《有限元基础教程》作业三 ：四杆桁架结构的有限元分析 班级：机自101202班 姓名：韩晓峰 学号：201012030210 一．问题描述： 如图3-8所示的结构，各杆的弹性模量和横截面积都为4229.510N/mm E =?, 2100mm A =，基于ANSYS 平台，求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。 图3-8 四杆桁架结构 二．求解过程： 1． 基于图形界面的交互式操作(step by step) (1)进入ANSYS(设定工作目录和工作文件) 程序→ANSYS → ANSYS Interactive →Working directory (设置工作目录) →Initial jobname(设置工作文件名):planetruss →Run → OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences… → Structural → OK (3) 选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete… →Add… →Link ：2D spar1→OK (返回到Element Types 窗口) →Close (4) 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic → Isotropic: EX:2.95e11 (弹性模量)，PRXY:0(泊松比) → OK → 鼠标点击该窗口右上角的“ ”来关闭该窗口 (5) 定义实常数以确定单元的截面积 ANSYSMain Menu: Preprocessor →Real Constant s… →Add/Edit/Delete →Add →Type 1→ OK →Real Constant Set No: 1(第1号实常数), AREA: 1e-4 (单元的截面积)→OK →Close (6) 生成单元 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Creat →Nodes →In Active CS →Node number 1 →X:0,Y:0,Z:0→Apply →Node number 2 →X:0.4,Y:0,Z:0→Apply →Node number 3 →X:0.4,Y:0.3,Z:0→Apply →Node number 4 →X:0,Y:0.3,Z:0→OK ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Elements →Elem Attributes （接受默认值）→User numbered →Thru nodes →OK →选择节点 1，2→Apply →选择节点 2，
桁架和梁的有限元分析 第一节基本知识 一、桁架和粱的有限元分析概要 1．桁架杆系的有限元分析概要 桁架杆系系统的有限元分析问题是工程中晕常见的结构形式之一，常用在建筑的屋顶、机械的机架及各类空间网架结构等多种场合。 桁架结构的特点是，所有杆件仅承受轴向力，所有载荷集中作用于节点上。由于桁架结构具有自然离散的特点，因此可以将其每一根杆件视为一个单元，各杆件之间的交点视为一个节点。 2．梁的有限元分析概要 梁的有限元分析问题也是是工程中最常见的结构形式之一，常用在建筑、机械、汽车、工程机械、冶金等多种场合。 梁结构的特点是，梁的横截面均一致，可承受轴向、切向、弯矩等载荷。根据梁的特点，等截面的梁在进行有限元分析时，需要定义梁的截面形状和尺寸，用创建的直线代替梁，在划分网格结束后，可以显示其实际形状。 二、桁架和梁的常用单元 桁架和梁常用的单元类型和用途见表7-1。 通过对桁架和粱进行有限元分析，可得到其在各个方向的位移、应力并可得到应力、位移动画等结果。 第128页
第二节桁架的有限元分析实例案例1--2D桁架的有限元分析 问题 人字形屋架的几何尺寸如图7—1所示。杆件截面尺寸为0．01m^2，试进行静力分析，对人字形屋架进行静力分析，给出变形图和各点的位移及轴向力、轴力图。 条件 人字形屋架两端固定，弹性模量为2．0x10^11N/m^2，泊松比为0．3。 解题过程 制定分析方案。材料为弹性材料，结构静力分析，属21)桁架的静力分析问题，选用Link1单元。建立坐标系及各节点定义如图7-1所示，边界条件为1点和5点固定，6、7、8点各受1000N的力作用。 1．ANSYS分析开始准备工作 (1)清空数据库并开始一个新的分析选取Utility Menu>File>Clear&Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。 (2)指定新的工作文件名指定工作文件名。选取Utility Menu>File>Change Jobname，弹出Change Jobname对话框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文件名为“2D-spar”，单击OK按钮完成工作文件名的定义。 (3)指定新的标题指定分析标题。选取Ufility Menu>File>Change Title，弹出ChangeTitle对话框，在Enter New Tifie项输入标题名，本例中输入“2D-spar problem'’为标题名，然后单击OK按钮完成分析标题的定义。 (4)重新刷新图形窗9 选取Utility Menu>Plot>Replot，定义的信息显示在图形窗口中。 (5)定义结构分析运行主菜单Main Menu>Preferences，出现偏好设置对话框，赋值分析模块为Structure结构分析，单击OK按钮完成分析类型的定义。 2．定义单元类型 运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add／Edit／Delete命令，弹出Element Types对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出Library of Element Types对话框，先选择
