《ANSYS 120宝典》 习题.docx

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《ANSYS120宝典》习题

第1章

习题

1.ANSYS软件程序包括几大功能模块？

分别有什么作用？

2.如何启动和退出ANSYS程序？

3.ANSYS程序有哪几种文件类型？

4.ANSYS结构有限元分析的基本过程是什么？

5.两杆平面桁架尺寸及角度如习题图1.1所示，杆件材料的弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，截面面积为10cm2，所受集中力载荷F=1000N。

试采用二维杆单元LINK1计算集中力位置节点的位移和约束节点的约束反力。

习题图1.1两杆平面桁架

第2章

习题

1.建立有限元模型有几种方法？

2.ANSYS程序提供了哪几种坐标系供用户选择？

3.ANSYS程序中如何平移和旋转工作平面？

4.试分别采用自底向上的建模方法和自顶向下的建模方法建立如习题图2.1所示的平面图形，其中没有尺寸标注的图形读者可自行假定，并试着采用布尔运算的拉伸操作将平面图形沿法向拉伸为立体图形。

习题图2.1平面图形

5.试分别利用布尔运算建立如习题图2.2所示的立体图形，其中没有尺寸标注的图形读者可自行假定。

习题图2.2立体图形

6.试对习题图2.3所示的图形进行映射网格划分，并任意控制其网格尺寸，图形尺寸读者可自行假定。

习题图2.3映射网格划分

第3章

习题

1.试阐述ANSYS载荷类型及其加载方式。

2.试阐述ANSYS主要求解器类型及其适用范围。

3.如何进行多载荷步的创建，并进行求解？

4.试建立如习题图3.1所示的矩形梁，并按照图形所示施加约束和载荷，矩形梁尺寸及载荷位置大小读者可自行假定。

习题图3.1矩形梁约束与载荷

5.试建立如习题图3.2所示的平面图形，并按照图形所示施加约束和载荷，平面图形的尺寸及载荷大小读者可自行假定。

习题图3.2平面图形约束与载荷

第4章

习题

1.试阐述ANSYS主要后处理方式及每种方式的主要功能。

2.如何用等值线图、矢量图、列表和单元等方式来显示计算结果信息？

3.如何抓取结果显示图片？

如何动画显示结果？

4.如何定义时间历程结果记录变量？

如何列表显示时间历程结果记录变量？

如何绘制时间历程结果记录变量曲线？

5.时间历程结果记录观察器VariableViewer如何应用？

第5章

习题

1.试阐述APDL语言中参数与参数变量的命名规则及使用方法。

2.如何进行数组参数的定义、赋值及运算？

3.APDL语言有几种程序结构可供用户使用？

分别是什么？

都如何使用？

4.如何创建宏并使用宏？

如何进行局部变量的定义和使用？

5.创建一个最简单的宏文件，实现从一个长方形中挖去一个三角形，如习题图5.1所示。

习题图5.1长方形挖去三角形

第6章

习题

1.习题图6.1所示为一平面桁架结构，其尺寸、约束及受力均在图上给出，杆件为钢材，弹性模量为2.07×1011Pa，泊松比为0.3，截面面积为3.0×10-4m2。

试计算平面桁架结构每个节点的位移、每个杆件的应力及约束节点的约束反力。

习题图6.1平面桁架

2.习题图6.2所示为一传输塔结构，其尺寸、约束及受力均在图上给出，杆件为钢材，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，截面面积为6.25×10-3m2。

试计算传输塔每个节点的位移、每个杆件的应力及约束节点的约束反力。

习题图6.2传输塔结构

3.习题图6.3所示为一空间桁架结构，其尺寸、约束及受力均在图上给出，与地面接触的四点都分别约束三个方向的自由度，载荷大小为1000N，沿x轴方向。

杆件为钢材，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，截面面积为1.2×10-2m2。

试计算空间桁架结构每个节点的位移、每个杆件的应力及约束节点的约束反力。

习题图6.3空间桁架结构

4.习题图6.4所示为一空间桁架结构，其尺寸、约束及受力均在图上给出，与地面接触的四点都分别约束三个方向的自由度，载荷大小为2500N，与水平面夹角为30度，作用在两立面平面内。

