ansys程序变截面梁与耦合自由度的应用一个典型雨蓬计算

22/22ANSYS程序变截面梁与耦合自由度的应用--一个典型雨蓬计算分析变截面梁，即两端截面不同的梁。在工程中通常将梁受力吃紧的一端采用较大的截面，另一端采用较小的截面，以实现等强度设计，节省原材料。这种变截面梁生活中普遍存在，远至古代娶亲用的花轿轿杆、农村大车车辕，直至当今建筑钢结构中各种采光大蓬横梁（包括弯曲横梁）、各种连杆摇臂结构等。特别是悬臂梁几乎处处可见，就连输电用的水泥电杆也做成根粗尖细的。一、前言变截面梁，即两端截面不同的梁。在工程中通常将梁受力吃紧的一端采用较大的截面，另一端采用较小的截面，以实现等强度设计，节省原材料。这种变截面梁生活中普遍存在，远至古代娶亲用的花轿轿杆、农村大车车辕，直至当今建筑钢结构中各种采光大蓬横梁（包括弯曲横梁）、各种连杆摇臂结构等。特别是悬臂梁几乎处处可见，就连输电用的水泥电杆也做成根粗尖细的。由于这种变截面梁在工程中普遍存在，在ANSYS程序结构分析中，专门设置了变截面梁单元的功能，使用起来特别方便。具体操作过程在下面的实例分析中详细介绍。自由度耦合即构件连接处两个节点的自由度（包括移动自由度和转动自由度）变化是一致的，主节点如何变化，从节点随着同样变化。自由度耦合在静力分析时常用在连接件上，特别用在具有转动的连接件上。例如：汽车挂挡手柄连接端的球铰，各种销钉与耳环的连接，各种转盘与转轴的连接等。自由度耦合的概念与自由度释放的概念正好相反。在ANSYS程序中没有自由度释放功能，只有自由度耦合功能，但用自由度耦合功能完全可以达到自由度释放的目的。这种功能具体操作过程，也在下面的实例分析中详细介绍。二、雨蓬计算分析该雨蓬结构是由11根变截面工字钢梁、1根等截面工字钢梁、3根圆管钢梁、1根槽钢梁和6根拉杆钢组成。其结构如下：图1雨蓬结构1．原始数据（1）坐标数据关键点号XYZ100020063003045000（第一拉杆上端点）40-10000（变截面梁Z轴方向）5010000（第一排工字钢Z轴方向）60-10006300（第六排槽钢Z轴方向）（2）材料数据主钢梁变截面工字钢：大端300×150×8×6小端150×150×8×6第一横梁工字钢：150×100×8×6第二、第三、第四横梁圆管钢：Φ102×4Ri=47R0=51第五横梁槽钢：160×80×8×6拉杆：Φ102×4A=1231.5

=0.0001(3)载荷由玻璃均布载荷计算而得:中间节点:F=5560N边节点:F=2780N角节点:F=1690N(4)单元梁单元:BEAM188杆单元:LINK8(5)边界条件主梁固定于墙上:位移和转角全约束；拉杆与主梁连接:位移耦合,转角自由；拉杆与墙连接:位移约束,转角自由。2计算方法有限元几何非线性方法3操作命令（1）前处理a.选择单元类型选择单元类型菜单路径：【Preprocessor】→【ElementType】→【Add/Edit/Delete】执行选择单元类型菜单路径命令，弹出定义单元类型对话框，单击[Add…]按钮，弹出单元类型库对话框，然后选择“Beam2node188”梁单元，单击[OK]按钮。用同样方法选择“LinkSpar8”杆单元，单击[OK]按钮。b.设置单元实常数设置单元实常数菜单路径：【Preprocessor】→【RealConstants】→【Add/Edit/Delete】执行设置单元实常数菜单路径命令，弹出对话框后，单击[Add…]按钮，选择“Type2LINK8”单元，并单击[OK]按钮，弹出定义实常数对话框，在“ID”中输入“1”，在“AREA”中输入“1231.5”，单击[OK]按钮。c.设置单元截面数据变截面工字钢梁截面设置：大端截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Commonsections】，弹出定义截面特性对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“1”，在“Name”中设置梁单元截面名称“M1”，在[Sub-Type]中选择工字钢截面图形。在“W1”中输入“150”，在“W2”中输入“150”，在“W3”中输入“300”，在“t1”中输入“8”，在“t2”中输入“8”，在“t3”中输入“6”，单击[OK]按钮。