有限元钢架结构分析-手算+matlab+ansys模拟

1、有限元大作业钢架结构分析选题人：日 期：2016年6月2日目录：第一章：问题重述1一、题目内容：1二、题目要求：1第二章：有限元法手工求解2一、平面两单元离散化2二、单元分析2三、单元组装5四、边界条件引入及组装总体方程5五、求解整体刚度方程，计算节点2的位移和转角6六、求节点1、3支撑反力6七、设定数据，求解结果7八、绘制轴力图、弯矩图、剪力图8第三章、matlab编程求解：9一、总体流程图绘制：9二、输入数据：9三、计算单元刚度矩阵：10四、建立总体刚度矩阵：10五、计算未约束点位移：10六、计算支反力：10七、输出数据：10八、编程：10第四章 有限元求解11一、预处理11二、模型建立：12二、分析计算14三、求解结果15四、绘制图像16第五章 结果比较19第六章 心得体会19一、王小灿：19二、孙明哲：20三、张国威20第七章 附录22一、matlab程序2225第一章：问题重述一、题目内容：图示平面钢架结构图1.1 题目内容二、题目要求：（1）采用平面梁单元进行有限元法手工求解，要求写出完整的求解步骤，包括： a）离散化：单元编号、节点编号；b）单元分析：单元刚度矩阵，单元节

2、点等效载荷向量；c）单元组长：总体刚度矩阵，总体位移向量，总体节点等效载荷；d）边界条件的引入及总体刚度方程的求解；e）B点的位移，A、C处支撑反力，并绘制该结构的弯矩图、剪力图和轴力图。（2）编制通用平面钢架分析有限元Matlab程序，并计算盖提，与手工结果进行比较；（3）利用Ansys求解，表格列出B点的位移，A、C处支反力，绘制弯矩图、剪力图和轴力图，并与手算和Matlab程序计算结果比较。（4）攥写报告，利用A4纸打印；（5）心得体会，并简要说明各成员主要负责完成的工作。第二章：有限元法手工求解一、平面两单元离散化将平面梁离散为两个单元，单元编号分别为和，节点号分别为1、2、3；如图2-1所示：图2-1 单元离散化示意图二、单元分析首先建立整体坐标系与局部坐标系如图所示；1、求单元刚度矩阵对于单元，求局部坐标系的单元刚度矩阵：由于单元局部坐标系与整体坐标系的夹角为：，则单元的局部坐标变换矩阵为：可以得到在总体坐标系下的单元的刚度矩阵：对于单元，求局部坐标系的单元刚度矩阵：由于单元局部坐标系与整体坐标系的夹角为,则。2、求单元节点等效载荷向量将P等效在单元两侧节点1,2上：将均布

3、载荷等效在单元两侧的节点2，3上：与作用在节点上的力叠加为整体坐标系下的节点载荷：三、单元组装将两个整体坐标系下的单元刚度矩阵组装为整体刚度矩阵：四、边界条件引入及组装总体方程由于节点1、3为固定约束，所以节点1和3的x、y方向的位移以及转角均为0，节点2无位移约束，不存在支反力，所以力约束即为外力约束。 五、求解整体刚度方程，计算节点2的位移和转角提取节点2位移的相关要素：求得：六、求节点1、3支撑反力根据总体方程，提取求解节点1支撑反力所需方程：根据总体方程，提取求解节点2支撑反力所需方程：七、设定数据，求解结果设定各个数据：杨氏模量：泊松比：力：截面面积：惯性矩：将数据代入结果。节点2的位移和转角：节点1支撑反力：节点3支撑反力：八、绘制轴力图、弯矩图、剪力图应用材料力学的分析方法，对梁单元进行分析。轴力图：图2-2 轴力图剪力图：图2-3 剪力图弯矩图图2-4 弯矩图第三章、matlab编程求解：一、总体流程图绘制：图 3.1 总体流程图二、输入数据：考虑到后续计算和以下参数相关：节点个数，单元数，杨氏模量，惯性矩，单元长度，单元截面积，单元的旋转角度，节点与单元的对应关系，力

