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基于ANSYS的木板床的有限元分析姚美良（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500）摘要：木板床是我们生活中的必需品。本文主要利用ANSYS来分析不同重量的人躺在床上的时候，木板床的应力应变；并通过不同的网格划分进行同一目标的计算。对比两种不同的情况，发现网格的优劣，对于计算结果的影响较大；找到木板床整个结构的薄弱点，并且通过对比不同种材料属性的木头的床体应变，为木床选材提供了部分依据。关键词：木板床；ANSYS；有限元；对比分析中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：Finite element analysis of wood bed based on ANSYSYAO Meiliang（Faculty of Civil Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan, 650500, China）Abstract：Board bed is a necessity in our life. This paper mainly uses ANSYS to analyze the stress strain of the wood bed when people lying in bed with different weight, and calculate the same target by different grid. The advantages and disadvantages of grid influence on the calculation results, find plank bed the whole structure of the weak point and through the comparison of different kinds of material attributes of wood bed body strain, as the material of the wooden bed provides part of the basis of the comparison of two different cases.Key words：Wood bed ；ANSYS；Finite element；Comparative analysis0引 言木板床在我们的生活中非常常见，而且是我们的生活必须品，我们每天都会接触到。不过，我们的木板床应该选用什么样的木头？应该怎样设计它的结构模型，才能使得一张床用的久呢？本文主要讨论不同荷载情况下，木板床的应力应变关系。同时，由于现在有限元的流行，使用有限元解决这类问题变得非常方便。本文还针对不同类型的网格单元，不同的划分状况，对比分析其对计算结果的影响。旨在分析使用不同方法划分的网格，得到对于同一对象分析结果的差异，为以后计算同类问题提供经验。对于上面的些许问题笔者没有做到详尽的分析和解释，本文只是起到抛砖引玉的作用。为了方便模拟加载情况，将两个体重分别为65kg和80kg的人的荷载简化成为矩形面力施加于木板床上。同时，为了简化荷载，取两个人的平均肩宽为0.38m，高度均为1.7m。这样通过计算大约分别相当于1006pa和1238pa的两个面力作用于床面上。其结构的几何模型如图1。图1. 木床几何模型的侧视图图2. 木床几何模型的正视图1 ANSYS有限元模型的建立首先，选择分析类型为结构。然后，定义单元类型。本次计算统一采用的单元为SOILD185（Brick 8 node 185），Solid185单元用于构造三围固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有三个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有超弹性，应力钢化，蠕变，大变形和大应变能力2。最后定义材料参数。本次计算选取了笔者家乡的两种木头，分别是中林14杨和易县毛白杨1，它们各自的材料属性如表1 。 表1树种 属性弹性模量（pa）泊松比密度（kg/m3）易县毛白杨 （项目1）8.826 x1090.4429中林14杨（项目2）8.728 x1090.35361利用ANSYS所建立的有限元模型如图3：图3. 木板床的有限元模型2 网格的划分有限元网格的划分其实就是将模型进行离散化处理，当然，ANSYS提供了很多种网格类型和划分方式，针对不同的网格类型划分出的不同的离散化模型，所得到的计算结果是存在出入的。本文主要采用三角形单元和六面体单元分别划分网格进行计算，对比两种情况结果的差异。其中三角形单元划分的情况如图4，六面体单元分的情况如图5。图4. 三角形单元划分情况 图5. 六面体单元划分的情况通常划分网格的数量越多，对于计算机的要求也就越大。鉴于笔者的计算机性能有限，这里以比较少的单元数量划分，并没有将划分网格的选项调为Fine或者更高。调用工作状态信息如下。我们可以查看划分网格的情况这里仅展示以三角形单元划分网格的情况（六面体单元分的查看方式情况是一样的）。可以看出，划分的网格有2059个单元，有1355个节点。G L O B A L S T A T U SANSYS - Engineering Analysis System Jun 05, 2015 16:23Release 14.0 00205070 INTEL NT VersionCurrent working directory: D:PROJECTMENULIST File: D:ANSYS Incv140ANSYSguien-usUIDLmenulist140.ans Product(s) enabled: ANSYS Multiphysics/LS-DYNA Total connect time. . . . . 2 hours 13 minutesTotal CP usage. . . . . . . 