重庆大学研究生有限元大作业教学内容

重庆大学研究生有限元大作业课程研究报告科目：有限元分析技术教师：阎春平姓名：色学号： 2专业：机械工程类别：学术上课时间： 2015 年 11 月至 2016 年 1 月考生成绩：阅卷评语：阅卷教师 (签名)有限元分析技术作业姓名: 色序号: 是学号: 2一、题目描述及要求钢结构的主梁为高160宽100厚14的方钢管，次梁为直径60厚10的圆钢管（单位为毫米），材料均为碳素结构钢Q235；该结构固定支撑点位于左右两端主梁和最中间。

主梁和次梁之间是固接。

试对在垂直于玻璃平面方向的2kPa 的面载荷（包括玻璃自重、钢结构自重、活载荷（人员与演出器械载荷）、风载荷等）作用下的舞台进行有限元分析。

二、题目分析根据序号为069，换算得钢结构框架为11列13行。

由于每个格子的大小为1×1（单位米），因此框架的外边框应为11000×13000（单位毫米）。

三、具体操作及分析求解1、准备工作执行Utility Menu：File → Clear＆start new 清除当前数据库并开始新的分析，更改文件名和文件标题，如图1.1。

选择GUI filter，执行Main Menu: Preferences → Structural → OK，如图1.2所示图1.1清除当前数据库并开始新的分析图1.2 设置GUI filter2、选择单元类型。

执行Main Menu: Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete →Add→ select→ BEAM188，如图2.1。

之后点击OK(回到Element Types window)→Close图2.1 选择单元3、定义材料属性该钢结构材料为碳素结构钢Q235，其弹性模量为210GPa，执行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear→Elastic →Isotropic，此处协调单位制为mmkgs，故EX设为2.1E8, PRXY设置为0.3。

如图3.1所示，选择OK并关闭对话框。

图3.1 设置材料参数4、定义梁的截面定义主梁和次梁的截面，执行Main Menu→Preprocessor →Sections→Beam→Common Sections，弹出如下图所示截面定义对话框。

输入ID1，按照选择方钢管，W1=100，W2=160，t1=t2=t3=t4=14；输入ID2，选择圆管，Ri=20，Ro=30，分别如图4.1与图4.2所示。

图4.3为主梁截面形状。

图4.1 方管参数设置 图4.2 圆管参数设置图4.3 主梁截面形状5、创建实体模型执行Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →On Working Plane，输入点坐标值，点击apply，如图5.1a。

依次创建 (0,0), （11000,0），（11000,13000）,（0,13000）4个关键点，结果如图5.1b所示。

执行Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Lines →Straight line，两两拾取点，连点成线。

如图5.2所示。

图5.1a 创建关键点图5.1b 创建关键点图5.2 创建模型执行Preprocessor →Modeling →Copy →Lines，偏移1000，行数13，列数11，分别复制行和列，则几何模型创建完毕，如图5.3所示。

图5.3 创建模型6、划分单元，生成有限元模型执行preprocessor →meshing →size cntrls→manualsize→lines→All line，输入单元长度1000，如图6.1。

图6.1 设定单元长度点击OK，结果如图6.2所示。

执行pre processor →meshing →mesh tool，设置global，如图6.3所示。

按mesh，选选取所有主梁。

再执行preprocessor→meshing →mesh tool，设置global，如图6.4所示设置。

按mesh，再选择所有次梁。

网格划分完毕结果如图6.5。

图6.2 单元长度划分图6.3 设置主梁Meshing Attributes图6.4 设置次梁Meshing Attributes图6.5 网格划分7、合并重复nodes执行Preprocessor→NumberingCtrls→MergeItems→OK。

执行utility menu：plot→ nodes，结果如图7.1所示图7.1 合并nodes8、定义分析类型并施加约束执行Main Menu→Solution→ Analysis Type→New Analysis，定义分类型为Static。

对模型施加约束，执行Main Menu → Solution →Apply→ Structural →Displacement → OnNodes，选取6个点，1，26，15，44，20，2，约束选为ALL DOF。

执行Main Menu → Solution → Apply → Structural →Force/Moment→OnNodes，依次对4个角上的结点（1，26，2，15），边缘结点（39~48，27~38，16~25，3~14）以及中间的结点（剩余所有结点）施加FZ 载荷，注意到力的单位是kgmm/s2，值分别为-500000、-1000000、-2000000。

结果如图8.1a，8.2b所示。

8.1b 结点载荷，约束8.1b结点载荷，约束执行菜单项Utility →PlotCtrls→Style→Size and Shape，选中/Eshape，单击OK，执行菜单项Utility→→PlotCtrls→Symbol→Show pres and convect as，选择Arrows，点击OK。

显示如图8.2a，b的结构模型及约束、载荷定义。

图8.2a 施加约束、载荷的结构模型图8.2b 施加约束、载荷的结构模型9、求解分析执行Main Menu→Solution→Solve→Current LS→OK，进行求解。

结果如图9.1所示。

图9.1 求解完成四、后处理1、显示该结构的平面布置结构执行PlotCtrls → Style → Size and Shape→ Display of Element → on → Ok 2、显示结构的变形图GeneralPostproc → PlotResults → Deformed Shape → select Def+Undeformed → OK，注意长度单位是mm。

