《飞机结构与强度》
课程设计报告
简单刚架结构受力分析
专 业：
学 号：
学生姓名：
所属学院：航空工程学院
指导教师：
二〇一四年12月
一、目的与意义
本课题旨在探究限元法在分析飞机结构力学有关问题时的作用，使我们对有
限元法有个基本的了解，并锻炼我们的自主分析能力和对有限元分析软件的实际
操作能力。
二、有限元分析原理与软件介绍
有限元分析原理
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实
物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单
元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由
许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）
近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问
题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各
种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早
在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆
来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称
为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有
效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计
算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几
乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析
方法。
ANSYS简介
本文采用ANSYS有限元软件对荷载作用下的结构进行分析。ANSYS是一个具
有高度可靠性的结构有限元分析软件,有着四十多年的开发和改进历史,作为世
界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件,ANSYS的分析功能覆
盖了绝大多数工程应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能选项。
ANSYS的主要功能模块有:结构分析模块、热分析分析模块、磁场分析模块、
流体分析模块、声学分析模块等。它的前后处理系统非常强大,能很好地模拟和
分析各种工况条件下的物体受力状态。
ANSYS分析的一般流程可以分为以下几个步骤:
(1)进入前处理,设定材料属性;
(2)建立构建模型,主要包括:
①建立几何模型;
②分配属性;
③有限元模型网格化分;
④施加约束条件及荷载。
(3)进入后处理
设置与分析程序相关的求解程序及参数,并直接递交运算或产生计算文
件,例如,
确定分析类型(静力、动力、非线性等),工况组合以及要求输出的结果。
(4)评价分析结果
通过Result、List多个后处理工具,提出数据,ANSYS还提供了实时动画,
变形图,
X一Y曲线图,云纹图等强大的后处理功能。
三、基本数据
已知钢架是用10号工字钢焊成，其尺寸及载荷情况如图所示，a=0.20m,P=10KN,
惯性矩J=245c㎡,弹性模量E=2.1×10^5MPa，泊松比为0.3。
查表得10号工字钢的高度h=100mm，腿宽度b=68mm，腰厚度d=4.5mm，平均
腿厚度t=7.6mm。
单元定义为beam188，网格划分为在长度方向上每25mm一格，共64格。
定义材料为linear isotropic，弹性模量EX=210000，泊松比PRXY=0.3，不随温度
变化。
在A点设定约束为全约束。
四、计算结果
总位移图
Y方向位移图
X方向位移图
角度变化量（弧度）
五、结论与分析
经验证，通过ANSYS计算出的结果与理论计算结果存在一定的误差，说明
模拟实际情况进行分析与理论计算还是有很大的差别的。在有限元模拟分析中杆
件已经产生较大变形，而理论分析中的变形并不大。
六、参考文献
《ANSYS有限元分析实用教程》----李黎明 编著 2005年1
月第一版
七、本课程学习体会与建议
通过这次课程设计，使我对有限元法有了更加全面的认识，也锻炼了我的电
脑软件操作能力和自主分析能力。在使用软件的过程中也遇到了很多困难，如看
不懂英语指令、计算结果不对等等，但经过耐心细致的寻找错误、查阅资料，我
最终还是克服了这些困难，感觉收获颇多。
八、软件安装与使用技巧
license文件的安装十分重要，需要注意的地方较多，和之前的准备工作也有
很大关联，而且是整个安装过程中最初的一步，安装时如果失误易导致软件无法
使用。
在有限元分析中合适的网格划分是很重要的，划分不合理会导致很多问题。
网格划分太稀疏会导致计算不准确，无法得到正确的结果；网格划分太密集又会
使计算量增大，影响工作效率。还有正确的按照需求定义单元可以使计算结果更
为精确
最后，现今先进的大型有限元分析软件都是全英文的，这对我们的英语能力
也是一种考验。