2D四杆桁架结构的有限元分析实例

【ANSYS 算例】3.4.2(1) 基于图形界面的桁架桥梁结构分析(step by step)下面以一个简单桁架桥梁为例，以展示有限元分析的全过程。

背景素材选自位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)，见图3-22。

该桁架桥由型钢组成，顶梁及侧梁，桥身弦杆，底梁分别采用3种不同型号的型钢，结构参数见表3-6。

桥长L=32m,桥高H=5.5m 。

桥身由8段桁架组成，每段长4m 。

该桥梁可以通行卡车，若这里仅考虑卡车位于桥梁中间位置，假设卡车的质量为4000kg ，若取一半的模型，可以将卡车对桥梁的作用力简化为P 1 ，P 2和P 3 ，其中P 1= P 3=5000 N, P 2=10000N ，见图3-23。

图3-22位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)图3-23 桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半)表3-6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数构件 惯性矩m 4 横截面积m 2顶梁及侧梁(Beam1) 643.8310m -⨯322.1910m -⨯ 桥身弦梁(Beam2) 61.8710-⨯31.18510-⨯ 底梁(Beam3)68.4710-⨯ 33.03110-⨯解答 以下为基于ANSYS 图形界面(Graphic User Interface , GUI)的菜单操作流程。

(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）:TrussBridge → Run → OK(2) 设置计算类型ANSYS Main Menu ：Preferences… → Structural → OK(3) 定义单元类型ANSYS Main Menu：Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete... →Add…→Beam: 2d elastic 3 →OK（返回到Element Types窗口）→Close(4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants…→Add/Edit/Delete →Add…→select Type 1 Beam 3 →OK →input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1号实常数用于顶梁和侧梁) →Apply →input Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2号实常数用于弦杆) →Apply →input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3号实常数用于底梁) →OK (back to Real Constants window) →Close (the Real Constants window)(5) 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定义泊松比及弹性模量) →OK →Density(定义材料密度) →input DENS: 7800, →OK →Close（关闭材料定义窗口）(6) 构造桁架桥模型生成桥体几何模型ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →NPT Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 →Apply →同样输入其余15个特征点坐标（最左端为起始点，坐标分别为(4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)）→Lines →Lines →Straight Line →依次分别连接特征点→OK网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked Lines →选择桥顶梁及侧梁→OK →select REAL: 1, TYPE: 1 →Apply →选择桥体弦杆→OK →select REAL: 2, TYPE: 1 →Apply →选择桥底梁→OK →select REAL: 3, TYPE:1 →OK →ANSYS Main Menu：Preprocessor →Meshing →MeshTool →位于Size Controls下的Lines：Set →Element Size on Picked →Pick all →Apply →NDIV：1 →OK →Mesh →Lines →Pick all →OK (划分网格)(7) 模型加约束ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural→Displacement →On Nodes →选取桥身左端节点→OK →select Lab2: All DOF(施加全部约束)→Apply →选取桥身右端节点→OK →select Lab2: UY(施加Y方向约束)→OK(8) 施加载荷ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Keypoints →选取底梁上卡车两侧关键点（X坐标为12及20）→OK →select Lab: FY，Value: -5000 →Apply →选取底梁上卡车中部关键点（X坐标为16）→OK →select Lab: FY，Value: -10000 →OK →ANSYS Utility