懸臂梁的橫向扭轉(zhuǎn)屈曲例題

1、7.6 橫向扭轉(zhuǎn)屈曲分析實(shí)例(GUI方式) 可以用 BEAM188 和 BEAM189 單元來(lái)模擬直梁的彎曲和剪切，也可以模擬梁的橫向扭轉(zhuǎn)屈曲。為了建立這一模型，需要建立足夠密的梁?jiǎn)卧W(wǎng)格。典型地，需要用一系列的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬一根直梁。如圖7-4 所示。 圖7-4 懸臂梁的橫向扭轉(zhuǎn)屈曲懸臂梁的橫向扭轉(zhuǎn)屈曲，用60個(gè) BEAM188 單元模擬(通過(guò)/ESHAPE 顯示) ANSYS Structural Analysis Guide§7 詳細(xì)敘述了屈曲分析。本例分析懸臂梁在末端承受橫向載荷時(shí)的行為。 7.6.1 問(wèn)題描述 一根直的細(xì)長(zhǎng)懸臂梁，一端固定一端自由。在自由端施加載荷。本模型做特

2、征值屈曲分析，并進(jìn)行非線性載荷和變形研究。研究目標(biāo)為確定梁發(fā)生支點(diǎn)失穩(wěn)(標(biāo)志為側(cè)向的大位移)的臨界載荷。參見(jiàn)圖7-5。 7.6.2 問(wèn)題特性參數(shù) 材料特性：楊氏模量=1.0X10e4 psi；泊松比=0.0。幾何特性：L=100 in；H=5 in；B=2 in。載荷為：P=1 lb。 7.6.3 草圖圖7-5 梁的變形 7.6.4 特征值屈曲和非線性破壞分析 特征值屈曲分析是線性分析，通常僅適用于彈性結(jié)構(gòu)。通常在小于特征值屈曲分析得到的臨界載荷之前發(fā)生材料屈服。這種分析比完全非線性屈曲分析所需的求解時(shí)間要少。 用戶還可以用弧長(zhǎng)法做非線性載荷-位移研究，這時(shí)用弧長(zhǎng)法確定臨界載荷。對(duì)于更一般的情

3、況，需要進(jìn)行破壞分析。 模型有缺陷時(shí)，必須做非線性破壞分析，因?yàn)橥昝滥Ｐ筒粫?huì)表現(xiàn)出顯著的屈曲?？梢酝ㄟ^(guò)使用特征值分析得到的特征向量，來(lái)加入缺陷。求得的特征向量是對(duì)實(shí)際屈曲模態(tài)最接近的預(yù)測(cè)。添加的缺陷與梁的典型厚度相比，應(yīng)為小量。缺陷刪除了載荷-位移曲線的突變部分。通常情況下，缺陷最大值為梁厚度的1%10%。UPGEOM 命令在前一步分析的基礎(chǔ)上添加位移，并把幾何形狀更新到變形后的形狀。 7.6.5 設(shè)置分析名稱和定義模型的幾何實(shí)體 1、選擇菜單“Utility Menu>File>Change Title”。 2、輸入“Lateral Torsional Buckling Anal

4、ysis”并單擊OK。 3、定義關(guān)鍵點(diǎn)。選擇“Main Menu>Preprocessor> -Modeling- Create>Keypoints> In Active CS”，輸入下表所示的關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)和坐標(biāo)： 關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)按這個(gè)按鈕接受1000Apply2100.000Apply35050OK 4、在關(guān)鍵點(diǎn)1和2之間建立直線。選擇Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight Line，出現(xiàn)“Create Straight Line picker”窗口，在

5、圖形窗口中拾取關(guān)鍵點(diǎn)1和2，然后按“OK”。 5、保存模型。選擇Utility Menu>File>Save As。將文件名存為“buckle.DB”，并單擊OK。 7.6.6 定義單元類型和橫截面信息 1、選擇“Main Menu>Preferences”，單擊“Structural”檢查框。按“OK”。 2、選擇“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”。出現(xiàn)“Element Types”對(duì)話框。 3、單擊“Add.”。出現(xiàn)“Library of Element Types ”對(duì)話框。 4、

