有限元分析中的结构静力学分析怎样才能做好 1 概述结构有限元分析中，最基础、最根本、最关键、最核心同时也是最重要的一种分析类型就是“结构静力学分析”。静力学分析可用于与结构相关、与流体相关、与电磁相关以及与热相关的所有产品；静力学分析是有限元分析的根基，是有限元分析的灵魂。2 基础理论结构静力学按照矩阵的形式可表示为微分方程：[K]{x}+{F}=0 其中，[K]代表刚度矩阵，{x}代表位移矢量，{F}代表静载荷函数。由此可知，结构静力学有限元分析过程就是求解微分方程组的过程。2.1 三个矩阵的说明静力学分析微分方程组三个矩阵进一步说明：[K]代表刚度矩阵。举例说明，如果用手折弯一根筷子，假设筷子是钢材料的，比较硬，很难折断；假设筷子是常规木材的，比较脆，基本上都能折断。这里筷子断与不断的本质并不是钢或者木材，而是钢或者木材表在筷子上表现出来的刚度（或者叫硬度），这里刚度用计算机数值分析的方式来描述，就是刚度矩阵。{x}代表位移矢量。举例说明，一把椅子，如果有人偏瘦，坐在椅子上，椅面基本不下沉；如果有人偏胖，坐在椅子上，椅面会有明显下
沉（谁坐谁知道...），此时，椅面的下沉量，可用位移矢量来表示。{F}代表静载荷函数，也是静力学分析的关键。举例说明，上面筷子例子中，手腕对筷子的作用，就是一种载荷（或者叫外力、荷载、负荷、承重等）；上面椅子例子中，人对椅子表面的作用，也是一种载荷。这些载荷在大多数情况下，没有明显的快慢效应，就可用静载荷函数来表示。 2.2 静力学分析中的载荷说明静载荷函数本质说明：假设1，相同一根筷子，又假设筷子比较粗（或者说是几根筷子捆绑在一起）：双手慢慢用 1 / 5
力，筷子难断；双手快速用力，筷子难断，此时慢慢折弯的效果就可以理解为静力学过程。假设2，相同椅子：慢慢坐下去，椅子没有明显晃动；快速坐下去，椅子没有明显下沉与晃动，此时慢慢坐在椅子上的过程就可以理解为静力学过程。通过静载荷函数解释过程，可明显发现静力学分析过程有如下特征：特征1，描述受力过程时总是假设在某种情况下；特征2，施加给结构的外力有快慢与方式的区别。因此，一个结构静力学分析过程，就是在一种假设的情况下（工况），又假设结构在某种受力状态下，不考虑时间效应、不考虑惯性效应以及不考虑阻尼效应的一种理想情况下的结构分析过程。 3 实
例展示 3.1实例说明假设一钢制悬臂梁结构（钢的基本材料属性假设为弹性模量=200GPa，泊松比=0.3，屈服强度235MPa，悬臂梁基本尺寸为300*50*16mm），其一端固定，另一端顶部放置70Kg 的物体；研究悬臂梁在重物的作用下的挠度变化量以及强度分析。几何模型与网格模型如下所示：图1 几何模型图 2 / 5
图2 网格模型图3.2分析思路与求解过程要点说明0需求，
悬臂梁一直承受顶部重物带来的重力，故其外载荷没有明显的时间效应，可选择静力学分析类型；1分析过程中，需要指定悬臂梁为钢结构，并
且保证一端固定（必须可承受重物的反力）；2选择合适单元类型，并采
用合适的网格技术得到悬臂梁合适的网格划分，确保网格划分后的有限
元网格模型与实际悬臂量模型接近；3选择合适的计算机设备求解；4
对求解结果进行合理性判断4 实例结果与讨论有限元静力学计算后的悬
臂梁刚度与强度结果如下 3 / 5
图3 悬臂梁变形分布图图4 悬臂梁等效应力分布图
通过分布图上的图形示意以及不同云图对应颜色标示的数字可知：悬臂
梁最大变形量为2.0mm，发生在悬臂梁的末端；悬臂梁最大应力152MPa，发生在悬臂梁固定端（约束端）附近。 4 / 5
4.1 结果判断与讨论悬臂梁最大变形量约为2.0mm，其特征长度约为300mm，比例约为0.7%，故悬臂梁满足一般性挠度设计要求悬臂梁最大应力
约为152MPa，其许用应力235*0.8=188MPa，最大应力小于许用应力，故悬臂梁满足一般性强度设计要求5 总结与说明5.1 总结要点1：所有静力学分析都是在假设的情况下计算，所以需要工程师具备一定专业基础（这里指产品设计的专业基础）要点2：静力学计算由于没有惯性等效应，所以计算模型必须满足空间上至少三个方向自由度约束要点3：静力学计算结果一般都是初步计算结果，其数据为设计提供参考，但是不能决定产品设计。5.2 说明静力学分析选用软件建议：ansys、abaqus、adina、nastran等通用有限元分析皆可，结果精度主要依赖于工程师对结构设计的理解，与软件选择无关。5 / 5
第1次作业（结构力学二） 一、单项选择题（本大题共40分，共 20 小题，每小题 2 分） 1. 位移法的基本结构是( ) A. 静定刚架； B. 单跨静定梁的组合体； C. 单跨超静定梁的组合体 D. 铰结体系 2. ：以下关于影响线的说法不正确的一项为( ) A. 影响线指的是单位力在结构上移动时所引起的结构的某一内力(或反力)变化规律的图形 B. 利用影响线可以求结构在固定荷载作用下某个截面的内力 C. 利用影响线可以求结构某个截面内力的最不利荷载位置 D. 影响线的横坐标是截面位置，纵坐标为此截面位置处的截面内力值 3. A. B. C. D. 仅由平衡条件不能确定 4. 不计杆的分布质量，图示体系的动力自由度为( ) A. 1； B. 2； C. 3； D. 4 5. 用力法计算超静定结构时，其基本未知量为 A. 杆端弯矩； B. 结构角位移； C. 结点线位移； D. 多余未知力 6. 单元坐标转换矩阵是（） A. 奇异矩阵 B. 对称三对角矩阵 C. 对称非奇异矩阵 D. 正交矩阵 7. 位移法的基本未知量包括（） A. 独立的角位移 B. 独立的线位移 C. 独立未知的结点角位移和线位移 D. 结点位移 8. 图乘法计算位移的公式中( ) A. A和y C 可取自任何图形B. A和y C 必须取自直线图形 C. 仅要求A必须取自直线图形 D. 仅要求y C 必须取自直线图形 9. 已知材料屈服极限 =300MPa,结构截面形状如图所示，则极限弯矩Mu=（）