Menu：→Select →Everything(9) 计算分析ANSYS Main Menu：Solution →Solve →Current LS →OK(10) 结果显示ANSYS Main Menu：General Postproc →Plot Results →Deformed shape →Def shape only →OK （返回到Plot Results）→Contour Plot →Nodal Solu →DOF Solution, Y-Component of Displacement →OK（显示Y方向位移UY）(见图3-24(a))定义线性单元I节点的轴力ANSYS Main Menu →General Postproc →Element Table →Define Table →Add →Lab: [bar_I], By sequence num: [SMISC,1] →OK →Close定义线性单元J节点的轴力ANSYS Main Menu →General Postproc →Element Table →Define Table →Add →Lab: [bar_J], By sequence num: [SMISC,1] →OK →Close画出线性单元的受力图(见图3-24(b))ANSYS Main Menu →General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Line Elem Res →LabI: [ bar_I], LabJ: [ bar_J], Fact: [1] →OK(11) 退出系统ANSYS Utility Menu：File →Exit →Save Everything →OK(a)桥梁中部最大挠度值为0.003 374m (b)桥梁中部轴力最大值为25 380N图3.24 桁架桥挠度UY以及单元轴力计算结果【ANSYS算例】3.4.2(2) 基于命令流方式的桁架桥梁结构分析!%%%%% [ANSYS算例]3.4.2(2) %%%%% begin %%%%%%!------注：命令流中的符号$，可将多行命令流写成一行------/prep7 !进入前处理/PLOPTS,DA TE,0 !设置不显示日期和时间!=====设置单元和材料ET,1,BEAM3 !定义单元类型R,1,2.19E-3,3.83e-6, , , , , !定义1号实常数用于顶梁侧梁R,2,1.185E-3,1.87e-6,0,0,0,0, !定义2号实常数用于弦杆R,3,3.031E-3,8.47E-6,0,0,0,0, !定义3号实常数用于底梁MP,EX,1,2.1E11 !定义材料弹性模量MP,PRXY,1,0.30 !定义材料泊松比MP,DENS,1,,7800 !定义材料密度!-----定义几何关键点K,1,0,0,, $ K,2,4,0,, $ K,3,8,0,, $K,4,12,0,, $K,5,16,0,, $K,6,20,0,, $K,7,24,0,, $K,8,28,0,, $K,9,32,0,, $K,10,4,5.5,, $K,11,8,5.5,, $K,12,12,5.5,, $K,13,16,5.5,, $K,14,20,5.5,, $K,15,24,5.5,, $K,16,28,5.5,,!-----通过几何点生成桥底梁的线L,1,2 $L,2,3 $L,3,4 $L,4,5 $L,5,6 $L,6,7 $L,7,8 $L,8,9!------生成桥顶梁和侧梁的线L,9,16 $L,15,16 $L,14,15 $L,13,14 $L,12,13 $L,11,12 $L,10,11 $L,1,10!------生成桥身弦杆的线L,2,10 $L,3,10 $L,3,11 $L,4,11 $L,4,12 $L,4,13 $L,5,13 $L,6,13 $L,6,14 $L,6,15 $L,7,15 $L,7,16 $L,8,16!------选择桥顶梁和侧梁指定单元属性LSEL,S,,,9,16,1,LA TT,1,1,1,,,,!-----选择桥身弦杆指定单元属性LSEL,S,,,17,29,1,LA TT,1,2,1,,,,!-----选择桥底梁指定单元属性LSEL,S,,,1,8,1,LA TT,1,3,1,,,,!------划分网格AllSEL,all !再恢复选择所有对象LESIZE,all,,,1,,,,,1 !对所有对象进行单元划分前的分段设置LMESH,all !对所有几何线进行单元划分!=====在求解模块中，施加位移约束、外力，进行求解/soluNSEL,S,LOC,X,0 !根据几何位置选择节点D,all,,,,,,ALL,,,,, !对所选择的节点施加位移约束AllSEL,all !再恢复选择所有对象NSEL,S,LOC,X,32 !根据几何位置选择节点D,all,,,,,,,UY ,,,, !对所选择的节点施加位移约束ALLSEL,all !再恢复选择所有对象!------基于几何关键点施加载荷FK,4,FY ,-5000 $FK,6,FY ,-5000 $FK,5,FY ,-10000/replot !重画图形Allsel,all !选择所有信息(包括所有节点、单元和载荷等)solve !求解!=====进入一般的后处理模块/post1 !后处理PLNSOL, U,Y , 0,1.0 !显示Y 方向位移PLNSOL, U,X, 0,1.0 !显示X 方向位移!------显示线单元轴力------ETABLE,bar_I,SMISC, 1ETABLE,bar_J,SMISC, 1PLLS,BAR_I,BAR_J,0.5,1 !画出轴力图finish !结束!%%%%% [ANSYS 算例]3.4.2(2) %%%%% end %%%%%%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。