小端截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Commonsections】，弹出定义截面特性对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“2”，在“Name”中设置梁单元截面名称“M2”，在[Sub-Type]中选择工字钢截面图形。在“W1”中输入“150”，在“W2”中输入“150”，在“W3”中输入“150”，在“t1”中输入“8”，在“t2”中输入“8”，在“t3”中输入“6”，单击[OK]按钮。尖劈梁截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【TaperSection】→【ByXYZLocation】，弹出定义变截面特性对话框后，在“ID”中设置变截面梁单元截面代号“3”，在“Name”中设置变截面梁单元截面名称“M3”。在“BeginningSectionID”中选择变截面梁起始截面代号“1M1”，在“XYZLocationofBeginningSect”中输入变截面梁起始截面坐标“0，0，0”；在“EndingSectionID”中选择变截面梁结束截面代号“2M2”，在“XYZLocationofEndingSection”中输入变截面梁结束截面坐标“0，0，6300”，单击[OK]按钮。普通工字钢梁截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Commonsections】，弹出定义截面特性对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“4”，在“Name”中设置梁单元截面名称“M4”，在[Sub-Type]中选择工字钢截面图形。在“W1”中输入“100”，在“W2”中输入“100”，在“W3”中输入“150”，在“t1”中输入“8”，在“t2”中输入“8”，在“t3”中输入“6”，单击[OK]按钮。圆管梁截面设置：设置梁单元截面数据菜单路径：【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Common】→【Sections】执行设置梁单元截面数据菜单路径命令，弹出对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“5”，在“Sub-Type”中选择圆管钢截面图形。在“Ri”中输入“47”，在“R0”中输入“51”，单击[OK]按钮。槽钢梁截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Commonsections】，弹出定义截面特性对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“6”，在[Sub-Type]中选择槽钢截面图形。在“W1”中输入“80”，在“W2”中输入“80”，在“W3”中输入“160”，在“t1”中输入“8”，在“t2”中输入“8”，在“t3”中输入“6”，单击[OK]按钮。d.设置材料性能数据设置材料性能数据菜单路径：【Preprocessor】→【MaterialProps】→【MaterialModels】执行设置材料性能数据菜单路径命令，弹出定义材料性能数据对话框，选择右侧材料有关变量依次双击“Structural”“Linaer”“Elastic”“Isotropic”(也可以依次双击“Favorites”“LinaerStatic”“LinaerIsotropic”)后，在出现的对话框中，输入弹性模量“EX=2.06E5”和泊松比“PRXY=0.3”数值，输入密度数值“7.85E-9”，单击[OK]按钮，并退出对话框。e.建立几何模型（a）生成关键点菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Keypoints】→【OnWorkingPlane】执行生成关键点菜单路径命令，在弹出的工作平面对话框中，依照上述坐标次序，输入各关键点坐标值：“X，Y，Z”，最后单击工作平面对话框中的[OK]按钮。轴侧显示菜单路径：【UtilityMenu】→【Plotctrls】→【PanZoomRotate】→【ISO】(b)生成直线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【StraightLine】执行生成直线菜单路径命令，弹出生成直线对话框，采用鼠标在图形窗口依次点击前、后两个关键点，生成一条直线，单击对话框中的[OK]按钮。