杆件为钢材，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，截面面积为1.56×10-2m2。

试计算空间桁架结构每个节点的位移、每个杆件的应力及约束节点的约束反力。

习题图6.4空间桁架结构

第7章

习题

1.单跨超静定梁如习题图7.1所示，矩形截面面积为0.1m2，高0.4m，材料的弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。

尺寸、约束与受力情况如图所示。

试计算梁的约束反力、变形图、弯矩图及剪力图。

习题图7.1单跨超静定粱

2.两跨超静定梁的受力与约束情况如习题图7.2所示，矩形截面宽30mm，高100mm，材料的弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。

集中力P=1800N，均布载荷q=350N/m。

试计算梁的约束反力、最大位移及最大位移出现的位置、弯矩及剪力分布图。

习题图7.2两跨超静定粱

3.T型框架结构尺寸、约束及受力情况如习题图7.3所示，截面形式为空心圆管，尺寸为Φ219×8mm，材料的弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。

试计算T型框架结构的变形图、应力图，并指出最大位移和最大应力出现的位置，同时绘制结构的轴力图、弯矩图及剪力图。

习题图7.3T型框架结构

4.七层框架结构如习题图7.4所示，顶部作用均布载荷50kN/m，左侧节点上作用倒三角形载荷简化得到的集中载荷，具体数值如图所示，框架底部节点完全固定。

钢筋混凝土结构，弹性模量为0.5×1011Pa，泊松比为0.3，密度为2500kg/m3，考虑重力作用。

梁截面的宽度为0.4m、高度为1.2m，柱截面宽度为0.6m，厚度为0.6m。

试计算该七层框架结构的变形图、应力图，并指出最大位移和最大应力出现的位置，同时绘制结构的轴力图、弯矩图及剪力图。

习题图7.4七层框架结构

5.空间梁柱结构如习题图7.5所示，横向（图中x轴）跨度为1.8m，纵向（图中z轴）跨度为1.2m，柱高1.2m，柱顶四边对称起坡，起坡高度0.6m，顶点作用集中载荷20kN，四柱脚固定约束。

梁柱结构均为钢材，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

柱横截面为工字型钢，主轴方向为纵轴（图中z轴），梁横截面为工字型钢，起坡斜梁为方钢管，所有截面尺寸及在结构中的布置如图所示。

试计算在集中载荷和重力作用下该空间梁柱结构的变形图、应力图，并指出最大位移和最大应力出现的位置，同时绘制结构的轴力图、弯矩图及剪力图。

a）空间梁柱结构

b）柱截面尺寸c）横梁截面尺寸d）斜梁截面尺寸

习题图7.5空间梁柱结构（单位：

mm）

第8章

习题

1.平面钢支架图形尺寸如习题图8.1所示，厚度为3.125mm，弹性模量为200Gpa。

边界条件：

左边固定。

载荷：

顶边均布载荷，大小为2625N/m。

求解钢支架的变形，绘制VonMises等效应力图。

然后再重新建模，在支架拐角处不加倒角，观察应力集中现象，绘制VonMises等效应力图（平面应力问题，具体操作过程可参考ANSYS帮助文件中的例题）。

习题图8.1平面钢支架

2.平面支架如习题图8.2所示，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，厚度为8mm，通过两个直径为20mm的小圆孔中的螺栓固定，在内直径为60mm的大圆孔内作用P=1.5kN的向下集中力。

试计算该平面支架的变形图和VonMises等效应力图。

习题图8.2带圆孔平面支架（尺寸单位：

mm）

3.钢制自行车扳手如习题图8.3所示，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，扳手的厚度为5mm，扳手尺寸、受力与约束如图所示。

试求该扳手的变形图和VonMises等效应力图。

习题图8.3钢制自行车扳手

4.柱壳结构如习题图8.4所示，厚度为20mm，底部纵边固定约束，其余边自由，顶部角点处作用一集中力，大小为1000N，结构弹性模量为0.72×1011Pa，泊松比为0.31。

