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ANSYS 框架问题计算实例


框架问题及梁板复合计算
首先要选择分析所用的单元类型。 在本次分析中, 我们将用到在土木工程中最常用的两 种单元: 三维梁单元 Beam 188 和三维壳单元 Shell 63。 一般结构中梁柱可以用梁单元模拟, 而剪力墙和楼板则可以用壳单元模拟。ANSYS 提供了多种梁单元,其中 Beam 188 单元的 好处是可以很方便的定义各种土木工程常用构件截面形式,并可以很方

便的在 GUI 截面中 显示出来,因此比较受欢迎。

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首先在 ANSYS 提供的上百个单元中按类别选择梁单元 Beam 188

以及壳单元 Shell 63

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定义完单元类型后,下面就要定义单元的一些几何属性。我们首先来定义壳单元。进入 ANSYS 主菜单的第二项,Real Constants,选择 Add/Edit/Delete, 进入实参数定义窗口,选 择 Add 按钮添加实参数,并指定该实参数和 Shell 63 单元相关。

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在实参数窗口中输入壳单元的厚度,在本算例中,壳单元用作楼板,厚度为 150mm。 需要说明的是,在有限元软件中,一般都不限制参数的单位制,使用者需要根据具体问题选 择统一的单位制。比如对于本问题采用的就是 N-mm 单位制。

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选择材料窗口中 Material 菜单,选择 New Material,材料编号为 2,输入混凝土的弹性 模量和泊松比,分别为 30×103N/mm2 和 0.2。

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下面进入 ANSYS 的主菜单的第四个选项,输入截面信息。我们要定义的梁单元截面为 工字型截面。首先定义柱子,设定截面编号(ID)为 1,截面类型选择为工形,按图中提示参 数依次输入翼緣宽度,腹板高度,翼緣厚度和腹板厚度。需要注意的是,ANSYS 这里还要 求输入梁单元轴线在截面上的位置。对于柱子,我们设定轴线在梁截面中心,即选择 Offset to “Centroid”

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完 成 截 面 信 息 定 义 后 就 可 以 开 始 建 模 操 作 。 首 先 我 们 通 过 ANSYS 主 菜 单 Preprocessor->Modeling->Create->Keypoint 选择建立关键点。需要说明的是,ANSYS 建模几 何拓扑关系严格遵守点(Keypoint)-线(Line)-面(Area)-体(Volumn)这样的规律,所以我们 先从点开始建立模型。 选择点的输入方式为当前坐标系(In Active CS),第一个关键点的编号为 1,坐标 0,0, 0。

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下 面 我 们 要 生 成 X 方 向 的 柱 网 。 在 ANSYS 主 菜 单 中 选 择 复 制 (Preprocessor->Modeling->Copy) 。复制的对象为 Keypoints,从弹出菜单中选择刚才建立的 关键点。

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这时屏幕显示如下,由于关键点 5(即 5000000mm 位置的点)距离太远,我们看不清 其他关键点,所以我们选择 Pan-Zoom-Rotate 按钮,用 Pan-Zoom-Rotate 提供的 Box Zoom 功能放大原点附近的区域。

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下一步将把柱网关键点 1-4 向上(Z 轴方向)复制 3000mm,生成柱子顶部。同样选择 复制关键点,这时也可以用 Box 工具来选择关键点。

输入复制的距离,为 Z 方向 3000mm。

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复制完成后点击 Pan-Zoom-Rotate 窗口中的 Iso 按钮,就可以看到三维空间中这些关键 点的布置。

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建立完关键点后下一步就要建立线。选择 Create 菜单中的 Lines 选项,输入线的形式为 直线。点选相应关键点,生成直线。

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将刚才生成的柱网关键点相连,得到 4 根柱子轴线如图

复制这些轴线,选择 Copy->Lines,选择刚才生成的柱子

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进入 Copy Lines 窗口,输入复制成 3 份,间距 4000mm。

得到柱子布置如图。

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同样方法,选择 ANSYS 主菜单 Preprocessor->Modeling-> Create-> Lines-> Lines-> Straight Lines 将柱顶相连生成梁