10. 整体坐标系下单元刚度矩阵与下面的哪一个因素无关 A. 局部坐标与整体坐标的选取 B. 结构的约束信息 C. 单元的几何参数 D. 杆端位移与杆端力之间的变换关系 11. 欲减小图示结构的自振频率，可采取的措施有（） A. 减小质量m B. 增大刚度EI C. 将B支座改为固定端 D. 去掉B支座 12. 图（b）为图（a）所示结构MK影响线，利用该影响线求得图（a）所示固定荷载作用下的MK值为（） A. 4kN?m B. 2kN?m C. -2kN?m D. -4kN?m 13. 图示为三自由度体系的振型，其相应的频率是ω a 、ω b 、ω c ，它们之间的大小关系应是( ) A. B. C. D. 14. 图（a）所示一组移动荷载作用在图（b）所示的梁上，则C截面弯矩的最不利位置为（） A. P 1作用在C点上 B. P 2 作用在C点上 C. P 3 作用在C点上 D. P 3 作用在B点上 15. 平面杆件自由单元(一般单元)的单元刚(劲)度矩阵是( ) A. 非对称、奇异矩阵 B. 对称、奇异矩阵 C. 对称、非奇异矩阵 D. 非对称、非奇异矩阵 16. 对称结构在反对称荷载作用下，内力图中为正对称的是( ) A. 弯矩图 B. 剪力图 C. 轴力图 D. 弯矩图、剪力图和轴力图 17. 由于温度改变，静定结构（） A. 会产生内力，也会产生位移； B. 不产生内力，会产生位
静力学分析报告 一、制作人员： 二、模型名称：桁架 三、创意来源： 四、模型视图： 五、模型简化
因为桁架本身由硬杆组成，所以简化结构 如下图所示，并求各点的受力情况。 假设桁架受到集中力G的影响 1以节点A为探究对象 m A F=0 F B Y?4?F?3=0 F B Y=0.75F F Y=0 F A Y+F B Y=0 F A Y=0.25F 2以节点B为探究对象 F12F13 B F B Y F Y=0 F13cos45°+F B Y=0 F13=?32 4 F F X=0 ?F13cos45°?F12=0 F12=?3 4 F
3以节点G为探究对象 F F10 G F11F13′ F Y=0 ?F13′cos45°?F?F11=0 F11=?0.25F F X=0 F13′cos45°?F10=0 F8=?0.75F 4以节点H为探究对象 F9F11′ F8 H F12′ F Y=0 F9cos45°+F11′=0 F9= 2 4 F F X=0 ?F9cos45°?F8+F12′=0 F8=0.5F 5以节点I为探究对象 F7 F6I F8′ F Y=0 F7=0
F X=0 ?F6+F8′=0 F6=0.5F 6以节点E为探究对象 F4E F10′ F5F7′F9′ F Y=0 F9′cos45°?F5cos45°=0 F5=2 F F X=0 ?F5cos45°+F9′cos45°?F4+F10′=0 F4=?0.25F 7以节点D为探究对象 F3F5′ F2 D F6′ F Y=0 F3+F5′cos45°=0 F3=1 4 F F X=0 F5′cos45°?F2+F6′=0 F4=0.25F 8以节点C为探究对象 C F4′
如何简单的区分ANSYS Workbench 有限元分析中的静力学与动力 学问题 四川 曹文强 “力”是一个很神秘的字，是个象形字，形体极像古代的犁形，上部为犁把，下部为耕地的犁头，也形象的解释“力”含义 ，将无形不可见，不可描述的现象充分的表达了出来。 从初中物理我们就学习过，力是物体之间的相互作用，是使物体获得加速度和发生形变的外因，单独就力而言，有三个要素力的大小、方向和作用点。力学是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的，力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。而今天主要是简单介绍一个静力学与动力学。 首先，静力学与动力学区别是什么？ 答案很简单，一个是“静”，一个是“动”，动静的含义就是时间的问题。故，静力学实际是在研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态，以及结构优化问题，其中的静载荷是指不随时间变化的外加载荷，变化较慢的载荷，也可近似地看作静载荷。当然 “静”动力学 静力学
实际上只是相对而言，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态，也就是平衡的状态。 对于平衡的状态阐述，牛顿第一运动定律（牛顿第一定律，又称惯性定律、惰性定律）就有一个完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。 此外，静力学的有五大公理 公理一 力的平行四边形法则：作用在物体上同一点的两个力，可合成一个合力，合力的作用点仍在该点，其大小和方向由以此两力为边构成的平行四边形的对角线确定，即合力等于分力的矢量和。 公理二 二力平衡公理：作用在物体上的两个力，使物体平衡的必要和充分条件是：两个力的大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。 公理三 加减平衡力系公理：在已知力系上加或减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。 公理四 牛顿第三定律：两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。 此公理概括了物体间相互作用的关系，表明作用力与反作用力成对出现，并分别作用在不同的物体上。 公理五 刚化公理：变形体在某一力系作用下处于平衡时，如将其刚化为刚体，其平衡状态保持不变。 在有限元结构仿真里面，可简化为下流程图。 静荷载 大小、方向、作用点 输入 刚度、约束、尺寸、材料输出 位移、内力、应力
