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Ansys Workbench工程实例之——变截面梁分析

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本文摘要(由AI生成):

本文介绍了在APDL中采用GUI操作进行有限元分析的实例,包括定义单元类型、材料参数、多截面形状和变截面梁,以及建模、网格设置与划分等步骤。同时,还介绍了APDL中常用的视图鼠标基本操作、对话框显示、模型显示设置等技巧。文章最后提到,随着Workbench的发展,未来可能会加入更多功能,使工程人员能够更方便地进行有限元分析。


由于变截面梁可以接近等强度设计概念,在厂房钢架、雨棚、塔吊、基站或电缆塔等工程中被广泛应用。首先要说明的是,Workbench中不能实现变截面或扭曲梁的定义,因为标准型材都是等截面的。变截面或扭曲梁分析有三种思路。

1 采用实体模型;

对于无需简化的模型可以采用此方法,计算量比梁单元大。


2 采用多段等截面梁拼凑;

此方法建模时需要考虑每段梁的长度,模型处理较繁琐。

以上两种方法都可以在Workbench中处理,以下介绍第三种方法。

3 结合APDL进行截面定义与后处理。

以往的教材中往往推荐全部在APDL中操作,但是对于工程人员来说,在APDL操作不够熟悉,那么能不能大部分操作在WB中完成,WB定义不了的截面和后处理去APDL操作呢?此方法图惜暂未在其他地方看到过,本文将以实例的形式详细介绍。

实例1 变截面:钢结构厂房的屋顶横梁大多采用变截面的工字梁,如下图左,取出其中一组简化如下图右,计算其承载能力,尺寸见以下详解,竖梁为GB/T706中的40C,横梁的腰厚=两翼平均厚度=15,大端外形尺寸同40C,小端同28B。

Step1 建模。

在Workbench中创建静力学项目。

在DM中的XY平面建立草图,作5个点。

创建梁线:概念——来自点的线,Operation中均选择Add Frozen添加4条独立的线体,再通过Form New Part组合它们。

创建截面:概念——横截面——I形截面,设置工字钢的高为400,两翼宽146,腰厚14.5,平均翼厚16.5。

给梁线赋予截面:给4条梁均赋予上述截面,虽然此处横梁为变截面工字钢,但是先赋予等截面,不影响之后的操作。如果截面方向不正确,可以选中梁线,在属性中修改。

Step2 计算前设置。

进入Mechanical,给梁赋予材料为结构钢。按默认网格划分。

固定竖梁下端点,对上横梁施加向下的5000N向下的力。

Step3 计算与后处理。

在workbench中求解。

通过APDL界面进行修改和后处理,操作如下:

①文件关联:在WB中设置“分析设置”——“保存NAPDL db=是”,清除计算结果后重新计算一次。

退出Mechanical界面,返回WB主界面。将Mechaniacl APDL拖入到本项目的求解栏,点击更新项目,便建立了WB与APDL的连接,此时APDL显示为问号。

②文件读取:进入APDL:右击项目B中的“分析”——在Mechanical APDL编辑,进入APDL界面。

点击工具栏RESUM_DB读取db文件,梁线将在窗口中显示。

显示应力前需要将梁截面显示出来:PlotCtrls——Style——Size and Shape——出现对话框,勾选Display of Element后的框

截面显示后效果如下。

③查看单元类型编号:Preprocessor——Element——Add/Edit/Delete,可以看到一共有5种单元,前4种为Beam188单元,代表了4根梁,Type5为载荷施加单元。

我们首先要找到两根横梁对应的单元类型号。点击标题栏PlotCtrls——Numbering...跳出对话框,在Elem/Attrib numbering后选择Element type num,点击Ok。

在图形窗口,单元类型代号便显示出来了,若未显示,可右击显示区——Replot。可见,左右竖梁单元类型为1和2,左横梁类型为3 5,右横梁类型为4 5。

④创建新截面:选择Preprocessor——Section——Common Section(预设截面),创建2个工字截面,由于单元ID1~5都已经被占用,此处ID分别命名为11和12,选择工字截面,两个截面的尺寸如下图。这两个截面将用于下文锥形截面的定义,注意两个截面的边数必须相等。点击对话框右下角的Preview可在大窗口显示界面形状,点击Meshview可在大窗口显示界面网格,拖动Coarwe——Fine滑动条可细化截面网格。完成后要显示原模型画面,只需点击菜单栏Plot——Elements。

修改ID3与ID4梁类型为变截面:点击Preprocessor——Sections——Beam——Taper Sections(锥形截面)——By XYZ Location,跳出对话框。

对话框中New Taper Section ID修改为3,截面分别为11和12,由于ID3在X的负方向,所以大截面应设置x=-10000(10米)小截面12在0处,设置后点击Apply。本例横梁略长于10米,超出部分将自动延伸截面。

同样设置ID4。小截面12在左0处,大截面11在右侧10米处,然后点击Apply或Ok。

设置后图形并未改变,点击菜单栏PlotCtrls——Style——Size and Shape——出现对话框,勾选Display of Element后的框,点击Apply,使截面隐藏,再次同样操作使截面显示。弹出错误对话框,此处不用理会。