实例：2D四杆桁架结构的有限元分析学习有限元方法的一个最佳途径，就是在充分掌握基本概念的基础上亲自编写有限元分析程序，这就需要一个良好的编程环境或平台。

MATLAB软件就是这样一个平台，它以功能强大、编程逻辑直观、使用方便见长。

将提供有限元分析中主要单元完整的MATLAB程序，并给出详细的说明。

1D杆单元的有限元分析MATLAB程序(Bar1D2Node)最简单的线性杆单元的程序应该包括单元刚度矩阵、单元组装、单元应力等几个基本计算程序。

下面给出编写的线性杆单元的四个MATLAB函数。

Bar1D2Node _Stiffness(E,A,L)该函数计算单元的刚度矩阵，输入弹性模量E，横截面积A和长度L，输出单元刚度矩阵k(2×2)。

Bar1D2Node _Assembly(KK,k,i,j)该函数进行单元刚度矩阵的组装，输入单元刚度矩阵k，单元的节点编号i、j，输出整体刚度矩阵KK。

Bar1D2Node _Stress(k,u,A)该函数计算单元的应力，输入单元刚度矩阵k、单元的位移列阵u(2×1)以及横截面积A计算单元应力矢量，输出单元应力stress。

Bar1D2Node_Force(k,u)该函数计算单元节点力矢量，输入单元刚度矩阵k和单元的位移列阵u(2×1)，输出2×1的单元节点力矢量forces。

基于1D杆单元的有限元分析的基本公式，写出具体实现以上每个函数的MATLAB程序如下。

%%%%%%%%%%% Bar1D2Node %% begin %%%%%%%%%function k=Bar1D2Node_Stiffness(E, A, L)%该函数计算单元的刚度矩阵%输入弹性模量E，横截面积A和长度L%输出单元刚度矩阵k(2×2)%---------------------------------------k=[E*A/L -E*A/L; -E*A/L E*A/L];%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%function z=Bar1D2Node_Assembly(KK,k,i,j)%该函数进行单元刚度矩阵的组装%输入单元刚度矩阵k，单元的节点编号i、j%输出整体刚度矩阵KK%-----------------------------------DOF(1)=i;DOF(2)=j;for n1=1:2for n2=1:2KK(DOF(n1), DOF(n2))= KK(DOF(n1), DOF(n2))+k(n1, n2);endendz=KK;%------------------------------------------------------------function stress=Bar1D2Node_Stress(k, u, A)%该函数计算单元的应力%输入单元刚度矩阵k, 单元的位移列阵u(2×1)%输入横截面积A计算单元应力矢量%输出单元应力stress%-----------------------------------stress=k*u/A;%-----------------------------------------------------------%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%function forces=Bar1D2Node_Force(k, u)%该函数计算单元节点力矢量%输入单元刚度矩阵k和单元的位移列阵u(2×1)%输出2×1的单元节点力分量forces%-----------------------------------------forces=k*u;%%%%%%%%%%% Bar1D2Node %% end %%%%%%%%%【四杆桁架结构的有限元分析—数学推导】如图所示的结构，各杆的弹性模量和横截面积都为E=29.54×10N/mm2, A=100mm 2，试求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。

