角支架的静态分析

教程1：角支架的静态分析

问题阐述

下面将要分析的是一个简单的、单一载入步骤的角支架结构静态分析的例子。该角支架左上侧的圆孔的整个圆周被约束（焊接），而其右下侧的圆孔的底部则作用有线性分布的压力载荷（见下图）。问题的目的是演示典型ANSYS的分析过程。

所给条件

角支架的尺寸见上图所示。支架是由A36钢制成，其弹性模量为30E6，泊松比为0.27。

近似与假设

本题为平面应力问题。压力载荷只作用在X-Y平面上。采用平面4节点四边形单元模拟支架。

交互式的求解过程

按照下面给出的步骤以及其所对应的具体内容，就可以完成交互式一步步的求解过程。步骤中的黑体字（字符）是需要从菜单中选择的命令。

1. 进入ANSYS

例如在D盘建立一名为xiti的文件夹，工作文件名为zhijia。然后运行

开始——>程序——>ANSYS11.0.0——> Ansys Product Launcher

→file Management →select Working Directory: D:\xiti，input job name: zhijia→Run

2．建立几何模型

2.1 定义矩形

在ANSYS中有几种创建几何模型的方法，较其它软件更

为方便。第一步首要的是确认能够简单地利用矩形和圆的组合

来构造支架。

首先确定坐标原点的位置然后根据该原点来定义矩形和

圆。原点的位置是任意的，这里用的是左上侧孔的中心。ANSYS

不需要知道原点的位置，只是简单地从定义一个矩形开始。在

ANSYS中，这个原点被称为global origin。

1． Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Rectangle

By Demensions。

2．输入X1=0（注意：使用键盘上的Tab键或用鼠标左键来实

现光标在编辑框中的切换），X2=6，Y1=-1，Y2=1。

3．按下Apply按钮创建第一个矩形。

2

3

4

5

4．再输入X1=4，X2=6，Y1=-1，Y2=-3。

5．按下OK按钮创建第二个矩形并关闭对话框。

2.2 改变绘图控制并重新绘图

经过上面的操作已经定义了两个矩形，并且是以同一种颜

色显示的两个面积。为了更清晰地显示这两个面积，在常用菜

单（Utility Menu）的图形号码控制（Plot Numbering Controls）

对话框中将面积号码复选框选中（On）。图形数量控制对话框

是用来控制图形项目在图形窗口中的显示方式的。在缺省状态

下，是处于关闭状态。在完成对话框时自动执行一个“重新绘

图（Replot）”命令，而重新绘图操作会重复上一次的绘图操作

（本例中，是一个面积）。

1．Utility Menu：Plot Ctrls

Numbering。

2． 将面积号码（Area numbers）一项后面的复选框设置为On。

3． 按下OK按钮。

2

4． Toolbar：SAVE_DB。

2.3 改变工作平面为极坐标并创建第一个圆

1． Utility Menu：PlotCtrls

Pan，Zoom，Rotate。

2． 按下小圆点按钮使图形缩小。

3． 按下Close按钮关闭对话框。

4． Utility Menu：WorkPlane

Display WorkPlane（选中）。 2

注意：工作平面原点立即在图形窗口中被

画出，并用符号WX和WY来表示；而且

是与以符号X和Y表示的球面原点相重

合。接下来的工作是将工作平面类型改为

极坐标，更改捕捉量并显示网格。

5． Utility Menu：WorkPlane

WP Settings。

6． 选中Polar选项。

7． 选中Grid and Triad选项。 3 8． 在Snap Incr后的编辑框中输入数值

0.1。

9． 按下OK按钮。

10．Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

Solid Circle。

11．在窗口中WP X和WP Y后的编辑框中分别输入数值0，或

选择图形窗口中圆形网格的中心点，这两种操作的目的都

是确定所要创建圆的圆心。

12．在Radius后的编辑框中单击鼠标左键并输入数值1作为

圆的半径。

13．按下OK按钮关闭对话框。

14．Toolbar：SAVE_DB。

6 7 8 11

12

13

9

2.4 移动工作平面并创建第二个圆

为了以同样的风格创建支架另一端的圆，首先需要将工作

平面移动到另一个圆的圆心处，最简单的方法是选择右下角矩

形底边的两个端点作为关键点，并将WP（工作平面）移动到

这两个关键点联机中点处。

1． Utility Menu：WorkPlane

Offset WP to

Keypoints。

2 3

2． 选择右下角矩形左下角的点。

3． 选择右下角矩形右下角的点。

4． 按下选择菜单的OK按钮。

5． Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

Solid Circle。

6． 在WP X和WP Y后的编辑框中分别输入数值0，或选择图

形窗口中圆形网格的中心点，确定所要创建圆的圆心。

7． 在Radius后的编辑框中单击鼠标左键并输入数值1作为圆

的半径。

8． 按下OK按钮关闭选择菜单。

9． Toolbar：SAVE_DB。

2.5 将多个面积合成为一个

1． Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Add

Areas。

2． 按下选择菜单上的Pick All按钮（选择所有待组合面积）。

