ANSYS桥梁应用笔记：结构分析实例

ANSYS 桥梁应用笔记

kunf

2023/05/18

参考书籍：《Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与 实例 》张立明主编

正文：

通用程序的使用有两个重要的方面：

• 一方面是对程序的解读和熟练操作；
• 另一方面是对结构的正确认识； 后一方面更为重要，对结构的正确认识包括结构自身的特性、边界条件的确定、各类参数的取值、对结构形成过程的理解等等，这是做好结构分析的基本保证。只有程序的强大功能与对结构正确的认识和模拟相结合，才能保证分析结果的正确。

第一章 有限元 概述

第一节 有限元概述

推导实际问题的 控制 方程不是十分困难，但是要精确求解却是很复杂，此时可以采用有限差分法和变分法，如 Ritz 法和 Galerkin 法 来进行分析。

• 差分法
     
• 变分法
     

有限元法 提供了推导近似因数的系统步骤，克服了变分法的困难。

• 特点：
     

第二节 有限元理论 的历史

第三节 有限元分析基本概念

1. 位移法简介
2. 位移法典型方程和计算步骤
3. 重要方阵和矩阵
4. 有限元的解题步骤 单元剖分和插值函数确定 单元特性分析 单元组集 解有限元方程 计算内力

第二章 ANSYS 软件基本介绍

第一节 基本介绍

1. ANSYS 分析的三个主要步骤： 前处理：创建或输入几何模型，对几何模型进行网格划分 实体建模 自顶向下：用户利用高级图元直接构造几何模型。 自底向上：用户从最低级的图元向上构造模型。 网格划分 延伸划分：将一个二维网格延伸成三维网格。 映像划分：将几何模型分解成简单的几部分，选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 自由划分：对复杂模型直接划分，避免用户对各部分分别划分然后组装网格不匹配带来的麻烦。 自适应划分：生成了具有边界条件的实体模型以后，自动生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 求解：施加荷载，求解 定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载步选项，然后开始有限元求解。 结构静力分析：用来求解外荷载引起的位移、应力和力。适合求解惯性和阻尼对结构的影响不显著的问题。不仅可以进行线性分析，也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变和接触变形。 结构动力学分析：求解随时间变化的荷载对结构部件的影响。动力分析需要考虑随时间变化的力荷载以及它对阻尼和惯性的影响。包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析以及随记振动响应问题。 结构非线性分析：可求解静态和瞬态分线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性。 动力学分析：分析大型三维柔体运动。 热分析 电磁场分析 流体动力学分析 声场分析 压电分析 后处理：结果评估，检查结果的正确性。
2. ANSYS 文件管理 文件 后缀 日志文件 .log 数据库文件 .db 结果文件 .rst 、.rth 荷载步文件 .s01、.s02 物理文件 .ph1、ph2 可使用/Fdelete命令自动删除ansys分析不再需要的文件，推出文件/exit。 ​ 2023/05/19
3. ANSYS应力分析 应力分析包括：静态分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析、谱分析及显示动力学。 几何建模 主要功能：生成有限元模型，包括节点、单元和材料属性等的定义，通常先定义分析对象的几何模型。 网格划分 用节点和单元等“填充”实体模型，创建有限元模型。只有有限元求解需要节点和单元，实体模型不需要，实体模型不参与有限元求解。 三个步骤： 单元类型 实常数：用于描述由单元几何模型不能完全确定的几何形状。例如：梁单元是由链接两个节点的线来定义的，这只是定义了梁的长度，要指明梁的横截面属性，如面积和惯性矩，就要用到实常数。壳单元是由四面体或者四边形来定义的，这只定义了壳的表面积，要指明壳的厚度，必须要用实常数。许多3-D实体单元不需要实常数，因为单元几何模型已经由节点完全定义。 材料性质：弹性模量、泊松比、质量密度 材料库 单独定义 指定网格控制 生成网格 加载 加载步是在模型的某处施加荷载然后让求解器计算有限元解。 荷载分为五类： 自由度荷载：定义自由度值，诸如应力分析中的位移 集中荷载：点荷载，诸如力 表面荷载：分布在一个表面的荷载，如压力 体力荷载：体或场荷载，如温度引起热膨胀 惯性荷载：由于结构质量或者惯性引起的荷载，如重力 可以加载荷载到实体模型中或直接加到有限元模型上（节点和单元），实体模型荷载更加容易施加，因为失去的数量更少。 实体模型荷载独立于网格，如果改变网格，无需重新施加荷载。无论你怎样加载，求解器都希望荷载是加载有限元模型上的。因此在求解时加在实体模型上的荷载将自动转化到有限元模型上去。 正确施加荷载边界并求解： 位移和约束 位移和约束是用来定义模型固定的位移（零位移位置）。也可以是非零位移来设置一个已知的偏移量。选择想要施加位移的位置，用 D 命令系列 DA, DL, DK, D（面，线，关键点，节点施加约束）。位移约束也被用于施加对称或反对称边界约束。 正对称边界：面外位移和面内转角位移被约束。 反对称边界：面内位移和面外转角位移被约束。 压力 选择想施加压力的位置，用SF命令系列： SF, SFL, SFA, SFE, 正值表示压力（指向单元的表面）。对于一个 2-D模型，压力通常施加在线上，也可以通过输入 I 和 J 端同一个值来定义一个均布荷载。I 和 J 是由线的方向来定义的，如果发现坡度的方向有误，只要将两个压力数颠倒即可。 重力 采用 ACEL 命令。需要说明的是：一个正的加速度值引起反方向的运动，如果 Y 指向上，那么一个正德加速度值将引起结构向下运动，对重力和其他形式德的荷载必须定义密度。 求解 求解器计算有限单元的结果，采用SOLVE命令。 检查和验核计算数据是否准确 模型单元是否符合要求 单元类型、选项和实常数及材料特性是否准确无误。 如果有惯性荷载时需要定义密度。 在应力集中区的网格密度。 荷载的大小和方向。 热膨胀考虑温度。 求解前要运行ALLSEL命令。否则某些已经划分网格的实体而没有被选择，那么在实体模型上的荷载可以会没有传到节点或单元上。 求解前预测内存和磁盘空间，大型复杂模型（例如10万个节点，非线性问题，多工况问题，1000步以上的瞬态分析等）求解之前哟啊预测求解所需要的求解时间、内存和磁盘空间，选择合适的求解方式，使分析尽在掌握之中。 后处理 后处理是有限元分析过程中的最后一步。创建和求解时所作的假定都应和求出的结果相互关联。设计应依据结果数据，因此仔细的检查结果和检查求解的有效性都是非常必要的。ANSYS 有两个后处理器。 POST1（通用后处理器）：用来检查整个模型单一荷载步的结果。 POST26（时间历程后处理器）：用于观察模型在某一时刻的结果，主要用于瞬态和非线性分析。 通过查看变形图、应力图可以分析 ANSYS 的计算结果。下面几个操作命令需要掌握： 绘制变形图：PLDISP 绘制动画：ANDISP 绘制节点应力等值图：PLNSOL 绘制单元应力等值图：PLESOL 绘制应力云图：ANCNTR 检查求解的有效性，需要核查： 支点力是否与施加的荷载平衡？ 哪里是应力最大的位置？ 应力值是否超过弹性范围？ 网格的精度是否足够？ 解是否收敛？ ​ 2023/05/20

第二节 ANSYS 的坐标系统和单元选择问题

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