桁架的有限元分析问题：已知模型由轨座，桁架以及垫块三个部分组成。

载荷为186吨，加载与距中间400mm 处的轨座上。

材料为Q345钢，密度为33/108.7m kg ⨯，弹性模量为5102⨯MPa ，泊松比为0.3，摩擦系数为0.05。

要求对模型使用ANSYS 进行有限元分析，分析其安全性。

问题分析：模型是对称的，可以简化模型，用模型的四分之一进行ANSYS 有限元分析，可以减少计算量。

需要在两个剖面处施加对称约束，从而保证中间部分不发生位移。

垫块的底部需要添加一个全约束以防止刚体位移。

图1为简化的模型。

图1 模型建模以及运算1将模型导入将所给的模型文件dggl.sat 导入到ANSYS 中，补充完整模型，即添加垫块。

再将模型分割，得到简化后的模型，即图1。

2 划分网格将轨座和桁架分割成规整的方体，使用映射网格来将轨座和桁架划分成六面体网格，可以得到比较规整的网格。

使用扫掠划分将垫块划分成六面体网格，网格大小设定为15mm。

划分结果如图2。

图2 网格化分3 设置单元类型对于实体模型分析，我们可选用8节点SOLID185单元。

整个分析过程有关于非线性接触的问题，所以要设置接触对单元类型。

选择TARGET170和CONTACT174单元。

4接触对创建使用设置接触对向导Contact Manager来设置。

设置轨座下表面和垫块上表面作为接触面，桁架为两接触面所对应的目标面。

其中轨座与桁架的接触对需设置成绑定接触，以防止发生滑移。

创建的接触对如图3所示。

图3 接触对的创建图4 边界条件5 添加约束施加约束，要在整体模型的中间部分施加对称约束以及对垫块施加全约束，从而保证无刚体位移。

如图4所示。

6 添加载荷选择距YOZ平面400毫米处的线，加集中载荷力为1860KN，方向为竖直向下，即Y的负向。

加载结果如图5所示。

图5 添加集中力载荷7 设置材料参数和载荷步在Material Models中，设置弹性模量EX为2e5(单位为兆帕)，泊松比PRXY 为0.3；材料的密度Density为7.8e-9（单位为千克每立方毫米）；摩擦系数Friction coefficient为0.05。

ansys桁架和梁的有限元分析————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：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。

第9章桁架和梁的有限元分析第1节基本知识一、桁架和梁的有限元分析概要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最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９-1。

表９-1 桁架和梁常用结构实体单元列表通过对桁架和梁进行有限元分析，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2节 桁架的有限元分析实例一、案例1——2D 桁架的有限元分析图9-1 人字形屋架的示意图问题 人字形屋架的几何尺寸如图9-1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2.0×1011 N/m 2，泊松比为0.3。

解题过程制定分析方案。

材料弹性材料，结构静力分析，属2D 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9-1所示，边界条件为1点和5点固定，6、7、8点各受1000 N 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V erify 对话框，单击OK 按钮完成清空数据库。

