搜索梁的應力變形ANSYS分析，分別受集中力、集中力偶和均布載荷作用
2017-02-17 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
導讀:受彎曲變形,用梁單元BEAM188建模分析。梁單元的單元屬性有單元類型、截面屬性和材料屬性。掌握施加位移約束和載荷的方法,特別是均布載荷的施加。熟練進行后處理,包括約束反力、內(nèi)力、應力和變形,特別是剪力圖和彎矩圖與材料力學的對比,切應力和正應力云圖的提取方法。
一、問題描述
一簡支梁,總長l =0.4m,其中a= b = l/2,橫截面尺寸B = 6mm,H=10 mm,彈性模量E= 200 GPa,泊松比u = 0.3。分別受三種載荷作用:(1)受集中力F =100 N;(2)集中力偶Me= 20 N·m;(3)受均布載荷q =500 N/m。計算梁的約束反力、內(nèi)力(剪力和彎矩)、應力(切應力和正應力)和變形(轉(zhuǎn)角和撓度)。
二、理論計算
參考教材:劉鴻文. 材料力學(第5版) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 110-209.
二、GUI步驟
1.進入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file → Run。
2.定義工作文件名及工作標題
(1)定義工作文件名:UtilityMenu > File > Change Jobname → Change Jobname → 輸入文件名file→ OK?？刹挥幂斎?默認為file。
(2)定義工作標題:UtilityMenu > File > Change Title → Change Title → 輸入Beam→ OK?？刹挥幂斎?。
3.定義單元屬性
(1)定義單元類型:
①指定BEAM188單元:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete→Add→在左列表框中選擇Beam,在右列表框中選擇2node 188 →OK。
②設置單元選項:Options→Element behavior K3:Cubic Form(三次形函數(shù));Shear stress output K4:Include Both →OK。默認情況下Element behavior是一次形函數(shù),Shear stress output只輸出扭轉(zhuǎn)切應力,不輸出剪力產(chǎn)生的切應力。因此,需做如上修改,改成三次形函數(shù)和輸出切應力。
(2)定義截面:MainMenu >Preprocessor >Sections >Beam >Common Sections →ID:1,在Sub-Type下拉框選擇實心圓形截面圖形,B:10,H:6,NB:0,NH:0,→ Meshview →Meshview →OK。
默認情況下高度為H,寬度為B,高度沿坐標系的Z方向。想要本例高度沿Y方向,將B和H的數(shù)值交換一下即可。圖中Area是面積、Iyy和Izz是慣性矩。
Nb和Nh默認情況下,剪力產(chǎn)生的切應力有一定誤差。Nb和Nh分別輸入20份,就能接近解析解。
(3)設置材料屬性:MainMenu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural→ Linear → Elastic → Isotropic → EX:2.00E5,PRXY:0.3→ OK。200 GPa=2.00E5 MPa。
4.建立幾何模型
(1)生成關(guān)鍵點:Main Menu >Preprocessor>Modeling >Create >Keypoints >In Active CS →依次輸入關(guān)鍵點的編號和坐標:1 (0,0,0),2 (200,0,0),3 (400,0,0) →OK。
(2)創(chuàng)建直線:MainMenu >Preprocessor >Modeling >Create >Lines >Lines >Straight Line →依次拾取1和2,2和3,創(chuàng)建2條直線→OK。
(3)打開線編號:Utility Menu > PlotCtrls > Numbering→KP Keypoint numbers:ON,LINE Line numbers:ON→ OK。
5.劃分網(wǎng)格
(1)設置線的單元屬性:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在Element Attributes下方選擇Lines Set→ 拾取線1→OK→選擇MAT:1,TYPE:1,SECT:1→OK。單元類型編號、截面編號和材料編號只有一種,可默認,不需要指定,此步驟可省略。
(2)設置單元尺寸:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在Size Controls下方選擇Global Set →SIZE: 20 →OK。每20mm劃分一個單元。
(3)劃分梁單元:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →Mesh:Lines→ Mesh → Pick All。
(4)打開梁單元的單元形狀:Utility Menu >PlotCtrls>Style >Size and Shape → [/ESHAPE]: On。
(5)顯示單元:Utility Menu > Plot > Element。
6.施加邊界條件