1、结构的动力特性一般指什么？ 答：结构的动力特性是指：频率（周期）、振型和阻尼。动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数（质量、刚度）所确定的、表征结构动力响应特性的量。动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。 2、什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？ 答：振动过程的能量耗散称为阻尼。 产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。 阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假想力。粘滞阻尼理论假定阻尼力与质量的速度成比例。 粘滞阻尼理论的优点是便于求解，但其缺点是与往往实际不符，为扬长避短，按能量等效原则将实际的阻尼耗能换算成粘滞阻尼理论的相关参数，这种阻尼假设称为等效粘滞阻尼。 3、采用集中质量法、广义位移法（坐标法）和有限元法都可使无限自由度体系简化为有限自由度体系，它们采用的手法有何不同？ 答：集中质量法：将结构的分布质量按一定规则集中到结构的某个或某些位置上，认为其他地方没有质量。质量集中后，结构杆件仍具有可变形性质，称为“无重杆”。 广义坐标法：在数学中常采用级数展开法求解微分方程，在结构动力分析中，也可采用相同的方法求解，这就是广义坐标法的理论依据。所假设的形状曲线数目代表在这个理想化形式中所考虑的自由度个数。考虑了质点间均匀分布质量的影响（形状函数），一般来说，对于一个给定自由度数目的动力分析，用理想化的形状函数法比用集中质量法更为精确。 有限元法：有限元法可以看成是广义坐标法的一种特殊的应用。一般的广义坐标中，广义坐标是形函数的幅值，有时没有明确的物理意义，并且在广义坐标中，形状函数是针对整个结构定义的。而有限元法则采用具有明确物理意义的参数作为广义坐标，且形函数是定义在分片区域的。在有限元分析中，形函数被称为插值函数。 综上所述，有限元法综合了集中质量法和广义坐标法的特点： (l) 与广义坐标法相似，有限元法采用了形函数的概念。但不同于广义坐标法在整体结构上插值（即定义形函数），而是采用了分片的插值，因此形函数的表达式（形状）可以相对简单。 (2) 与集中质量法相比，有限元法中的广义坐标也采用了真实的物理量，具有直接、直观的优点，这与集中质量法相同。 4、直接动力平衡法中常用的有哪些具体方法？它们所建立的方程各代表什么条件？ 答：常用方法有两种：刚度法和柔度法。刚度法方程代表的是体系在满足变形协调条件下所应满足的动平衡条件；而柔度法方程则代表体系在满足动平衡条件下所应满足的变形协调条件。 5、刚度法与柔度法所建立的体系运动方程间有何联系？各在什么情况下使用方便？ 答：刚度法与柔度法建立的运动方程在所反映的各量值之间的关系上是完全一致的。由于刚度矩阵与柔度矩阵互逆，刚度法建立的运动方程可转化为柔度法建立的方程。一般来，对于单自由度体系，求[δ]和求[k]的难易程度是相同的，因为它们互为倒数，都可以用同一方法求得，不同的是一个已知力求位移，一个已知位移求力。对于多自由度体系，若是静定结构，一般情况下求柔度系数容易些，但对于超静定结构就要根据具体情况而定。若仅从建立运动方程来看，当刚度系数容易求时用刚度法，柔度系数容易求时用柔度法。 6、计重力与不计重力所得到的运动方程是一样的吗？ 答：如果计与不计重力时都相对于无位移的位置来建立运动方程，则两者是不一样的。但如果计重力时相对静力平衡位置来建立运动方程，不计重力仍相对于无位移位置来建立，
现代设计方法实验报告 题目_矩形板静力有限元分析____ 编号______10、11、12_________ 姓名_______杨操__________ 班级_______2 班__________ 学号_______20092503__________
1.题目概况 矩形板尺寸如下图1，板厚为5mm。材料弹性模量为52 E=?，泊松 210N/mm μ。根据以下情况进行讨论： 比27 .0 = 图1 计算简图 （1）试按下表的载荷约束组合，任选二种进行计算，并分析其位移、应力分布的异同。 （2）如下图，讨论板上开孔、切槽等对于应力分布的影响。 提示：各种圆孔，椭圆孔随大小、形状、数量，分布位置变化引起的应力分布变化；各种形状，大小的切槽及不同位置引起应力分布的变化等，选择二至三种情况讨论，并思考其与机械零部件的构型的相对应关系。
图2 开孔/切槽示例 1.1基本数据 对第（1）题中矩形板按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析； 对第（2）题矩形板开槽情况按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析；对第（2）题矩形板开槽位置不同的情况按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析； 对第（2）题矩形板开槽形状的不同按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析。 1.2 分析任务/分析工况 由于矩形板的板厚远小于长宽，且沿薄板周围边界承受着平行于薄板平面并沿厚度均匀分布的外力，因此该问题属于平面应力问题。 2.模型建立 2.1单元选择及其分析 在进行有限元分析时，应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度等要求，选择适合暗送秋波分析的单元类型，本次上机实验选择四节点四
概念题 1.1 结构动力计算与静力计算的主要区别是什么？ 答：主要区别表现在：(1) 在动力分析中要计入惯性力，静力分析中无惯性力；(2) 在动力分析中，结构的内力、位移等是时间的函数，静力分析中则是不随时间变化的量；(3) 动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法一般与荷载类型无关。 1.2 什么是动力自由度，确定体系动力自由度的目的是什么？ 答：确定体系在振动过程中任一时刻体系全部质量位置或变形形态所需要的独立参数的个数，称为体系的动力自由度（质点处的基本位移未知量）。确定动力自由度的目的是：(1) 根据自由度的数目确定所需建立的方程个数（运动方程数=自由度数），自由度不同所用的分析方法也不同；(2) 因为结构的动力响应（动力内力和动位移）与结构的动力特性有密切关系，而动力特性又与质量的可能位置有关。 1.3 结构动力自由度与体系几何分析中的自由度有何区别？ 答：二者的区别是：几何组成分析中的自由度是确定刚体系位置所需独立参数的数目，分析的目的是要确定体系能否发生刚体运动。结构动力分析自由度是确定结构上各质量位置所需的独立参数数目，分析的目的是要确定结构振动形状。 1.4 结构的动力特性一般指什么？ 答：结构的动力特性是指：频率（周期）、振型和阻尼。动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数（质量、刚度）
