ANSYS中简支梁的模拟计算

（ii ）纵向钢筋：PIPE20 （iii ）横向箍筋：PIPE202.2 材料性质（i ）、混凝土材料表5-4 混凝土材料的输入参数一览表[16~19]·单轴受压应力-应变曲线（εσ-曲线）在ANSYS ○R程序分析中，需要给出混凝土单轴受压下的应力应变曲线。

在本算例中，混凝土单轴受压下的应力应变采用Sargin 和Saenz 模型[17,18]：221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=c c s c c E E E εεεεεσ （5-30）式中取4'4')108.0028.1(c c c f f -=ε；断面图配筋图断面图配筋图断面图配筋图RCBEAM-01 RCBEAM-02 RCBEAM-03图5-12 各梁FEM模型断面图（a）单元网格图（b）钢筋单元划分图图5-13 算例（一）的FEM模型图2.4 模型求解在ANSYS○R程序中，对于非线性分析，求解步的设置很关键，对计算是否收敛关系很大，对于混凝土非线性有限元分析，在计算时间容许的情况下，较多的求解子步（Substeps）或较小的荷载步和一个非常大的最大子步数更容易导致收敛[2]。

在本算例中，设置了100个子步。

最终本算例收敛成功，在CPU为P41.6G、内存为256MB的微机上计算，耗时约为8小时。

2.5 计算结果及分析2.5.1 荷载—位移曲线图5-14为ANSYS○R程序所得到的各梁的荷载-跨中挠度曲线，从图中可以看出：（i）、梁RCBEAM-01：曲线形状能基本反映钢筋混凝土适筋梁剪切破坏的受力特点，而且荷载-跨中挠度曲线与钢筋混凝土梁的弯剪破坏形态非常类似，即当跨中弯矩最大截面的纵筋屈服后，由于裂缝的开展，压区混凝土的面积逐渐减小，在荷载几乎不增加的情况下，压区混凝土所受的正应力和剪应力还在不断增加，当应力达到混凝土强度极限时，剪切破坏发生，荷载突然降低。

（ii）、梁RCBEAM-02：荷载-跨中挠度曲线与超筋梁的试验荷载-跨中挠度曲线很相似，在荷载达到极限情况下，没有出现屈服平台，而是突然跌落。

基于Ansys软件的简支梁优化设计在实际工程中，经常需要对结构构件进行截面优化充分利用材料并节省造价。

ANSYS软件提供了一些常用的结构优化功能，本算例将以一个受均布荷载的平面悬臂梁为例，介绍实用ANSYS软件对构件进行优化。

一问题描述承受均布载荷作用的钢制简支梁如图21-1所示，均布载荷p=5000N/m，跨度L=1 m。

试确定该梁的高度h和宽度b，要求梁的高度h不超过100 mm、宽度b不低于50 mm、挠度不超过0.2 mm时，使得梁的质量最小。

图1简支梁二操作步骤1 建立有限元模型(1)定义初始参量在ansys窗口顶部菜单选择Parameters> Scalar Parameters命令，输入如图2所示控制数：图2H=0.06 ! 简支梁截面高度B=0.06 ! 简支梁截面宽度L=l ! 简支梁长度P=5e3 ! 作用在悬臂梁上的局部荷载(2)选择单元类型拾取菜单 Main Menu—Preprocessor—Element Type—Add/Edit/Delete。

在弹出的对话框中单击“Add”按钮；在弹出的对话框左侧列表中选“Structural Beam”，在右侧列表中选“2D elastic 3”，单击“OK”按钮；即选择BEAM3单元，Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。

单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。

(3)定义实常数拾取菜单Main Menu—Preprocessor—Real Constants—Add/Edit/Delete。

在弹出的对话框中单击“Add”按钮，在弹出对话框的列表中选择“Type 1 BEAM3”，单击“OK”按钮，各实常数值如下图3所示。

图3其中AREA为横截面面积，IZZ为截面惯性矩，HEIGHT为截面高。

(4)定义材料特性拾取菜单Main Menu—Preprocessor—Material Props—Material Models。

（整理）ansys简支梁分析.图b所示的矩形截面的简支梁，受到竖直向下的2q 均布载荷作用。

100mKN图b 梁受力情况及截面尺寸表1 梁的几何参数及材料参数（三）研究方法及模型的建立（包括单元的选取，边界条件的简化等）。

1.梁单元⑴建模：由于对称性，取梁的右半部分为研究对象。

①选择梁单元，设置材料常数定义梁的横截面面积、惯性矩及截面高度。

②建立2个关键点：1（0，0，0）；2（8，0，0）。

③生成直线：ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Lines>Lines>Stright Line，依次连接关键点，点击ok即可。

④划分单元：ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>Picked Lines，选择直线，将梁划分为80份；ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool>Shape>Mech>pickall，完成划分。