(1)施加約束:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structura l>Displacement >OnKeypoints
→拾取關(guān)鍵點1→ OK → Lab2:UX、UY、UZ和ROTX→ Apply
→拾取關(guān)鍵點3→ OK → Lab2:UX和UZ→ OK。
將導致如下錯誤,提示約束不足。雖然沒有施加扭矩,但繞自身軸扭轉(zhuǎn)是自由的,也應約束扭轉(zhuǎn)自由度ROTX,。約束后,便能求解。
(2)施加載荷:分別施加集中力、集中力偶和均布載荷的方法如下。
①施加集中力:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Force/Moment >OnKeypoints → 拾取關(guān)鍵點2→ OK → Lab:FY,VALUE:100 →OK。注意單位是N。
②施加集中力偶:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Force/Moment >OnKeypoints → 拾取關(guān)鍵點2→ OK → Lab:MZ,VALUE:20e3 →OK。注意單位是N.mm。
③施加均布載荷:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Pressure >On Beams →Pick All→ LKEY:2,VALI:500e-3,VALJ:500e-3→OK。注意單位是N/mm。
施加均布載荷的說明:根據(jù)實例中的坐標,均布載荷應在-Y方向施加。
A.打開梁單元的單元坐標系:UtilityMenu >PlotCtrls >Symbols → ESYS:On→OK。
B.檢查梁單元的單元坐標系,看不清請把單元形狀關(guān)掉,檢查后再把單元形狀打開。單元坐標系的X、Y和Z坐標與整體坐標系相同。經(jīng)查,該實例的單元坐標系與整體坐標系一致。
C.查看在單元坐標系下施加均布載荷的編號:打開ANSYS幫助→索引中選擇Beam188→回車 →在Beam188單元說明查看“BEAM188Geometry”說明?？梢娏簡卧鴺讼档?/span>-Y方向施加的均布載荷的編號為②,數(shù)值應是加正值。
(3)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Beam_Load.db→ OK。
7.求解
(1)求解:MainMenu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。
(2)保存結(jié)果文件:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入file.db→ OK。
8.后處理
(1)列表查看約束反力:MainMenu > General Postproc > List Results > Reaction Solu → All strucforc F → OK。記錄數(shù)值。
(2)查找定義內(nèi)力(剪力和彎矩)單元表的方法
①查找定義BEAM188內(nèi)力單元表的方法:打開ANSYSHelp,搜索BEAM188。
找到BEAM188的單元介紹頁面后,頁面中查表Table188.1: BEAM188 Element Output Definitions。表中查找Name:SF:y,z,Definition:Section shear forces,在Name欄中SFy便是剪力。
表中查找Name:My,Mz,Definition:Bending moments,在Name欄中MZ便是彎矩。
頁面中查表Table188.2: BEAM188 Item and Sequence Numbers。表中查找Output Quantity Name:剪力SFy,Item:SMISC,I:6,J:19。彎矩Mz,Item:SMISC,I:3,J:16。
(3)查看各單元剪力
①定義剪力單元表:MainMenu > General Postproc > Element Table > Define Table → Lab:輸入SFY_I→ Item:選擇Bysequence num → Comb:選擇SMISC,在SMISC后面輸入“6” →OK → Apply → Lab:輸入SFY_J→ Item:選擇Bysequence num → Comb:選擇SMISC,在SMISC后面輸入“19”→ OK → Close。
②剪力列表:MainMenu > General Postproc > Element Table > List Element Table → 選擇SFY_I和SFY_J→ OK → 記錄彎矩值→ File → Close。
③剪力云圖:MainMenu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line ElemRes → LabI選擇SFY_I,LabJ選擇SFY_J→ OK。
(4)查看各單元彎矩
①定義彎矩單元表:MainMenu > General Postproc > Element Table > Define Table → Lab:輸入MZ_I→ Item:選擇Bysequence num → Comb:選擇SMISC,在SMISC后面輸入“3” →OK → Apply → Lab:輸入MZ_J→ Item:選擇Bysequence num → Comb:選擇SMISC,在SMISC后面輸入“16”→ OK → Close。
②彎矩列表:MainMenu > General Postproc > Element Table > List Element Table → 選擇MZ_I和MZ_J→ OK → 記錄彎矩值→ File → Close。
