三维实体结构的分析

三维实体结构的分析一、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，mdmcmbmaml03.0,02.0,2.0,16.0,0.1。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3/7800mkg；重力加速度2/8.9smg；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三、结果演示图25工字钢结构示意图使用ASSYS8。0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）ASSYS8.0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“PreprocessorElementTypeAdd/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“Brick8node45”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。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2．定义材料特性。点击主菜单中的“PreprocessorMaterialPropsMaterialModels”，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”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（0.08,0.20,0）、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“PreprocessorModelingCreate图28材料特性对话框图30节点生成参数输入对话框KeypointsInActiveCS”，弹出对话框。在“Keypointnumber”一栏中输入关键点号1，在“XYZLocation”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“PreprocessorModelingCreateLinesLinesStraightLine”，弹出关键点选择对话框，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31所示。3．生成平面。点击主菜单中的“PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryByLines”，弹出“直线选择”对话框，依次点图31生成直线显示图32面选择对话框图33平面拉伸成体的参数设置选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“PreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlongNormal”，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“PreprocessorMeshingMeshTool”,弹出对话框，在“SizeControl”标签中的Global一栏点击Set按钮，弹出“网格尺寸设置”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1．施加位移约束。点击主菜单的“PreprecessorLoadsDefineLoadsApplyStructuaralDisplacemengtOnAreas”，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“AllDOF”，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“SelectEntities...”，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“ByLocation”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“Ycoordinates”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“PreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOnLoads”，弹出“节点选择”对话框，点击“PickAll”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“Directionofforce/mom”一项中选择：“FY,在Force/momentvalue”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图35网格划分对话框所示，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“SelectEverything”，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“PlotElements”即可。3．施加重力载荷。点击主菜单中的“PreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravity”,在弹出对话框的“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“SolutionSolveCurrentLS”，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”按钮关闭对话框即可。至于在求解时产生的STATUSCommand窗口，点击“FileClose”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“GeneralPostprocPlotResultsContourPlotNodalSolu”，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37节点选择2．列举各节点的位移解。点击主菜单中的GeneralPostprocPlotResultsContourPlotNodalSolu”，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(UtilityMenu)中的“PlotCtrlsAnimateDeformedResults...)，在弹出的对话框中的“Timedelay”文本框中输入：0.1，并选中右列表框中图39节点位移显示设置图38施加载荷时的参数设置的“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软件的保存与退出图40节点位移云图