6、在左列選擇“Structural Beam”。 5、在右列選擇“3D finite strain, 3 node 189”以選中 BEAM189。 7、定義梁的矩形截面。選擇“Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects”。出現(xiàn)“BeamTool ”對(duì)話框。缺省時(shí) ANSYS 將截面號(hào)設(shè)置為1，將子類型設(shè)置為 RECT (在子類型處圖示一個(gè)矩形)。因?yàn)槭蔷匦螜M截面，在子類型處不需要修改。 8、在“BeamTool”對(duì)話框的底部，可以看到橫截面形狀和尺寸的圖示。在B標(biāo)志的部分輸入 0.2 作為橫截面的寬度；在 H 標(biāo)志的部

7、分輸入 5.0 作為橫截面的高度。按“OK”。 9、通過(guò)“BeamTool”對(duì)話框顯示當(dāng)前截面特性。按“Preview ”。在圖形窗口顯示截面圖和數(shù)據(jù)匯總。按“Meshview”查看截面網(wǎng)格。按“Close”。7.6.7 定義材料特性和定位節(jié)點(diǎn) 1、選擇“Main Menu>Preprocessor> Material Props>Material Models”。出現(xiàn)“Define Material Model Behavior”對(duì)話框。 2、在“Material Models Available”窗口右側(cè)，雙擊“Structural->Linear-> Ela

8、stic->Isotropic”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框。 3、輸入彈性模量 EX=1.0E4。 4、輸入 PRXY=0.0，并按“OK”?，F(xiàn)在左側(cè)出現(xiàn)“Material Model Number 1”。 5、選擇“Material>Exit”。 6、選擇“Utility Menu>Plot>Lines”重新畫線。 7、選擇線，定義線的定向?qū)傩?。選擇“Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define> Picked Lines.”。出現(xiàn)“Line Attributes”拾取框。在圖形窗口選擇線，然后在“Line Attribu

9、tes”中按“Apply ”。 8、出現(xiàn)“Line Attributes”對(duì)話框。缺省時(shí)，ANSYS 將材料特性指向1，將單元類型號(hào)指向1，并將截面特性號(hào)指向1。按“Pick Orientation Keypoint(s)”邊的單選框，使它為“YES”，然后按“OK”。 9、再次出現(xiàn)“Line Attributes”對(duì)話框。在 ANSYS 圖形窗口輸入3， 并按回車。最后在對(duì)話框中按“OK”。 10、存儲(chǔ)模型。選擇“Utility Menu>File>Save As”。如還未保存為“buckle.db”，則選擇之。如果已經(jīng)存在“buckle.db”，當(dāng) ANSYS 詢問(wèn)是否覆蓋時(shí)，

10、按“OK”。 7.6.8 對(duì)線劃分網(wǎng)格并確認(rèn)梁的定位 1、定義網(wǎng)格尺寸和分段數(shù)。選擇“Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Lines-All Lines”。在“No. of Element Divisions”中輸入10，按“OK”。 2、對(duì)線劃分網(wǎng)格。選擇“Main Menu>Preprocessor>MeshTool”。在MeshTool中按“MESH”，出現(xiàn)“Mesh Lines picker”對(duì)話框。在圖形窗口選擇線。然后在對(duì)話框中按“OK”。最后在MeshTool中按“Close ”。 3、旋轉(zhuǎn)劃分好

11、網(wǎng)格的線。選擇“Utility Menu>PlotCtrls>Pan Zoom,Rotate”。出現(xiàn)“Pan,Zoom,Rotate”對(duì)話框。選擇 ISO 并按“Close”。圖形窗口中梁將旋轉(zhuǎn)。 4、確認(rèn)梁的定位。選擇“Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size & Shape”。選擇 /ESHAPE 旁邊的單選按鈕使之打開(kāi)，并按“OK”。 7.6.9 定義邊界條件 1、定義固定端的邊界條件。選擇“Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement&g