试采用8节点壳单元SHELL93和8节点自适应壳单元SHELL150分别计算其变形图和VonMises等效应力图，并进行对比分析。

习题图8.4柱壳结构

5.书架结构如习题图8.5所示，各层隔板厚度为0.01m，两块侧立板厚度为0.008m，背板厚度为0.008m，结构尺寸如图所示。

假设书架结构底板完全固定，中间三块隔板上存放各种书籍，书籍产生的均布压力作用在上面，大小为300Pa。

书架结构弹性模量为1.25×109Pa，泊松比为0.31，密度为810kg/m3。

试采用壳单元SHELL63计算其变形和VonMises等效应力。

习题图8.5书架结构

第9章

习题

1.立体钢支架如习题图9.1所示，厚度为5mm，其余平面尺寸如习题图8.1所示，弹性模量为200Gpa。

边界条件：

左立面固定。

载荷：

上顶面均布载荷，大小为525kN/m2。

求解立体钢支架的变形，绘制VonMises等效应力图，并与习题图8.1的计算结果进行对比。

习题图9.1立体钢支架

2.三维简单钢支架如习题图9.2所示，支架整个后里面固定在墙上，在支架的伸长面内作用大小为100N/mm2的斜坡载荷，尺寸如图所示。

支架弹性模量为E＝210Gpa，泊松比为0.3。

试绘制三维简单钢支架变形图，并找到VonMises等效应力的最大值及其位置。

习题图9.2三维简单支架

3.三维L形钢支架如习题图9.3所示，支架由底板上螺栓孔内孔面固定，在支架的伸长部分作用大小为1000N/cm2的均布载荷，尺寸如图所示。

支架弹性模量为E＝206Gpa，泊松比为0.3。

试绘制三维L形钢支架变形图，并找到主应力与VonMises等效应力的最大值及其位置。

习题图9.3三维L形支架

4.三维L形钢支架如习题图9.4所示，支架通过有孔的表面固定在墙上，材料为钢材，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，几何尺寸及载荷如图所示。

试绘制三维L形钢支架变形图，并找到主应力与VonMises等效应力的最大值及其位置。

习题图9.4三维L形支架

第10章

习题

1.简单钢架结构如习题图10.1所示，尺寸和约束形式如图所示，钢架为钢材，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3，截面为方形，面积为0.02m2。

试计算该简单钢架结构的前5阶固有频率和振型。

习题图10.1简单钢架结构

2.带孔四边简支方板如习题图10.2所示，边长为1m，孔直径为0.4m，板厚度为0.002m。

材料为铝，弹性模量为0.7×1011Pa，泊松比为0.29，密度为2700kg/m3。

试计算其前5阶固有频率和振型。

习题图10.2带孔四边简支方板

3.两自由度弹簧质量系统如习题图10.3所示，在质量m1上作用一简谐激振力

，材料参数如下：

质量m1=m2=20kg，弹簧刚度k1=k2=kc=150N/m，力F1=200N，频率范围为0~20Hz，其解间隔取0.2Hz，弹簧长度任意选择。

首先对该两自由度弹簧质量系统进行模态分析（不考虑外力作用），然后再对其进行谐响应分析，确定每一个质量块的位移频率响应（可参照ANSYS帮助文件进行求解）。

习题图10.3两自由度弹簧质量系统

4.有预应力吉他弦如习题图10.4所示，吉他弦两端固定，长度L=1000mm，直径d=0.3mm，右端作用有集中力F1=100kN使其绷紧，在距离左端c=250mm处作用有集中力F2=1.5kN弹击此弦，吉他弦弹性模量为1.90×1011Pa，密度为7950kg/m3。

试对此有预应力吉他弦进行谐响应分析，分析中取弹击力F2的频率范围为0~2500Hz，其解间隔取100Hz。

以查看吉他弦在前几个固有频率处的响应。

习题图10.4有预应力吉他弦

5.板柱结构如习题图10.5所示，板柱结构全为钢材，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

板件厚度为0.008m，四根柱的截面面积为8×10-4m2，惯性矩为2×10-8m2，宽度为0.02m，高度为0.04m。

板件上表面作用随时间变化的均布压力（压力载荷与时间的关系曲线如图所示），试计算在上述已知条件下的结构瞬态响应情况。

a）板柱结构

b）载荷示意图

习题图10.5板柱结构及载荷示意图

6.将习题图10.3所示的两自由度弹簧质量系统中m1上的作用力变为如习题图10.6所示的随时间变化的集中力形式，其中F0=100N，td=1s。

试计算质量块m1、m2的位移响应。

习题图10.6载荷随时间变化图

第11章

习题

1.浅拱如习题图11.1所示，拱形半径为1500mm，扇形角为30度，左右两端固定铰支，浅拱截面为方形，宽度为25mm，高度为15mm，跨中受到载荷为25kN的作用，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。

