工字悬臂梁应力分析

下面接下来分析另外一个实例。注意在此分析中采用的ANSYS分析步骤，部分详细的说明，以及几次将内存中的数据存到文件中的操作。

问题描述：使用ANSYS分析一个工字悬壁梁，如图8-26所示。求解在力P作用下点A处的变形。已知条件如下：

受力P=4000lbf（1lbf=4.448N），工字悬壁梁长度L=72in（1in=0.0254m），惯性矩I=833in⁴，弹性模量E=29×10⁶psi（1psi=6894.76Pa），横截面积A=28.2in²，高度H=12.71in。

这里依照如下循序渐进的求解指导，介绍工字悬壁梁的静力分析过程。

图8-26 工字悬壁梁

1）启动ANSYS。以交互模式进入ANSYS，工作文件名为beam。

2）创建基本模型。

①选择Utility Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS（使用带有两个关键点的线模拟梁，梁的高度及横截面积将在单元的实常数中设置）。

②输入关键点编号1。

③输入x、y、z坐标（0，0，0）。

④单击“Apply”按钮。

⑤输入关键点编号2。

⑥输入x、y、z坐标（72，0，0）。

⑦单击“OK”按钮。

⑧选择Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Lines＞Straight Line。

⑨选取两个关键点。

⑩在拾取菜单中单击“OK”按钮。

这样就建立了工字悬壁梁模型，如图8-27所示。

图8-27 工字悬壁梁模型

3）存储ANSYS数据库。选择Toolbar＞SAVE_DB。

注意弹出的拾取菜单，以及输入窗口中的操作提示。

ANSYS数据库是当用户在建模求解时ANSYS保存在内存中的数据。由于在ANSYS初始对话框中定义的工作文件名为beam，因此存储数据库到名为beam.db的文件中。经常存储数据库文件名是必要的。这样在进行了误操作后，可以恢复上次存储的数据库文件。存储及恢复操作，可以点取工具条，也可以选择菜单：Utility Menu＞File。

4）设定分析模块。

①选择Main Menu＞Preferences。

②选择Structural。

③单击“OK”按钮。

注意：使用“Preferences”对话框选择分析模块，以便于对菜单进行过滤。如果不进行选择，所有的分析模块的菜单都将显示出来。例如这里选择了结构模块，那么所有热、电磁、流体的菜单将都被过滤掉，使菜单更简洁明了。创建好几何模型以后，就要准备单元类型、实常数、材料属性，然后划分网格。

5）设定单元类型相应选项。

①选择Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete。

②单击“Add”按钮。

③在左边单元库列表框中选择“Beam”选项。

④在右边单元列表框中选择“2D elastic（BEAM3）”选项。

注意：对于任何分析，必须在单元类型库中选择一个或几个适合用户分析的单元类型。单元类型决定了辅加的自由度（位移、转角、温度等）。许多单元还要设置一些单元的选项，诸如单元特性和假设，单元结果的打印输出选项等。对于本问题，只需选择“BEAM3”选项并默认单元选项即可。

⑤单击“OK”按钮，接受单元类型并关闭对话框。

⑥单击“Close”按钮，关闭单元类型对话框。

6）定义实常数。

①选择Main Menu＞Preprocessor＞Real Constants。

②单击“Add”按钮。

有些单元的几何特性，不能仅用其节点的位置充分表示出来，还需要提供一些实常数来补充几何信息。典型的实常数有壳单元的厚度、梁单元的横截面积等。某些单元类型所需要的实常数，以实常数组的形式输入。

③单击“OK”按钮，定义BEAM3的实常数。

④选择“Help”选项，可以得到有关单元BEAM3的帮助。

⑤查阅单元描述。

⑥选择File＞Exit，退出帮助系统。

⑦在“AREA”文本框中输入“28.2（横截面积）”。

⑧在“IZZ”文本框中输入“833（惯性矩）”。

⑨在“HEIGHT”文本框中输入“12.71（梁的高度）”。

⑩单击“OK”按钮，定义实常数并关闭对话框。

（11）单击“Close”按钮，关闭实常数对话框。

7）定义材料属性。

①选择Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Model Structural＞Linear＞E-lastic＞Isotropic。