(c)将直线分成21等份菜单路径：【Preprocessor】→【Operate】→【Booleans】→【Divide】→【LineintoNLn’s】，弹出对话框后，选择直线，单击[Apply]按钮，输入划分数“21”，单击[OK]按钮。（d）直线相加菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Lines】执行直线相加菜单路径命令，弹出对话框后，选择除第一段直线外的5段直线，单击[Apply]按钮，接下来再次选择5段直线，单击[Apply]按钮，直到共生成5段直线为止。(e)5段直线赋置属性菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshingAttribute】→【Pickedlines】执行赋属性菜单路径命令，弹出对话框后，单击对话框中的[PickAll]按钮，弹出赋属性对话框，选择属性：材料号“MAT”为“1”，实常数号“REAL”为默认值，单元类型号“TYPE”为“1BEAM188”，截面号“SECT”为“3”，并激活“PickOrientationKeypoints”，单击[Apply]按钮，用鼠标在主梁下选择确定梁单元Z轴方向的“K”点，单击[OK]按钮。(f)5段直线设置划分尺寸菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【SizeCtrls】→【ManualSize】→【Lines】→【PickedLines】执行设置划分尺寸菜单路径命令，采用鼠标在图形窗口拾取全部直线，单击[Apply]按钮，在弹出的对话框“NDIV”中输入尺寸数值“1”，单击[OK]按钮。(g)5段直线划分网格采用分网工具，其菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】执行分网工具菜单路径命令，弹出分网工具对话框。先在分网工具窗口中确定网格实体：“Lines”，单击[Mesh]按钮后，单击[PickAll]按钮。单击工具栏中的[SAVE-DB]按钮，保存实体网格文件。(h)复制直线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Lines】执行复制直线菜单路径命令，弹出对话框后，单击[PickAll]按钮，在弹出对话框“NumberofCopies-”中输入“11”，在“DX”中输入“2250”，单击[OK]按钮(目的在于生成11根变截面梁)。(i)生成横线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【StraightLine】执行生成直线菜单路径命令，弹出生成直线对话框，采用鼠标在图形窗口依次点击前、后两个关键点，生成所有横直线，单击对话框中的[OK]按钮。（j）给各横直线赋置属性菜单路径：【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshingAttribute】→【Pickedlines】执行赋属性菜单路径命令，弹出对话框后，采用鼠标在图形窗口拾取第一横直线，单击[Apply]按钮，弹出赋属性对话框，选择属性：材料号“MAT”为“1”，实常数号“REAL”为默认值，单元类型号“TYPE”为“1BEAM188”，截面号“SECT”为“4”，并激活“PickOrientationKeypoints”，单击[Apply]按钮，用鼠标在第一横直线起点上选择确定梁单元Z轴方向的“K”点，单击[OK]按钮。第二、第三、第四横直线为圆管钢，截面号为“5”，梁单元Z轴方向的“K”点选择第五横直线上任意一点即可；第五横直线为槽钢，截面号为“6”，梁单元Z轴方向的“K”点选择第五横直线起点下一点，单击[OK]按钮。(k)各横直线划分尺寸设置为“1”、网格划分同前。(l)合并菜单路径：【Preprocessor】→【NumberingCtrls】→【MergeItems】执行合并菜单路径命令，弹出对话框后，在“Label”中选择“All”，单击[OK]按钮。(m)复制关键点菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Keypoints】执行复制关键点菜单路径命令，弹出对话框后，用鼠标在图形窗口选择拉杆上端点，单击[Apply]按钮，在弹出对话“NumberofCopies”中输入“6”，在“DX”中输入“4500”，单击[OK]按钮。