2D四杆桁架结构的有限元分析实例2D四杆桁架结构是一种常见的结构形式，广泛应用于工程领域。

在进行结构设计和分析时，有限元分析是一种常用的方法，可以对结构进行力学性能和应力分布的分析。

下面将以一个具体的例子来介绍2D四杆桁架结构的有限元分析。

```A*/\/\/\*-------*BC```该桁架结构由四根杆件构成，材料为钢，杆件截面可视为圆形。

假设桁架结构的高度为H，宽度为W，杆件的直径为D，且杆件AB和BC的长度为L。

首先，我们需要将该桁架结构离散为有限元网格。

可以采用等距离离散方法，在杆件AB上取N个节点，在杆件BC上取M个节点。

每个节点的坐标可以通过计算得到。

接下来，我们需要确定边界条件。

假设桁架结构的支座在节点A和C 处。

我们可以将节点A和C固定，即其位移为零，这是考虑到节点A和C作为支座点不会产生水平和竖直的位移。

然后，我们需要为杆件的材料属性和截面属性建立数学模型。

假设桁架结构的钢材的弹性模量为E，泊松比为ν。

另外，我们需要确定杆件的截面半径r。

接下来，我们需要确定桁架结构的荷载。

假设在节点B作用一个竖直向下的荷载P。

这个荷载会使得杆件AB和杆件BC受到拉力。

然后，我们可以使用有限元软件进行计算。

在计算中，我们可以采用线性弹性模型进行计算，即假设所有杆件在加载之前是弹性的。

在计算中，我们可以使用有限元方法对每个单元进行力学性能和应力分布的分析。

可以使用线性弹性有限元方法，如直接刚度法或变分法等。

在计算得到每个单元的力学性能和应力分布后，我们可以进一步分析整个桁架结构的强度和刚度。

可以计算整个结构的位移、载荷和应力等。

最后，我们可以通过对结果进行后处理和分析，来评估桁架结构的性能和稳定性。

可以计算结构的应力、变形和应变等。

综上所述，2D四杆桁架结构的有限元分析可以通过离散桁架结构为有限元网格，确定边界条件、材料和截面属性，施加荷载，并使用有限元软件进行计算。

通过对每个单元的力学性能和应力分布进行分析，并综合整个结构的性能和稳定性，可以得到结构的位移、载荷和应力等信息。

4典型结构有限元分析结构有限元分析是一种重要的工程分析方法，用于确定和评估各种结构的力学行为。

桁架和梁结构是常见的结构形式之一，下面将介绍这两种结构的有限元分析方法及其应用。

1.桁架结构有限元分析桁架结构是由桁架梁和节点组成的三维刚性体系，广泛应用于大跨度建筑和桥梁等工程中。

桁架结构的有限元分析方法有以下几个步骤：步骤一：建立有限元模型首先，需要建立桁架结构的有限元模型，可以使用各种商用有限元软件。

桁架梁可以用梁单元进行建模，节点可以用节点单元进行建模。

根据实际情况，可以选择不同的单元类型和网格划分方法。

步骤二：施加边界条件和荷载根据实际情况，需要给模型施加合适的边界条件和荷载。

边界条件包括固支、铰支和滑移支等。

荷载可以是点荷载、线荷载或面荷载。

步骤三：求解有限元方程根据桁架结构的几何和力学特性，可以得到有限元方程。

然后，利用数值计算方法求解有限元方程，确定桁架结构的位移、应力和反力等。

步骤四：分析和评估结果分析和评估有限元分析结果，可以得到桁架结构的应力分布、变形情况和稳定性等。

根据评估结果，可以进行优化设计和加强措施的制定。

2.梁结构有限元分析梁结构是由梁和支座组成的一维刚性体系，广泛应用于各种工程中，如建筑、桥梁和机械等。

梁结构的有限元分析方法有以下几个步骤：步骤一：建立有限元模型首先，需要建立梁结构的有限元模型，可以使用各种商用有限元软件。

梁可以用梁单元进行建模，支座可以用支座单元进行建模。

根据实际情况，可以选择不同的单元类型和网格划分方法。

步骤二：施加边界条件和荷载根据实际情况，需要给模型施加合适的边界条件和荷载。

边界条件包括固支、铰支和滑移支等。

荷载可以是点荷载、线荷载或面荷载。

步骤三：求解有限元方程根据梁结构的几何和力学特性，可以得到有限元方程。

然后，利用数值计算方法求解有限元方程，确定梁结构的位移、应力和反力等。

步骤四：分析和评估结果分析和评估有限元分析结果，可以得到梁结构的应力分布、变形情况和稳定性等。

用ANSYS进行四连杆机构的有限元分析作者：谭辉日期：08年3月6日分析目的1、利用ANSYS对典型的四连杆机构进行分析，主要包含各点的轨迹分析，例如X和丫方向的位移等。

2、为五连杆和六连杆机构的分析提供可行的分析方法以及原型代码。

问题简述分析主动杆1绕节点1旋转一周时节点4的运动轨迹，杆2和杆3为从动杆, 具体问题见下图：节点4, 5 （重合）5！分析思路1、 根据分析目的，在 ANSYS 选用linkl 单元进行单元建模，主要考虑 是linkl 单元具有X 和丫方向的自由度，可以获得各个节点的位移轨迹。

之后可以用梁单元等实现更高级的分析目的，例如获得杆上的力，位移， 加速度等相关信息。

2、 该模型结构简单，可以利用直接建模方法进行有限元系统建模，主 要命令：N , E 。

3、 利用自由度耦合对重合节点进行建模，例如节点2和节点3、节点4和节点5进行建模，主要命令：cpintf ,利用该命令可以一次性将重合节 点生成自由度耦合。

4、 利用表数组对于杆1 （主动杆）的节点2进行瞬态边界条件的载荷施 力□，分析类型为瞬态分析，主要命令：*dim ，d 等。

5、 生成节点位移的对应变量，从而获得节点 4的随时间的位移曲线， 主要命令：nsol, plvar 等。