同样, 梁单元也需要定位关键点, 将位于原点处的关键点 1 复制到 Z 轴 3000000mm 处。

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最 后 生 成 楼 板 , 进 入 ANSYS 顶 部 菜 单 Plot->Lines , 选 择 ANSYS 菜 单 中 Create->Areas->Arbitrary->By Lines,即通过线来生成楼板(相应的几何形体为面) 。

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选择相应的直线,建立面

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建立完楼板后,几何建模工作完成,下面需要给刚才建立的几何体赋予物理属性。首先 设定梁柱单元。进入 Meshing 菜单,选择 Mesh Attribution,选定所有表示柱子的直线。

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设定其材料属性为 1(钢材) ,因为刚才没有设定和梁单元相关的实参数,所以可以任 意选择,单元类型为 Beam188。截面类型为 1。这里尤其需要注意的是,要输入截面方向控 制关键点。

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我们知道, 空间梁单元除了轴线方向以外, 还需要一个矢量来定义其截面弯曲的主轴方 向。ANSYS 中对 Beam 188 采用了“截面方向控制点”的方法来定义截面主轴方向,即: 除了输入单元的两个端点以外, 还需要输入一个附加的节点或者关键点。 这个附加节点或者 关键点和梁单元的起始节点构成一个矢量,这个矢量就是梁单元的法线方向。因此,在前面 建模工作中,我们在 X 方向很远的地方建立一个关键点,目的就是让柱子的主轴方向和 X 轴方向一致。 在 plot 菜单中选择绘制关键点。得到关键点分布如图

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选择刚才建立的在 X 方向很远的关键点,作为柱子的方向控制点。

再到 Plot 菜单中选择绘制 Lines,

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同样选择代表梁的直线

设定梁的属性,与柱子一样,只是截面属性编号为 2。

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基于同样原因,选择 Z 方向很远的那个关键点作为梁的方向控制点,即梁的主轴方 向是 Z 轴方向。

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最后,给所有的面设定属性,其材料属性为 2(混凝土) ,实参数为 1,单元类型为 Shell 63。由于截面属性和壳单元无关,所以可以任意输入。

完成几何体的属性赋值后就可以进行网格划分。选择 Meshtool 工具。

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首先要设定有限元网格划分的密度。 一般可以通过 Lines 的分段数来控制。 选择 Meshtool 窗口的 Lines->Set 按钮。然后选择所有代表柱子的线。

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给线设定网格密度的方法有两种,一种是设定分段数,一种是设定每段的长度。对于柱 子,我们设定其分段数为 5。

得到下图

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而 对 于 代 表 梁 单 元 的 直线 , 我 们 设 定 其 分 段 方式 为 分 段 得 到 单 元 的 最大 长 度 为 2000mm。

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得到最后的分段情况如图。

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下面开始划分网格,首先对线进行网格划分,选择 mesh 的对象为 Lines,选择所有的 线,

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划分得到有限元分析所用的单元

但是这些单元看不出其形状和方向。ANSYS 提供了很好的前处理人机界面。通过选 择菜单 Plot Ctrl->Style->Size and Shape 菜单选项

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设定 Display of element 为 ON

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ANSYS 就会绘出相应单元的空间形状和位置。

将梁柱结点附近单元放大

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再次在 Meshtools 中选择网格划分对象为 Area,选中所有的面进行网格划分,

得到楼板单元如图

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前面提到, 对于梁单元, 我们定义其截面的时候设定截面的 Offset 为(0,500)即为其顶面, 这和实际结构中梁顶面位于楼板以下的情况是一致的。 如果将截面的 Offset 和柱子一样设定 为“Centroid” ,就会发现,梁和楼板的相对位置发生了变化,如图所示。

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下 面 开 始 输 入 荷 载 和 支 座 条 件 , 首 先 输 入 支 座 。 选 择 ANSYS 菜 单 中 的 Define Load->Apply->Structural->Displacement->On Keypoints 选项,选择所有的柱脚关键点。

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设定这些关键点的位移全部被约束住(All DOF)

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得到荷载表示如图

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添加完荷载和支座条件后就可以计算了,在 ANSYS 主菜单 Solution 模块选择 Solve 菜 单,选择分析的对象为当前荷载步 Current Load Step (LS),会弹出一个文本窗口简要介绍当 前分析对象的主要参数。

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得到结构变形图如下

选择 Pan-Zoom-Rotate 窗口, 选择当前视图为 Bot 视图, 得到结构变形平面内视图如下。

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