12、t;On Keypoints”。出現(xiàn)“Apply U,ROT on KPs”對(duì)話框。 2、定義關(guān)鍵點(diǎn)1為固定端。在 ANSYS 輸入窗口，輸入1并按回車，然后按“OK”。出現(xiàn)“Apply U,ROT on KPs”。 3、選擇“All DOF”，然后按“OK”。在 ANSYS 圖形窗口將顯示關(guān)鍵點(diǎn)1的邊界條件。 4、在自由端施加集中力。選擇“Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Force/Moment>On Keypoints”。出現(xiàn)“Apply F/M on KPs”對(duì)話框。 5、定義關(guān)鍵點(diǎn)2為自由端。在 ANSYS

13、 輸入窗口，輸入2并按回車，然后在“Apply F/M on KPs”對(duì)話框按“OK”。出現(xiàn)“Apply F/M on KPs”對(duì)話框。 6、在“Direction of Force/Mom”框中選擇“FY”。 7、輸入1并按“OK”。在 ANSYS 圖形窗口將在關(guān)鍵點(diǎn)2顯示集中力標(biāo)志。 8、存儲(chǔ)模型。選擇“Utility Menu>File>Save As”。如還未保存為“buckle.db”，則選擇之。如果已經(jīng)存在“buckle.db”，當(dāng) ANSYS 詢問(wèn)是否覆蓋時(shí)，按“OK”。 7.6.10 進(jìn)行特征值屈曲分析 1、設(shè)置分析選項(xiàng)。選擇“Main Menu>Soluti

14、on>Analysis Options”。出現(xiàn)“Static or Steady-State Analysis”對(duì)話框。 2、應(yīng)用sparse求解器求解。在“Static or Steady-State Analysis”對(duì)話框中，確定選擇“Sparse solver”。 3、包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，存儲(chǔ)起來(lái)在后續(xù)的特征值屈曲分析中使用。在“Stress stiffness or prestress”下拉框中，選擇“Prestress ON”。按“OK”關(guān)閉對(duì)話框。 4、選擇“Main Menu>Solution>-Solve-Current LS”。瀏覽 /STAT命令窗口中的內(nèi)容

15、，然后從菜單選擇“Close”。最后在“Solve Current Load Step”中按“OK”，開(kāi)始求解。 5、當(dāng)“Solution is Done!”窗口出現(xiàn)時(shí)，按“Close”關(guān)閉窗口。 6、選擇“Main Menu>Finish”。 7、選擇“Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis”。 8、選擇“Eigen Buckling”選項(xiàng)，然后按“OK”。 9、選擇“Main Menu>Solution>Analysis Options”。出現(xiàn)“Eigenvalue Buckling Options”對(duì)話框

16、。選擇“Block Lanczos”方法。在“No. of modes to extract”框中輸入4，然后按“OK”。 10、設(shè)置MXPAND命令的單元計(jì)算選項(xiàng)。選擇“Main Menu>Solution>-Load Step Opts-ExpansionPass>Expand Modes”。 11、在“Expand Modes ”對(duì)話框中，在“No. of modes to expand”中輸入4，將“Calculate elem results”框由 No 改為 Yes，然后按“OK”。 12、選擇“Main Menu>Solution>-Solve-Cu

17、rrent LS”。瀏覽 /STAT命令窗口中的內(nèi)容，然后從菜單選擇“Close”。最后在“Solve Current Load Step”中按“OK”，開(kāi)始求解。 13、當(dāng)“Solution is Done!”窗口出現(xiàn)時(shí)，按“Close”關(guān)閉窗口。 14、選擇“Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size & Shape”。確認(rèn)在“Display of element shapes. (/ESHAPE )”旁邊的單選框?yàn)?ON，然后按“OK”。 15、顯示求解結(jié)果。選擇“Main Menu>General Postproc>Resu