符号注释结束上一次的分析！清除数据库，并读取启动配置文件！！设置图形显示的背景颜色！命令流如下行号命令 1 finish2 /clear,start33 /color,pbak, on ,1,5！/units,si设置单位制：国际单位制 ！*afun,deg设置三角函数运算采用度为单位 ！ /prep7！进入前处理模块！et,1,link1设置单元类型： link1 ！ mp,ex,1,2.07e11 设置材料的弹性模量 ！r,1,1 设置单元的实常数，面积为 1 ！ n,1,0,0,0 在（ 0， 0， 0）处建立节点 1 ！ n,2,3,0,0 在（ 3， 0， 0）处建立节点 2 ！ n,3,3,0,0 在（ 3， 0， 0）处建立节点 3，和节 ！ ！点 2 重合n,4,8,7,0 在（ 8， 7， 0）处建立节点 4 ！ n,5,8,7,0 在（ 8， 7， 0）处建立节点 4，和节！ ！点 4 重合n,6,10,0,0在（ 10，0，0）处建立节点 6 ！e,1,2建立单元 1（连接节点 1和 2） ！ e,3,4建立单元 2（连接节点 3和 4） ！ e,5,6建立单元 3（连接节点 5和 6） ！ cpintf,all,1e-3！对于重合节点一次性的建立耦合自 ！ 由度，容差 1e － 3/pnum,node,1 ！显示节点编号 ！/pnum,elem,1 显示单元编号 ！eplot显示单元6 7 8 91011 12 13 14 15 16 17 18 19 202122232425 26 27finish 退出前处理模块！/solu antype,trans time,1deltim,0.01 timint,on,all*dim,node_2_ux,table,100,1,1 *dim,node_2_uy,table,100,1,1 *do,i,1,100,1node_2_ux(i,0,1)=0.01*inode_2_ux(i,1,1)=distnd(1,2)*cos(3.6*i)-distnd(1, 2)node_2_uy(i,0,1)=0.01*inode_2_uy(i,1,1)=distnd(1,2)*sin(3.6*i) *enddod,1,all,0 d,6,all,0d,2,ux,%node_2_ux% d,2,uy,%node_2_uy%数组： node_2_uy28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49进入求解模块！设置分析类型为瞬态分析 ！ 设置分析结束时间为 1 ！设置时间步长为 0.01 ！打开时间积分！ ！设置节点 2的 X 方向的时间－位移 ！的表数据： node_2_ux设置节点 2的 Y 方向的时间－位移 ！的表数据： node_2_uy 进入表数据赋值循环 ！设定节点 2 的 X 方向位移的时间序 ！■ 列：0.01, 0.02, 0.03 ……设定节点 2 的 X 方向的位移序列 ！ 设定节点 2 的 Y 方向位移的时间序 !列：0.01, 0.02, 0.03 ……设定节点 2 的 Y 方向的位移序列 ！结束循环！ ！ 设定节点 1 的所有自由度为 0 ！ 设定节点 6 的所有自由度为 0！ ！将节点 2 的 X 方向的位移赋值为表 ！数组： node_2_ux将节点 2 的 Y 方向的位移赋值为表I !alls outres,all,all solve finish /post26 nsol,2,3,u,x nsol,3,3,u,y nsol,4,4,u,x nsol,5,4,u,y plvar,2,3,4,5 /image,save,tran s_curve,jpg finish /post1 /dscale,1,1 pldisp,2 finish/exit,save选择所有的对象 !计算并输出所有的数据!执行求解! 退出求解模块! ! 进入时间序列后处理模块! 将节点3的X 方向的位移设置为 2 I！#变量将节点3的Y 方向的位移设置为 3 ! #变量将节点4的X 方向的位移设置为 4 I! #变量将节点4的Y 方向的位移设置为 5 ! #变量打印2#、3#、4 #和 5#变量随时 I ! 间的变化曲线保存当前的曲线图形到文件： I ° trans_curve.jpg,方便用户看图 退出时间序列后处理模块! ! 进入通用后处理模块! 设置模型变形的显示比例为 1! 显示变形状态!退出通用后处理模块退出并保存数据库5051 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70几点思考1、为什么最终显示的变形和原来的图形完全重合了？答：因为杆1旋转了360度，在最后的载荷步计算完成和就和原来最初的模型重合了，但是可以用an time命令显示动画，就可以看出运动的效果。

有限元上机分析报告~学院：机械工程专业及班级：机械设计及其自动化08级7班姓名：***学号：题目编号： 2》1.题目概况结构组成和基本数据结构：该结构为一个六根杆组成的桁架结构，其中四根杆组成了直径为800cm的正方形，其他两根杆的两节点为四边形的四个角。

材料：该六根杆截面面积均为100cm2，材料均为Q235，弹性模量为200GPa，对于直径或厚度大于100mm的截面其强度设计值为190Mpa。

载荷：结构的左上和左下角被铰接固定，限制了其在平面内x和y方向的位移，右上角受到大小为2000KN的集中载荷。

结构的整体状况如下图所示：分析任务】该分析的任务是对该结构的静强度进行校核分析以验算该结构否满足强度要求。

