Ansys Workbench工程实例之——变截面梁分析

由于变截面梁可以接近等强度设计概念，在厂房钢架、雨棚、塔吊、基站或电缆塔等工程中被广泛应用。首先要说明的是，Workbench中不能实现变截面或扭曲梁的定义，因为标准型材都是等截面的。变截面或扭曲梁分析有三种思路。

1 采用实体模型；

对于无需简化的模型可以采用此方法，计算量比梁单元大。

2 采用多段等截面梁拼凑;

此方法建模时需要考虑每段梁的长度，模型处理较繁琐。

以上两种方法都可以在Workbench中处理，以下介绍第三种方法。

3 结合APDL进行截面定义与后处理。

以往的教材中往往推荐全部在APDL中操作，但是对于工程人员来说，在APDL操作不够熟悉，那么能不能大部分操作在WB中完成，WB定义不了的截面和后处理去APDL操作呢？此方法图惜暂未在其他地方看到过，本文将以实例的形式详细介绍。

实例1 变截面：钢结构厂房的屋顶横梁大多采用变截面的工字梁，如下图左，取出其中一组简化如下图右，计算其承载能力，尺寸见以下详解，竖梁为GB/T706中的40C，横梁的腰厚=两翼平均厚度=15，大端外形尺寸同40C，小端同28B。

Step1 建模。

在Workbench中创建静力学项目。

在DM中的XY平面建立草图，作5个点。

创建梁线：概念——来自点的线，Operation中均选择Add Frozen添加4条独立的线体，再通过Form New Part组合它们。

创建截面：概念——横截面——I形截面，设置工字钢的高为400，两翼宽146，腰厚14.5，平均翼厚16.5。

给梁线赋予截面：给4条梁均赋予上述截面，虽然此处横梁为变截面工字钢，但是先赋予等截面，不影响之后的操作。如果截面方向不正确，可以选中梁线，在属性中修改。

Step2 计算前设置。

进入Mechanical，给梁赋予材料为结构钢。按默认网格划分。

固定竖梁下端点，对上横梁施加向下的5000N向下的力。

Step3 计算与后处理。

在workbench中求解。

通过APDL界面进行修改和后处理，操作如下：

①文件关联：在WB中设置“分析设置”——“保存NAPDL db=是”，清除计算结果后重新计算一次。

退出Mechanical界面，返回WB主界面。将Mechaniacl APDL拖入到本项目的求解栏，点击更新项目，便建立了WB与APDL的连接，此时APDL显示为问号。

②文件读取：进入APDL：右击项目B中的“分析”——在Mechanical APDL编辑，进入APDL界面。

点击工具栏RESUM_DB读取db文件，梁线将在窗口中显示。

显示应力前需要将梁截面显示出来：PlotCtrls——Style——Size and Shape——出现对话框，勾选Display of Element后的框

截面显示后效果如下。

③查看单元类型编号：Preprocessor——Element——Add/Edit/Delete，可以看到一共有5种单元，前4种为Beam188单元，代表了4根梁，Type5为载荷施加单元。

我们首先要找到两根横梁对应的单元类型号。点击标题栏PlotCtrls——Numbering...跳出对话框，在Elem/Attrib numbering后选择Element type num，点击Ok。

在图形窗口，单元类型代号便显示出来了，若未显示，可右击显示区——Replot。可见，左右竖梁单元类型为1和2，左横梁类型为3+5，右横梁类型为4+5。

④创建新截面：选择Preprocessor——Section——Common Section（预设截面），创建2个工字截面，由于单元ID1~5都已经被占用，此处ID分别命名为11和12，选择工字截面，两个截面的尺寸如下图。这两个截面将用于下文锥形截面的定义，注意两个截面的边数必须相等。点击对话框右下角的Preview可在大窗口显示界面形状，点击Meshview可在大窗口显示界面网格，拖动Coarwe——Fine滑动条可细化截面网格。完成后要显示原模型画面，只需点击菜单栏Plot——Elements。