4、与转矩的约束以及结构约束。考虑到钢架结构，每个单元的杨氏模量，惯性矩，单元长度，单元截面积以及单元的旋转角度都可能不一样，所以采用矩阵的形式进行输入。（注：由于本题除长度外一样，故将其余几项改为常量进行计算）单元与节点对应关系为：一个单元对应2个节点，且按顺序连接。力与转矩的约束以及结构约束：应包括约束值，作用节点，作用类型，3种，并以作用节点与作用类型来反推此约束在完整的约束矩阵中的位置。三、计算单元刚度矩阵：图3.2 单元刚度矩阵生成流程图考虑到每个单元的刚度矩阵与坐标变换的矩阵形式相同，只是数据不同，故采取建立模板，利用eval()，函数来带入不同单元的值，生成一系列单元刚度矩阵，并用一个三维数组存储这些矩阵。四、建立总体刚度矩阵：考虑到每个单元刚度矩阵都是66的形式，表述了2个节点间的相互关系；故建立元胞数组，并使元胞数组的阶数与节点个数相同，利用元胞数组存储节点间关系。首先建立与节点个数相同阶数的空元胞数组，之后检索每个单元刚度矩阵对应的2个节点间的关系，将其分离成4个33的矩阵，按节点与单元对应关系，存储到元胞数组中。最后将元胞数组展开形成的大矩阵即为总体刚度矩阵。五、计算

5、未约束点位移：利用总体位移与外力间的关系，采用矩阵求解，求取非约束点的位移。并针对结果进行对应处理，使结果与作用点、作用形式对应。六、计算支反力：利用约束点位移皆零的特点，简化总体刚度矩阵，同时由于部分节点的部分方向上为内力而非支反力，再度简化总体刚度矩阵。利用两次简化后的刚度矩阵与计算出的位移结果相乘，求得不计直接作用在节点约束方向上时的支反力，将结果加上由于直接作用在节点约束方向上时产生的支反力，即为最后的支反力结果。七、输出数据：将计算所得的未约束点位移与支反力，采用与输入方式相似的方式进行处理并进行输出。八、编程：见附录一第四章 有限元求解一、预处理1、选择单元类型：ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add beam：2D elastic 3OK (返回到Element Types 窗口) Close图4.1 选择单元类型2、定义材料参数：ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material ModelsStructural Linear El

6、asticIsotropic: EX:3e10 (弹性模量)，PRXY:0.3(泊松比)OK 图4.2定义材料参数3、定义单元截面积和惯性矩：ANSYS Main Menu: Preprocessor Real constant Add Type beam 3 Ok Cross-sectional area AREA:0.05(横截面积) Area moment of inteia IZZ:1(惯性矩) OK图4.3定义单元截面积和惯性矩二、模型建立：1、画出关键点：ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling CreatKeypoint In Active CSNode number 1 X:0,Y:0,Z:0 Apply Node number 2 X:0,Y:1,Z: Apply Node number 3 X:2,Y:1,Z:0OK 2、构造连线：ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling CreatLine linesstraight line 依次连接特征点Ok图4.4模型建立3、划分网格：ANSYS Mai

7、n Menu: Preprocessor MeshingMeshtool Set 选择1，2节点之间部分Apply选择2，3节点之间部分单元长度分别为0.1和0.2OKMeshingMeshtool Mesh分别选择1和2，2和3节点之间部分OK图4.4 划分网格4、添加约束和载荷： 左下角和右上角添加约束：ANSYS Main Menu: Preprocessor SolutionDefine loads Apply Structural Displacement On nodes 选择1节点ALL DOFApplyOn nodes 选择1节点ALL DOFOK添加顶部均布载荷：ANSYS Main Menu: Preprocessor SolutionDefine loads Apply Structural Pressure On beams 选择顶部所有的单元VALI pressure value node I :1000 VALJ pressure value node J :1000 OK添加力矩和力：ANSYS Main Menu: Preprocessor Soluti

8、onDefine loads Apply Structural Force/ MonmentOn nodes 选择2节点Apply LAB MZVALUE 100 . (输入力矩)On nodes 选择8节点Apply LAB FX VALUE 1000 （输入力）图4.5 添加约束和载荷二、分析计算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK Should the Solve Command be Executed? Y Close (Solution is done! ) 关闭窗口图4.6 求解模型三、求解结果1、位移ANSYS Main Menu: General Postproc List resultNodal solutionDOF solutionX-component of displacement Apply Y-component of displacementOK图4.7 x方向位移解图4.8 y方向位移解2、支反力：ANSYS Main Menu: General Postproc List resultReaction SoluAll itemsOK图4.9 支反力结果四、绘制图像1、设置参数ANSYS Main Menu: General Postproc Element Table Difine Table Add 在user label for item 中输入FX-I, 在Results data item中选择By sequence num并输入 smisc,1Apply在user label for item 中输入FX-J, 在Results data item中选

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