有限元分析技术课程大作业.docx

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有限元分析技术课程大作业

有限元分析技术课程大作业

1工程介绍

现需要对某露天大型玻璃平面舞台的钢结构进行分析，该钢结构布置在xy平面内。

学生序号为079，分格的列数（x向分格）=0×10+7+5=12，分格的行数（y向分格）=9+4=13，共有156个分格。

每个分格x方向尺寸为1m，y方向尺寸为1m。

钢结构的主梁为高160宽100厚14的方钢管；次梁为直径60厚10的圆钢管（单位为毫米），材料均为碳素结构钢Q235；该结构固定支撑点位于左右两端主梁和最中间的次梁的两端。

玻璃采用四点支撑与钢结构连接（采用四点支撑表明垂直作用于玻璃平面的面载荷将传递作用于玻璃所在钢结构分格四周的节点处，表现为点载荷；试对在垂直于玻璃平面方向的2

的面载荷（包括玻璃自重、钢结构自重、活载荷（人员与演出器械载荷）、风载荷等）作用下的舞台进行有限元分析（每分格面载荷对于每一支撑点的载荷可等效于0.5

的点载荷）。

作业提交的内容：

（1）屏幕截图显示该结构的平面布置结构；

（2）该结构每个支座的支座反力；

（3）该结构节点的最大位移及其所在位置；

（4）对该结构中最危险单元（杆件）进行强度校核。

2有限元模型的建立

该钢结构中每一分格x方向尺寸为1m，y方向尺寸为1m，x方向分格数量为12，y方向分格数量为13。

该钢结构由主梁和次梁构成，其中主梁为高160mm、宽100mm、厚14mm的方钢管，次梁为直径60mm、厚10mm的圆钢管。

由于在该结构中所有构件均为梁单元，而Ansys程序中提供了多种梁单元，以模拟不同场合的应用，且对于每种梁单元类型都有特定的算法。

在本次建模过程中，考虑到需要对该结构中的危险单元进行强度校核，因此，选择了BEAM188单元类型来建立本钢架结构，进而对其进行有限元分析。

BEAM188为三维线性有限应变梁单元，该单元基于铁木辛哥的梁结构理论，考虑了剪切变形的影响，能够满足本次分析的需求。

以下为基于ANSYS图形界面（GraphicUserInterface,GUI）的菜单操作流程

（1）进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）

程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory（设置工作目录）→InitialJobname（设置工作文件名）:

Analysis→Run→OK

（2）设置计算类型

ANSYSMainMenu：

Preferences→Structural→OK

（3）定义单元类型

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add→Beam:

3D2node188→OK（返回到ElementTypes窗口）→Close

（4）定义材料参数

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:

2.0E5,PRXY:

0.3（定义泊松比及弹性模量）→OK→Close（关闭材料定义窗口）

（5）定义梁单元截面

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Sections→Beam→CommonSections→BeamTool

（6）构造梁模型

生成舞台几何模型

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→NPTKeypointnumber：

1，X，Y，ZLocationinactiveCS：

0，0，0→Apply

通过复制关键点操作，形成14行13列的关键点。

Preprocessor→Copy→Keypoints→选择创建的初始点→OK→Numberofcopies:

13→DX:

1000→OK

Preprocessor→Copy→Keypoints→PickAll→OK→Numberofcopies:

14→DY:

1000→OK

Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→StraightLine→依次连接特征点1、2和1、14，创建两条直线→OK

Preprocessor→Copy→Lines→选择水平线段→OK→Numberofcopies:

12→DX:

81000→OK

Preprocessor→Copy→Lines→选择竖直线段→OK→Numberofcopies:

13→DY:

1000→OK

Preprocessor→Copy→Lines→选择水平的一条直线→OK→Numberofcopies:

14→DY:

1000→OK

Preprocessor→Copy→Lines→选择竖直的一条直线→OK→Numberofcopies:

13→DX:

1000→OK

（7）为实体模型分配单元属性并划分网格

首先，设置单元长度（设置为120mm）

Preprocessor→Meshing→ManualSize→Lines→ALLLines→Elementedgelength:

200→OK

网格划分

Preprocessor→Meshing→MeshTool→Global→Set→OK→Mesh→选取表示主梁的线→OK

Preprocessor→Meshing→MeshTool→Global→Set→OK→Mesh→选取表示次梁的线→OK

最后，合并节点

Preprocessor→NumberingCtrls→MergeItems→Label→All→Apply

PlotCtrls→Style→SizeandShape→Displayofelement→on

（7）模型加约束

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes→结构固定支撑点位于左右两端主梁和最中间的次梁的两端→OK

（8）施加载荷

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnKeypoints→Box→选取舞台4个角点的4个节点→OK→selectLab:

FZ，Value:

-500→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnKeypoints→Box→选取舞台周边的46个节点→OK→selectLab:

FZ，Value:

-1000→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnKeypoints→Box→选取舞台中央的132个节点→OK→selectLab:

FZ，Value:

-2000→OK

3计算结果及其分析

（1）计算分析

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

（2）结果显示

1）变形结果

ANSYSMainMenu：

GeneralPostproc→ContourPlot→NodalSolu→DOFSolution,Displacementvectorsum→OK

从上图得出该钢结构在受到z轴负方向的力作用后，中间部分向z轴负方向产生变形位移，由此可以得出节点的最大位移及其所在位置位于中间圆钢管的中点处，其最大位移为142.051mm.

2）应力结果

ANSYSMainMenu：

GeneralPostproc→ContourPlot→ElementSolu→Stress,vonMisesstress→OK

由应力分布图分别可知，最大应力分布在中间圆钢管和方钢管的四个接点处，为615.784MPa，而材料是碳素结构钢Q235，其屈服极限是为235MPa，那么，该舞台的最危险的杆件不满足强度要求。

所以材料强度不符合要求。

3）支座反力

提取支座反力如下图所示：

ANSYSMainMenu：

GeneralPostproc→ListResults→ReactionSolu→Allitems→OK

（3）结果分析

根据前面所述结果，可得出以下结论：

1.最大位移为142.051mm，所在位置位于中间圆钢管的中点处；

2.该结构在受到给定的载荷后最大应力为615.784MPa，远大于材料的许用屈服应力，所以材料强度不符合要求；

3.各支座反力为：

四个顶点的支座反力为42827N，中间支座反力为78345N。