执行复制关键点菜单路径命令，弹出对话框后，用鼠标在图形窗口选择拉杆下端点之间的关键点，复制距离为“DX=2250”，复制后使各拉杆下端点位置形成两个关键点号。(n)生成直线菜单路径：【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【StraightLine】执行生成直线菜单路径命令，弹出对话框后，用鼠标在图形窗口选择拉杆上、下端点，生成拉杆线。注意：在选择下端点时，要选择后生成的关键点号。(o)拉杆线的属性赋置、划分尺寸设置和网格划分同前。(p)自由度耦合设置该题6根拉杆下端与变截面梁的连接为铰链连接，即每个连接节点3个方向的转动自由度应释放为自由。在ANSYS程序中，自由度耦合的概念与其他程序中自由度释放的概念正相反。对于该题而言，拉杆下端与变截面梁铰链连接，应设置连接点处为两个节点，一个节点为拉杆的，另一个节点为变截面梁的，并使他们3个方向的位移自由度各自耦合，3个方向的转动自由度不作任何处理。自由度耦合设置菜单路径：【Preprocessor】→【Conpling/Ceqn】→【CouplingDOFs】执行自由度耦合设置菜单路径命令，弹出对话框后，在图形窗口拾取耦合节点，单击[OK]按钮，再次在该位置拾取耦合点，单击[Apply]按钮，弹出自由度耦合对话框，在“NSET”中输入耦合集号“”，在“Lab”中选择耦合自由度方向“”，单击[Apply]按钮，直到完成所有6对节点位移自由度的耦合（6对节点共建18个耦合集），单击[OK]按钮。单击工具栏中的[SAVE-DB]按钮，保存实体网格文件。（2）加载求解a.施加位移约束施加位移约束菜单路径：【Solution】→【DefineLoads】→【Apply】→【Structural】→【Displacement】→【OnNodes】执行施加位移约束菜单路径命令，弹出施加位移约束选择节点对话框，采用鼠标在图形窗口拾取主梁与墙连接点，单击[Apply]按钮，弹出施加位移约束选择分量窗口，选择节点位移分量：“UX=UY=UZ=0，ROTX=ROTY=ROTZ=0”，单击[Apply]按钮。再拾取拉杆与墙连接点，选择节点位移分量：“UX=UY=UZ=0”，单击[OK]按钮。b.施加载荷选择节点菜单路径【Solution】→【DefineLoads】→【Apply】→【Structural】→【Force/Moment】→【OnNodes】执行选择节点菜单路径命令，弹出对话框后，在图形窗口拾取雨蓬中间各节点，单击[Apply]按钮，弹出的对话框后选择“FY”，在[VALUE]框中输入“-5560”，单击[Apply]按钮；拾取雨蓬边缘各节点，单击[Apply]按钮，弹出的对话框后选择“FY”，在[VALUE]框中输入“-2780”，单击[Apply]按钮；拾取雨蓬各角节点，单击[Apply]按钮，弹出对话框后选择“FY”，在[VALUE]框中输入“-1690”，单击[OK]按钮。c.施加重力加速度（不考虑结构的重量可以不加）选择菜单路径：【Solution】→【DefineLoads】→【Apply】→【Structural】→【Inertia】→【Gravity】→【Global】，弹出拾取对话框后,在[ACELX]中输入“”（水平方向），在[ACELY]中输入“”（垂直方向），单击[OK]按钮。d.选择求解方法选择菜单路径：【MainMenu】→【Solution】→【AnalysisType】→【Sol’ncontrol】，弹出对话框后，在“AnalysisOptions”中选择“LargeDisplacemantStatic”，单击[OK]按钮。e.用当前载荷步解题选择菜单路径：【MainMenu】→【Solution】→【CurrentLS】，弹出状态窗口和求解窗口，退出状态窗口，单击求解窗口中的[OK]按钮，进行解题。当出现此句英语：“Solutionisdone!”则结果正确，单击[Close]按钮。（3）后处理a.显示变形选择菜单路径：【GeneralPostproc】→【ReadResults】→【FirstSet】→【PlotResults】→【ContourPlot】→【NodalSolu】，在弹出的对话框中，单击“DOFSolution”项，选择变形分量（例如：Y—Componentofdisplacement），单击[OK]按钮，出现带标尺的变形图。