手把手教你学ansys--框架建模篇

大家好，我是水哥，今天给大家讲解一个框架结构的建模运算，分四期，第一期讲解用梁壳单元建立结构的模型，第二期框架结构的模态分析与反应谱分析，第三期框架结构的动力时程分析，第四期框架实体模型的建立以及与梁壳模型结果的对比分析。工程概况：该结构是一个很简单的工业厂房，其普通楼层的结构布置如下图。层高3.3米，总共五层，板厚取100mm柱子截面统一取500X500梁柱混凝土等级为C30，弹性模量取3.0e10N/mm^2，泊松比取0.2，重度取26kg/m^3。抗震设防烈度为七度，场地特征周期0.35s，地震作用影响系数取0.08。楼面恒荷载统一取4KN/m^2，活荷载统一取2KN/m^2。屋面恒荷载取5KN/M^2,活荷载取0.5KN/m^2.一、建模前的参数设置以及关于用梁壳单元建模的几点注意事项1、关于参数设置我们在使用ANSYS的时候要充分利用ANSYS参数化的优势，这是相对于其他有限元软件的优势所在，我也偶尔用用其他软件，比如ABAQUS，因为相对于其他软件来说，ANSYS的后处理实在很糟糕，很多人会喜欢上ANSYS其实无非就是其APDL的编程优势所在。对新手而言，可能很多APDL的命令我们不知道，也不知道该怎么去应用他们，但是最简单的用字母去代替常量的设置却是我们学习ansys最简单的步伐。例如，以本题为例，很多喜欢用GUI的同学可能拿到图后就开始在GUI里面点点点，开间照着图上的输入，这样本无可厚非，但是这样却对后面我们的改动很不利。有同学又说了，APDL我不会呀。是的，针对不会APDL或者对APDL不熟悉得同学，水哥建议将GUI和APDL联合起来建模，这样能节省不少建模的时间。比如，开间有3600mm,4800mm之分，我们可以设置参数A1=3600,A2=4800，这样我们在输入点的坐标时候，就可以用字母代替了。假如在未来的某个时刻，我们需要改动开间的大小，这时候我们只需要改动字母所代表值的大小就可以了。多说无益，此间好处也只有同学们自己去体验了才知道，顺便说一句，在结构的优化设计中，没有参数化的建模是不行的。2、关于用梁壳模型建模的几点注意事项1)关于beam188/189ANSYS关于梁的模拟有很多单元，但使用最多的无非就是beam188/189了，其主要原因就是其截面的多样性，当然我们可以使用其他梁单元，例如beam3、beam4，但是其他单元的话没有截面赋值一说，也就是我们必须要自己计算截面的一些几何性质，如果一个工程里面截面多样，这就比较痛苦了，所以建议大家能使用189就尽量使用189.使用189的基本过程：包括定义单元、单元关键项设置、截面定义、截面参数输入、截面主轴方向关键点定义、截面偏置。189单元的关键项我不讲，因为我也说不清，仔细看看help能理解多少就多少，但是最关键的两个地方一是截面主轴方向关键点的定义，还有一个是截面的偏置。之所以要截面偏置是因为在ANSYS中，所有的单元中心都默认是其几何中心，所以在梁板交接时，软件默认板在梁的中心，这时候我们就需要截面偏置了，这样更符合实际，后面会有对比。下图简单显示了不同主轴方向关键点对截面主轴方向的影响，相信不用我说，大家能看明白。（前一个是以3为主轴关键点，后者是4，截面为200X500）2)关于梁单元的截面问题在楼面体系中，板一般采用壳单元模拟，梁一般采用梁单元模拟，而ansys一般默认单元中心为几何体中心，因此我们在确定梁单元的截面时，切记要用实际的截面高度减去我们的板厚，然后在将梁单元的截面偏置到我们的壳体几何中心，这样才更好符合实际情况。例如上图，我们实际的梁高是h+t，但是我们在建模的时候输入的梁高要为H，并且要将梁的计算单元中心向上偏移h/2+t/2到壳体几何中心。