结果如图2.1a，2.1b所示图2.1a 结构的变形图图2.1b 结构的变形图3、求支座反力执行Main Menu →General Posproc→ List Results → Reaction Solu → All struct force F→OK，结果如图3.1。

可以看到X，Y方向的支座反力远小于Z方向，几乎为0，这与理论分析支座反力只有Z向的结果相符，注意力的单位是kgmm/s2。

同时1与2结点，15与26结点，20与44结点的支座反力相等，理论Z向总载荷为11x13x2=286 kN，平摊到六个节点，每个节点为47kN，即0.47e8 kgmm/s2。

仿真结果，6个节点Z向反力相加为284kN，每个节点力数量级为e8，仿真结果同样与理论分析结果相符。

图3.1 支座反力4、求结点的最大位移及其所在位置。

执行Main Menu→General Posproc→List Results→Sorted Listing→Sort Nodes，如图4.1所示设置，按OK。

图4.1 结点排序设置然后执行Main Menu→General Posproc→List Results→Nodal Solution，弹出List Nodal Solution，选择DOF Nodal solution→Displacement Vector Sum点OK 之后弹出结点位移按顺序排列的结果，如图4.2。

由输出结果可知，结点最大位移位于128结点上，最大位移值为226.27mm。

同样的主要位移在Z方向，与理论相符。

图4.2 结点位移执行Main Menu→General Posproc→Plot Result→Contour Plot→Ndal Solu，选择Displacement vector sum点OK之后显示最大位移的结点位置，如图4.3a，b所示。

图4.3a 最大位移结点位置图4.3b 最大位移结点位置5、强度校核对该结构中最危险单元（杆件）进行强度校核，执行Main Menu→ General Postproc →Plot Results → Element S olution→ Stress ，选择Von Miss Stress，结果如下图5.1所示，注意压强单位为kg/(s2mm)=kPa。

图5.1 强度校核如上图所示，可以看到机构上最小应力杆单元位于MN附近，应力最大的杆单元，MX附近边缘，考虑到对称性，应存在4个最大应力单元，通过放大图样可以放看到确实如此。

图5.2最大应力单元材料是碳素结构钢Q235，其屈服极限是235MPa，由最大应力为416295kPa=416.295MPa可知，不符合强度要求。

附件/BATCH/COM,ANSYS RELEASE Release 16.0 BUILD 16.0 UP20141203 08:35:07 !*/NOPRKEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,1KEYW,PR_THERM,0KEYW,PR_FLUID,0KEYW,PR_ELMAG,0KEYW,MAGNOD,0KEYW,MAGEDG,0KEYW,MAGHFE,0KEYW,MAGELC,0KEYW,PR_MULTI,0/GO!*/COM,/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM, Structural!*/PREP7!*ET,1,BEAM188!*!*MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,2.1E8MPDATA,PRXY,1,,0.3SECTYPE, 1, BEAM, HREC, , 0SECOFFSET, CENTSECDATA,100,160,14,14,14,14,0,0,0,0,0,0SECTYPE, 2, BEAM, CTUBE, , 0SECOFFSET, CENTSECDATA,20,30,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0/UI,BEAM,OFFFLST,3,4,8FITEM,3,0,0,0FITEM,3,11000,0,0FITEM,3,11000,13000,0FITEM,3,0,13000,0K, ,P51XLSTR, 4, 1LSTR, 1, 2LSTR, 2, 3LSTR, 3, 4FLST,3,1,4,ORDE,1FITEM,3,2LGEN,13,P51X, , , ,1000, , ,0FLST,3,1,4,ORDE,1FITEM,3,1LGEN,11,P51X, , ,1000, , , ,0!*LESIZE,ALL,1000, , , ,1, , ,1,TYPE, 1MAT, 1REAL,ESYS, 0SECNUM, 1!*FLST,2,16,4,ORDE,2FITEM,2,1FITEM,2,-16LMESH,P51XTYPE, 1MAT, 1REAL,ESYS, 0SECNUM, 2!*FLST,2,10,4,ORDE,2FITEM,2,17FITEM,2,-26LMESH,P51XNUMMRG,NODE, , , ,LOWFLST,2,6,1,ORDE,6FITEM,2,1FITEM,2,-2FITEM,2,15FITEM,2,20FITEM,2,26FITEM,2,44!*/GOD,P51X, , , , , ,ALL, , , , , FLST,2,4,1,ORDE,4 FITEM,2,1FITEM,2,-2FITEM,2,15FITEM,2,26!*/GOF,P51X,FZ,-500000 FLST,2,44,1,ORDE,6 FITEM,2,3FITEM,2,-14FITEM,2,16FITEM,2,-25FITEM,2,27FITEM,2,-48!*/GOF,P51X,FZ,-1000000 FLST,2,120,1,ORDE,24 FITEM,2,51FITEM,2,-60FITEM,2,63FITEM,2,-72FITEM,2,75FITEM,2,-84FITEM,2,87FITEM,2,-96FITEM,2,99FITEM,2,-108FITEM,2,111FITEM,2,-120FITEM,2,123FITEM,2,-132FITEM,2,135FITEM,2,-144FITEM,2,147FITEM,2,-156FITEM,2,159FITEM,2,-168FITEM,2,171FITEM,2,-180FITEM,2,183FITEM,2,-192!*/GOF,P51X,FZ,-2000000 FINISH/SOL!*ANTYPE,0/STATUS,SOLU SOLVE。