所确定的、表征结构动力响应特性的量。动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。 1.5 什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？ 答：振动过程的能量耗散称为阻尼。 产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假想力。粘滞阻尼理论假定阻尼力与质量的速度成比例。粘滞阻尼理论的优点是便于求解，但其缺点是与往往实际不符，为扬长避短，按能量等效原则将实际的阻尼耗能换算成粘滞阻尼理论的相关参数，这种阻尼假设称为等效粘滞阻尼。 1.6 采用集中质量法、广义位移法（坐标法）和有限元法都可使无限自由度体系简化为有限自由度体系，它们采用的手法有何不同？ 答：集中质量法：将结构的分布质量按一定规则集中到结构的某个或某些位置上，认为其他地方没有质量。质量集中后，结构杆件仍具有可变形性质，称为“无重杆”。 广义坐标法：在数学中常采用级数展开法求解微分方程，在结构动力分析中，也可采用相同的方法求解，这就是广义坐标法的理论依据。所假设的形状曲线数目代表在这个理想化形式中所考虑的自由度个数。考虑了质点间均匀分布质量的影响（形状函数），一般来说，
经典理论 一、设计大纲概述 1、设计目的 （1）熟悉有限元分析的基本原理和基本方法； （2）掌握有限元软件ANSYS的基本操作； （3）对有限元分析结果进行正确评价。 2、设计原理 利用ANSYS进行有限元静力学分析。 3、设计仪器设备 1）安装windows 2000以上版本的微机； 2）ANSYS 8.0以上版本软件。 4、实验内容与步骤 1）熟悉ANSYS的界面和分析步骤； 2）掌握ANSYS前处理方法，包括平面建模、单元设置、网格划分和约束设置； 3）掌握ANSYS求解和后处理的一般方法； 4）实际应用ANSYS软件对平板结构进行有限元分析。 二、题目： 如图试样期尺寸为100mm*5mm*5mm,下端固定，上端受拉 力10000N作用。已知该试样材料的应力-应变曲线如图 所示。计算试样的位移分布。
三、分析步骤： 分析：从应力-应变关系可以看出该材料的屈服极限是225MPa 左右，弹性部分曲线的斜率为常数75GPa。之后材料进入塑性变形阶段，应力-应变关系为非线性的。估计本题应力10000/（0.05*.005）=400MPa,因此材料屈服进入塑性，必须考虑材料非线性影响。 （1）建立关键点。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In ActiveCS，建立两个关键点（0，0，0）和（0，100， 0）。 （2）建立直线。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Staight Line,在关键点1、2之间建立直线。 （3）定义单元类型。单击菜单Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete, 定义单元Structural>Link>2D spar1(LINK1) （4）定义单元常数。单击菜单Main Menu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete,
1 ： 图 a 桁 架, 力 法 基 本 结 构 如 图 b ，力 法 典 型 方 程 中 的 系 数 为 ：( ) 3. 2：图示结构用力矩分配法计算时，结点A 的约束力矩（不平衡 力矩）为（以顺时针转为正） ( ) 4.3Pl/16 3：图示桁架1,2杆内力为： 4. 4：连续梁和 M 图如图所示，则支座B 的竖向反力 F By 是：
4.17.07(↑) 5：用常应变三角形单元分析平面问题时，单元之间（）。 3.应变、位移均不连续； 6：图示体系的几何组成为 1.几何不变,无多余联系； 7：超静定结构在荷载作用下的内力和位移计算中，各杆的刚度为（） 4.内力计算可用相对值，位移计算须用绝对值 8：图示结构用力矩分配法计算时，结点A之杆AB的分配系数
μAB 为（各杆 EI= 常数）( ) 4.1/7 9：有限元分析中的应力矩阵是两组量之间的变换矩阵，这两组量是（ ）。 4.单元结点位移与单元应力 10：图示结构用位移法计算时，其基本未知量数目为( ) 4.角位移=3，线位移=2 11：图示结构，各柱EI=常数，用位移法计算时，基本未知量数 目是（ ） 3.6 12：图示结构两杆长均为d,EI=常数。则A 点的垂直位移为（ ） 4.qd 4/6EI （↓） 13：图示桁架,各杆EA 为常数,除支座链杆外,零杆数为：
1.四 根 ； 14：图示结构，各杆线刚度均为i,用力矩分配法计算时，分配 系数μAB 为（ ） 2. 15：在位移法中，将铰接端的角位移，滑动支撑端的线位移作为基本未知量： 3.可以，但不必； 1：用图乘法求位移的必要条件之一是：( ) 2.结构可分为等截面直杆段； 2：由于静定结构内力仅由平衡条件决定,故在温度改变作用下静定结构将（ ） 2.不产生内力 3：图示结构，各杆EI=常数，欲使结点B 的转角为零，比值P1/P2应 为（ ） 2.1
