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Beam188和三维壳单元Shell63。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Beam188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。首先在ANSYS提供的上百个单元中按类别选择梁单元Beam188以及壳单元Shell63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，RealConstants，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Shell63单元相关。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。选择材料窗口中Material菜单，选择NewMaterial，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。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Offsetto“Centroid”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(InActiveCS)，第一个关键点的编号为1，坐标0，0，0。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。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BoxZoom功能放大原点附近的区域。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。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。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。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进入CopyLines窗口，输入复制成3份，间距4000mm。得到柱子布置如图。同样方法，选择ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLines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。最后生成楼板，进入ANSYS顶部菜单Plot->Lines，选择ANSYS菜单中Create->Areas->Arbitrary->ByLines，即通过线来生成楼板（相应的几何形体为面）。选择相应的直线，建立面建立完楼板后，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MeshAttribution，选定所有表示柱子的直线。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。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Beam188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，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。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。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Shell63。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。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。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。得到最后的分段情况如图。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，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PlotCtrl->Style->SizeandShape菜单选项设定Displayofelement为ONANSYS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。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DefineLoad->Apply->Structural->Displacement->OnKeypoints选项，选择所有的柱脚关键点。设定这些关键点的位移全部被约束住(AllDOF)得到荷载表示如图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CurrentLoadStep(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。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。