2.模型建立物理模型简化及其分析由于该结构为桁架结构，故认为每根杆件只会沿着轴线进行拉压，而不会发生弯曲和扭转等变形。

结构中每根杆为铰接连接，有集中载荷作用于最上方的杆和最右方杆的铰接点。

单元选择及其分析由于该结构的杆可以认为是只受拉压的杆件，故可以使用LINK180单元，该单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。

这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。

就像铰接结构一样，不承受弯矩。

输入的数据有：两个节点、横截面面积（AREA）、单位长度的质量(ADDMAS)及材料属性。

输出有：单元节点位移、节点的应力应变等等。

由此可见，LINK180单元适用于该结构的分析。

模型建立及网格划分(（1）启动Ansys软件，选择Preferences→Structural，即将其他非结构菜单过滤掉。

（2）选择单元类型：选择Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add，在出现的对话框中选择Link→3d finit stn 180，即LINK180，点击“OK”（3）选择实常数：选择Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete→Add，在出现的对话框中的Cross-sectional area中输入100，点击“OK”。

2D四杆桁架结构的有限元分析实例实例：2D四杆桁架结构的有限元分析学习有限元方法的一个最佳途径，就是在充分掌握基本概念的基础上亲自编写有限元分析程序，这就需要一个良好的编程环境或平台。

MATLAB软件就是这样一个平台，它以功能强大、编程逻辑直观、使用方便见长。

将提供有限元分析中主要单元完整的MATLAB程序，并给出详细的说明。

1D杆单元的有限元分析MATLAB程序(Bar1D2Node)最简单的线性杆单元的程序应该包括单元刚度矩阵、单元组装、单元应力等几个基本计算程序。

下面给出编写的线性杆单元的四个MATLAB函数。

Bar1D2Node _Stiffness(E,A,L)该函数计算单元的刚度矩阵，输入弹性模量E，横截面积A和长度L，输出单元刚度矩阵k(2×2)。

Bar1D2Node _Assembly(KK,k,i,j)该函数进行单元刚度矩阵的组装，输入单元刚度矩阵k，单元的节点编号i、j，输出整体刚度矩阵KK。

Bar1D2Node _Stress(k,u,A)该函数计算单元的应力，输入单元刚度矩阵k、单元的位移列阵u(2×1)以及横截面积A计算单元应力矢量，输出单元应力stress。

Bar1D2Node_Force(k,u)收集于网络，如有侵权请联系管理员删除该函数计算单元节点力矢量，输入单元刚度矩阵k和单元的位移列阵u(2×1)，输出2×1的单元节点力矢量forces。

基于1D杆单元的有限元分析的基本公式，写出具体实现以上每个函数的MATLAB程序如下。

%%%%%%%%%%% Bar1D2Node %% begin %%%%%%%%%function k=Bar1D2Node_Stiffness(E, A, L)%该函数计算单元的刚度矩阵%输入弹性模量E，横截面积A和长度L%输出单元刚度矩阵k(2×2)%---------------------------------------k=[E*A/L -E*A/L; -E*A/L E*A/L];%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%function z=Bar1D2Node_Assembly(KK,k,i,j)%该函数进行单元刚度矩阵的组装%输入单元刚度矩阵k，单元的节点编号i、j%输出整体刚度矩阵KK%-----------------------------------DOF(1)=i;DOF(2)=j;for n1=1:2for n2=1:2收集于网络，如有侵权请联系管理员删除KK(DOF(n1), DOF(n2))= KK(DOF(n1), DOF(n2))+k(n1, n2);endendz=KK;%------------------------------------------------------------function stress=Bar1D2Node_Stress(k, u, A)%该函数计算单元的应力%输入单元刚度矩阵k, 单元的位移列阵u(2×1)%输入横截面积A计算单元应力矢量%输出单元应力stress%-----------------------------------stress=k*u/A;%-----------------------------------------------------------%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%function forces=Bar1D2Node_Force(k, u)%该函数计算单元节点力矢量%输入单元刚度矩阵k和单元的位移列阵u(2×1)%输出2×1的单元节点力分量forces%-----------------------------------------forces=k*u;%%%%%%%%%%% Bar1D2Node %% end %%%%%%%%%收集于网络，如有侵权请联系管理员删除【四杆桁架结构的有限元分析—数学推导】如图所示的结构，各杆的弹性模量和横截面积都为E=29.54×10N/mm2,A=100mm 2，试求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。

