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5.4 梁结构分析实例
第5章 ANSYS静力分析实例
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[实例1]简支梁载荷工况组合实例
问题描述及解析解： 图5-3（a）所示为一圆截面简支梁，跨度L=1m，圆截面直径 D=30mm，作用在梁上的集中力为P=1000N,作用点距支座A 距a=0.2m，已知弹性模量E=2e11.
图5-3 简支梁
对如图5-4（b）、（c）所示的模型进行有限元分析，将结果分 别进行相加和相减，即可分别得到如图？所示的简支梁中点左、右 两半部分的结果。
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图5-3 简支梁
图5-4 简支梁的简化模型
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求解步骤：
⑴ 创建单元类型 选择Structusral Beam类的2D elastic 3 单元。 ⑵ 定义实常数 定义AREA=7.069e-4、IZZ=3.976e-8、HEIGHT=0.03。 ⑶ 定义材料特性 输入Ex=2e11（弹性模量），PRXY=0.3（泊松比）。 ⑷ 创建关键点 GUI：
第5章
思路分析:
ANSYS静力分析实例
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当进行线性分析时，简支梁的应力、应变和变形等于如图5-3
（b）、（c）所示两个简支梁的结果叠加。如图5-3（b)所示的简支 梁结构和载荷均对称于梁的中点O，故应力、应变和变形也对称于梁 的中点O，进行有限元分析时，可简化为如图5-4(a)所示的模型。如 图5-3(c）所示的简支梁结构、载荷反对称，故应力、应变和变形也 反对称于梁的中点O，因此可简化为如图5-3（b）所示的模型。
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类别
形状和特性
面－面
7. 接触单元 点－面 点－点
刚性表面
弹簧
8. 专业单元
质量 控制单元 表面效应单元
铰 线性激发器
矩阵
单元类型 TARGET169，TARGET170，SURF171，SURF172， SURF173 SURF174 CONTAC48，CONTAC49 CONTAC12，CONTAC52，CONTAC26 COMBIN14，COMBIN39，COMBIN40
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ANSYS软件中结构静力分析用来分析由于稳态外载荷引 起的系统或部件的位移、应变、应力和力。稳态外载荷包括稳 定的惯性力（如重力、旋转件所受的离心力）和能够等效为静 载荷的随时间变化的载荷。这种分析类型有很广泛的应用，如 确定确定结构应力集中程度，预测结构最大应力等。
SURF174 CONTAC48，CONTAC49 CONTAC12，CONTAC52， CONTAC26
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5.2 结构静力学分析的类型
线性静力分析
静 力 分 析
线性静力分析根据结构 特征和所受外载荷的形 式通常归结为如下几个 问题：平面问题、轴对 称问题、周期对称问题、 三维问题等。
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图5-2 桁架建模图
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⑺ 施加约束
GUI ：Main Menu→ Solution→Define Loades→Apply→ Structural→Displacement→On Node。 弹出拾取窗口，拾取节点1，单击ok按钮，在弹出的对话框 列表中选择“UX、UY”，单击Apply按钮。再次弹出拾取窗 口，拾取节点3，单击 ok按钮，在弹出的对话框列表中选择 “UY”，单击ok按钮，完成对模型的约束施加。
⑻ 施加载荷
GUI ：Main Menu→ Solution→Define Loades→Apply→ Structural→Force/Moment→On Nodes。 弹出拾取窗口，拾取节点4，单击ok按钮，在对话框中选择 Lab为“FY”，在VALUE文本框中输入-2000，单击ok按钮。
⑼ 求解 GUI ：Main Menu→ Solution→Solv→Current LS。
-141.4
④
0
0
⑤
-1414.2
-141.4
表5-1 各杆的轴向力和轴向应力
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求解步骤：
⑴ 创建单元类型 选择Structusral Beam类的2D elastic 3。
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⑵ 定义实常数 定义AREA=1E-4。
⑶ 定义材料特性 输入Ex=2e11，PRXY=0.3。
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类别 3. 管
4. 二维实体
形状和特性 普通 浸入 塑性 三角形 四边形 超弹性单元 粘弹性 大应变 谐单元 P单元