重新计算:选择特征树Solution——Solve——Current LS,在跳出的对话框中选择ok

对跳出的Verify对话框点击Yes,计算完成后或跳出Note对话框,关闭即可。

⑤结果后处理:读取最终结果:在特征树中选择General Postproc——Read Results——Last Set。

添加总变形结果:在特征树中选择General Postproc——Plot Results——Contour Plot——Nodal Plot——在对话框中选择Nodal Solution——DOF Solution——Displacement vector sum,选择后点击ok

添加弯曲应力结果:在特征树中选择General Postproc——Plot Results——Contour Plot——Nodal Plot——在对话框中选择Nodal Solution——Stress——X-Component of stress(梁的轴向为X方向),选择后点击ok。

查看局部应力:比如我们只想查看左横梁(ID3)的弯曲应力,在标题栏选择Select——Entities,跳出对话框,操作如下图左。也可以手动选择要显示的单元格,操作如下图右。点击OK后图形界面并不会更新,需要右击——Replot刷新。要重新显示全部,只需点击标题栏Select——Everything。

添加探针结果:General Postproc——Query Results——Subgrid Solu,跳出对话框,选择要探测的结果,点击OK,跳出选择对话框,可以在图形中探测点,或选择显示最大最小值。

添加切应力的方法见上一篇文章,需要注意,截面网格需要细化到2级以上才能保证切应力计算误差在3%以内,变截面两端的截面图形需要细化相同的级数。

实例2 扭转变截面:图惜未找到工程实例,读者可做练习,读者可做练习,一变截面扭转矩形梁,具体尺寸见下文。

本例是图惜在《ANSYS WORKBENCH有限元分析实例详解——周炬》上照搬下来的例子。本例将在APDL中采用GUI操作,读者可借此熟悉APDL的基本操作。点击开始——Ansys 2021 R2——Mechanical APDL Product Launcher ,出现工作目录对话框,设置后点击右下角RUN,进入APDL界面,操作流程如下。

①定义单元类型:如下图操作,选择Beam——2 node 188——OK。

②定义材料参数:APDL中没有单位系统,我们进行机械结构分析时一般默认它为mm,N,ton,MPa。按下图操作,定义弹性模量2.06e5MPa,弹性模量0.3。

如果要设置质量,在Density对话窗中设置7.85e-9ton/mm³,本例无需设置。

③定义多截面形状:此例我们设置两种截面形状,截面的边数必须相等,如下图。

④定义变截面梁:上一步定义了两种形状,还需要把它们组合为一个锥形梁。如下图设置锥形梁,ID由用户定义,上文设置的截面1设置在全局坐标下的0,0,0处,截面2设置在1000,0,0处。

⑤建模:APDL中梁模型建立基本步骤为:创建关键点—>连接成直线。

创建关键点如下图:

除了定义两个关键点用于定义梁线外,还需要定义两个关键点用于定义两端截面的方向,其含义如下图。

由关键点创建直线如下图,如果线体不显示,可以点击标题栏Plot——Lines

⑥网格设置与划分:网格设置如下图,勾选Pick Orientation Keypoint(s) ,将分别选择点3和点4。


网格划分如下图,设置为20等分。

网格生成设置如下图

显示网格设置如下图

以上便完成了变截面扭转梁的定义,但是本案例本不完整,没有边界条件与后处理相关操作,请读者参考实例1.

扩展阅读:APDL中常用操作
  1. 视图鼠标基本操作,在图形窗口中,按住Ctrl拖动鼠标左键为放大和缩小,按住Ctrl拖动鼠标右键为旋转模型,中键滚轮为缩放。

  2. 对话框不见了怎么办,点击标题栏Raise Hidden按钮即可显示。

  1. 菜单栏Plot中可以设置显示的模型,可以设置显示关键点、线、实体等。

  1. 菜单栏PlotCtrle——Numbering对话框中可以设置显示关键点、线、实体、单元、节点等的编号。

5,APDL读取WB文件不光可以使用实例1的关联方式,也可直接读取结果文件。

在WB中还是需要设置“分析设置”——“保存NAPDL db=是”,计算后保存项目。

点击开始——Ansys 2021 R2——Mechanical APDL Product Launcher,出现工作目录对话框,选择结果保存的文件夹/dp0/SYS/MECH,再点击右下角RUN。

点击RESUM_DB读取DB文件,之后操作同上文。

如果没有设置“保存NAPDL db=是”,则可在APDL中点击标题栏File——Read Input From,选择ds.dat文件读取命令流。或者在General Postproc——Data&File Option的对话框中浏览file.rst文件读取结果。

写在最后

本篇文章与上一篇文章《Ansys Workbench工程实例之——梁弯曲的切应力显示》作为梁单元分析的补充。其中涉及到关联APDL中的操作,这是因为在WB中暂时还没有这些功能,但是按照发展趋势,将来的WB可能会加入梁单元切应力、变截面梁等功能,那时候便不再需要这两篇文章。比如WB19之前的版本设置杆单元需要插入命令流,但是20以后的版本只需要在梁模型的属性中设置杆或索便可变为杆单元,对工程人员来说是方便了很多。

本篇也是线性静力学的最后一篇系统性文章,图惜在接下来将重点分享非线性静力学的相关技术,敬请关注以免迷路。

由于图惜知识水平有限,对APDL也并未系统性学习,文中很多操作都是野路子,难免纰漏百出,敬请批评指正。


来源:CAE中学生
MechanicalMechanical APDLWorkbench静力学非线性UM材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-08-09
最近编辑:5月前
CAE无剑
硕士 | 仿真工程师 CAE中学生
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