⑤施加约束：ANSYS Main Menu>Solution>Difine Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，选取对称轴上的节点，施加x方向的约束；选取右下角的节点施加y方向约束。

⑥施加载荷：ANSYS Main Menu>Solution>Difine Loads>Apply>Pressure>On Beams>Pick All，V ALI Pressure Value at I输入100000，V ALJ Pressure Value at J输入100000，即施加了均布载荷。

建好的模型如图1.1所示。

有限元大作业计算
依据已知条件，将梁转化为平面实体模型，可得梁的面荷载等效为4000N/m，弹性模量为28E9N/㎡，泊松比为0.16，梁长8m，高1m，定义实体模型厚度为0.4m。

利用solid材料选项命令建立实体模型，添加各项材料属性，建立实体模型后，以0.1m作为单元长度进行剖分，在模型中轴线左端加上位移X和Y方向的约束，右端加上位移Y方向的约束，加上4000N/m的线荷载后进行模型求解，通过后处理器中PLOT命令导出计算应力云图（如图1所示）和位移图（如图2所示），通过query命令中的Subgrid Solu命令对下边中点处的应力值进行提取（如图3所示）。

图1 实体单元建模应力云图
图2 实体单元建模位移图
图3 实体单元建模中值点应力值
采用beam命令对进行梁单元材料定义，并输入对应参数，之后进行对应建模计算，导出计算结果，应力云图（如图4所示）、位移图（如图5所示）和中
值点应力值（如图6所示）。

图4 梁单元建模应力云图
图5 梁单元建模位移图
图6 梁单元建模中值点应力值
可知，在实体单元建模中，中点处位移为：m 410954.0-⨯，中点处应力值为：192655N/㎡；在梁单元建模中，中点处位移为：m 310227.0-⨯，中点处应力值为：457840N/㎡。

（手算结果见附页）
姓名：吴 小 超
学号：2140720060
班级：研1420班
任课教师：简 政。

简支梁的ANSYS分析题目：如下图所示一个简支梁及其所受载荷情况，求解材料的最大正应力和切应力，其中b=80mm，h=200mm。

已知结构的最大许用正应力为15MPa，最大许用剪切应力为1MPa。

图1 简支梁尺寸结构及受力情况理论计算：由材料力学可知，按照正应力强度条件计算其中：M max=q*l2/8=10*2*2/8=5KN*mW z=b*h2/6=0.08*0.2*0.2/6=5.33e-4m^3所以最大正应力结果为σ=M max/W z=5e3/5.33e-4=9.38MPa<15Mpa此时结构正应力的安全系数n=15/9.38=1.6结合材料力学公式，校核其剪应力强度如下所示：F qmax=q*l/2=10*2/2=10KNτmax=F qmax*S zmax/（I z*b）=3*F qmax/（2*A）=0.22MPa<1MPa 此时结构正应力的安全系数n=1/0.22=4.55通过理论计算可知，结构满足强度要求，正应力和切应力都小于许用应力。

有限元分析：采用ANSYS软件对上述结构进行分析，得出结构的受力情况。

有限元分析流程如下所示：建立几何模型，该结构为梁结构，在ANSYS中采用梁单元来模拟，那么几何模型为线体，即长度为2m的线，然后赋予梁的截面形状。

单元类型选择beam188单元类型。

该单元类型具有两个节点，每个节点具有六个自由度，分别为空间坐标系下的三个平动自由度和三个转动自由度。

图2 beam188单元类型操作流程如下：GUI：Utility Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出【Element Types】对话框，单机Add按钮，弹出【Library of Element Types】对话框，设置下面选项：左边列表框中选择Beam；右边列表框中选择 2 node 188；图3 单元类型定义定义梁单元的截面属性，操作流程如下：GUI：Utility Menu→Preprocessor→Sections →Beam→Common Sections，弹出如下对话框，并进行如下所示设置，点击Ok。

ANSYS对简支梁的数值模拟
段敬民;冯波涛;李伟
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2009(031)012
【摘要】采用Solid65单元和Link8单元对钢筋混凝土简支梁进行了数值模拟计算,模拟结果表明用Solid65单元和Link8单元模拟钢筋混凝土简支梁破坏是可行的,基本上能反映梁破坏时的力学特征,说明了利用ANSYS有限元程序作为辅助的研究手段来模拟试验过程的可行性的,也是可靠的.
【总页数】3页(P53-55)
【作者】段敬民;冯波涛;李伟
【作者单位】河南理工大学土木工程学院,河南,焦作,454000;河南理工大学土木工程学院,河南,焦作,454000;河南理工大学土木工程学院,河南,焦作,454000
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.41
【相关文献】
1.基于ANSYS的简支梁桥柔性墩纵向力分配研究 [J], 丁剑霆;庞静;刘春川
2.基于ANSYS的简支T梁桥桥面连续结构的空间仿真分析 [J], 凌青松
3.基于ANSYS有限元法的简支梁力学计算与优化设计 [J], 吕凯;张文辉
4.基于ANSYS的单跨简支梁钢桥的谐响应分析 [J], 王冬丽;袁朝庆
5.基于ANSYS钢筋混凝土简支梁极限荷载研究 [J], 周广强;王康入
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例1简支梁的有限元建模与变形分析计算分析模型如图1-1 所示, 习题文件名: beam。