单元类型 PIPE16，PIPE17，PIPE18 PIPE59 PIPE20，PIPE60 PLANE2 PLANE42，PLANE82，PLANE182 HYPER84，HYPER56，HYPER74 VISCO88 VISO106，VISO108 PLANE83，PLANE25 PLANE145，PLANE146
非线性静力分析
非线性静力分析允许 有大变形、蠕变、应 力刚化、接触单元、 超弹性单元等。
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5.2.1 平面问题
任何机械零部件，一般说来都是空间结构。但是在某些条件
下，它们可以简化为平面问题来处理。平面问题包括平面应变问 题和平面应力问题两类。
特点：物体沿某坐标轴（如Z轴）的尺寸远大于其它
周期对称结构问题
特点：
如果结构绕其轴旋转一个角度，结构（包 括材料常数）与旋转前完全相同，则将这种 结构称为周期对称结构（循环对称结构）。 符合这一条件的最小旋转角
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5.3 杆系结构分析实例
第5章 ANSYS静力分析实例 [实例1] 平面桁架分析
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问题描述： 图5-1所示为一平面桁架，长度L=0.1m，各杆横截
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5.2.2 轴对称结构问题与周期对称结构问题
轴对称结构问题
特点：
（1）结构为回转体（截面绕它的回转中心 轴旋转而形成）；（2）载荷关于轴心线对 称。
ANSYS软件中提供了专门的分析方法对 这类问题进行求解，与普通方法相比可以节 约大量的人力和计算机资源，大大提高求解 问题的效率。
平面应变 两个坐标轴的尺寸；垂直于Z轴各截面的形状和尺寸
平
均相同；所有外力与Z轴垂直且不随Z坐标变化；物体
面
的约束条件不随Z坐标而变化。在这种情况下，可以 认为物体沿Z轴方向各截面没有z向位移，而沿x和y向
问
的位移对各截面均相同（与z坐标无关），各截面内
题
将产生平面应变。
平面应力
特点：物体沿某坐标轴（如Z轴）的尺寸远小于其它两 个坐标轴的尺寸；外力沿周边作用且与XY平面平行， 且体积力也垂直于z轴；由于物体在z方向厚度很小， 故外载的表面力和体积力都可看成是沿z向不变化的。 约束条件在XY平面内。在这种情况下，可以认为物体 沿Z轴方向无应力，所有应力都发生在XY平面内。
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类别
形状和特性
单元类型
块
SOLID45，SOLID95，SOLID73，
四面体 5. 三维实体 层
SOLID185 SOLID92，SOLID72
SOLID46
各向异性
SOLID64，SOLID65
超弹性单元 HYPER86，HYPER58，HYPER158
粘弹性
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⑵ 列表单元表数据
GUI ： Main Menu→General Postroc→Element Table→List Elem Table。 在弹出的对话框的列表中选择FA、 SA，单击ok按钮，即显示 出求解结果。与表5-1对照，二者完全一致。
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⑸ 显示关键点号 GUI：Utility Menu→PlotCtrls→Numbering。 在弹出的对话框中，将关键点号打开，单击ok按钮。 ⑹ 创建直线 GUI：
MASS21
COMBIN37 SURF19，SURF22，SURF153，SURF154 COMBIN7 LINK11 MATRIX27，MATRIX50
第5章
类别
9. 耦合场
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形状和特性
声学 压电 热－应力 磁－结构 流体－结构
单元类型 TARGET169，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱARGET170， SURF171，SURF172，SURF173
VISO89
大应变
VISO107
P单元
SOLID147，SOLID148
四边形
轴对称
6.
壳层
SHELL93，SHELL63，SHELL41， SHELL43，SHELL181 SHELL51，SHELL61
SHELL91，SHELL99
剪切板
SHELL28
P单元
SHELL150
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⑸ 显示节点号、单元号 GUI ：Utility Menu→PlotCtrls→Numbering。 在弹出的“Plot Numbering Controls”对话框，将节点号和单 元 号打开。
⑹ 创建单元
GUI ：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Ele Ments→Auto Numbered→Thru Nodes。 弹出拾取窗口，拾取节点1和2，单击拾取窗口的“Apply”按 钮，于是在节点1和2之间创建了一个单元。重复以上过程， 在节点2和3、1和4、3和4间分别创建单元，建模图形如左图 5-2所示。