07-門式框架梁的鉸接處理及靜力分析算例來源：《ANSYSWorkbench有限元分析實例詳解》（周炬、蘇金英著）算例制作：孟志華算例校核：關(guān)鍵詞：框架、梁單元、鉸接、自由度釋放、靜力分析、Beam188摘要本算例對一個門式框架的梁幾何模型，進行靜力分析，支架結(jié)構(gòu)被簡化為梁結(jié)構(gòu)，采用了Beam188單元。本算例可以學習掌握ANSYS中梁模型的網(wǎng)格劃分、荷載施加，以及梁單元的后處理方法。特別地，對于工程中常見的兩個梁節(jié)點鉸接的連接形式，算例中采用了“梁端節(jié)點自由度釋放”的操作來實現(xiàn)。本例題是ANSYS中梁單元結(jié)構(gòu)分析及后處理的基本例題，是梁結(jié)構(gòu)分析的入門題目。案例描述本算例對一個支架結(jié)構(gòu)進行靜力分析，支架結(jié)構(gòu)被簡化為梁結(jié)構(gòu)。梁結(jié)構(gòu)上作用有頂部的均布力，門架兩個柱的底部節(jié)點固定。門架梁的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖，門架的柱和梁，在一側(cè)為固接形式、另一側(cè)為鉸接形式。柱和梁的橫截面均為圓管截面，材料使用ANSYS自帶的鋼材料3.1打開ANSYSWorkbench，打開Mechanical靜力分析模塊。（1） 首先啟動ANSYSWorkbench環(huán)境。然后通過【File】菜單或快捷按鈕，導入已有的“梁支架.wbpj”文件。文件已經(jīng)提供了梁的幾何模型和橫截面信息，并且梁的連接節(jié)點已經(jīng)做了“共享拓撲”處理。（2） 在Workbench環(huán)境的起始界面下，在項目視窗【ProjectSchematic】中，已經(jīng)創(chuàng)建了一個靜力分析過程項目A。在項目A中，雙擊【Model】（也有使用鼠標右鍵彈出菜單），即可打開Mechanical模塊，在該模塊內(nèi)進行網(wǎng)格劃分、荷載施加、求解計算、后處理。提示：ANSYS已經(jīng)提供了靜力分析、模態(tài)分析、熱分析等分析流程的工具箱，工程師可根據(jù)工程需要，拖動所需流程模板放置到項目流程的視窗中。本例題使用的靜力分析流程，從上至下包含了工程材料數(shù)據(jù)、幾何建模、有限元模型、分析工況設(shè)置、求解計算、后處理等步驟，可分別打開不同的模塊來完成不同的操作。3.2.進入Mechanical，進行幾何和截面檢查及材料設(shè)置（1）導入的幾何模型檢查確認：在左側(cè)目錄樹【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，該目錄下為所有導入的幾何模型。此處僅有一個“橫梁”零件，因為在Spaceclaim建模時使用了“共享拓撲”的設(shè)置，三根梁通過共節(jié)點連接并且材料、截面屬性一致，因此直接被自動合并為一個零件。打開梁截面的顯示開關(guān)：在頂部菜單欄，點開【View】菜單，并勾選“Crosssectionsolids”選項，此時，梁的顯示將不再是線條，而是圓管截面的形狀。提示：打開“Crosssectionsolids”選項開關(guān)，對于梁模型，將顯示出梁的橫截面，對于殼模型，將顯示殼的厚度。若梁的角鋼布置不符合實際工程，應(yīng)返回到Spaceclaim模塊中重新用“定向”工具來調(diào)整橫截面的布置方向。3.2.進入Mechanical，進行幾何和截面檢查及材料設(shè)置（續(xù)）給梁模型賦予材料：在左側(cè)目錄樹【Outline】下依次找到【Project】-【Model】-【Geometry】，左鍵點中“surfacebody”幾何模型，此時在界面左下角的【Detail】細節(jié)設(shè)置面板中可為單個零件賦予材料或更多設(shè)置。找到細節(jié)設(shè)置面板下的【Material】-【Assignment】，檢查是否設(shè)為系統(tǒng)缺省提供的材料structuralsteel。3.3.修改右邊柱-梁的連接形式，改為“鉸接”對于工程中常見的兩個梁節(jié)點鉸接的連接形式，本例題采用了“梁端節(jié)點自由度釋放”的方法來實現(xiàn)，即將一個共享節(jié)點修改為靠1-6個自由度耦合連接的兩個節(jié)點。