修改ID3与ID4梁类型为变截面：点击Preprocessor——Sections——Beam——Taper Sections（锥形截面）——By XYZ Location，跳出对话框。

对话框中New Taper Section ID修改为3，截面分别为11和12，由于ID3在X的负方向，所以大截面应设置x=-10000（10米）小截面12在0处，设置后点击Apply。本例横梁略长于10米，超出部分将自动延伸截面。

同样设置ID4。小截面12在左0处，大截面11在右侧10米处，然后点击Apply或Ok。

设置后图形并未改变，点击菜单栏PlotCtrls——Style——Size and Shape——出现对话框，勾选Display of Element后的框，点击Apply，使截面隐藏，再次同样操作使截面显示。弹出错误对话框，此处不用理会。

重新计算：选择特征树Solution——Solve——Current LS，在跳出的对话框中选择ok

对跳出的Verify对话框点击Yes，计算完成后或跳出Note对话框，关闭即可。

⑤结果后处理：读取最终结果：在特征树中选择General Postproc——Read Results——Last Set。

添加总变形结果：在特征树中选择General Postproc——Plot Results——Contour Plot——Nodal Plot——在对话框中选择Nodal Solution——DOF Solution——Displacement vector sum，选择后点击ok

添加弯曲应力结果：在特征树中选择General Postproc——Plot Results——Contour Plot——Nodal Plot——在对话框中选择Nodal Solution——Stress——X-Component of stress（梁的轴向为X方向），选择后点击ok。

查看局部应力：比如我们只想查看左横梁（ID3）的弯曲应力，在标题栏选择Select——Entities，跳出对话框，操作如下图左。也可以手动选择要显示的单元格，操作如下图右。点击OK后图形界面并不会更新，需要右击——Replot刷新。要重新显示全部，只需点击标题栏Select——Everything。

添加探针结果：General Postproc——Query Results——Subgrid Solu，跳出对话框，选择要探测的结果，点击OK，跳出选择对话框，可以在图形中探测点，或选择显示最大最小值。

添加切应力的方法见上一篇文章，需要注意，截面网格需要细化到2级以上才能保证切应力计算误差在3%以内，变截面两端的截面图形需要细化相同的级数。

实例2 扭转变截面：图惜未找到工程实例，读者可做练习，读者可做练习，一变截面扭转矩形梁，具体尺寸见下文。

本例是图惜在《ANSYS WORKBENCH有限元分析实例详解——周炬》上照搬下来的例子。本例将在APDL中采用GUI操作，读者可借此熟悉APDL的基本操作。点击开始——Ansys 2021 R2——Mechanical APDL Product Launcher ，出现工作目录对话框，设置后点击右下角RUN，进入APDL界面，操作流程如下。

①定义单元类型：如下图操作，选择Beam——2 node 188——OK。

②定义材料参数：APDL中没有单位系统，我们进行机械结构分析时一般默认它为mm，N，ton，MPa。按下图操作，定义弹性模量2.06e5MPa，弹性模量0.3。

如果要设置质量，在Density对话窗中设置7.85e-9ton/mm³，本例无需设置。

③定义多截面形状：此例我们设置两种截面形状，截面的边数必须相等，如下图。

④定义变截面梁：上一步定义了两种形状，还需要把它们组合为一个锥形梁。如下图设置锥形梁，ID由用户定义，上文设置的截面1设置在全局坐标下的0，0，0处，截面2设置在1000，0，0处。

⑤建模：APDL中梁模型建立基本步骤为：创建关键点—>连接成直线。

创建关键点如下图：

除了定义两个关键点用于定义梁线外，还需要定义两个关键点用于定义两端截面的方向，其含义如下图。

由关键点创建直线如下图，如果线体不显示，可以点击标题栏Plot——Lines

⑥网格设置与划分：网格设置如下图，勾选Pick Orientation Keypoint(s) ，将分别选择点3和点4。

网格划分如下图，设置为20等分。

网格生成设置如下图

显示网格设置如下图

以上便完成了变截面扭转梁的定义，但是本案例本不完整，没有边界条件与后处理相关操作，请读者参考实例1.