简单框架问题及梁板复合计算 ANSYS.docx

简单框架问题及梁板复合计算 ANSYS.docx

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简单框架问题及梁板复合计算ANSYS

ANSYS9.0版本启动的时候首先出现如下图所示的对话框，其中第一页提示用户选择需要的ANSYS功能模块，用户需要根据其购买的ANSYS模块和计算的问题内容来选择。

选择启动对话框的第二个页面，这里ANSYS提示用户给出操作所在的文件夹以及相应的任务名称。

而后ANSYS的计算过程及结果都存放在该文件夹中，一般都以任务命作为文件名，以扩展名表示文件的类型。

例如，在本次分析中，任务名为Case01，那么ANSYS的计算结果，一般会以Case01.rst文件的形式存放在D:

\AnsysWork\Book\case01\文件夹中

以上设置好后点击"Run"按钮，就进入ANSYS的主操作界面，ANSYS操作界面主要包括以下4部分：

（1）ANSYS窗口顶部菜单，提供一些常用功能开关选项；

（2）ANSYS窗口顶部工具栏，提供一些常用功能件，比如打开文件、保存文件等；

（3）在工具栏右侧为命令输入栏，ANSYS的所有操作都可以通过输入一定格式的命令来完成，ANSYS称其这套命令体系为APDL语言；

（4）ANSYS窗口中央左侧为ANSYS的主菜单，ANSYS图形界面分析（GUI）的大部分功能都由这部分菜单完成。

主菜单中最常用的几个模块为前处理模块（Preprocessor），求解模块（Solution），通用后处理模块（GeneralPostproc）和时程后处理模块（TimeHistPostproc）；

（5）ANSYS窗口中央右侧为ANSYS的显示窗口，GUI界面的各种操作和结果都在该窗口显示

首先要选择分析所用的单元类型。

在本次分析中，我们将用到在土木工程中最常用的两种单元：

三维梁单元Beam188和三维壳单元Shell63。

一般结构中梁柱可以用梁单元模拟，而剪力墙和楼板则可以用壳单元模拟。

ANSYS提供了多种梁单元，其中Beam188单元的好处是可以很方便的定义各种土木工程常用构件截面形式，并可以很方便的在GUI截面中显示出来，因此比较受欢迎。

首先在ANSYS提供的上百个单元中按类别选择梁单元Beam188

以及壳单元Shell63

ANSYS中每个单元还有一些选项，可以通过点击Option按钮加以设定。

定义完单元类型后，下面就要定义单元的一些几何属性。

我们首先来定义壳单元。

进入ANSYS主菜单的第二项，RealConstants，选择Add/Edit/Delete,进入实参数定义窗口，选择Add按钮添加实参数，并指定该实参数和Shell63单元相关。

在实参数窗口中输入壳单元的厚度，在本算例中，壳单元用作楼板，厚度为150mm。

需要说明的是，在有限元软件中，一般都不限制参数的单位制，使用者需要根据具体问题选择统一的单位制。

比如对于本问题采用的就是N-mm单位制。

ANSYS主菜单的第三项为输入材料参数，点击进入材料参数输入窗口。

选择材料类型为结构型（Structural）->线性（Linear）->弹性（Elastic）->各向同性（Istropic）。

输入材料的弹性模量和泊松比，对于钢材分别为200×103和0.3。

选择材料窗口中Material菜单，选择NewMaterial，材料编号为2，输入混凝土的弹性模量和泊松比，分别为30×103N/mm2和0.2。

下面进入ANSYS的主菜单的第四个选项，输入截面信息。

我们要定义的梁单元截面为工字型截面。

首先定义柱子，设定截面编号（ID）为1，截面类型选择为工形，按图中提示参数依次输入翼緣宽度，腹板高度，翼緣厚度和腹板厚度。

需要注意的是，ANSYS这里还要求输入梁单元轴线在截面上的位置。

对于柱子，我们设定轴线在梁截面中心，即选择Offsetto"Centroid"

对于梁单元，其他和柱子一样，区别是我们让梁的轴线位置在梁的顶部，即选择Offsetto截面坐标（0,500）的位置。

不同截面的原点坐标在截面图上都有相应标识。

完成截面信息定义后就可以开始建模操作。

首先我们通过ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoint选择建立关键点。

需要说明的是，ANSYS建模几何拓扑关系严格遵守点（Keypoint）－线（Line）－面（Area）－体（Volumn）这样的规律，所以我们先从点开始建立模型。

选择点的输入方式为当前坐标系（InActiveCS），第一个关键点的编号为1，坐标0，0，0。

下面我们要生成X方向的柱网。

在ANSYS主菜单中选择复制（Preprocessor->Modeling->Copy）。

复制的对象为Keypoints，从弹出菜单中选择刚才建立的关键点。

在复制窗口中，输入要复制成4个点，各点间距为5000mm。

于是得到新的关键点分布如图

在ANSYS建模中，Beam188单元需要一个截面方向控制点（意义后面再解释）。

对于柱子而言，我们设定一个在X方向很远（5000000mm）的点为方向控制点。

因此，将关键点1复制一个到X=5000000mm位置。

这时屏幕显示如下，由于关键点5（即5000000mm位置的点）距离太远，我们看不清其他关键点，所以我们选择Pan-Zoom-Rotate按钮，用Pan-Zoom-Rotate提供的BoxZoom功能放大原点附近的区域。