试用空间有限应变梁单元BEAM189进行建模，采用非线性（大变形）分析确定跨中位移，并与线性分析结果进行比较。

习题图11.1矩形截面悬臂梁

2.带孔矩形板如习题图11.2所示，板材料为钢材，设屈服应力为235Mpa，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。

带孔矩形板尺寸及受力如图所示，板厚度为0.01m。

试采用理想弹塑性模型对其进行弹塑性分析。

习题图11.2带孔矩形板

3.深梁如习题图11.3所示，梁长为7.2m，高为1.5m，梁跨中位置承受竖向集中载荷为200kN，梁简支约束，弹性模量为0.3×1011Pa，泊松比为0.17。

深梁结构及材料应力应变关系如图所示。

试确定跨中的最大挠度和上下边缘的最大拉压应力（提示：

采用PLANE82单元进行平面应力分析，考虑材料非线性影响）。

a）深梁结构

应变ε×10-6

30

300

500

900

1400

1800

2200

3600

应力σ（MPa）

0.65

4.8

9.5

18

22

25

26

26

b）材料应力应变参数

习题图11.3深梁结构与材料应力应变参数

4.周边简支圆盘如习题图11.4所示，圆盘半径为400mm，厚度为15mm，弹性模量为1.25×1011Pa，泊松比为0.28，受均布压力P和周期载荷F的作用，均布压力P=15Mpa，圆盘材料应力应变关系和集中力F的载荷时间曲线如图所示。

试求周边简支圆盘在该作用力下的响应（提示：

根据对称性，选取圆盘纵截面的1/2建立几何模型）。

a）圆盘受力图及计算模型

应力σ（MPa）

130

190

220

260

280

300

应变ε×10-6

1200

1800

2700

4400

6700

10500

b）材料应力应变参数

c）载荷时间曲线图

习题图11.4周边简支圆盘

第12章

习题

1.圆弧拱如习题图12.1所示，跨中承受竖向集中载荷P=1000kN，圆弧拱跨度L=10m，半径R=8m，截面宽度B=1m，高度H=0.5m，弹性模量为3.3×1010Pa，泊松比为0.3。

试分别采用空间弹性梁单元BEAM4和空间有限应变梁单元BEAM189对其进行特征值屈曲分析，计算前两阶屈曲模态，并对结果进行比较。

习题图12.1圆弧拱

2.矩形截面悬臂梁如习题图12.2所示，梁长L=1000mm，截面高度h=50mm，宽度b=20mm，在自由度作用一横向集中力，发生横向失稳，细长悬臂梁的弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。

试利用空间有限应变梁单元BEAM189进行特征值屈曲分析，确定梁失稳的临界载荷。

习题图12.2矩形截面悬臂梁

3.四边简支矩形薄板如习题图12.3所示，长200mm，宽100mm，厚1mm，结构为钢材，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，受压缩载荷作用，大小为80kN/m。

试采用壳单元对其进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。

习题图12.3四边简支矩形薄板

第13章

习题

1.碳纤维复合材料层合板如习题图13.1所示，尺寸为0.3m×0.6m，AB端完全固定，D端受垂直板面集中力作用，大小为400N。

铺层共8层，顺序为（45/90/-45/0）s，每层厚度为0.0025m，Ex=30×106N/m2，Ey=Ez=3×106N/m2，泊松比为0.3，Gxy=Gxz=Gyz=6×105N/m2。

试对其进行静力分析，求其变形和中间层上的应力应变分布。

习题图13.1复合材料层合板

2.开口复合材料剪切板如习题图13.2所示，长700mm，宽450mm，厚度为2.5mm，铺层顺序为（-45/45/90/-45/45/0/90/0/-45/45）s，单层厚度为0.125mm，共20层。