18、lts Summary”。當(dāng)查看結(jié)果完畢后，按“Close”關(guān)閉窗口。 16、選擇“Main Menu>General Postproc>List Results>-Read Results->First Set”。 17、繪出梁的第一個(gè)模態(tài)。選擇“Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape”。出現(xiàn)“Plot Deformed Shape”對(duì)話框。選擇“Def+undef edge”并按“OK”。 18、選擇“Main Menu>Finish”。 7.6.11 作非線性屈曲分析求解

19、 1、引入前面分析中得到的模型缺陷計(jì)算結(jié)果。選擇“Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Update Geom”。在“Update nodes using results file displacements”對(duì)話框中，在“Scaling Factor”框輸入 0.002，在“l(fā)oad step”框輸入1，在“Substep”框輸入1，在“Selection”框輸入 file.rst。按“OK”。 2、選擇“Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis”。 3、選擇“Static”選項(xiàng)，按“OK

20、”。 4、選擇“Main Menu>Solution>-Load Step Opts- Output Ctrls>DB/Results File”，并確認(rèn)選擇了“All Items”和“All entities”選項(xiàng)，然后按“OK”。 5、選擇“Main Menu>Solution>Analysis Options”。設(shè)置“Large deform effects”為 ON。然后按“OK”。 6、設(shè)定arc-length方法和終止求解參數(shù)。選擇“Main Menu>Solution>Load Step Opts>Nonlinear>Arc-

21、Length Opts”。設(shè)定“Arc-length方法”為 ON。選擇“Lab”后面的下拉框并選擇“Displacement lim”。在“Max desired U”中輸入1.0。在“Node number for VAL”輸入2。選擇“Degree of freedom”后面的下拉框并選擇“UZ”。然后按“OK”。 7、定義本載荷步的子步數(shù)。選擇“Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substeps”。輸入子步數(shù) 10,000，并按“OK”。 8、求解當(dāng)前模型。選擇“Main Menu>

22、;Solution>-Solve-Current LS”。瀏覽 /STAT命令窗口中的內(nèi)容，然后從菜單中選擇“Close”。最后在“Solve Current Load Step”按“OK”開(kāi)始求解。同時(shí)將出現(xiàn)“Nonlinear Solution”對(duì)話框，其中有一個(gè)“STOP”按鈕。還將出現(xiàn)收斂圖，可能要幾分鐘才能完成。 9、可能回出現(xiàn)一個(gè)警告信息，用戶應(yīng)該檢查其中的內(nèi)容，但不必關(guān)閉它。等到求接完成，出現(xiàn)“Solution is Done!”窗口時(shí)，在其中按“Close”關(guān)閉窗口。 10、選擇“Main Menu>Finish”。7.6.12 顯示和檢查結(jié)果 1、重畫梁網(wǎng)格。選擇

23、“Utility Menu>Plot>Elements”。 2、定義要從結(jié)果文件中讀出的載荷點(diǎn)位移。選擇“Main Menu>TimeHist Postpro>Define Variables”。當(dāng)出現(xiàn)“Defined Time-History Variables”對(duì)話框時(shí)，按“OK”。 3、當(dāng)出現(xiàn)“Add Time-History Variable”窗口時(shí)，確認(rèn)“Nodal DOF result”選項(xiàng)選中，然后按“OK”。 4、出現(xiàn)“Define Nodal Data”拾取框。在圖形窗口，選擇節(jié)點(diǎn)2(梁的右端節(jié)點(diǎn))并按“OK”。 5、出現(xiàn)“Define Nodal D

24、ata”對(duì)話框。確認(rèn)“Ref number of variable”和“Node number”都設(shè)置為2。在“User-specified Label”框中輸入 TIPLATDI。選擇“Translation UZ”，并按“OK”。 6、定義從結(jié)果文件中讀出的總支反力。在“Define Time-History Variables”窗口選擇“Add”。 7、當(dāng)“Add Time-History Variable”窗口出現(xiàn)時(shí)，選擇“Reaction forces”單選按鈕，并按“OK”。 8、出現(xiàn)“Define Nodal Data”拾取框。拾取梁的左端節(jié)點(diǎn)1，并按“OK”。 9、出現(xiàn)“Define Reaction Force Variable”窗口