ANSYS Workbench梁壳建模
压力容器设计圈
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工业与仿真
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ANSYS Workbench梁壳结构谱分析（一）梁壳建模
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概述
谱分析是用来计算结构在包括多种频率的瞬态激励下（激励可能来自地震、飞机噪声等）的响应。谱是在频率域中的载荷历程，也称作响应谱或反应谱。本文以梁壳结构为例，详解介绍ANSYS Workbench谱分析方法。
当结构长宽的比值超过10，沿长度方向的应力为主要分析对象，且横截面始终保持不变时，可应用梁单元（分析主要受侧向或横向载荷结构，如桁架、桥梁、框架、螺栓等）。在ANSYS Workbench中默认为Timoshenko梁单元，即无中节点的Beam188单元和有中节点Beam189单元，默认为Beam188单元，在Mesh设置Element MIdside Nodes为dropped(无中节点），即使用Beam188单元，改为kept(有中节点)，则将改变为Beam189单元；壳单元有无中节点的Shell181单元和带中节点的Shell281单元，默认为Shell181单元，在Mesh设置Element MIdside Nodes为kept即可修改为Shell281单元。本案例采用的梁壳结构三维模型及相关参数如下图所示
。
2
建模方法
该模型框架采用Beam188单元模拟，外表面采用Shell181单元模拟。该结构的总重量为1600kg，分析时将其他附件的质量均布在框架上。边界条件为约束框架4个立柱底部的6个自由度（Remote Displacement）。详细建模过程如下：
（1）
梁单元建模有多种方法，本案例采用点→线的方法建模，新建TXT文档，命明为Point，按照第1节相关尺寸输入坐标（单位为米），文档内容如下图。打开ANSYS Workbench，选择【Geometry】，双击【Geometry】单元格，进入【Design Modeler】（DM）程序。
（2）
单击菜单栏【Point】，设置【Details of Point】→【
Coordinates File
】=导入Point文档；设置【Details of Point】→【
Coordinates Unit
】=Meter，其余默认，然后右键【Generate】，生成点模型如下。
（3）
单击工具栏【Concept】→【Line From Point】生成【Line1】，点击【Line1】，设置【Details of Line1】→【Operation】=Add Frozen；键盘按住【Ctrl】，分别点击点1、点2（见下图），点击导航栏【Point segments】=Apply，点击【Line1】，右键【Generate】。
（4）
单击工具栏【Concept】→【Line From Point】生成【Line】，点击【Line】，设置【Details of Line1】→【Operation】=Add Frozen；键盘按住【Ctrl】，依次点击点1→点2、点2→点3……点N-1→点N（见下图），点击导航栏【Point segments】=Apply。
（5）
采用步骤3、4的方法完成线体建模，整个建模过程如下图。
注：Workbench线体建模时候有个缺点，在多个点生成线时，很容易选点时少选或者多选，造成缺少线体或者多了一条线体，这时候很难找出这条多余的线体，下图给出了处理这个问题的方法。
（6）
建立截面：单击工具栏【Concept】→【Cross Section】→【Rectangular Tube】生成50mm×40mm×4mm方管【RectTube1】，设置【Dimensions】W1=0.05m，W2=0.04m，t1=0.004m，t2=0.004m，t3=0.004m，t4=0.004m；采用同样步骤，建立20#、10#、8#、5#槽钢及30mm×3mm角钢。其中，导航栏中【Physical Properties】一栏可以查看截面相应参数。
（7）
赋予截面
情况1
：单击导航栏【Line Body】→【
Cross Section
】=Channel1(20#槽钢)，【Offset Type】=User Defined，其余默认，得到下图模型。
（8）
赋予截面
情况2
：单击导航栏【Line Body】→【
Cross Section
】=Channel3(8#槽钢)，【Offset Type】=User Defined，在不改变其他设置情况下，槽钢方向与实际情况不符，且【Line Body】前面有个
黄色√
，此时就需要修改槽钢方向
。具体方法为单击黄色【Line Body】，右键选择【Select Unaligned Line Edges】，设置【Line-Body Edge】→【Alignment Mode】=Vector，【Rotate】=90°，此时，
槽钢方向随之改变，但槽钢位置又不对；下一步须设置【Details of Line Body】→【Y Offset】=0.08m；下一步单击【Line Body】，右键【Generate】，此时【Line Body】前面的
黄色√
将消失，且此时该
【Line-Body Edge】的截面方向及位置将变为实际情况，
如下图。
（9）
采用步骤7、8中的两种方法修改设置【Select Unaligned Line Edges】→【Line-Body Edge】→【Alignment Mode】、【Alignment X】、【Alignment Y】、【Alignment Z】、【Rotate】来改变截面角度（Alignment X、Alignment Y、Alignment Z设置为1即表示以该方向为旋转轴向），位置尺寸按照实际情况给所有线体赋予截面，最终梁模型如下图。
（10）
建立壳单元：单击工具栏【Extrude】生成Extrude1，选择如下图所示线体（3，青色），设置
【Details of
Extrude1
】→【Geometry】=Apply，【Operation】=Add Frozen，单击【YZ Plan】→【Direction Vector】=Apply，设置【Details of
Extrude1
】→【FD1，Depth】=1.2m，【As Thin/Surface】=yes；单击
【Extrude1】，右键
【Generate】生成壳单元。
（11）
单击工具栏【Concept】→【Surface From Edges】生成Surf1；选择下图所示6条线段（3，绿色）；点击【Details Of Surf1】→【Edges】=Apply，设置【Thickness】=0.002m，点击Surf1，然后
右键【Generate】生成壳单元。
（12）
采用步骤10、11的方法，生成剩余壳单元，这时导航栏显示54Parts，54Bodies。下一步选择54Parts，54Bodies下面采用【Extrude】建立的【Surface】，设置
【Details of
Surface Body
】→【Thickness】=0.002m。按住键盘Shift，选中
54Bodies右键【Form New Part】，生成1Parts，54Bodies，至此完成梁壳建模，模型见下图。
（13）
关闭【Design Modeler】，返回
【Project】
，添加【
Modal
】，双击【Model】进入Mechanical，此时显示有限元模型如下图。注：Workbench有个BUG，前面输入的单位必须是米，如果按照毫米输入，下图会是一个不一样的模型，这个很有意思，感兴趣的朋友可以试试前面的单位全部按照毫米输入。
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