析计算，阶数越高，误差越大。

此题中分析对象比较简单，所以选取前5模态进行分析已经满足工程需要。

2.2、网格单元的选取

此薄壁圆管由于壁厚远远小于直径，均匀壁厚，材料结构简单，所以单元类型可以选用shell 93—八节点结构壳单元。

2.3、网格划分类型的选取

有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有密切关系，按

照相应的误差准则和网格疏密程度，应该避免网格的畸形，因此，划分

网格时，应尽量采用映射网格模式划分。本题中，圆管形状规则，采取

映射网格进行划分。

3、解题步骤

3.1、建立工作文件名及工作标题

选择Utility Menu→File→Change Jobname ，出现Change Jobname对话框，在Enter new jobname输入栏中输入工作文件名Tube, 点OK完成

设置。选择Utility Menu→File→Change Title，出现Change Title对话框，在输入栏中输入Buckling of a tube, 点OK, 完成设置。

3.2、定义单元类型

选择Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，出现Element Type对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对

话框，在Library of Element Types列表框中选择Structural Shell→Elastic

4node 63，点OK完成设置。

3.3、定义实常数

选择Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete，出现Real Constants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real

Constants对话框。单击OK按钮，出现Real Constants Set Number 1 for

SHELL63对话框，在Shell thickness at node TK（I）、TK（j）、TK（K）三栏

中输入0.216，点OK完成设置。

3.4、定义材料性能参数

选择Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models，出现Define Material Model Behavior对话框。在Material Models Available

一栏中依次选择Structural→Linear→Elastic→Isotropic选项，在EX栏中输

入21E10，在PRXY栏中输入0.3，点OK完成设置。

3.5、创建几何模型

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS，在弹出的对话框中的NPT Keypoint number栏中输入1，在X,Y,Z

输入栏中输入0,0,0，单击Apply；如此依次创建以下关键点及编号：2（2，0），3（2，21.6），4（0，21.6）；

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line，出现Create Straight Line 拾取菜单，选取点2和点3，OK，做一条直线。选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→

Extrude→Lines→About Axis命令，出现Sweep Lines about axis对话框，选

择通过2,3点建立的直线，点击Apply；再选取点1，和点4，单击OK，

形成一个圆柱面。如图2所示。

图2 创建薄壁圆管

3.6、网格划分

选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→ManualSize →Global→Size，在弹出的对话框中SIZE Element edge length栏中输入0.5，点击OK，完成单元大小设置。选择Main Menu→Preprocessor→Meshing →Mesh→Areas→Mapped→3 or4 sided，点击Pick All，完成网格划分，如图3所示。

图3 对圆管进行网格划分

3.7、加载求解

选择Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis，出现New Analysis对话框，在Type of analysis下面，选择Static，单击OK，关闭对话框。选择Main Menu→Solution→Analysis Type→Sol'n Controls命令，出现Solution Control对话框，在Analysis Options栏中将Calculate prestress effects前的方框勾选，单击OK关闭对话框。

3.7.1、施加约束

选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Nodes，在出现Apply U.ROT.on Nodes对话框内选取

Box，再框选圆柱顶端的点，单击OK，出现Apply U.ROT.on Nodes对话框，在DOFs to be constrained 中选择All DOFs，单击Apply，再同样的选取圆柱下端部的点，完成圆柱的约束，如图4所示。