3． Toolbar：SAVE_DB。

2.6 创建圆角线条

1． Utility Menu：PlotCtrls

Numbering。

2． 将“Line numbers”后的复选框选中。

3． 按下OK键，关闭对话框并自动进入重新绘图状态。

4． Utility Menu：WordPlane

Display Working Plane（关闭）。

6

6

5． Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Create

-Lines-Line Fillet。

6． 用鼠标选择L8和L17两条线。

7． 按下选择菜单上的OK键完成线条的选择。

8． 再RAD后的编辑框中输入半径值0.4。

9． 按下OK键。

10．Utility Menu：Plot

Lines。

8

9

2.7 创建圆角面积

1． Utility Menu：PlotCtrls

Pan，Zoom，Rotate。

2． 按下Zoom按钮。

3． 单击并拖动鼠标左键拖出一个矩形框（将圆角包括在内）

后再击一下鼠标左键，使的圆角部分放大显示。

4． Main Menu：Preprocessor

Create

-Areas-Arbitrary 5

By Lines。 5 5． 选择线条L1，L4，L5。 5 6． 按下选择菜单上的OK键。

7． 按下Pan-Zoom-Rotate窗口中的

Fit按钮。

8． 关闭对话框。

9． Utility Menu：Plot

Areas。

10．Toolbar：SAVE_DB。

2.8 将所有面积组合为一个

1． Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Add

Areas。

2． 按下选择菜单上的Pick All按钮，或在图形窗口中用鼠标

拖动的方法选择所有要组合在一起的面积。

3． Toolbar：SAVE_DB。

2.9 创建第一个圆孔

1． Utility Menu：WorkPlane

Display Working Plane。

2．Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

Solid Circle。

3． 在WP X和WP Y后的编辑框中分别输入数值0作为圆心坐

标。

4．在Radius后的编辑框中输入数值0.4作为圆的半径。

5．按下OK按钮关闭对话框。

2.10 移动工作平面并创建第二个圆孔

1． Utility Menu：WorkPlane

Offset WP to

Global Oringin。

2．Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

Solid Circle。

3． 在WP X和WP Y后的编辑框中分别输入数值0作为圆心坐

标。

4． 输入数值0.4作为圆的半径。

5． 按下OK按钮关闭对话框。

6．Utility Menu：WorkPlane

Display Working Plane。

7．Utility Menu：Plot

Replot。

8．Utility Menu：Plot

Areas。

9．Toolbar：SAVE_DB。

2.11 从支架上删除圆孔

1．Main Menu：Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Subtract

Areas。

2．用鼠标选择支架面积作为将要执行挖除操作的基底面积。

3．按下选择菜单上的Apply按钮。

4．用鼠标单击两个小圆孔作为要挖除的面积。

5．按下OK按钮完成操作并关闭对话框，结果见下图。

注意：在创建几何结构过程中如果出现错误操作，可以使用Main

Menu > Preprocessor >-Modeling-Delete命令进行删除。

3．定义材料特性

3.1 定义材料特性

对于本教程，支架仅由一种材料组成，A36钢，并给出了

其杨氏模量和泊松比。

1． Main Menu：Preprocessor

Material Props

Material Models。

2． 在材料特性定义窗口中选择：Structural—>Linear—>Elastic

—>Isotropic。

3． 在EX栏内输入30e6（弹性模量）。

4． 在NUXY栏内输入0.27（泊送比）。

5． 按下OK按钮完成操作并关闭对话框。

2

4．产生网格

4.1 设置优先权

1． Main Menu：Preferences

2． 在弹出的对话框中将“Structural”选项选中。

3． 按下OK按钮完成操作并关闭对话框。

4.2 定义单元类型及其选项

1． Main Menu：Preprocessor

Element Type

Add/Edit/Delete。

2． 按下Add按钮来打开添加单元类型对话框。

3． 从左侧列表中选择Structural Solid。

4． 在右侧列表中选择Quad 8-Noded 82（PLANE82）。

5． 按下OK按钮完成操作并关闭该对话框。

4 3

5

6． 按下Element Type（单元类型）窗口中的Options按钮，

打开更改选项对话框。

7． 在第一个（K3后的）下拉列表中选择Plane Strs w/Thk项。

8． 按下选项对话框中的OK按钮完成操作并关闭对话框。

9． 关闭单元类型对话框。

4.3 7 8 定义常数

1． Main Menu：Preprocessor

Real Constants。

2． 按下Add按钮。

