有限元基础及ANSYS应用 - 第4节 - 平面桁架结构的ANSYS分析

对上课可所讲的平面桁架算例，用ANSYS Mechanical APDL软件对其开展分析，以ANSYS 17.0版本为例，具体过程如下：

0. 打开软件

开始 -> ANSYS 17.0 -> Mechanical APDL 17.0

在打开Mechanical APDL前，将跳出来一个黑色对话框，可以设置和打开软件相关的一些选项。
其中，
选择License为默认的ANSYS Multiphysics；
Working Directory中是接下来要做的工程所存储的目录，可以用Browse…点开后更改该目录，也可以后续打开Mechanical APDL之后再修改该工作目录；
Job Name是设置工程的名字，也可以什么也不设，会默认一个file的名字，待会等Mechanical APDL打开后再修改该默认的名字。
设置好后，点击最下方的Run，即可打开软件了。
打开后大概是这个样子的，这个是工作的窗口，我们所有的操作都在这里面完成

一并打开的还有一个小黑框，它记录了你所有的操作，即，如果你够牛的话，可以用命令行来操作该软件，完全不需要借助图形界面了！有些高手们甚至用它的命令行来做二次开发！

1. 初始设置

1.1 设置工作路径

Utility Menu中，File -> Change Directory …，在“浏览文件夹”对话框中选择想要存放该工作的文件夹，然后确定。

1.2 设置工作文件名

Utility Menu中，File -> Change Jobname …，在“Change Jobname”对话框中更改该工作的名字，注意只能是英文，然后OK确定。

1.3 设置工作标题

Utility Menu中，File -> Change Title …，在“Change Title”对话框中输入一句话，注意只能是英文，作为对该工作的简短描述，然后OK确定。

1.4 设定分析模块

Main Menu中，点开Preferences，选择Structural，OK确认。

2. 前处理

2.1 单位定义

ANSYS Mechanical APDL中无需指定单位，只需要保证物理量量纲统一即可，即，你自己需要确定用的是什么单位制，如果是标准单位，那就是用m-kg-s-N等来指定各个物理量，这样算出来的应力单位就是Pa…如果用的是英制美制单位，那么可能是长度为英尺英寸，质量为磅之类的，那么算出来的应力单位就是磅力每平方英寸了……

2.2 定义单元类型

Main Menu中，Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete，
在Element Types对话框中点击Add…，
在Library of Element Types对话框中选择单元类型为Link和3D finit stn 180，即三维连杆单元，然后OK，关闭Library of Element Types对话框，
可见Element Types对话框中已经把该单元包含进来了，点击Close关闭Element Types对话框。

2.3 定义截面属性

Main Menu中，Preprocessor -> Sections -> Link -> Add，
在Add Link Section with ID中输入截面的ID为随便一个整形数值，如1,2,3等，OK确定，
在Add or Edit Link Section对话框中，输入Section Name，给截面起个名字，在Section Data Link area中输入截面积为0.5e-4，注意这里虽然不用管输入单位，但咱们用的的单位是m2m^2m2，也就是截面面积为0.5cm2cm^2cm2，OK确定完成设置。

2.4 定义材料属性

Main Menu中，Preprocessor -> Material Props -> Material Models，
在打开的Define Material Model Behavior窗口中，选择Structural -> Linera -> Elastic -> Isotropic，
在打开的对话框中的EX输入弹性模量为2e11，单位为Pa，PRXY为泊松比，无需指定，因为连杆单元中只涉及到弹性模量E和截面积A而已。OK确认，它会提醒你PRXY被设成0了，确认，关闭这些设置对话框。

2.5 创建节点

Main Menu中，Preprocessor -> Modelling -> Create -> Nodes -> In Active CS，
在Create Nodes in Active Coordinate System对话框中，输入节点编号1，坐标x，y，z为0，0，0，OK；再次打开，输入节点编号2，坐标x，y，z为0.5，0.5，0，OK；再次打开，输入节点编号3，坐标x，y，z为1.0，0，0，OK。注意坐标的单位是m，可以看到图形窗口中已经出现了创建好的三个节点1，2和3。

2.6 创建单元

Main Menu中，Preprocessor -> Modeling -> Create -> Elements -> Auto Numbered -> Thru Nodes，

在Elements from Nodes对话框中，用鼠标图形窗口拾取1，2点，或者直接输入1,2（注意是英文逗号），OK，即可生成从节点1到节点2的连杆单元1了，同样的方法用2和3节点生成单元2，用1和3节点生成单元3。完成后，可在图形窗口中看到创建好的单元。