下一步将把柱网关键点1-4向上（Z轴方向）复制3000mm，生成柱子顶部。

同样选择复制关键点，这时也可以用Box工具来选择关键点。

输入复制的距离，为Z方向3000mm。

复制完成后点击Pan-Zoom-Rotate窗口中的Iso按钮，就可以看到三维空间中这些关键点的布置。

建立完关键点后下一步就要建立线。

选择Create菜单中的Lines选项，输入线的形式为直线。

点选相应关键点，生成直线。

将刚才生成的柱网关键点相连，得到4根柱子轴线如图

复制这些轴线，选择Copy->Lines，选择刚才生成的柱子

进入CopyLines窗口，输入复制成3份，间距4000mm。

得到柱子布置如图。

同样方法，选择ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLines将柱顶相连生成梁

同样，梁单元也需要定位关键点，将位于原点处的关键点1复制到Z轴3000000mm处。

最后生成楼板，进入ANSYS顶部菜单Plot->Lines，选择ANSYS菜单中Create->Areas->Arbitrary->ByLines，即通过线来生成楼板（相应的几何形体为面）。

选择相应的直线，建立面

建立完楼板后，几何建模工作完成，下面需要给刚才建立的几何体赋予物理属性。

首先设定梁柱单元。

进入Meshing菜单，选择MeshAttribution，选定所有表示柱子的直线。

设定其材料属性为1（钢材），因为刚才没有设定和梁单元相关的实参数，所以可以任意选择，单元类型为Beam188。

截面类型为1。

这里尤其需要注意的是，要输入截面方向控制关键点。

我们知道，空间梁单元除了轴线方向以外，还需要一个矢量来定义其截面弯曲的主轴方向。

ANSYS中对Beam188采用了"截面方向控制点"的方法来定义截面主轴方向，即：

除了输入单元的两个端点以外，还需要输入一个附加的节点或者关键点。

这个附加节点或者关键点和梁单元的起始节点构成一个矢量，这个矢量就是梁单元的法线方向。

因此，在前面建模工作中，我们在X方向很远的地方建立一个关键点，目的就是让柱子的主轴方向和X轴方向一致。

在plot菜单中选择绘制关键点。

得到关键点分布如图

选择刚才建立的在X方向很远的关键点，作为柱子的方向控制点。

再到Plot菜单中选择绘制Lines，

同样选择代表梁的直线

设定梁的属性，与柱子一样，只是截面属性编号为2。

基于同样原因，选择Z方向很远的那个关键点作为梁的方向控制点，即梁的主轴方向是Z轴方向。

最后，给所有的面设定属性，其材料属性为2（混凝土），实参数为1，单元类型为Shell63。

由于截面属性和壳单元无关，所以可以任意输入。

完成几何体的属性赋值后就可以进行网格划分。

选择Meshtool工具。

首先要设定有限元网格划分的密度。

一般可以通过Lines的分段数来控制。

选择Meshtool窗口的Lines->Set按钮。

然后选择所有代表柱子的线。

给线设定网格密度的方法有两种，一种是设定分段数，一种是设定每段的长度。

对于柱子，我们设定其分段数为5。

得到下图

而对于代表梁单元的直线，我们设定其分段方式为分段得到单元的最大长度为2000mm。

得到最后的分段情况如图。

下面开始划分网格，首先对线进行网格划分，选择mesh的对象为Lines，选择所有的线，

划分得到有限元分析所用的单元

但是这些单元看不出其形状和方向。

ANSYS提供了很好的前处理人机界面。

通过选择菜单PlotCtrl->Style->SizeandShape菜单选项

设定Displayofelement为ON

ANSYS就会绘出相应单元的空间形状和位置。

将梁柱结点附近单元放大

可以看到单元之间的相对位置，这样非常便于检查单元的位置和相互关系是否正确，尤其是单元截面主轴方向是否正确。

再次在Meshtools中选择网格划分对象为Area，选中所有的面进行网格划分，

得到楼板单元如图

同样可以到角部放大观察楼板和梁的空间位置关系是否正确。

前面提到，对于梁单元，我们定义其截面的时候设定截面的Offset为（0,500）即为其顶面，这和实际结构中梁顶面位于楼板以下的情况是一致的。

如果将截面的Offset和柱子一样设定为"Centroid"，就会发现，梁和楼板的相对位置发生了变化，如图所示。

完成了上述工作后网格划分完成，开始进入分析阶段，首先在ANSYS主菜单Solution模块中，选择AnalysisType->NewAnalysis，指定分析的工况类型为静力分析Static

下面开始输入荷载和支座条件，首先输入支座。

选择ANSYS菜单中的DefineLoad->Apply->Structural->Displacement->OnKeypoints选项，选择所有的柱脚关键点。

设定这些关键点的位移全部被约束住（AllDOF）

得到约束分布如图。

再在结构上施加节点力，选择Apply->Force->OnKeypoints，选择第一榀梁柱交点

输入荷载为X方向的力（FX），类型为恒定值，大小为-100×103N（负数表示延X轴负方向）

得到荷载表示如图

添加完荷载和支座条件后就可以计算了，在ANSYS主菜单Solution模块选择Solve菜单，选择分析的对象为当前荷载步CurrentLoadStep（LS），会弹出一个文本窗口简要介绍当前分析对象的主要参数。

关闭文本窗口，确认当前计算

计算完成后对话框提示如图

进入ANSYS的后处理菜单GeneralPostproc，选择绘制结果（Plotresults），绘制变形后的形状（DeformedShape），并选择绘制方式为变形后的形状加上未变形形状的轮廓（Def+undefedge）。

得到结构变形图如下

选择Pan-Zoom-Rotate窗口，选择当前视图为Bot视图，得到结构变形平面内视图如下。

本案例注意事项：

（1）空间梁单元方向定义

（2）空间梁单元和楼板之间的相互关系

（3）