b.显示当量应力选择菜单路径：【GeneralPostproc】→【ReadResults】→【FirstSet】→【PlotResults】→【NodalSolu】，在弹出的对话框中，单击“Stress”项，选择“VonMisesstress”项，单击[OK]按钮。再选择菜单路径径：【UtillityMenuu】→【Plottctrlls】→【Stylle】→【SizeeanddShaape】，在弹弹出的对话话框中，激激活“Dispplayofeelemeet”项，单击[OK]按钮，出出现带标尺尺的应力图图。c.显示弯曲曲应力定义单元表格菜菜单路径：：【GeneeralPosttprocc】→【Elemmenttablle】→【Defiinettablee】执行定义单元表表格菜单路路径命令，弹弹出对话框框以后单击击[Add…]按钮，在在滚动框中中选择“BySSequeencenum”，在右框框中选择“SMISSC”，在右下下框中“SMISSC，”后面输入入应力的序序列号“34”（BEAMM4梁单元弯弯曲应力序序列号为“LS,4”，各种梁梁单元应力力的序列号号是不同的的，见在线线帮助），单单击[OK]按钮。绘制表格（或列列表）菜单单路径：【GeneeralPosttprocc】→【Elemmenttablle】→【Plotttabble】（【ListtEleemTaable】）执行绘制表格（或或列表）菜菜单路径命命令，弹出出对话框以以后，单击击[OK]按钮，绘绘制表内应应力图形（或或列出表格格数据）。d.支反力显显示列表方式显示支支反力菜单单路径：【GeneeralPosttprocc】→【ListtRessultss】→【ReacctionnSollu】执行列表方式显显示支反力力菜单路径径命令，弹弹出用列表表方式显示示支反力窗窗口，选择择“AllItemms”项，单击[OK]按钮。e.将图形存存入文件首先选择菜单路路径：【UtillityMenuu】→【Plottctriis】→【Stylle】→【Backkgrouud】，单击“DispplaypicttureBackkgruood”（改变背背景颜色，如如果背景颜颜色已经改改变则不要要执行此步步）。再选择菜单路径径：【UtillityMenuu】→【Plottctriis】→【Harddcoppy】→【ToFFile】，弹出出的对话框框后，在“Saveeto：”中定义用用户文件名名，单击[OK]按钮。f.输出结构构总体积和和总重量菜菜单路径【GenerallPosstprooc】→【Elemmenttablle】→【Defiinettablee】【GenerallPosstprooc】→【Elemmenttablle】→【SumofEEachItemm】【UtilityyMennu】→【Paraamentters】→【GetScallarDData】【UtilityyMennu】→【Paraamentters】→【ScallarPParammenteer】执行菜单路径命命令1，弹出对对话框以后后，单击[Add…],弹出单元元表对话框框，在“lab”中输入用用户定义名名“EVOL”，在左下下列选择“Geommetryy”，在右列列选择“ElemmVollumeVoluu”，单击[OK]按钮。执行菜单路径命命令2，弹出对对话框以后后，单击[OK]按钮，得得到单元总总体积值。执行菜单路径命命令3，弹出对对话框以后后，在左列列选择“ResuultsDataa”，在右列列选择“ElemmTabbleSSums”，单击[OK]按钮，弹弹出对话框框以后输入入用户定义义名“VTOT”，单击[OK]按钮。执行菜单路径命命令4，弹出对对话框以后后，在“Itemms”中选择“VTOTT=”，再在“Seleectioon”中乘以材材料比重数数值“例如：7.855E-6”（VTOTT=*7..85E--6），单击[Acccept]]按钮，在“Itemms”中得到单单元总重量量值（单位位：VTOTT=千克重）。该该雨蓬结构构需用钢材材吨。4计算结果（1）位移分布云图图：图2雨蓬变形分布云云图（2）应力分布云图图：图3雨蓬当量应力分分布云图图4雨蓬的梁弯曲应应力分布云云图5结果分析及结论论由图2—图4可知，在当前载载荷的作用用下，雨蓬蓬的最大变变形在前缘缘为5.2mmm；最大当当量应力在在根部为37.99Mpa（最大弯弯曲应力37.22Mpaa）。应力力和变形都都很小，可可见用钢材材浪费严重重，结构设设计很有改改进的余地