学号：p1******* 姓名：朱四海 线性静力学分析实例 1.1 问题的描述 一部件结构如图1-1所示，一端面受固定约束，另一端A、B两点受相反方向切向力，求受载后的Mises应力、位移分布。 ν 材料性质：弹性模量E=2e5，泊松比3.0 = 图1-1 部件模型 1.2 启动ABAQUS 启动ABAQUS有两种方法，用户可以任选一种。 （1）在Windows操作系统中单击“开始”--“程序”--ABAQUS 6.10 -- ABAQUS/CAE。 （2）在操作系统的DOS窗口中输入命令：abaqus cae。 启动ABAQUS/CAE后，在出现的Start Section（开始任务）对话框中选择Create Model Database。 1.3 创建部件 在ABAQUS/CAE顶部的环境栏中，可以看到模块列表：Module：Part，这表示当前处在Part（部件）模块，在这个模块中可以定义模型各部分的几何形体。可以参照下面步骤创建部件的几何模型。 （1）创建部件。对于如上图1-1所示的部件模型，可以先画出二维截面，再通过拉伸得到。步骤如下：
单击左侧工具区中的（Create Part）按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图1-2所示的Create Part对话框。 图1-2 Create Part对话框 在Name（部件名称）后面输入ep2，Modeling Space（模型所在空间）设为3D，Shape选择Solid（实体），Type采用默认的Extrusion，在Approximate size里面输入600。单击Continue...按钮。 （2）绘制部件二维截面图。ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，左侧的工具区显示出绘图工具按钮，视图区内显示栅格，视图区正中两条相互垂直的点划线即当前二维区域的X轴和Y轴。二者相交于坐标原点。 选择绘图工具箱中的工具，窗口提示区显示Pick a center point for the circle--or enter X,Y（选择一个中心点的圆，或输入X,Y的坐标），如图1-3所示。 图1-3 输入圆心坐标 输入圆上任意点坐标为（0,50），回车，第一个圆形就画出来了。继续画第二个圆，圆心坐标为（0,0），圆上任意一点（0,40）。
浅谈结构力学在结构设计中的体现 摘要： 随着计算在工程上应用的日益广泛，结构设计是把数学上最优化理论结合计算机技术应用于结构设计。结构计算简图的选择经历一个复杂的过程，需要各种力学知识并结合工程实践经验，经过科学抽象、实验论证，根据实际受力、变形规律等主要因素，对结构进行合理简化。 关键词： 结构力学结构设计应用 1前言 结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组合体，如桥梁、屋架和承重墙等。 随着现代经济的发展，高层建筑及各种地下复杂结构也逐步增多，结构力学的在工程上应用也越来越广泛，当然这也促进了结构理论的发展。特别是20世纪中叶，随着电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能，从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。随着新型工程材料和新型工程结构的大量出现，向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。计算机的发展，为结构力学提供了有力的计算工具，另一方面，结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。 2结构力学的重要性 实际结构是很复杂的，在对实际结构（如高层建筑、大跨度桥梁、大型水工结构）进行力学分析和计算之前必须加以简化，用一个简化图形（结构计算简图）来代替实际结构，略其次要细节，显示其基本特点，作为力学计算的基础，这一过程通常称为力学建模，用于结构计算的称为计算简图。
计算简图由实际结构简化抽象而成，取杆件轴线，或板壳中面，或块体轮廓加上结构内部的结点、结线联系，或外部的支杆、支座等边界约束，并考虑简化或分配的荷载，构成力学计算模型。 结构计算简图的选择经历一个复杂的过程，需要力学知识、结构知识、工程实践经验和洞察力，经过科学抽象、实验论证，根据实际受力、变形规律等主要因素，对结构进行合理简化。它不仅与结构的种类、功能有关，而且与作用在结构上的荷载、计算精度要求、结构构件的刚度比、安装顺序、实际运营状态及其它指标有关。计算简图的选择可能因计算状态（是考虑强度或刚度，计算稳定或振动，还是钢筋混凝土抗裂验算）而异，也依赖于所要采用的计算理论和计算方法，方能完成结构构件线性或非线性的应力和应变状态分析。实用上可以参考同类工程实例。 结构设计是先有“设想”后有“计算”，“设想”是建立在定性分析的基础上。力学始于定性分析，终于定性分析；定性分析在先，定量分析在后；定性失准，定量准偏。在进行工程设计和处理工程实际问题时，需要设计人员对结构的合理形式以及相应的结构变形和内力等具有总体概念和定性分析能力，还需要具有对工程中计算的数据、发生的现象和出现的问题能够做出迅速科学判断的能力，这就是所谓概念设计和概念分析理念。 结构力学是一切工程进行设计的基础。实际工程中都是将工程实践中的实际问题抽象为相应的力学计算公式进行求解；作为工程技术设计人员应该掌握工程结构的基本理论和实用设计方法，具备根据建筑工程项目的特点、性质、功能和业主的要求正确、合理地进行工程结构设计的基本能力。 2在xx中的应用 中国以木结构为主体的古建筑，在世界建筑之林中独树一帜。木结构它以木构为骨、砖石为体、结瓦为盖、油饰彩绘为衣，经历代能工巧匠精心设计，巧妙施工，潜心装饰，付诸心血和智慧建造而成，体现出东方古典建筑独有的艺术魅力和中国古建筑木结构的历史性、艺术性和科学性。 巧妙而科学的框架式结构是中国古代建筑在建筑结构上最重要的一个特征。因为中国古代建筑主要是木构架结构，即采用木柱、木梁构成房屋的框