操作方法如下：（1） 在GUI界面左側(cè)目錄樹下，找到【Connection】，對其點鼠標右鍵彈出菜單，插入一個【EndRelease】操作。提示：在ANSYS的有限元分析過程中，各個零部件的連接關(guān)系定義和操作修改，均提供過該目錄樹【Connection】下的彈出菜單添加。包括接觸關(guān)系、運動副關(guān)系、彈簧連接、梁桿連接等。3.3.修改右邊柱-梁的連接形式，改為“鉸接”（續(xù)）（2） 在【Endrelease】對應(yīng)的下方細節(jié)設(shè)置面板中，在【VertexGeomtry】，先選中右上角柱-梁連接的節(jié)點，Apply確認，即選該點為鉸接點；再在【EdgeGeomtry】選中右邊的柱，點Apply確認。然后再設(shè)置【RotY】項為Free。即釋放鉸接點的Y方向轉(zhuǎn)動自由度，讓柱和梁的共享節(jié)點可以發(fā)生轉(zhuǎn)動。3.4.進行網(wǎng)格劃分（1） 完成網(wǎng)格劃分：本例題采用系統(tǒng)默認的網(wǎng)格尺寸即可。因此，直接在左側(cè)目錄樹【Outline】-【Mesh】上鼠標右鍵點擊，彈出菜單中選擇GenerateMesh，即可完成網(wǎng)格劃分。劃分完成后，可以在【Mesh】相關(guān)的細節(jié)設(shè)置面板中，在【Statistics】中看到節(jié)點數(shù)為74，單元數(shù)為36。3.5.施加荷載及約束邊界條件（1） 施加集中力荷載：在目錄樹【Outline】-【StaticStructural】靜力分析工況位置，鼠標右鍵點擊，在彈出菜單中使用【Insert】-【Force】集中力。然后在該集中力的下方細節(jié)設(shè)置面板中，設(shè)置加載位置、方向、數(shù)值。具體操作是，第一步，在細節(jié)設(shè)置面板中的【Geometry】，選中頂部橫梁“線段”作為加載部位，并點擊Apply確認。第二步，點擊面板中的【Direction】，選擇左邊垂直的梁線段，并點擊Apply確認。最后，在面板中的【Magnitude】輸入10000N（注意在視窗中檢查力的方向是向下的）。提示：在ANSYSWorkbench環(huán)境下，載荷類型【Force】的用途很多且非常方便，可以加傳統(tǒng)意義的“集中力”（只能作用在點上），也可以加“分布力”（可以作用在面或線上）。在加“分布力”時，【Force】輸入的是作用在面/線上的總作用力數(shù)值，【Pressure】則是輸入單位面積上的作用力。3.5.施加荷載載及約束束邊界條件件（續(xù)））（2） 施加加固定約約束：在在目錄樹樹【Outline】-【StaticStructural】靜力分析析工況位位置，鼠鼠標右鍵鍵點擊，，在彈出出菜單中中使用【Insert】-【【FixedSupport】，即固定定約束。。然后在在該固定定約束的的下方細細節(jié)設(shè)置置面板中中，在【Geometry】】位置指定定約束的的部位，，即選中中結(jié)構(gòu)的的左下角角、右下下角兩個個端點，，并點擊擊Apply確認。提示：選選擇梁端端點時，，建議使使用頂部部快捷工工具欄的的選擇工工具，即即在點、、線、面面、體中中切換為為“點””進行選選擇操作作。3.6.靜力分析析求解本例題雖雖然使用用了梁模模型，但但仍為常常規(guī)的靜靜力、線線性問題題，因此此無需進進行更多多的求解解控制。。在左邊邊目錄樹樹【Outlines】】-【StaticStructural】或者【Solution】】位置，點點鼠標右右鍵，彈彈出菜單單選Solve，進行求求解。提示：特特別注意意，在計計算完成成后，可可以找到到左邊目目錄樹【【Outlines】-【StaticStructural】-【Solution】，左鍵鍵點擊并并在對應(yīng)應(yīng)的額下下方細節(jié)節(jié)設(shè)置面面板中，，將【BeamSectionResults】選項設(shè)設(shè)置為““Yes”。該操操作，是是將在后后處理中中提供梁梁單元截截面的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變變結(jié)果，，默認為為No，即不提提供截面面的應(yīng)力力應(yīng)變結(jié)結(jié)果以加加快顯示示速度。。