第6章结构线性静力分析

第6章结构线性静力分析

6.1 结构线性静力分析概述

结构线性静力分析的重要性：

★结构线性静力分析最为常用。

★设计规范基本上采用线弹性分析结构的内力。

★是各种分析的基础。

结构分析的四个基本步骤：

◆创建几何模型

◆生成有限元模型

◆加载与求解

◆结果评价与分析。

6.1.1 创建几何模型

⑴清除当前数据库

①回到开始层：FINISH命令。清除数据库的操作要在开始层。

②清除数据库：/CLEAR命令。开始新工作前清除数据库。

⑵工作文件名与主标题

①工作文件名：/FILNAME命令。建议用户定义。

②主标题：/TITLE命令。用于在图形区显示。

子标题可用/STITLE命令定义。

⑶创建具体的几何模型

6.1.2 生成有限元模型

⑴定义单元类型、实常数和材料性质

①定义单元类型，设置单元的KEYOPT的选项。

②定义单元实常数，如有初应变时也应设置。

③定义弹性模量，如为各项同性时只需定义EX即可。

④定义质量密度，以便计算自重影响或惯性释放计算。

⑤定义热膨胀系数等。

此部分常常在创建具体的几何模型之前定义，以便在几何模型上施加荷载与约束。

⑵定义网格划分属性

①定义单元划分数目或大小。

②定义单元划分类型和划分方式，如映射网格或自由网格等。

③对几何模型实施网格划分。

6.1.3 加载与求解

⑴定义求解选项

①进入求解层。有些荷载可以在前处理层施加，不必一定到求解层施加。

②定义分析类型，ANSYS缺省分析类型为静态分析，也可省略。

③定义求解选项，如输出、求解器等选项的设置。

⑵加载

①划分荷载步。

②施加约束，约束可在几何模型上施加，也可在有限元模型上施加。

③施加荷载，静力分析的荷载如集中荷载、分布荷载、温度、自重和旋转惯性力。对梁单元的分布荷载必须施加在有限元模型上。

⑶求解

6.1.4 结果评价与分析

①进入通用后处理，一般不必进入时程后处理。

②读入结果数据，如确定读入哪个荷载步的结果。

③对结果处理，并图形显式和列表显示结果。

④误差估计，仅SOLID和SHELL单元可考察网格密度对结果的影响。

6.2 桁架结构

桁架结构特点：

★由若干杆件在两端用铰联结而形成的结构

★各铰结点为无摩擦的理想铰

★各杆轴线通过铰中心

★荷载和支座反力作用在结点上

模拟单元：LINK系列（2D和3D）

单元特点：

★只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩

★节点只有平动自由度

★荷载：集中力和温度

6.2.1 平面桁架

如图平面桁架，设桁架中各杆件的面积均为100mm2，材料弹性模量为210GPa,对此桁架进行静力分析。

!EX6.1 平面桁架线性静力分析

finish$/clear$/prep7

et,1,link1$r,1,1e-4$mp,ex,1,2.1e11!定义单元类型、实常数和材料性质

k,1$k,2,2$k,3,3$k,4,4$k,5,6 !创建关键点

k,6,2,-1$k,7,4,-1

l,1,2$l,2,3$l,3,4$l,4,5$l,1,6$l,2,6 !创建线

l,3,6$l,3,7$l,4,7$l,6,7$l,5,7

fk,1,fy,-5000$fk,2,fy,-8000 !在几何模型上施加荷载

fk,3,fy,-6000$fk,4,fy,-8000

dk,1,ux,,,,uy !在关键点1施加两个方向的约束，等效于DK,1,ALL

lesize,all,,,1 !每根线划分1个单元，对LINK1必须如此

lmesh,all !划分网格

*afun,deg !定义三角函数的计算采用度，而不是弧度ref=asin(1/sqrt(5)) !求右端支座方向与竖直方向的夹角REF nmodif,5,,,,ref !修改节点5的节点坐标系方向

d,5,uy !节点5施加Y方向约束

f,5,fy,-5000*cos(ref) !在节点5按旋转后的节点坐标系施加荷载

f,5,fx,-5000*sin(ref) !这里将5000分解到旋转后的节点坐标系X和Y方向nmodif,2,,,,45 !修改节点2的节点坐标系(转45°)其上荷载随转动ftran$dtran !将荷载与约束传到有限元模型上（不是必须的）

/pbc,f,,2$eplot !显示荷载符号并在旁边标注荷载值

finish$/solu$solve !进入求解层，求解

finish$/post1 !进入通用后处理

pldisp,1 !显示变形图，并同时显示变形前形状

/pnum,sval,1 !在图上显示应力、内力等值

etable,axst,ls,1 !以单元应力定义单元表AXST

plls,axst,axst,0.5 !显示单元应力，且显示比率为0.5

pletab,axst !用云图显示单元应力

etable,axfor,smisc,1 !以单元轴力定义单元表AXFOR

plls,axfor,axfor,0.5 !显示单元轴力，且显示比率为0.5

pletab,axfor !用云图显示单元轴力

plesol,smisc,1 !直接用云图显示单元轴力

!列表显示结果

prrsol$prnsol,u$prnld$presol,forc$presol,smisc,1

需要注意以下几个问题：

①斜向荷载的处理：可采用分解法将荷载分解为与节点坐标系平行的荷载，也可旋转节点坐标系进而施加整个荷载。建议采用分解法施加荷载。

②斜向支承的处理：斜向支承（约束）处理需要旋转节点坐标系，但当同时具有荷载和约束时要注意，应避免所加非所想的情况，如上述例题中右端支承问题。

③后处理技巧：线单元的内力一般需要单元表操作，图形显示可采用云图和线性化图两种方式，而标注结果值时采用云图可使结果更加直观。

6.2.2 空间桁架

建模技术：

★分析构成规律

★利用图素复制命令

★注意消除重合图素

如图一吊车梁桁架，采用N型万能杆件拼组而成，吊重为600kN且在跨中16m范围内的两个对应上弦节点上移动。在下平纵联平面内，一端支座固定，其中一个为固定，另外一个横向可动；另外一端支座纵向可动，但与固定支座位于一侧的支座横向固定。假设节点板与螺栓等重量为杆件重量的7%且分布在杆件上，活载冲击系数为1.1。工作状态横向风压强度为500Pa，风力计算按主桁一侧轮廓面积乘以填充系数，填充系数取为0.4，且均匀分布在上下弦节点上。要求计算结构杆件最大内力与挠度。