第一章结构静力分析 1．1 结构分析概述 结构分析的定义：结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如活塞，传动轴等等。 在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的一些未知量，如应变，应力，和反力可通过节点位移导出。 静力分析---用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性，应力刚化，大变形，大应变，超弹性，接触面和蠕变。 模态分析---用于计算结构的固有频率和模态。 谐波分析---用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 瞬态动力分析---用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。 谱分析---是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的应力和应变。 曲屈分析---用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。ANSYS可进行线性（特征值）和非线性曲屈分析。 显式动力分析---ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。 此外，前面提到的七种分析类型还有如下特殊的分析应用： ●断裂力学 ●复合材料 ●疲劳分析 ●p-Method 结构分析所用的单元：绝大多数的ANSYS单元类型可用于结构分析，单元型 从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元。 1．2 结构线性静力分析 静力分析的定义 静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。 静力分析中的载荷 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移，应力，应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定；即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括： ●外部施加的作用力和压力 ●稳态的惯性力（如中力和离心力） ●位移载荷 ●温度载荷 线性静力分析和非线性静力分析 静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非线性类型：大变形，塑性，蠕变，应力刚化，接触（间隙）单元，超弹性单元等。本节主要讨论线性静力分析，非线性静力分析在下一节中介绍。
基于ABAQUS的电梯层门静力学有限元分析 摘要根据GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》[1]中7.2项规定了门及其框架的强度；随着经济的发展，电梯也变得越来越重要，电梯事故频发，电梯层门的门机械机构强度也是一个重要的检验项目，关系到特种设备的安全运行。本文针对现场检验中的电梯层门，以Abaqus有限元软件为工具，具体量化其机械结构，建立相关的简化模型并进行网格的划分，基于现场检验提供的数据，设置电梯层门门板的载荷与边界条件，模拟电梯受到静力的物理过程，通过其特定材质厚度的仿真分析，分析特定材质下的门板变形影响情况，为电梯层门门板的设计及检验提供一定的参考。 关键词曳引电梯；层门门板；检验；强度分析 1 电梯层门机械强度的标准要求 根据GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》7.2.3.1规定层门在锁住位置时，所有层门及其门锁应有这样的机械强度： （1）用300 N的静力垂直作用于门扇或门框的任何一个面上的任何位置，且均匀地分布在5 cm2的圆形或方形面积上时，应： ①永久变形不大于1 mm； ②弹性变形不大于15 mm； 试验后，门的安全功能不受影响。 （2）用1000 N的静力从层站方向垂直作用于门扇或门框上的任何位置，且均匀地分布在100 cm2的圆形或方形面积上时，应没有影响功能和安全的明显的永久变形[见7.1（最大10 mm的间隙）和7.7.3.1]。 注：对于（1）和（2），为避免损坏层门的表面，用于提供测试力的测试装置的表面可使用软质材料。 2 现场的检验 2.1 电梯基本技术参数 以现场检验电梯为例，进行层门的测量。结合检规规定的测量方法。该电梯产品制造商为某著名电梯公司，产品型号为TE-Evolution，电梯类别为有机房曳引驱动乘客客梯，额定载重量为1000kg，额定速度为1.75m/s，站/层/门为7/7/7。根据现场的测量，记录下层门相关数据，查阅安装资料，确定层门材质及尺寸。
一、设计大纲概述 1、设计目的 （1）熟悉有限元分析的基本原理和基本方法； （2）掌握有限元软件ANSYS的基本操作； （3）对有限元分析结果进行正确评价。 2、设计原理 利用ANSYS进行有限元静力学分析。 3、设计仪器设备 1）安装windows 2000以上版本的微机； 2）ANSYS 8.0以上版本软件。 4、实验内容与步骤 1）熟悉ANSYS的界面和分析步骤； 2）掌握ANSYS前处理方法，包括平面建模、单元设置、网格划分和约束设置； 3）掌握ANSYS求解和后处理的一般方法； 4）实际应用ANSYS软件对平板结构进行有限元分析。 二、题目： 如图试样期尺寸为100mm*5mm*5mm,下端固定，上端受拉 力10000N作用。已知该试样材料的应力-应变曲线如图 所示。计算试样的位移分布。