3.7.應(yīng)力/位移結(jié)果果后處理理（1） 插入入并查看看VonMises應(yīng)力結(jié)果果：計算算完成后后，在左左側(cè)目錄錄樹【outline】-【Solution】位置，鼠鼠標右鍵鍵，彈出出菜單，，選擇-【insert】-【stress】-【Equivalentstress/Von-mises】，即可在在Solution欄下插入入一個Von-mises應(yīng)力的結(jié)結(jié)果。然然后繼續(xù)續(xù)在左側(cè)側(cè)目錄樹樹【outline】-【Solution】上用鼠標右右鍵彈出菜菜單，選擇擇EvaluateResults，完成結(jié)果果文件的數(shù)數(shù)據(jù)導入和和圖形顯示示。在本例題中中，Von-miese應(yīng)力最大值值為1139Mpa，位置在橫橫梁跨中偏偏右。3.7.應(yīng)力/位移結(jié)果后處理（續(xù)續(xù)）（2） 插入并并查看位移移結(jié)果：同同理，在后后處理的彈彈出菜單中中，選擇-【insert】】-【Deformation】-【【Total】，即可插入入一個結(jié)構(gòu)構(gòu)總位移的的結(jié)果。然然后繼續(xù)在在左側(cè)目錄錄樹【outline】】-【Solution】上用鼠標右右鍵彈出菜菜單，選擇擇EvaluateResults，完成結(jié)果果文件的數(shù)數(shù)據(jù)導入和和圖形顯示示。該例題的結(jié)結(jié)構(gòu)總位移移，即X、Y、Z三方向的位位移矢量和和，為1.23mm。3.8.彎矩圖剪力力圖后處理理在之之前前的的梁梁模模型型后后處處理理的的例例題題中中，，已已經(jīng)經(jīng)學學習習過過彎彎矩矩圖圖、、剪剪力力圖圖、、軸軸力力圖圖的的生生成成方方法法。。這這里里將將學學習習另另一一種種顯顯示示彎彎矩矩圖圖、、剪剪力力圖圖、、軸軸力力圖圖的的方方法法。。（1） 在GUI界面左側(cè)的目目錄樹中，找找到【Project】-【【Model】，并在其上鼠鼠標右鍵點擊擊，彈出菜單單，添加一個個【ConstructionGeometry】，以用于一些些特殊的應(yīng)用用。（2）繼續(xù)鼠標右鍵點擊擊【ConstructionGeometry】，即在該目目錄下添加一一個【Path】路徑。該路路徑將用于創(chuàng)創(chuàng)建整個門架架的內(nèi)力圖。。3.8.彎矩圖剪力圖圖后處理（續(xù)））（3）在【ConstructionGeometry】-【Path】對應(yīng)的細節(jié)節(jié)設(shè)置面板中中，確保【PathType】為“Edge””，即通過已有有線段來創(chuàng)建建路徑的方法法。然后在【【Geometry】位置依次選選中門架結(jié)構(gòu)構(gòu)的三根柱-梁線段，并點點擊Apply確認。此時，，從視圖中即即可看到創(chuàng)建建的路徑起點點和終點（1-2）。提示：路徑創(chuàng)創(chuàng)建時的起點點和終點，和和線段自身的的矢量方向有有關(guān)。本題目目中線段的矢矢量方向為逆逆時針。因此此，在接下來來的彎矩圖剪剪力圖中的起起點將是“路徑的起點”。3.8.彎矩圖剪力圖圖后處理（續(xù)續(xù)）（4） 添加一個個彎矩圖、剪剪力圖的結(jié)果果：在GUI界面左側(cè)目錄錄樹中，找到到后處理相關(guān)關(guān)的【Solution】目錄，并在其其上鼠標右鍵鍵，插入一個個【insert】-【BeamResults】-【ShearMomentDiagram】】，即插入一個個剪力-彎矩圖圖結(jié)果果。（5）設(shè)設(shè)置““剪力力-彎矩圖圖”結(jié)結(jié)果的的細節(jié)節(jié)屬性性：如如下圖圖，在在【TotalShear-MomentDiagram】結(jié)果的細節(jié)節(jié)設(shè)置面板板中，在【Path】選項上設(shè)置置為剛才步步驟創(chuàng)建的的“path””。3.8.彎矩圖剪力力圖后處理理（續(xù)）（6） 鼠標右右鍵點擊目目錄樹中的的【Solution】-【TotalShear