（梁单元表示实体）梁承受均布载荷：1KN/m图1-1梁的计算分析模型梁截面矩形，183*183单位mm面积335cm2惯性矩9.3e-5 m4EX:2.06e11Pa PRXY:0.3 （计算中需要的参数，注意单位）1.1进入ANSYS 设置工作名和标题并在窗口显示程序→ANSYSED 10.0→ANSYS（启动）→file →change jobname（更改工作名）→enter the new jobname: beam（输入工作名）→file→change title（更改标题）→enter new title: beam（输入新标题）→ok→plot （绘制）→replot（重新绘制）1.2ANSYS偏好设置（把与本例无关的可能出现的选项都屏蔽）ANSYS Main Menu: Preferences →选择Structural（结构）→OK1.3选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor（前处理器）→Element Type（单元类型）→Add/Edit/Delete… （添加/编辑/删除）→Add…（添加）→选择Beam 2D elastic 3 →OK →Close1.4定义单元实参数ANSYS Main Menu: Preprocessor →REAL Constants（材料实参数）→Add/Edit/Delete… （添加/编辑/删除）→add →ok →AREA（面积，注意换算）3.35e-6，IZZ （惯性矩）9.3e-5，HEIGHT0.183（高）→OK1.5定义材料参数Material Props（材料参数）→Material Models（材料模型）→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→input EX:2.06e11, PRXY:0.3（输入弹性模量和泊松比）→OK1.6生成几何模型✓生成特征点ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling（建模）→Create →Keypoints（创建关键点）→In Active CS （在当前坐标系）→依次输入三个点的坐标：input:1(0,0),2(1,0)（连续输入选择apply，最后一次输入选择ok）→OK✓生成梁ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →lines →Straight lines →连接两个特征点，1(0,0),2(1,0) →OK1.7网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing（网格）→Mesh Attributes（网格特性）→all lines →OK→Meshing（网格）→SIZE CNTRLS（尺寸）→manualsize（手工设置）lines →alllines→→element edge length(单元长度)输入0.1→OK→Mesh(划分网格)→lines→pick all →OK1.8模型施加约束✓最左端节点加约束ANSYS Main Menu: Solution（求解）→Define Loads（定义载荷）→Apply（施加）→Structural →Displacement（位移）→On KEYPOINTS（在关键点处）→pick the keypoints at (0,0) （选择原点）→OK→select UX, UY（施加自由度约束）→OK✓最右端节点加约束ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Displacement →On keypoints→pick the keypoints at (1,0) →OK→select UY →OK✓施加y方向的载荷ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Pressure（压力）→On Beams→Pick All→V ALI:1000 →OK1.9 分析计算ANSYS Main Menu: Solution →Solve （求解）→Current LS（当前坐标系）→OK(to close the solve Current Load Step window) →OK1.10 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc（通用后处理器）→Plot Results（绘制结果）→Deformed Shape…→select Def + Undeformed（显示变型）K (back to Plot Results window) →Contour Plot→Nodal Solu（节点解）→Stress→1st Principal stress（第一强度理论）1.11 退出系统ANSYS Utility Menu: File→Exit →Save Everything→OK。

实验八 应用ANSYS 对简支梁的仿真计算
一、实验目的
1、掌握ANSYS 的基本操作。

2、将有限元计算结果与理论值进行比较。

二、实验仪器、设备和工具
1、硬件：计算机。

2、软件：ANSYS。

三、数值仿真试验原理
应用有限元方法，以ANSYS 软件为工具。

四、数值试验步骤
1、建立几何模型
2、选择单元类型
3、定义实常数
4、定义材料属性
5、划单元
6、加约束及其它边界条件
7、加载
8、求解
9、后处理
五、问题描述
图为简支梁的示意图。

设集中力N 100=F ，梁的截面直径，梁长度。

材料的弹性模量。

求梁中心处的挠度。

mm 10=d mm 100=l GPa 210=E
六、实验报告要求
1、应用材料力学计算出理论值。

2、应用ANSYS进行计算并与理论值进行比较。

3、理论值实验值相比较计算误差。

并将计算结果填入表中。

附表1 实验值和理论值比较
数值试验值 理论值 相对误差%
七、思考题
1、数值试验计算结果与理论值误差产生的原因？
2、影响数值试验计算结果计算精度的主要因素是什么？
3、简支梁约束简化的合理原因是什么？。