3)单位问题，ANSYS经典版本无具体单位，需技术人员自己制定，一般情况下采用的单位制有N-m制和N-mm制，他们对应的其他单位如下：长度力时间速度加速度质量应力密度mNSm/sm/s2KgPaKg/m3mmKNSmm/smm/s2TMPat/m3二、标准层的建立1）参数定义参数定义可以简单的通过命令流窗口输入，也可以通过parameters—scalerparameters,命令流：k1=3800$k2=4600$k3=7600!开间长度$k4=3920!次梁开间j1=5000$j2=7000!进深长度b1=250$h1=400!主梁宽高(减去板厚)b2=200$h2=400!次梁宽高（减去板厚）b3=500$h3=500!柱子截面h=3300!层高hh=100!板厚GUI:(参数的删除可以通过delete，也可以在命令流窗口中输入参数名称=来进行删除)2）材料的输入与单元类型、单元截面的指定在建立单元的时候，要注意为了后面结果的提取方便，梁柱虽然都用梁单元模拟，单建议将其用不同的单元编号。ANSYS针对一些单元有其自己的单元关键项控制，关键项都有编号，每个关键项都会有不同的控制参数，例如189的第四个关键项，他表示剪应力的输出控制，0代表仅仅输出扭转剪应力，1代表仅仅输出横向剪应力，2代表输出二者的组合值，如果我们定义单元的时候，不去定义它，软件会默认第四号的关键项值为0，也就是软件默认是仅仅输出扭转剪应力，但如果我们需要两者的组合值时，我们需要修改四号关键项的值为2.关于单元关键项的值以及表示的含义，可以通过看帮助获得，也可以看王新敏老师的《ansys结构分析单元与应用》，上面都有详细的解答。命令流：et,1,beam189!梁柱et,3,shell181!板，注意shell单元模拟中等厚度壳要用181keyopt,3,3,2!181第三关键项选用非协调性的完全积分这里我们采用189单元关键项的默认值。GUI:实常数设置：在指定几何体的材料单元属性时候，涉及到一个实常数的问题，有的单元需要实常数，有的不需要，比如这里我们的壳单元是需要的，因为壳单元我们是需要指定他的厚度的，也即是板厚。实常数设置如下：命令流：R,1,100!板厚GUI：材料参数的输入:（注意单位的换算）命令流：mp,dens,1,2600e-12!重度mp,ex,1,3.0e4!弹性模量mp,prxy,1,0.2!泊松比GUI：梁单元截面定义：命令流;sectype,1,beam,rectsecdata,b1,h1secoffset,user,0,-h1/2-hh/2!主梁截面sectype,2,beam,rectsecdata,b2,h2secoffset,user,0,-h2/2-hh/2!次梁截面sectype,3,beam,rectsecdata,b3,h3!柱子截面(考虑到教程的简便化，假定柱子中心与轴心平齐)GUI:（点击preview可以对截面的性质进行预览）3）纵梁的建立首先选择坐标原点，以几何图中的左下角为坐标原点进行建模，先建立水平的梁，然后建立竖向的梁，最后建立柱子。在建模前，我们应该理清一个思路，那就是由于189单元在截面赋值的时候需要指定其主轴方向点，这个点是需要我们建立的，他可能并不参与结构的运算。如果我们先一口气建立好了几何模型，最后才能划分单元，那么针对每个位置的线我们都要重新寻找一个方向点，这样很不利于我们建模的快速化，所以水哥建议可以考虑先建立基本系列，并划分好单元，最后采取复制的方法。在ansys中，当我们复制几何体时，如果这个几何体被划分了单元，那么这里的单元也会跟着被复制，这也就是说我们在建立梁单元的时候就不必针对每个方向的线而重新制定截面主轴方向点了。命令流：k,1,k1/2,-k1/2!方向点k,2k,3,k1k,4,k1+k2k,5,k1+k2+k4!次梁搭接处断开k,6,k1+k2+k3k,7,k1+k2+k3+k4!次梁搭接处断开k,8,k1+k2+k3*2k,9,k1+k2+k3*2+k1l,2,3l,3,4l,4,5l,5,6l,6,7l,7,8l,8,9GUI：接下来划分单元：点击PLOT—elements,即可显示划分好的单元，如下：点击PLOT—lines，我们接下来进行复制操作命令流：Lgen,2,all,,,,,-j1lsel,s,loc,z,0!