三、分析步骤： 分析：从应力-应变关系可以看出该材料的屈服极限是225MPa 左右，弹性部分曲线的斜率为常数75GPa。之后材料进入塑性变形阶段，应力-应变关系为非线性的。估计本题应力10000/（0.05*.005）=400MPa,因此材料屈服进入塑性，必须考虑材料非线性影响。 （1）建立关键点。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In ActiveCS，建立两个关键点（0，0，0）和（0，100， 0）。 （2）建立直线。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Staight Line,在关键点1、2之间建立直线。 （3）定义单元类型。单击菜单Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete, 定义单元Structural>Link>2D spar1(LINK1) （4）定义单元常数。单击菜单Main Menu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete, 在弹出的Real Constants for LINK1对话框中，输入 如下的单元几何参数：截面面积AREA=25 出始应 变=0
在结构的静力分析中载荷与约束的施加方案对计算结果有较大的影响，甚至导致计算结果不可信，笔者在《结构设计CAE主业务流程》的博文中也提到这一点。那么到底如何施加载荷与约束呢？归根到底要遵循一个原则——尽量还原结构在实际中的真实约束和受力情况。本文着重介绍几种约束的施加方法与技巧，并通过具体例子来进一步说明。 1 销轴约束 销轴连接在结构中是很常见的一种形式，其约束根据具体的结构形式有所不同，下面以一个走行装置为例具体介绍一下。 走行装置是连接平动轨道与上部结构的，其约束应是轨道通过车轮对走行装置的约束，但是通常对于车轮只要验证其轮压满足要求即可，因此在模型中往往将车轮简化掉，因此对于走行装置的约束就变为销轴约束。 图1 某走行装置 图1 中1-10是与车轮相连接的轴孔，车轮行驶于轨道上，约束位置在10对轴孔处，如果把整个轴孔都约束则约束刚度太大，结果会导致圆孔周围应力过大，因此应简化为约束轴孔中心点，将中心点与轴孔边缘通过刚性单元连接，简化为点约束。首先y方向（竖直向上）是应该约束的（此处假设车轮及轴为刚体），其次由于轨道与轮缘的相互作用，z方向（侧向）也应该是约束的，然后由于走行装置在向下的压力下会产生沿x方向（运行方向）的位移，因此x方向约束应放开，但是如果10对轴孔中心x方向的约束全放开则会导致约束不全无法计算，因此应在1轴孔或10轴孔中心处施加x方向的约束，这样实现全自由度约束。 2 转动轨道约束 图2是一个翻车机模型，该结构通过电机驱动，托辊支撑，2个端环在轨道上转动来实现翻卸功能。
图2 翻车机 由于翻车机托辊支撑端环，由电机驱动不断地翻转卸车，造成其约束位置方向不断变化，针对一个具体翻转角度，翻车机端环在与托辊接触处（线接触）应约束沿翻车机端环径向，另外，由于翻车机在荷载作用下会产生沿翻车机轴向的位移，所以两端环中要约束一个端环的轴向自由度。 3 对称面约束 图3是某钢水罐模型，该模型关于y-z面对称，下面介绍一下该结构的约束处理。 图3 钢水罐 首先在1处由于受到钢水罐起吊装置的限制，其竖直方向y及水方向z无法变形，应施加z 方向及y方向的约束，而x方向是没有约束的，此时因缺少约束无法计算，应注意到该结构(包
课程论文封面 课程名称：结构分析的计算机方法 论文题目：齿轮轴3的静力学有限元分析学生学号： 学生姓名： 任课教师： 学位类别：学硕
目录 1. HyperMesh软件介绍 (1) 1.1 HyperMesh简介 (1) 1.2 HyperMesh的优势 (1) 2. 齿轮轴3的理论分析 (2) 2.1 齿轮轴3的平面简图 (2) 2.2 齿轮轴3的受力分析 (2) 3. 齿轮轴3的三维建模 (4) 3.1 插入斜齿轮 (4) 3.2 绘制轴的三维模型 (5) 4.齿轮轴3的有限元分析 (7) 4.1 几何模型的编辑 (7) 4.2 网格划分 (12) 4.3 材料属性和单元属性的创建 (19) 4.4 施加约束和载荷 (21) 4.5 求解计算和结果分析 (25)
1. HyperMesh软件介绍 1.1 HyperMesh简介 HyperMesh 是一个高质量高效率的有限元前处理器，它提供了高度交互的可视化环境帮助用户建立产品的有限元模型。其开放的架构提供了最广泛的CAD 、CAE 和CFD 软件接口，并且支持用户自定义，从而可以与任何仿真环境无缝集成。HyperMesh 强大的几何清理功能可以用于修正几何模型中的错误，修改几何模型，从而提升建模效率;高质量高效率的网格划分技术可以完成全面的杆梁、板壳、四面体和六面体网格的自动和半自动划分，大大简化了对复杂儿何进行仿真建模的过程:先进的网格变形技术允许用户直接更改现有网格，实现新的设计，无需重构几何模型，提高设计开发效率:功能强大的模型树视图能轻松应对各种大模型的要素显示和分级管理需要，特别适合复杂机械装备的整体精细化建模。HyperMesh 的这些特点，大大提高了CAE 建模的效率和质量，允许工程师把主要精力放在后续的对产品本身性能的研究和改进上，从而大大缩短整个设计周期。 HyperMesh 直接支持目前全球通用的各类主流的三维CAD 平台，用户可以直接读取CAD 模型文件而不需要任何其他数据转换，从而尽可能避免数据丢失或者几何缺陷。HyperMesh 与主流的有限元计算软件都有接口，如Nastran 、Fluent 、ANSYS 和ABAQUS 等，可以在高质量的网格模型基础上为各种有限元求解器生成输入文件，或者读取不同求解器的结果文件。 1.2 HyperMesh的优势 1 .强大的有限元分析建模企业级解决方案 ●通过其广泛的CAD!CAE 接U 能力以及可编程、开放式构架的用户定制接 口能力，HyperMesh 可以在任意工作领域与其他工程程软件进行无缝连接工作。 ●HyperMesh 为用户提供了一个强大的、通用的企业级有限元分析建模平台， 帮助用户降低在建模工具上的投资及培训费用。 2. 无与伦比的网格划分技术一一质量与效率导向 ●依靠全面的梁杆、板壳单元、四面体或六面体单元的自动网格划分或半自动 网格划分能力，HyperMesh 大大降低了复杂有限元模型前处理的工作量。 3. 通过批量处理网恪划分( Batch Mesher ) 及自动化组装功能提高用户效率 ●批处理网格生成技术无需用户进行常规的手工几何清理及网格划分工作，从 而加速了模型的处理工作。 ●高度自动化的模型管理能力，包括模型快速组装以及针对螺栓、定位焊、粘 接和缝焊的连接管理。 4. 交互式的网格变形、自定义设计变量定义功能 ●HyperMesh 提供的网格变形工具可以帮助用户重新修改原有网格即可自动 生成新的有限元模型。 5. 提供了由CAE 向CAD 的逆向接口 ●HyperMesh 为用户提供了由有限元模型生成几何模型的功能。