第二章 空间杆件结构的有限单元法 第一节 局部坐标系下的单元分析 图2-1 所示为空间刚架中的仁一杆件单元。选取局部坐标系时，去形心轴为x 轴，哼截面的主轴分别为坐标系的y 轴和z 轴。x 、y 、z 轴的方向按右手定则确定。这样，单元在x y 平面内的位移与x z 平面内的位移是彼此独立的。设杆截面面积为A ，在 x z 平面内的抗弯刚度为y EI ，线刚度 l EI i y y = ；在x y 平面内的抗弯刚度为 x EI ，线刚度l EI i x x = ；杆件的抗扭刚度为 l GJ 。 空间刚架单元的两端分别与结点I 和j 相联结。每一个结点有六各界点位移分量和六个结点力分量。在局部坐标系下空间杆件的杆端位移列阵e δ和杆端力列阵e F 分别为 []T zj zj xj j j j zi yi xi i i i e w v u w v u θθθθθθδ= [ ]T zj yj xj j j j zi yi xi i i i e M M M Z Y X M M M Z Y X F = 其中u 为轴向位移，w v 、为横向位移，x θ为杆件的扭转角，z y θθ、分别为绕y 轴和 z 轴弯曲时的转角；X 为杆件单元的轴力，Z Y 、分别为沿y 轴和z 轴作用的剪力， z y x M M M 、、为作用在杆端的力偶矩。 这里力偶矩和角位移的指向按照右手定则用双箭头表示；力和线位移的指向用单箭头表示。图2-1中所示的杆端力和杆端位移为正方向。 与平面单元的推导方法一样，首先求出当杆端位移e δ中的一个分量为1，而其余分量 均为零时的杆端力。图2-2所示为当单元○ e 的i 端发生单位位移时，杆端力与杆端位移之间的关系。图中未绘出的杆端力和杆端位移分量，在该情况下数值为零。 图2-1
平面桁架的静力学分析 摘要：本文利用有限元分析软件ANSYS12.0，对杆系结构——平面桁架进行静 力学分析，通过将分析完成后得到的列表数据与解析解相比较确定ANSYS 分析软件的可靠性。 关键词：平面桁架，有限元，ANSYS 1 前言 实际结构都是空间结构，所承受的载荷也是空间的。但是如果结构具有某种特殊形状，所承受的载荷具有某种特殊的性质，就可以将空间问题转化为杆系结构问题、平面问题等。这样处理后，计算工作量大大减少，而所得到的结果仍可满足精度要求。 所谓杆系结构指的是有长度远远大于其他方向尺寸（10：1）的构件组成的结构，如连续梁、桁架、刚架等。当结构承受不随时间变化的载荷作用时，需要进行静力学分析，分析其位移、应变、应力等。 2 问题描述及解析解 图1为一平面桁架，长度L=0.1m ，各杆横截面面积均为24101m A -?=，力 N P 2000=，计算各杆的轴向力a F 、轴向应力a σ。 图1 平面桁架 根据静力平衡条件，很容易计算出轴向力a F 、轴向应力a σ，如表1所示。
表1 各杆的轴向力和轴向应力 杆 轴向力a F /N 轴向应力a /MPa ① 1000 100 ② 1000 100 ③ -1414.2 -141.4 ④ 0 0 ⑤ -1414.2 -141.4 3 有限元分析 3.1建模与加载 （1）创建单元类型 GUI ：PreProcessor Menu > Element Type > Add/Edit/Delete > Beam > 2D elastic 3 单击“OK ”按钮。 （2）定义单元实常数 GUI ：PreProcessor Menu > Element Type > Add/Edit/Delete > Add> OK 在“AREA ”文本框中输入1E-4，单击OK 。 （3）定义材料属性 GUI ：PreProcessor > Material Props > Material models > Structural > Linear > Elastic >Isotropic 在弹出对话框中键入EX=2e11（单位Mpa ），PRXY ＝0.3。 （4）创建节点 GUI ：PreProcessor > Modeling > Create > Nodes>In Active CS 分别创建四个节点，节点号为1、2、3、4，“X ，Y ，Z ”分别为“0，0，0”、“0.1，0，0”、“0.2，0，0”、“0.1，0.1，0”。 （5）显示节点号、单元号 Utility Menu →PlotCtrls →Numbering 在弹出的“Plot Numbering Controls ”对话框中，将节点号和单元号打开，单击“OK ”。 （6）创建单元 GUI ：PreProcessor > Modeling > Create >Elements >Auto Numbered >Thru Nodes
