ANSYS算例-三维实体结构的分析

三维实体结构的分析
前面的实训练习中，是采用先生成节点，然后连接节点生成元素的方法来建立有限元模型的，它适用于结构比较简单的零件。

但是对于一些复杂结构，如果还是采用上面的方法建立有限元模型，不但非常繁琐，而且容易出错，甚至在有些情况下几乎是不可能的。

因此，本实训中将介绍三维实体结构的有限元分析。

一、问题描述
图25所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为，
m d m c m b m a m l 03.0,02.0,2.0,16.0,0.1=====。

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3.0=u ；
材料密度3/7800m kg =ρ；重力加速度2
/8.9s m g =；
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 二、实训目的
本实训的目的是使学生学会掌握ANSYS 在三维实体建模方面的一些技术，并深刻体会ANSYS 软件在网格划分方面的强大功能。

图25 工字钢结构示意图
三、结果演示
使用ASSYS15.5软件对该工字钢梁进行结构静力
分析，显示其节点位移云图。

四、实训步骤
（一）ANSYS 14.5的启动与设置
与实训1第一步骤完全相同，请参考。

（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单元用于建立三图26单元类型库对话框
图27 单元类型对话框
图28 材料特性参数对话框
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。

第二种定义单元方法：由于12.0版本后对单元类型进行了合并，之前的很多单元类型在12.0以后在添加页面不见了，但是可以用命令流的形式调用。

格式如下：
ET,1,45
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：2.06e11，在“泊松比”（PRXY）文本框中输入：0.3，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”
图28 材料特性对话框
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
图30 节点生成参数输入对话框
1．生成关键点。

图30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（0.08,0.2,0）、8（-0.08,0.2,0）、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。

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30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
图31 生成直线显示
图32 面选择对话框
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>Creat
e >Areas>Arbitr
ary>By Lines”，
弹出“直线选择”
图33 平面拉伸成体的参数设置
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。

如图34所示。

（四）网络划
分
1．设定单
元大小。

点击
主菜单中的
“Preprocessor>
Meshing>Mesh
Tool”,弹出对
话框，在“Size
Control”标签
中的Global一
栏点击Set按
钮，弹出“网
图34 工字钢梁三维实体模型
图36 划分网格后的工字钢梁模型
格尺寸设置”对话框，在SIZE一栏中输入：0.02，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35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，其结果如36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...”，弹出对话框如图37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：0.5（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“Y coordinates”单选框，在“Min,Max”参数文本框中输入：0.2（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0.2的节点为活动节点）单选框，其他参数保留缺省设置（参见图37），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
38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>Structural>Inertia>Gravity”,在弹出对话框的
图35 网格划分对话框“ACELY”一栏中输入：9.8（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
图37 节点选择
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40所示。

同理，通过在图39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。

图38 施加载荷时的参数设置
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39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：0.1，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。

说明：到此为止，有限元分析的后置部分已经结束。

与实验一一样，本实验还可以显示其他许多结果。

例如，各单元沿各方向产生的应力、应变等内容，有兴趣的读者可自行尝
试。

（八）ANSYS 软件的保存与退出
保存与退出步骤与前面的实训步骤相同，请参考。

图39 节点位移显示设置 图40 节点位移云图。