ANSYS程序变截面梁与耦合自由度的应用.doc

一、前言 变截面梁，即两端截面不同的梁。在工程中通常将梁受力吃紧的一端采用较大的截面，另一端采用较小的截面，以实现等强度设计，节省原材料。这种变截面梁生活中普遍存在，远至古代娶亲用的花轿轿杆、农村大车车辕，直至当今建筑钢结构中各种采光大蓬横梁（包括弯曲横梁）、各种连杆摇臂结构等。特别是悬臂梁几乎处处可见，就连输电用的水泥电杆也做成根粗尖细的。 由于这种变截面梁在工程中普遍存在，在ANSYS程序结构分析中，专门设置了变截面梁单元的功能，使用起来特别方便。具体操作过程在下面的实例分析中详细介绍。 自由度耦合即构件连接处两个节点的自由度（包括移动自由度和转动自由度）变化是一致的，主节点如何变化，从节点随着同样变化。自由度耦合在静力分析时常用在连接件上，特别用在具有转动的连接件上。例如：汽车挂挡手柄连接端的球铰，各种销钉与耳环的连接，各种转盘与转轴的连接等。自由度耦合的概念与自由度释放的概念正好相反。在ANSYS程序中没有自由度释放功能，只有自由度耦合功能，但用自由度耦合功能完全可以达到自由度释放的目的。这种功能具体操作过程，也在下面的实例分析中详细介绍。 二、雨蓬计算分析 该雨蓬结构是由11根变截面工字钢梁、1根等截面工字钢梁、3根圆管钢梁、1根槽钢梁和6根拉杆钢组成。其结构如下： 图1雨蓬结构 1 原始数据 （1）坐标数据 关键点号XYZ 10,0,0 (第一杆墙壁端) 2,0,0,6300 (第一杆远端) 3,0,4500,0 （第一杆上点） 40,-1000,0 （变截面梁Z轴方向） 50,1000,0 （第一排工字钢Z轴方向） 60,-1000,6300（第六排槽钢Z轴方向） （2）材料数据 主钢梁变截面工字钢：大端300×150×8×6小端150×150×8×6 第一横梁工字钢：150×100×8×6 第二、第三、第四横梁圆管钢：Φ102×4 Ri=47 R0=51 第五横梁槽钢：160×80×8×6 拉杆：Φ102×4A=1231.5 ?=0.0001 (3) 载荷 由玻璃均布载荷计算而得: 中间节点: F=5560N 边节点: F=2780N 角节点: F=1690N (4) 单元 梁单元: BEAM188 杆单元: LINK8 (5) 边界条件 主梁固定于墙上:位移和转角全约束； 拉杆与主梁连接: 位移耦合,转角自由； 拉杆与墙连接: 位移约束, 转角自由。 2 计算方法 有限元几何非线性方法 3 操作命令 （1）前处理 a. 选择单元类型 选择单元类型菜单路径：【Preprocessor】→【Element Type】→【Add/Edit/Delete】 执行选择单元类型菜单路径命令，弹出定义单元类型对话框，单击[Add…]按钮，弹出单元类型库对话框，然后选择“Beam 2node 188”梁单元，单击[OK]按钮。 用同样方法选择“Link Spar 8”杆单元，单击[OK]按钮。 b. 设置单元实常数 设置单元实常数菜单路径：【Preprocessor】→【Real Constants】→【Add/Edit/Delete】 执行设置单元实常数菜单路径命令，弹出对话框后，单击[Add…]按钮，选择“Type 2 LINK8”单元，并单击[OK]按钮，弹出定义实常数对话框，在“ID”中输入“1”，在“AREA”中输入“1231.5”，单击[OK]按钮。 c. 设置单元截面数据 变截面工字钢梁截面设置： 大端截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Common sections】，弹出定义截面特性对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“1”，在“Name”中设置梁单元截面名称“M1”，在[Sub-Type]中选择工字钢截面图形。在“W1”中输入“150”，在“W2”中输入“150”，在“W3”中输入“300”，在“t1”中输入“8”，在“t2”中输入“8”，在“t3”中输入“6”，单击[OK]按钮。 小端截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Common sections】，弹出定义截面特性对话框后，在“ID”中设置梁单元截面代号“2”，在“Name”中设置梁单元截面名称“M2”，在[Sub-Type]中选择工字钢截面图形。在“W1”中输入“150”，在“W2”中输入“150”，在“W3”中输入“150”，在“t1”中输入“8”，在“t2”中输入“8”，在“t3”中输入“6”，单击[OK]按钮。 尖劈梁截面设置：执行菜单路径命令【Preprocessor】→【Sections】→【Beam】→【Taper Section】→【By XYZ Location】，弹出定义