如果想同时显示单元的编码和节点的编码，可以从Utility Menu -> PlotCtrls -> Numbering …，将Node numbers 勾选为on，并将Elem / Attrib numbering 选为 Element numbers，OK确认。
再从Utility Menu -> Plot -> Multi-Plots，这时候图形窗口如下所示，单元编码显示在了单元中心上。

3. 求解

3.1 设置分析类型

Main Menu中，Solution -> Analysis Type -> New Analysis，保持默认的Static静态分析，OK。

3.2 施加约束（施加边界条件）

Main Menu中，Solution -> Define Loads -> Apply -> Structural -> Displacement -> On Nodes，

在Apply U,ROT on Nodes对话框中，输入1，表示对1节点施加位移边界条件，或者用鼠标在图形窗口单击拾取节点1，OK，在接下来跳出的窗口中，选中UX和UY，VALUE中保持默认的0，即限定了节点1的X和Y方向位移为0，OK确定。

与此相似，对节点3，限定其UY为0。

边界条件施加后，图形界面上在节点1多了X和Y方向两个小三角，表示UX和UY被限制了，而在节点3上也多了个Y方向的小三角，表明其Y方向位移被限制了。

3.3 施加载荷

Main Menu中，Solution -> Define Loads -> Apply -> Structural -> Force/Moment -> On Nodes，

在Apply F/M on Nodes对话框中输入节点2，或选择节点2，OK，在新跳出窗口中的Lab选择FX，VALUE中输入2000，单位为N，OK，即对2节点施加了Fx=2000N；再做一遍该操作，只是这次在Lab中选择FY，VALUE中输入-2000，即对2节点施加了Fy=-2000N的力。

完成载荷添加后的图形截面如下，在节点2上多了个X方向的力FX和负Y方向的力FY。

3.4 计算求解

Main Menu中，Solution -> Solve -> Current LS，

跳出的/STATUS Command是对当前待求解问题的描述，直接点击Solve Current Load Step中的OK，没几秒就算好了，点击Close关闭提示算好的信息窗口。

注意：如果没有展开计算，提示错误，那可能是前面某个地方没有设置好，比如边界条件没有完全施加，外载荷没有施加，截面面积未给定，弹性模量没指定等。

4. 后处理

4.1 查看桁架系统变形状态

Main Menu中，General PostProc -> Plot Results -> Deformed Shape，

在Plot Deformed Shape窗口中，选择Def + undeformed，OK。

注意，这里为了便于展示，对变形做了放大处理，实际上变形量微乎其微的，肉眼几乎看不出来。1-2杆没有变形，1-3杆拉伸变形，2-3杆压缩变形，这与上节课理论分析结论完全一致，与物理直觉得出结果也是一致的。

4.2 查看节点位移Ux和Uy

Main Menu中，General Postproc -> List Results -> Nodal Solution，

在List Nodal Solution窗口中，选择DOF Solution中的Displacement vector sum，OK。

将跳出窗口显示3个节点的Ux、Uy、Uz，1节点位移为0，2节点Ux=0.24142mm，Uy=-0.24142mm，3节点Ux=0.2mm，Uy=0，这与上节课所得结果是一样的。

4.3 定义单元表

接下来查看连杆单元的内力，这通过定义单元表来实现。
Main Menu中，General PostProc -> Element Table -> Define Table，

在Element Table Data中Add…，
在Define Additional Element Table Items中，Lab中输入“ForceA”，Item,Comp中选择By sequence num和SMISC，右下方文本框中输入“SMISC,1”，OK。这个量对应的是连杆单元的内力。

再次在Element Table Data中Add…，
在Define Additional Element Table Items中，Lab中输入“SigmaA”，Item,Comp中选择By sequence num和LS，右下方文本框中输入“LS,1”，OK。这个量对应的是连杆单元的应力。

这会在Element Table Data中可以看到定义好的两个量了，Close来关闭它。

4.4 输出单元表

Main Menu中，General PostProc -> Element Table -> List Elem Table，

在List Element Talbe Data框中选择刚才定义好的ForceA和SigmaA，OK。

就跳出来了个列表，把三个连杆单元的内力和应力都展示出来的，1单元（1-2节点构成）不受力，2单元（2-3节点构成）受压力2828.4N，3单元（1-3节点构成）受拉力2000N，这与上节课结果完全一致。
至于应力，则是用内力除上截面积0.5e-4m2m^2m2，结果也与上节课结果完全一致！

5. 关闭软件

Utility Menu中，File -> Exit…，在Exit对话框中勾选Save Everything，OK。保存相关几何模型、设置参数、计算结果，并关闭该软件。