选择坐标Z=0的直线Lgen,2,all,,,,,-j1-j2这时候我们打开单元显示，如下，我们标准层纵向梁单元已建立完毕。3）横梁的建立首先打开关键点编号显示，plotctrls—numbering,然后依据点号连接直线。命令流：l,2,10l,10,18k,100,0,-k1/2,-k1/2!建立横梁主轴方向关键点GUI：仿照上述建造纵梁的方法，先网格划分横梁，然后复制，建立整个标准层横梁，值得注意的是，次梁的截面编号不一样。命令流：lsel,s,loc,x,0latt,1,,1,,100,,1esize,200lmesh,alllgen,2,all,,,k1lsel,s,loc,x,0lgen,2,all,,,k1+k2lsel,s,loc,x,0lgen,2,all,,,k1+k2+k3lsel,s,loc,x,0lgen,2,all,,,k1+k2+k3*2lsel,s,loc,x,0lgen,2,all,,,k1+k2+k3*2+k1!复制形成横梁GUI：依次复制，得到了横梁。下面建立次梁，方法同上。命令流如下：l,5,13l,13,21k,200,k1+k2+k4,-k1/2,-k1/2!次梁主轴方向控制点lsel,s,loc,x,k1+k2+k4latt,1,,1,,200,,2esize,200lmesh,alllsel,s,loc,x,k1+k2+k4lgen,2,all,,,k3GUI：到此，我们梁的模型建立完毕，此时我们可以单元显示，然后打开单元形状显示具体菜单为：plotctrls—style—sizeandshape—displayofelement,选择on，即可显示如下形状命令流：/eshape,1在建立上述模型后，一个重要的步骤就是节点的合并与重新编号，因为我们在复制线的过程中，节点是一起复制的，这就导致在一个位置上有重合的点，我们需要将其合并，以利于后面我们的操作。命令流：Nummrg,all!节点合并Numcmp,all!节点重新编号GUI:4)板的建立合并完节点后，打开关键点编号显示，采用四个关键点确定面的方法建立板面，值得注意的是在建立板面的过程中，涉及到一个法线方向的问题，ansys会根据我们建立面时关键点号的顺序自动确定我们所建立面的法线方向。所以我们建立面选择点的顺序最好是遵循统一的连接顺序，比如统一采用顺时针方向连接各个点。命令流：a,2,3,11,10a,11,19,18,10a,3,4,12,11a,11,12,20,19a,4,5,13,12a,13,21,20,12a,5,6,14,13a,14,22,21,13a,6,7,15,14a,15,23,22,14a,7,8,16,15a,16,24,23,15a,8,9,17,16a,17,25,24,16allsel,allGUI:对于壳单元，由于没有188那么麻烦需要指定主轴方向点，所以我们可以先建立所有面后在一起划分单元。划分单元：命令流：Aatt,1,1,2Amesh,allNummrg,all!节点合并Numcmp,all!节点重新编号GUI:在划份完后，注意对项目的合并与重新编号。此时我们可以打开单元的形状显示，以检查梁截面是否有高宽颠倒的情况。5）柱子的建立建立关键点与主轴方向定位点，采取复制的方法，如上述梁建立的过程。命令流：k,200,0,-k1/2,k1/2k,201,0,-h,0l,201,2lsel,s,loc,y,-h,-0.01latt,1,1,1,,200,,3esize,200lmesh,allGUI操作与上面类似，先建立一根柱子，随后进行一系列的复制工作，此处省略。到此，我们标准层的建模工作完成了，图形如下：当然，这里柱子的截面没有设置截面偏置，如果为了精确考虑偏心对结果的影响，这是要考虑的，这也意味着将有许多个截面类型，所以采用ANSYS计