②单击“OK”按钮，定义材料1。

③在“EX”文本框中输入“29e6（弹性模量）”，在“PRXY”文本框中输入“0.28（泊松比）”。

④单击“OK”按钮，定义材料属性并关闭对话框。

材料属性是与几何模型无关的本构属性，例如弹性模量、密度等。虽然材料属性并不与单元类型联系在一起，但由于计算单元矩阵时需要材料属性，ANSYS为了用户使用方便，还是对每种单元类型列出了相应的材料类型。根据不同的应用，材料属性可以是线性或非线性的。与单元类型及实常数类似，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个材料编号。对于本问题，只需定义一种材料，这种材料只需定义一个材料属性——弹性模量。

8）保存ANSYS数据库文件beamgeom.db。

①选择Utility Menu＞File＞Save as。

②输入文件名beamgeom.db。

③单击“OK”按钮，保存文件并退出对话框。

在划分网格以前，用beamgeom.db表示几何模型的文件名保存数据库文件。一旦需要返回重新划分网格时就很方便了，因为ANSYS软件和其他CAD软件不同，没有操作返回功能，要去除一些误操作或者是剔除错误的结果，就需要恢复数据库文件。通过不同步骤阶段的数据保存，就可以方便用户很快恢复到出现错误前的步骤。

9）对几何模型划分网格。

①选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞MeshTool。

②选择Mesh。(www.xing528.com)

③拾取line。

④在拾取对话框中单击“OK”按钮。

⑤（可选）在“MeshTool”对话框中单击“Close”按钮。

10）保存ANSYS数据库到文件beammesh.db。

①选择Utility Menu＞File＞Save as。

②输入文件名：beammesh.db。

③单击“OK”按钮，保存文件并退出对话框。

这次用beammesh.db表示已经划分网格后的文件名存储数据库。

11）施加载荷及约束。

①选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes。

②拾取最左边的节点。

③在拾取对话框中单击“OK”按钮。

④选择“All DOF”选项。

⑤单击“OK”按钮（如果不输入任何值，位移约束默认为0）。

图8-28所示为将左边节点全部约束的情况。

⑥选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Nodes。

⑦拾取最右边的节点。

⑧在选取对话框中单击“OK”按钮。

⑨选择“FY”选项。

⑩在“VALUE”文本框中输入“-4000”。

（11）单击“OK”按钮。

图8-28 左边节点全部约束

12）保存数据库文件到beamload.db。

①选择Utility Menu＞File＞Save as。

②输入文件名beamload.db。

③单击“OK”按钮，保存文件并关闭对话框。

13）进行求解。

①选择Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS。

②查看状态窗口中的信息，然后选择File＞Close。

信息窗口如图8-29所示，它显示了一些建模类型、载荷步、计算输出设置等信息。计算时，以方便用户确认检查，一般情况下，可以直接关闭它。

③单击“OK”按钮开始计算。

④当出现“Solution is done！”信息提示窗口后，单击“OK”按钮关闭此窗口。

选择求解后，求解器将对一端固支，另一端施加向下力的悬壁梁问题进行求解。由于这个问题规模很小，使用任何求解器都能很快得到结果，这里使用默认的波前求解器进行求解。

图8-29 信息窗口

14）进入通用后处理读取分析结果。

选择Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞First Set。

后处理用于通过图形或列表方式显示分析结果。通用后处理（POST1）用于观察指定载荷步的整个模型的结果。本问题只有一个载荷步。

15）图形显示变形。

①选择Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Deformed Shape。

②在对话框中选择“Def+undeformed”选项。

③单击“OK”按钮。

如图8-30所示，梁变形前后的图形都将显示出来，以便进行对比。

图8-30 梁变形前后的图形对比

注意：由于力P对结构引起A点的变形，变形值在图形的左边标记为“DMX”，可以将此结果与手算的结果进行对比：

根据弹性梁理论，A点的变形值

由此可见，两个结果是一致的。

16）（可选）列出反作用力。

①选择Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Reaction Solu。

②单击“OK”按钮，列出所有项目，并关闭对话框。

③看完结果后，选择File＞Close，关闭窗口。

反力结果显示如图8-31所示。

17）退出ANSYS。

①单击工具条Quit。

②选择“Quit-No Save！”选项。

③单击“OK”按钮。

注意保存退出的时候，有如下选项：Save Geom+Loads，Save Geo+Ld+Solu，Save Everything（即保存所有项目），或Quit-No Save！用户根据需要慎重选择保存方式。

这样，通过上述两个有限元实例的分析求解，让用户对ANSYS有了一个初步的认识。

图8-31 反力结果显示