【ANSYS算例】3.2.5(3 四杆桁架结构的有限元分析 下面针对【典型例题】3.2.5(1的问题，在ANSYS平台上，完成相应的力学分析。即如图3- 8所示的结构，各杆的弹性模量和横截面积都为, ，基于ANSYS 平台，求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。 图3-8 四杆桁架结构 解答对该问题进行有限元分析的过程如下。 以下为基于ANSYS图形界面( graphic user interface，GUI的菜单操作流程；注意：符号“→”表示针对菜单中选项的鼠标点击操作。关于ANSYS的操作方式见附录B。 （LINK1：单元与单元之间由铰接，只能传递力而不能传递力矩。） 1．基于图形界面的交互式操作(step by step (1进入ANSYS(设定工作目录和工作文件 程序→A NSYS → ANSYS Interactive →Working directory (设置工作目录→Initial jobname(设置工作文件名: planetruss→Run → OK (2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences… →Structural → OK (3 选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete… →Add… →Link：2D spar 1 →OK (返回到Element Types窗口→Close (4 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models→Structural →Linear →Elastic→Isotropic:EX:2.95e11 (弹性模量，PRXY: 0 (泊松比→ OK → 鼠标点击该窗口右上角的“”来关闭该窗口 (5 定义实常数以确定单元的截面积
【问题描述】如图I所示的桁架结构，L1-10长为1m，L10-9长也为1m。桁架各单元横截面如图II所示。材料弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，承受载荷的方式为在点8处施加竖直向下的集中力载荷F=60000N，约束为结点1处约束X、Y方向的自由度，结点5处约束Y方向的自由度。 图I 桁架结构示意图 图II 桁架各单元横截面示意图 【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，建立该零件的几何模型，进行网格划分、施加边界条件以及静力有限元分析，最终得到桁架位移云图。 1.分析系统选择 （1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。
（2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“静力结构分析”【Static Structural】系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。相关界面如图1所示。 图1 Workbench中设置静力分析系统
2.输入材料属性 操作步骤如图2所示。 （1）在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【Engineering Data】单元格，进入工程数据窗口。 （2）在已有工程材料下方的单元格“点此添加新材料”【Click here to add a new material】中输入新材料名称truss。 （3）在左侧工具箱下方双击“各项同性线弹性”选项：【Linear Elastic】>【Isotropic Elasticity】。 （4）在弹出的材料属性窗口中输入弹性模量以及泊松比的数值：【Young’s Modulus】=2e+11Pa,【Poisson’s Ratio】=0.3。 （5）点击“项目”【Project】选项卡返回项目流程界面。 图2 输入材料数据
第五章 杆系结构的有限元法 5.1 引言 杆系结构是工程中应用较为广泛的结构体系，包括平面或空间形式的梁、桁架、刚架、拱等。其组成形式虽然复杂多样，但用计算机进行分析时却较为简单。杆系结构中的每个杆件都是一个明显的单元。杆件的两个端点自然形成有限元法的节点，杆件与杆件之间则用节点相连接。显然，只要建立起杆件两端位移与杆端力之间的关系，则整体平衡方程的建立与前几章完全相同。 杆端位移与杆端力之间的关系，可用多种方法建立，包括前面几章一直采用的虚功原理，但是采用材料力学、结构力学的某些结论，不仅物理概念清晰、直观，而且推导过程简单明了。因此，本章将采用这种方法进行单元分析。至于整体平衡方程的建立，则和前面几章所讲的方法一样，即借助于单位定位向量，利用单元集成法进行。 5.2 平面桁架的有限元分析 平面桁架在计算上有以下几个特点： 1． 杆件的每个节点仅有两个线位移； 2． 杆件之间的连接为理想铰，即在节点处各杆件可相对自由转动，且杆件轴线交于一点。 3． 外载荷均为作用于节点的集中力。 由于以上特点，所以在理论上各杆件只产生轴向拉、压力，截面应力分布均匀，材料可得到充分利用，因此桁架结构往往用于大跨结构。 5.2.1 局部坐标系下的单元刚度矩阵 从平面桁架中任取一根杆件作为单元，称作桁架单元，单元长为L ，横截面面积为A ，图5.1。两端节点分别用i 和j 表示，规定从i 到j 的连线方向为局部坐标x 轴，垂直于x 的方向为y 轴。 图5.1 由于桁架中各杆只产生轴向力和轴向变形，所以节点i 和j 只发生沿x 方向的位移，用i u 和j u 表示，相应的杆端轴力分别用xi F 和xj F 表示。由虎克定律可推得 ) ()()(j i i j xj j i xi u u L EA u u L EA F u u L EA F --=-=-= 将这两个式子写成矩阵形式，就是 e j i e xj xi u u L EA L EA L EA L EA F F ????????????????????--=?????????? (5.1) 显然，在局部坐标系下，i 、j 两节点沿y 轴方向的位移0==j i v v ，在y 轴方向的节点力