科研训练论文题目 院（系） 专业名称 学生姓名 学生学号 指导教师 年月日
有限元在结构力学领域的发展和应用 摘要：有限元法是伴随着电子计算机技术的进步而发展起来的一种新兴数值分析方法，是力学、应用数学与现代计算技术相结合的产物。有限元法是一种高效能、常用的计算方法。有限元法最早应用于结构力学的计算，有限元法随着科技技术的发展，现在已经广泛应用于各行各业。本文主要讲述有限元法简介、有限元法在结构力学中的应用和发展、有限元分析软件介绍。其中重点是对有限元法在结构力学领域的应用与发展进行介绍，并对有限元法和有限元分析软件进行了简单的叙述。 关键词：有限元法、结构力学、有限元分析软件、发展趋势 一、有限元法简介 （一）有限元法的基本概念 有限元，通俗的讲就是对一个真实的系统用有限个单元来描述[1]。有限元法是把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元所构成，其模型给出基本方程的分片近似解，由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其已成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法[2]。 （二）有限元法的基本思想 我们现在可以回想一下我们小学是学过圆周长的计算的，我们那时候可以直接用圆周率计算。在古代人们还不知道利用圆周率计算圆周长的时候，古代数学家曾经利用多边形的周长L代替圆的周长S。我们可以将圆内接多边形视为圆周长的下限值，而将该圆的外切多边形视为圆周长的上限值，当多边形边数增加时，多边形上下限的差值越来越小。用有限元的术语叙述即两个近似值向真值S收敛这个例子已经具有有限元思想的雏形[3]。有限单元法的基本思想是将一个由无限多点组成的连续介质构件，划分为由有限个单元仅在节点处相连的离散体，这些单元也仅在节点处传递力，单元的类型可以按问题的性质选取，单元内任意一点力和变形的关系也可以根据问题的性质进行规定和选取，一般力求简单的函数关系，在相邻单元的共同边界上应满足变形的连续性，即变形协调条件，在对各个单元进行上述分析之后，再将各单元组集成原构件进行总体分析[4]。归纳起来，有限单元法有两个关键的步骤，把一个由无限多点组成的连续体变为有限个单元组成的离散体，把一个满足微分关系的微分方程组使其满足简单代数关系的代数方程组[5]。 （三）有限元法的发展趋势 有限元的应用范围也是相当的广的。它涉及到工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的力学分析中，并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发展[6]。电子计算机的出现和发展是有限元法在许多实际问题中的应用变为现实，并且大量的应用到各行各业，有限元法有着广阔的前景[7]。
概念?题 1.1?结构动力计算与静力计算的主要区别是什么？ 答：主要区别表现在：(1)?在动力分析中要计入惯性力，静力分析中无惯性力；(2)?在动力分析中，结构的内力、位移等是时间的函数，静力分析中则是不随时间变化的量；(3)?动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法一般与荷载类型无关。 1.2?什么是动力自由度，确定体系动力自由度的目的是什么？ 答：确定体系在振动过程中任一时刻体系全部质量位置或变形形态所需要的独立参数的个数，称为体系的动力自由度（质点处的基本位移未知量）。确定动力自由度的目的是：(1)?根据自由度的数目确定所需建立的方程个数（运动方程数=自由度数），自由度不同所用的分析方法也不同；(2)?因为结构的动力响应（动力内力和动位移）与结构的动力特性有密切关系，而动力特性又与质量的可能位置有关。 1.3?结构动力自由度与体系几何分析中的自由度有何区别？ 答：二者的区别是：几何组成分析中的自由度是确定刚体系位置所需独立参数的数目，分析的目的是要确定体系能否发生刚体运动。结构动力分析自由度是确定结构上各质量位置所需的独立参数数目，分析的目的是要确定结构振动形状。 1.4?结构的动力特性一般指什么？ 答：结构的动力特性是指：频率（周期）、振型和阻尼。动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数（质量、刚度）
所确定的、表征结构动力响应特性的量。动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。 1.5?什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？ 答：振动过程的能量耗散称为阻尼。 产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假想力。粘滞阻尼理论假定阻尼力与质量的速度成比例。粘滞阻尼理论的优点是便于求解，但其缺点是与往往实际不符，为扬长避短，按能量等效原则将实际的阻尼耗能换算成粘滞阻尼理论的相关参数，这种阻尼假设称为等效粘滞阻尼。 1.6?采用集中质量法、广义位移法（坐标法）和有限元法都可使无限自由度体系简化为有限自由度体系，它们采用的手法有何不同？ 答：集中质量法：将结构的分布质量按一定规则集中到结构的某个或某些位置上，认为其他地方没有质量。质量集中后，结构杆件仍具有可变形性质，称为“无重杆”。 广义坐标法：在数学中常采用级数展开法求解微分方程，在结构动力分析中，也可采用相同的方法求解，这就是广义坐标法的理论依据。所假设的形状曲线数目代表在这个理想化形式中所考虑的自由度个数。考虑了质点间均匀分布质量的影响（形状函数），一般来说，