ANSYS workbench板杆模型仿真测试及验证

一、实验目的

1、测试ANSYS workbench进行板杆有限元模型建模相关功能的可行性；

2、通过与ANSYS APDL的计算结果进行对比，验证仿真计算结果的正确性。

二、算例说明

1、单元类型

单元类型

点击Type 1 MASS21->Options，将K3更改为3-D w/o rot iner。如下图所示。

MASS21设置

点击Type 4 MPC184->Options，将K1更改为Rigid Beam。如下图所示。

MPC184设置

2、实常数设置

选择MASS21单元，设置质点的重量为0.01kg。如下图所示。

实常数设置

3、材料属性设置

这里我们使用两种材料，这两种材料的弹性模量均为2E11Pa，泊松比均为0.3，而材料1的密度设置为7850kg/m³，材料2的密度设置为0 kg/m³。材料2用于MPC单元，其余单元均使用材料1。设置如下图所示。

材料属性设置

4、截面形状设置

梁单元的截面形状为实心圆，半径为0.05米，SHELL单元的厚度为0.02米。

5、几何建模

几何形状

6、网格划分

首先对几何元素赋单元类型、材料和截面形状等属性。之后对质点对应的两个KeyPoint绘制网格，然后对梁和面绘制网格（每条线上均为6个单元），网格划分结果如下图所示。

网格划分

划分好网格之后，还需要定义梁和两个面的MPC，在Modeling->Creat->Contact Pair中创建。在Basic选项卡中的Contact algorithm设置为MPC algorithm。

MPC设置

7、定义边界条件

约束条件

约束左下方端点的所有自由度。

8、求解设置

Solution->Analysis->New Analysis中更改为Modal。

求解类型

Solution->Analysis->Analysis Options中设置求解的模态的数量。

设置模态数量

点击Solve->Current LS进行求解。

9、计算结果

加入MPC无法计算，去除MPC之后的结算结果为：

频率

模态振型：

模态1

模态2

模态3

模态4

模态5

模态6

将质点的重量改为10时的计算结果为：

频率

三、基于ANSYS workbench的计算

计算结果：

模态频率

模态振型：

模态1

模态2

模态3

模态4

模态5

模态6

将质点的重量改为10时的计算结果为：

频率

可以看出ANSYS workbench的计算结果与APDL吻合得很好。

在进行ANSYS workbench中进行有限元建模时需要注意以下几点：

1、线与面有相交的地方不同的处理方式（共用节点和建立接触）对最后模态分析的频率结果有不小的影响，尤其是刚体模态的频率。所以最好采用共用节点的方式，具体操作时Mesh Edit->Node Merge，在进行这一步操作之前可能需要Node Move功能将面上一个节点移动到很接近线端点的位置。

2、对于质点的问题，需要注意的是质点依附于的几何元素最好是点，所以在进行几何建模的时候应该提前预留端点用于质点的定义。

其余结论：还可以尝试使用Finite element modeler模块来引入其他软件的有限元模型来作为结构分析的输入，但是我使用CDB文件进行输入MPC被忽略了，并且ANSYS 2019R1中移除了该模块。该模块还支持bdf文件的输入，具体效果如何未进行试验。