0 hours 3 minutes 53.5 secondsJ O B I N F O R M A T I O NCurrent jobname . . . . . .122 Initial jobname . . . . . .122 Units . . . . . . . . . . .unknown Available UsedScratch Memory Space. . . . 512.000 mb 263.251 mb ( 51.4%)Database space . . . . . . 65535.750 mb 14.438 mb ( 0.0%)User menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLUIMENU.GRNUser menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLUIFUNC1.GRNUser menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLUIFUNC2.GRNUser menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLMECHTOOL.AUIBeta features . . . . . . .are not shown in the user interfaceM O D E L I N F O R M A T I O NSolid model summary: Largest Number Number Number Defined SelectedKeypoints . . . . . . . . . 79 71 71Lines . . . . . . . . . . . 163 135 135Areas . . . . . . . . . . . 97 70 70Volumes . . . . . . . . . . 16 9 9Finite element model summary: Largest Number Number Number Defined SelectedNodes . . . . . . . . . . . 1355 731 731Elements. . . . . . . . . . 2059 1875 1875Element types . . . . . . . 1 1 n.a.Real constant sets. . . . . 0 0 n.a.Material property sets. . . 1 1 n.a.Coupling. . . . . . . . . . 0 0 n.a.Constraint equations. . . . 0 0 n.a.Master DOFs . . . . . . . . 0 0 n.a.Dynamic gap conditions. . . 0 0 n.a.3 边界条件以及荷载的施加划分好了网格之后的下一步自然是施加边界条件和加载。本文限于篇幅，仅仅展示三角形单元的加载以及约束情况，六面体单元划分的网格系统加载和边界条件的施加是一样的。本次模拟所施加的边界条件为将四个床腿施加全约束。在进行这些步骤之前还有一部很重要的是施加惯性力（本次计算取惯性力为9.81）。惯性力的施加如图6；边界条件如图7。图6. 惯性力的施加（红色箭头） 图7. 边界条件加载情况如图8：图8. 荷载施加、惯性力以及约束4 计算接下来的一步是计算，因为所要对比分析的项目较多。故将易县毛白杨和中林14杨分为两个项目。前者为项目1后者为项目2。首先来看项目1的计算情况。对于项目1我们需要对比的不同荷载作用结构之上后，结构的反应；以及对于项目1不同网格划分情况（取一组相同的荷载）对计算结果的影响。项目1施加1006pa的荷载以及1238pa的荷载（分别对应60kg和80kg的人的重量），它们的计算结果用网格变形和位移云图来显示分别如图9-12。图9. 网格变形图 图10.位移云图图11. 网格变形图 图12. 位移云图下面来看一下六面体网格的计算情况，为了对比方便，取同一荷载1006pa作为分析，计算结果与图9-10相比。主要是对比在相同的荷载（1006pa）作用下，相同的材料属性，不同的网格划分情况，查看计算结果的差异。计算结果如图13-14图13. 六面体划分网格计算的网格变形 图14. 六面体划分网格计算的位移云图然后是对于项目2的对比分析。计算两种不同荷载（1006pa和1238pa）作用情况下，结构的反映情况。还是以三角形划分网格模型为主要计算对象。图15-16分为1006pa的面力作用于三角形网格模型，结构的网格变形和位移云图；图17-18分别为1238pa的面力作用于三角形网格模型，结构的网格变形和位移云图。图15. 网格变形图 （1006pa） 图16. 位移云图（1006pa）图17.网格变形图（1238pa） 图18. 位移云图（1238pa）变换划分网格的模式，采用六面体单元划分网格。得到的计算结果如图19-20。 图19. 六面体网格的变形（1006pa） 图20. 六面体网格的计算结果位移云图（1006pa）5结果分析通过项目1的图9-12，我们可以看出相同的材料参数，相同的网格划分，不同的荷载作用，虽然变形差距不是很大，但是还是能看得出荷载越大变形越大。通过对比图9-10和图13-14我们可以看出，相同的荷载，相同的材料属性，不同的网格划分得到的计算结果出入较大。图13-14所划分的网格较为规整，而且网格数量较三角形单元划分的网格多一倍。可以看到六面体的网格分析的结果较为准确。通过对比项目2的图15-18，我们可以得到与项目1相同的结论。但是通过对比项目1、2；相同的荷载，相同的约束，相同的网格划分，不同的材料属性，我们可以看出易县毛白杨的变形相对于中林-14杨稍大，归其原因在于泊松比的差异。可以看出两种木材，单纯就力学属性上的变形情况，两种木材中的中林-14杨作为木床选材相对较好（仅是相对而言）。通过对比分析图13-14和图19-20，可以看出六面体划分网格，在相同的荷载，相同的约束，不同的材料属性下，得到的结论是项目2的变形相对较小，这与用三角形单元分析得出的结论是相同的。说明用于床的选材，考虑结构的整体变形，以及承载力（忽略木头的其他属性），中林-14杨优于易县毛白杨。参考文献1 王桂岩, 王彦, 李善文, 等. 13