3． 在出现的Element Type for Real Constants窗口中，选择单

元类型Type 1 PLANE82，并按下OK按钮。

4． 在THK编辑框内输入厚度值0.5。

5． 按下OK按钮关闭对话框。

6． 关闭Real Constants对话框。

4.4 进行网格划分

1． Main Menu：Preprocessor→

MeshTool→Mesh Tool。

2． 按下Mesh Tool 窗口中的Global后

的 Set按钮。

2 3． 在Global Element Sizes窗口中，在

SIZE后的编辑框中输入数值0.5作为

单元边长。

4． 按下OK按钮。

5． 在下拉列表中选择Areas。 5 6． 按下Mesh按钮。

7． 按下选择菜单上的Pick All按钮。

8． 关闭Mesh Tool对话框。

6

5．施加载荷

5.1 应用位移约束条件

位移约束可以直接加在线条上。 8

1． Main Menu：Solution—>Define Loads

—>Apply—>Structural—>Displacement—>On Lines。

2． 选择围成左上角圆孔的四条折线。

2 2 2 2

3． 在按下选择菜单上的OK按钮。

4． 选择All DOF（所有自由度）项。

5． 在编辑框内输入0作为位移值。

6． 按下OK按钮。

4

5 6

7． Utility Menu：Plot

Lines。

8． Toolbar：SAVE_DB。

5.2 压力载荷

1．Main Menu： Solution—>Define Loads—>Apply—>Structural

—>Pressure—>On Lines。

2． 选择右下角小圆左下角的折线。

2

3． 按下选择菜单中的Apply按钮。

4． 在Apply PRES on lines窗口的上面一行编辑框内输入50。

5． 在Apply PRES on lines窗口的下面一行编辑框内输入500。

（线性分布载荷50-500）

6． 按下对话框中的Apply按钮。

4

5

6

7． 选择右下角小圆的右下角的折线。

7

8． 按下选择菜单中的Apply按钮。

9． 在Apply PRES on lines窗口的上面一行编辑框内输入500。

10．在Apply PRES on lines窗口的下面一行编辑框内输入50。

11．按下OK按钮关闭对话框。

12．Toolbar：SAVE_DB。

注意：在应用载荷过程中如果出现错误操作，可以使用Main Menu >

Preprocessor > -Loads -Delete命令进行删除。

6．求解

6.1 进行求解

1． Main Menu：Solution

-Solve-Current LS。

2． 上步操作后，屏幕上出现一个状态窗口。浏览窗口内的信

息，然后选择File菜单内的Close项关闭该窗口。

3． 按下OK按钮，开始求解。

4． 关闭求解结束时出现的信息窗口。

3

7．观察结果

注意：由于网格划分的不同，所得到的结果也会有轻微的差别。

7.1 进入后处理器并读入计算结果

1． Main Menu：General Postproc →Read Results→First Set。

7.2 绘制位移云图

1． Main Menu：General Postproc→Plot Results→Contour Plot

→Nodal Solu

2． 选择DOF solution, Displacement vector sum→在

Undisplaced shape key 后选择Deformed shape with

undeformed edge（包括变形前和变形后）→OK

7.3 绘制von Mises等效应力云图

1． Main Menu：General Postproc→Plot Results→Contour Plot

→Nodal Solu。

2． 在弹出的对话框中，选择左侧列表框内的Stress项。

3． 选择右侧列表框内的von Mises（SEQV）项。

4． 按OK按钮。

7.4 列出节点反力

1．Main Menu：General Postproc

List Results

Reacton Solu。

2． 按OK按钮列出所有项并关闭对话框。

3． 拖动右侧的滚动条并找到垂直方向合力FY。

4． 使用窗口File菜单内的Close命令关闭该窗口。

7.4 使用动画来模拟模型的变形及应力变化过程

1． Utility Menu：Plot Ctrls→Animate→Deformed Shape→Def

+ undeformed→OK

2．Utility Menu：Plot Ctrls→Animate→Deformed Results→选

择左侧列表框内的Stress项→右侧列表框内的von Mises

（SEQV）项→按OK按钮

在后处理器内还有很多其它选项用来观看结果，可以在其它教程中看到这些演示。现在已经完成了本教程的分析，下一步是退出程序。

7.5 退出ANSYS程序

退出ANSYS程序时，你可以有四种保存选择，在对话框

中从上到下依次为：一，几何模型和数据库中的载荷部分（缺

省设置）；二，几何模型、载荷以及求解资料（只有一套结果）；

三，几何模型、载荷、求解资料以及后期处理资料（也就是保

存所有东西）；四，不保存。在练习时可以不保存，但是如果

你想保留ANSYS数据文件，就必须使用一种保存方式加以保

存。

1． Toolbar：Quit。

2． 选择Quit-No Save（不保存）！

3． 按下OK按钮退出。