实验28 空间刚架静力分析
一、实验课题
悬浮机构由铜铍合金簧片制成，已知材料的弹性模量 E = 130 MPa，切变模量 G = 50 MPa，泊松比 m = 0.3，密度 r = 8´103 kg/m3。簧片宽 2.5 mm，厚 0.25mm，求节点 7 向下位移 0.2 mm 时簧片的应力（图中尺寸的单位为 mm）。
二、实验要求
1 掌握空间框架模型的建立方法；
2 注意参考节点 K 与截面参数的关系；
3 掌握非零位移边界条件的处理方法；
4 掌握计算结果的查询方法。
三、数据准备
1. 节点坐标（单位：mm）
N |
x |
y |
z |
N |
x |
y |
z |
1 |
0 |
30 |
5 |
9 |
5 |
10 |
0 |
2 |
0 |
25 |
5 |
10 |
0 |
0 |
0 |
3 |
0 |
25 |
0 |
11 |
-5 |
0 |
0 |
4 |
0 |
20 |
0 |
12 |
5 |
0 |
0 |
5 |
-5 |
20 |
0 |
13 |
-7.5 |
0 |
0 |
6 |
5 |
20 |
0 |
14 |
7.5 |
0 |
0 |
7 |
0 |
10 |
0 |
15 |
5 |
25 |
5 |
8 |
-5 |
10 |
0 |
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2. 单元编号
Element |
I |
J |
K |
Element |
I |
J |
K |
1 |
1 |
2 |
15 |
9 |
7 |
9 |
3 |
2 |
2 |
3 |
15 |
10 |
8 |
11 |
3 |
3 |
3 |
4 |
5 |
11 |
9 |
12 |
3 |
4 |
4 |
5 |
3 |
12 |
10 |
11 |
3 |
5 |
4 |
6 |
3 |
13 |
10 |
12 |
3 |
6 |
5 |
8 |
3 |
14 |
11 |
13 |
3 |
7 |
6 |
9 |
3 |
15 |
12 |
14 |
3 |
8 |
7 |
8 |
3 |
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3. 截面参数（单位mm）
R |
A |
Iz |
Iy |
H |
W |
Ix |
1 |
0.625 |
3.2552E-3 |
0.32552 |
0.25 |
2.5 |
0.013021 |
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四、ANSYS操作步骤
Ⅰ 进入 ANSYS
点击 【程序】→【ANSYS5.4】→【Run Interactive Now】
Ⅱ 建立有限元模型
1 输入标题
(1) 点击【File】→【Change Title】；
(2) 输入标题“3-D Frame Static Analysis”；
(3) 点击【OK】按钮。
2 选择分析类型
(1) 点击【Main Menu】→【Preferences】；
(2) 选择 structural 复选框，然后点击【OK】按钮。
3 确定单元类型
(1) 点击【Main Menu】→【Preprocessor】→【Element Type】→【Add/Edit/Delete】；
(2) 点击【Add】，选择 structural beam 族中 3-D Elastic 4 单元；
(3) 先击【OK】按钮，再击【Close】关闭对话框。
4 定义实常数(截面积)
(1) 点击【Main Menu】→【Preprocessor】→【Real Constants】；
(2) 先点击【Add】，再点击【OK 】；
(3) 输入截面积 0.625，对Z惯性矩 3.2552E-3，对Y惯性矩 0.32552，梁Z方向高 2.5，梁Y方向高 0.25，极惯性矩 0.013021，再点击【OK】和 【Close】。
5 定义材料性质
(1) 点击【Main Menu】→【Preprocessor】→【Material Props】→【Constant-Isotropic】；
(2) 点击【OK】；
(3) 输入弹性模量 130E+3，切变模量 50E+3，然后点击【OK】。
6 输入节点坐标
(1) 点击【Main Menu】→【Preprocessor】→【Modeling Create】→【Nodes】→【In Active CS】；
(2) 输入节点号 1 ，及其坐标 0 ，30，5 ，然后点击【Apply】；
(3) 输入节点号 2 ，及其坐标 0 ，25，5 ，然后点击【Apply】；
…………
(4) 输入节点号 14 ，及其坐标 7.5 ，0 ，0 ，然后点击【OK】；
(5) 输入节点号 15 ，及其坐标 5 ，25，5 ，然后点击【OK】。
7 定义杆单元
(1) 点击【Main Menu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【Auto Numbered】→【Thru Nodes】；
(2) 点取节点 1 ，2 和 15 生成单元 1 ，然后点击【Apply】；
(3) 点取节点 3 ，2 和 15 生成单元 2 ，然后点击【Apply】；
…………
(4) 点取节点 12 ，14 和 3 生成单元 15 ，然后点击【OKy】。
Ⅲ 求解
1 定义约束
(1) 点击【Main Menu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Displacement】→【On Nodes】；
(2) 点取节点 1，13，14，再在拾取窗中点击【OK】；
(3) 选择 ALL DOF ， 再点击【Apply】；
(4) 点取节点 7，再在拾取窗中点击【OK】；
(5) 选择 UZ ，输入位移值 –0.2， 再点击【Apply】；
2 求解
(1) 点击【Main Menu】→【Solution】→【Solve】→【Current LS】；
(2) 浏览完显示的信息后，关闭文本窗口；
(3) 点击【OK】后开始求解；
(4) 点击【Close】。
Ⅳ 后处理
1 画变形图
(1) 点击【Main Menu】→【General Postproc】→【Plot Results】→【Deformed Shade】；
(2) 选取 Del+undeformed 选项，然后点击【OK】。
2 查看节点位移
(1) 点击【Main Menu】→【General Postproc】→【List Results】→【Nodal Solution】；
(2) 在 Item to be listed 框中选 DOF solution 及其 All DOFs DOF；
(3) 点击【OK】；
3 显示单元应力
(1) 点击【Main Menu】→【General Postproc】→【List Results】→【Element Solution】；
(2) 选择 LineElem results，然后点击【OK】；
(3) 浏览单元结果。
4 显示约束反力
(1) 点击【Main Menu】→【General Postproc】→【List Results】→【Reaction Solu】；
(2) 选择 All struc forc F ，然后点击【OK】；
(3) 浏览各约束反力值。
Ⅴ 退出 ANSYS
点击工具栏上【Quit】按钮，选择 quit - no save! 复选框，再点击【OK】。
四、思考题
直角拐如图所示，已知圆截面梁的直径 d = 100 mm，矩形梁的截面尺寸为 100×50 mm，弹性模量 E=200 GPa，切变摸量 G = 80 GPa，集中力 F = 10 kN ，试对其作静力分析。