【MATLAB 算例】3.2.5(2) 四杆桁架结构的有限元分析(Bar2D2Node)如图3-8所示的结构，各个杆的弹性模量和横截面积都为4229.510/E N mm =⨯, 2100A mm =。

试基于MATLAB 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。

（1） 结构的离散化与编号对该结构进行自然离散，节点编号和单元编号如图3-8所示，有关节点和单元的信息见表3-1~表3-3。

（2）计算各单元的刚度矩阵(基于国际标准单位)建立一个工作目录，将所编制的用于平面桁架单元分析的4个MA TLAB 函数放置于该工作目录中，分别以各自函数的名称给出文件名，即：Bar2D2Node_Stiffness ，Bar2D2Node_Assembly ，Bar2D2Node_Stress ，Bar2D2Node_Forces 。

然后启动MATLAB ，将工作目录设置到已建立的目录中，在MATLAB 环境中，输入弹性模量E 、横截面积A ，各点坐标x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4,角度alpha 1, alpha 2和alpha 3,然后分别针对单元1，2，3和4，调用4次Bar2D2Node_Stiffness ，就可以得到单元的刚度矩阵。

相关的计算流程如下。

>>E=2.95e11;>>A=0.0001;>>x1=0;>>y1=0;>>x2=0.4;>>y2=0;>>x3=0.4;>>y3=0.3;>>x4=0;>>y4=0.3;>> alpha1=0;>> alpha2=90;>> alpha3=atan(0.75)*180/pi;>> k1=Bar2D2Node_Stiffness (E,A,x1,y1,x2,y2,alpha1)k1 = 73750000 0 -73750000 00 0 0 0-73750000 0 73750000 00 0 0 0>> k2=Bar2D2Node_Stiffness (E,A,x2,y2,x3,y3,alpha2)k2 = 1.0e+007 *0.0000 0.0000 -0.0000 -0.00000.0000 9.8333 -0.0000 -9.8333-0.0000 -0.0000 0.0000 0.0000-0.0000 -9.8333 0.0000 9.8333>> k3=Bar2D2Node_Stiffness (E,A,x1,y1,x3,y3,alpha3)k3 = 1.0e+007 *3.7760 2.8320 -3.7760 -2.83202.8320 2.1240 -2.8320 -2.1240-3.7760 -2.8320 3.7760 2.8320-2.8320 -2.1240 2.8320 2.1240>> k4=Bar2D2Node_Stiffness (E,A,x4,y4,x3,y3,alpha1)k4 = 73750000 0 -73750000 00 0 0 0-73750000 0 73750000 00 0 0 0（3） 建立整体刚度方程由于该结构共有4个节点，因此，设置结构总的刚度矩阵为KK (8×8)，先对KK 清零，然后四次调用函数Bar2D2Node _Assembly 进行刚度矩阵的组装。

联轴器结构的分析一、问题描述图1所示为一联轴器，其截面尺寸如下图所示。

试建立该联轴器的三维实体模型，并对其进行结构静力分析。

其他已知参数如下：弹性模量（也称杨式模量） E= 2.06e11；泊松比3.0=u ；材料密度3/7800m kg =ρ；重力加速度2/8.9s m g =；要求解在一定的工作平面上施加一定的面载荷后，该联轴器的应力应变及变形情况。

四、实训步骤（一）在三维软件下建立实体模型本实例采用solidworks 软件进行实体建模，以上述尺寸为标准建立模型。

建模完成后效果如图2所示。

建立完成后保存为xt 格式，以便后序ansys 分析。

（二）单元类型、几何特性及材料特性定义1定义单元类型。

点击主菜单中的“Preprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete ”，弹出对话框，点击对话框中的“Add…”按钮，又弹出一对话框（图3），选中该对话框中的“Solid ”和“10node 45”选项，点击“OK ”，关闭图2对话框，返回至上一级对话框，此时，对话框中出现刚才选中的单元类型：Tet 10Node 92，如图3所示。

点击“Close ”，关闭图3所示对话框。

图2 solidworks 模型图3单元类型2．定义材料特性。

点击主菜单中的 “Preprocessor>Material Props >Material Models ”，弹出窗口如图4所示，逐级双击右框中“Structural\ Linear\ Elastic\ Isotropic ”前图标，弹出下一级对话框，在“弹性模量”（EX ）文本框中输入：2.06e11，在“泊松比”（PRXY ）文本框中输入：0.3，如图5所示，点击“OK ”按钮，回到上一级对话框，然后，双击右框中的“Density ”选项，在弹出对话框的“DENS ”一栏中输入材料密度：7800，点击“OK ”按钮关闭对话框。