单层材料性能参数为：

E11=1.3×1011N/m2，E22=E33=1×1010N/m2，G12=G31=6.5×109N/m2，G23=2.5×109N/m2，μ12=μ23=0.2，μ31=0.1，ρ=1600kg/m3。

复合材料剪切板开口半径为50mm，四边简支，四边作用剪切载荷大小为Nxy=100N/mm。

试对其进行静力分析，求其变形和中间正负45度铺层上的应力应变分布。

然后进行特征值屈曲分析，确定开口复合材料剪切板失稳时的临界载荷。

习题图13.2开口复合材料剪切板

第14章

习题

1.轴承支座如习题图14.1所示，支座通过底座上的两个螺栓孔内表面固定于地面上，在整个半圆槽圆柱面上作用法向均布载荷q=10kN/m2。

试采用实体单元计算该轴承支座的变形和VonMise等效应力。

习题图14.1轴承支座

2.结构支座如习题图14.2所示，支座通过底座上的四个螺栓孔内表面固定于地面上，在F150圆孔的下半圆柱面作用法向均布载荷q=20kN/m2。

试采用实体单元计算该结构支座的变形和VonMise等效应力。

若结构支座密度为7850kg/m3，试对其进行模态分析，求其前5阶固有频率和振型。

习题图14.2结构支座

3.圆板如习题图14.3所示，周边固定支承，受均布压力6585.1MPa。

圆板半径为0.25m，厚度为0.0025m，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。

试采用ANSYSWorkbench平台对其进行建模，并进行分线性大变形分析，确定圆板中心处的位移值。

习题图14.3圆板

4.矩形断面圆拱如习题图14.4所示，两直边固定支承，拱面作用1MPa均布压力，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，拱截面为5mm×50mm，拱半径为50mm，扇形角为90度。

试采用ANSYSWorkbench平台对其进行建模，并对其进行特征值屈曲分析。

习题图14.4矩形断面圆拱

5.四边简支方板如习题图14.5所示，板四边简支，边长为250mm，厚度为5mm，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

试采用ANSYSWorkbench平台，根据其固有频率的理论公式

，对其第一阶固有频率进行优化设计，使其最小。

其中弹性模量的优化范围为1.8×1011Pa≤≤2.2×1011Pa，泊松比的优化范围为0.27≤m≤0.3，密度的优化范围为7065kg/m3≤r≤8635kg/m3。

习题图14.5四边简支方板

第15章

习题

1.双层柱面网壳如习题图15.1所示，四角锥结构，跨度为30m（网格数9个），长度36m（网格数12个），矢跨比为0.3，网壳厚度为1.2m，双层柱面网壳所有杆件均采用Ф89×4mm的Q235钢管，密度为7850kg/m3。

试采用APDL语言对该结构进行建模，并求取前十阶固有频率和振型；然后采用特征值屈曲分析计算双层柱面网壳均布恒载1.5kN/m2作用下的结构整体稳定性。

习题图15.1双层柱面网壳

2.框架板梁结构模型如习题图15.2所示，结构采用钢材，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

钢板厚度为5mm，柱的截面尺寸为50mm×50mm。

基础位移激励谱如习题表15.1所示。

试计算该框架板梁结构的前10阶固有频率和振型，然后计算其在X方向的地震位移响应作用下整个结构的响应。

习题表15.1基础位移激励谱

频率（Hz）

0.5

1.0

2.4

3.8

6.5

17

20

26

35

45

位移（mm）

0.015

0.025

0.035

0.025

0.015

0.005

0.015

0.02

0.015

0.03

习题图15.2框架板梁结构

3.悬链线膜如习题图15.3所示，顶圆半径a=2.5m，底圆半径b=27.5，高h=7.7224m，膜的弹性模量为6000kN/m2，泊松比μ=0.38，膜面厚度为1mm，膜的预应力为18kN/m。

该膜面的悬链线解析解为：

试采用ANSYS对其进行找形分析。

习题图15.3悬链线膜（1/4部分）