01 简单框架问题及梁板复合计算 (ANSYS)

《有限元法及其应用》，机械工业出版社，2006, 光盘演示算例

01 简单框架问题及梁板复合计算 (ANSYS)

ANSYS 9.0版本启动的时候首先出现如下图所示的对话框，其中第一页提示用户选择需要的ANSYS功能模块，用户需要根据其购买的ANSYS模块和计算的问题内容来选择。

选择启动对话框的第二个页面，这里ANSYS提示用户给出操作所在的文件夹以及相应的任务名称。而后ANSYS的计算过程及结果都存放在该文件夹中，一般都以任务命作为文件名，以扩展名表示文件的类型。例如，在本次分析中，任务名为Case01，那么ANSYS的计算结果，一般会以Case01.rst文件的形式存放在D:\AnsysWork\Book\case01\文件夹中

以上设置好后点击"Run"按钮，就进入ANSYS的主操作界面，ANSYS操作界面主要包括以下4部分：
(1) ANSYS窗口顶部菜单，提供一些常用功能开关选项；
(2) ANSYS窗口顶部工具栏，提供一些常用功能件，比如打开文件、保存文件等；
(3) 在工具栏右侧为命令输入栏，ANSYS的所有操作都可以通过输入一定格式的命令来完成，ANSYS称其这套命令体系为APDL语言；
(4) ANSYS窗口中央左侧为ANSYS的主菜单，ANSYS图形界面分析（GUI）的大部分功能都由这部分菜单完成。主菜单中最常用的几个模块为前处理模块（Preprocessor），求解模块（Solution），通用后处理模块（General Postproc）和时程后处理模块（TimeHist Postproc）；
(5) ANSYS窗口中央右侧为ANSYS的显示窗口，GUI界面的各种操作和结果都在该窗口显示

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Beam 188 和三维壳单元 Shell 63。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Beam 188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Beam 188

以及壳单元Shell 63

ANSYS中每个单元还有一些选项，可以通过点击Option按钮加以设定。

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，Real Constants，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Shell 63 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。

ANSYS主菜单的第三项为输入材料参数，点击进入材料参数输入窗口。选择材料类型为结构型（Structural）->线性(Linear)->弹性(Elastic)->各向同性(Istropic)。输入材料的弹性模量和泊松比，对于钢材分别为200×103和0.3。

选择材料窗口中Material 菜单，选择New Material，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Offset to "Centroid"

对于梁单元，其他和柱子一样，区别是我们让梁的轴线位置在梁的顶部，即选择Offset to截面坐标(0,500)的位置。不同截面的原点坐标在截面图上都有相应标识。

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(In Active CS)，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。

在复制窗口中，输入要复制成4个点，各点间距为5000mm。

于是得到新的关键点分布如图

在ANSYS建模中，Beam 188单元需要一个截面方向控制点（意义后面再解释）。对于柱子而言，我们设定一个在X方向很远（5000000mm）的点为方向控制点。因此，将关键点1复制一个到X=5000000mm位置。

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Box Zoom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Copy Lines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-> Straight Lines 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->By Lines，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Mesh Attribution，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Beam 188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Shell 63。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，