搜索ANSYS分析—感知結構概念-尋求合理的橫截面設計【轉(zhuǎn)發(fā)】
2017-02-20 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
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導讀:矩形截面橫著放還是豎著放好?同樣的用材,矩形截面還是工字型截面更好?
一、模型演示
本模型演示了截面形狀對梁剛度的影響。
如圖所示為三根塑料條做成的梁,每根梁的材料用量相等,均為三根厚1mm、寬15mm的塑料條。圖a所示為第一個截面,由三根塑料條粘接成寬為15mm、寬為3mm的矩形截面。圖b所示的梁截面與第一個梁截面相同,只是將其旋轉(zhuǎn)90°。圖c所示的梁是將三根塑料條按工字形截面粘結而成。
(a)梁1截面 (b)梁2截面 (c)梁3截面
這三根梁的剛度大小可通過如下簡單實驗來驗證:
(a)梁1
(b)梁2
(c)梁3
(1)如圖(a)所示,支撐梁1的兩端,在梁跨中施加壓力?？梢杂^察并感覺到梁在載荷作用下產(chǎn)生了較大的變形。由于該梁的截面材料分布接近其中性軸,因此梁的慣性矩較小。
(2)用梁2代替梁1,在梁跨中施加壓力,同時對梁的一端施加側(cè)向約束以防止梁發(fā)生扭轉(zhuǎn),如圖(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)梁2的變形要明顯小于梁1,且其剛度明顯增大。與梁1相比,梁2的截面材料分布中性軸較遠,從而使其慣性矩顯著增加。
(3)用梁3代替梁2,再次對梁跨中施加壓力,如圖(c)所示?？梢愿杏X到,梁3的剛度和穩(wěn)定性均優(yōu)于梁2。梁剛度增加的原因是,其截面2/3的材料分布在翼緣處,從而使材料盡可能地遠離了中性軸。
這組簡單的實驗表明,盡管三種截面形式的梁的材料用量相同,但工字形截面梁的剛度明顯大于其他兩個梁,而梁2的剛度也要明顯大于梁1。
工字型構件在鋼框架結構中應用非常普遍。
二、問題描述
如圖所示為三根相同材料做成的梁,每根梁的材料用量相等,均為三根厚t =1 mm、寬b =15 mm的材料組成。彈性模量E= 200 GPa,泊松比u =0.3。梁的長度為200mm,在梁跨中受集中力F =1 kN,兩端約束處理成鉸支。計算梁的撓度。
問題分析: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。ANSYS無單位,需自己統(tǒng)一,本次采用N、mm和MPa單位制。由于BEAM188是空間梁,具有3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度,對于圖示的簡支梁,在A點約束UX、UY、UZ和ROTX,在B點約束UY和UZ。約束ROTX是為了防止剛體轉(zhuǎn)動位移。
三、計算結果分析
1.撓度結果對比
2.撓度云圖
(1)截面1
(2)截面2
(3)截面3
四、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.
將t =1 mm、寬b =15 mm代入,慣性矩分別為33.75、843.75和2203.75,這三種截面關于水平中性軸的慣性矩比值為1:25:65。
五、GUI步驟
1.進入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改變workingdirectory到指定文件夾 → 在jobname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2 node 188 →OK。
②設置單元選項:Options→Element behavior K3:CubicForm(三次形函數(shù));Shear stress output K4:IncludeBoth →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下拉框選擇指定的截面圖形,輸入相關數(shù)據(jù)→ Meshview →OK。橫截面采用默認份數(shù),請修改份數(shù),重新計算,查看結果。
(3)設置材料屬性:MainMenu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural→Linear →Elastic → Isotropic → EX:2e5,PRXY:0.3→ OK。
4.建立幾何模型
(1)生成關鍵點:Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Keypoints >In Active CS →依次輸入關鍵點的編號和坐標:1 (0,0,0),2 (100,0,0),3(200,0,0) →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:10→OK。每10mm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 >Structural >Displacement >OnKeypoints
→拾取關鍵點1→ OK → Lab2:UX、UY、UZ和ROTX→ Apply
→拾取關鍵點3→ OK → Lab2:UY和UZ→ OK。
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。否則將導致如下錯誤,提示約束不足。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>On Keypoints → 拾取關鍵點2 → OK → Lab:FZ,VALUE:-1e3 →OK。
(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 Current Load Step → OK → Solution is done → Close。
(2)保存結果文件:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入file.db→ OK。
8.后處理
撓度云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → Z - Component of displacement→OK。
9.退出ANSYS軟件
Utility Menu> File > Exit → Quit-No Save → OK。
六、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1屬性mm
SECOFFSET, CENT
SECDATA,15,3,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
SECTYPE, 1, BEAM, RECT, ,0 !截面2屬性mm
SECOFFSET, CENT
SECDATA,3,15,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
SECTYPE, 1, BEAM, I, , 0 !截面3屬性mm
SECOFFSET, CENT
SECDATA,15,15,17,1,1,1,0,0,0,0,0,0
K,1,0,0,0, !創(chuàng)建關鍵點mm
K,2,100,0,0,
K,3,200,0,0,
L,1,2 !創(chuàng)建線
L,2,3
/PNUM,KP,1 !關鍵點編號
/PNUM,LINE,1 !線編號
LATT,1, ,1, , , ,1 !線的單元屬性
LESIZE,ALL, , ,10, , , , ,1 !單元尺寸mm
LMESH,ALL !線分網(wǎng)
/ESHAPE,1.0 !單元形狀
/VIEW,1,1,1,1
/VUP,1,Z
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,FZ,-1e3 !集中力N
FINISH
/SOLU
SOLVE !求解
FINISH
/POST1
/UDOC,1,DATE,1 !關閉ANSYS標志和時間
/dev,font,1,Courier*New,400,0,-21,0,0,,, !3號字體
/VIEW,1,,-1
/GFORMAT,F,12,4, !數(shù)據(jù)格式
/DSCALE,ALL,10
PLNSOL, U,Z, 0,1.0 !撓度
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