③彎矩云圖:MainMenu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line ElemRes → LabI選擇MZ_I,LabJ選擇MZ_J→ OK。
④將彎矩單位N.mm轉(zhuǎn)換成N.m:Main Menu >General Postproc >Element Table>Add Items → LabR:MZ_I,FACT1:1e-3,Lab1:MZ_I → Apply → LabR:MZ_J,FACT1:1e-3,Lab1:MZ_J → OK。
⑤重新畫彎矩云圖:MainMenu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line ElemRes → LabI選擇MZ_I,LabJ選擇MZ_J→ OK。
(5)應力云圖(切應力和正應力)
①切應力云圖:MainMenu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu → XY Shear stress → OK。
②正應力云圖:MainMenu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu → X-Componentstress → OK。
(6)彎曲變形(撓度和轉(zhuǎn)角)
①撓度云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → Y - Component of displacement→OK。
②轉(zhuǎn)角云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → Z - Component of rotation→OK。
9.退出ANSYS軟件
Utility Menu> File > Exit → Quit-No Save → OK。
四、結(jié)果及討論
1.ANSYS計算結(jié)果與解析解對比
2.計算結(jié)果云圖
(1)集中力作用
①剪力圖和彎矩圖
②切應力和正應力
③撓度和轉(zhuǎn)角
(2)集中力偶作用
①剪力圖和彎矩圖
②切應力和正應力
③撓度和轉(zhuǎn)角
3.均布載荷作用
①剪力圖和彎矩圖
②切應力和正應力
③撓度和轉(zhuǎn)角
五、APDL步驟
FINISH
/CLEAR,NOSTART
/PREP7
ET,1,BEAM188 !單元類型
KEYOPT,1,3,3 !形函數(shù)
KEYOPT,1,4,2 !切應力
MP,EX,1,2.00e5 !材料屬性MPa
MP,PRXY,1,0.3
SECTYPE, 1, BEAM, RECT, ,0 !截面屬性mm
SECOFFSET, CENT
SECDATA,10,6,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
!SECTYPE, 1, BEAM, RECT, ,0 !截面屬性,切應力精度提高
!SECOFFSET, CENT
!SECDATA,10,6,20,20,0,0,0,0,0,0,0,0
K,1,0,0,0, !創(chuàng)建關(guān)鍵點mm
K,2,200,0,0,
K,3,400,0,0,
L,1,2 !創(chuàng)建線
L,2,3
/PNUM,KP,1 !關(guān)鍵點編號
/PNUM,LINE,1 !線編號
LATT,1, ,1, , , ,1 !線的單元屬性
LESIZE,ALL, , ,20, , , , ,1 !單元尺寸mm
LMESH,ALL !線分網(wǎng)
/ESHAPE,1.0 !單元形狀
DK,1,UX !施加位移約束
DK,1,UY
DK,1,UZ
DK,1,ROTX
DK,3,UY
DK,3,UZ
FK,2,FY,-100 !集中力N
!FK,2,MZ,20e3 !集中力偶N.mm
!SFBEAM,ALL,2,PRES,500e-3,500e-3, , , , ,0 !均布載荷N/mm
FINISH
/SOLU
SOLVE !求解
FINISH
/POST1
/UDOC,1,DATE,1 !關(guān)閉ANSYS標志和時間
/dev,font,1,Courier*New,400,0,-21,0,0,,, !3號字體
PRRSOL,F !約束反力列表
ETABLE,SFY_I,SMISC, 6 !定義剪力單元表
ETABLE,SFY_J,SMISC, 19
/VIEW,1,,,1 !視圖
PLLS,SFY_I,SFY_J,1,0 !剪力圖云圖
PRETAB,SFY_I,SFY_J !剪力列表
ETABLE,MZ_I,SMISC, 3 !定義彎矩單元表
ETABLE,MZ_J,SMISC, 16
/VIEW,1,,,1 !視圖
PLLS,MZ_I,MZ_J,1,0 !彎矩圖云圖
PRETAB,MZ_I,MZ_J !彎矩列表
SADD,MZ_I,MZ_I, ,1E-3,1, , !將彎矩單位N.mm轉(zhuǎn)換成N.m
SADD,MZ_J,MZ_J, ,1E-3,1, ,
PLLS,MZ_I,MZ_J,1,0 !彎矩圖云圖
PLNSOL, S,X, 0,1.0 !彎曲正應力
PLNSOL, S,XY, 0,1.0 !切應力
PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !撓度
PLNSOL, ROT,Z, 0,1.0 !彎曲角rad
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