数值模拟实验指导书.docx
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数值模拟实验指导书
武汉理工大学
“材料成型数值模拟”课程
上机实验指导书
使用班级:
成型1003-05
2013年04月
为杜绝抄袭,实验报告中实验结果和分析讨论的内容雷同者,将被认定为抄袭:
抄袭者和被抄袭者,都须重做实验,并参加答辩。
否则,实验成绩为不及格。
实验报告按学校规定格式完成,实验报告尽量双面打印,否则太厚。
分析讨论应包括:
(1)对比理论精确解,对模拟计算的结果,进行分析讨论(可参考“提示”)。
用ANSYS计算时,还可改变划分的单元数等对结果的精度进行讨论。
(2)学习用ANSYS软件分析有限元问题的体会。
目录
实验一:
工字悬臂梁的有限元分析………………………………………………….2
实验二:
矩形梁的有限元分析………………………………………………………4
实验三:
受内压作用球体的有限元分析…………………..……………….……….6
实验四:
受热作用的厚壁圆筒的有限元分析…………………..………….……….8
实验一:
工字悬臂梁的有限元分析
一)实验目的
1)了解用ansys进行有限元结构分析的基本过程。
2)将ansys结果与手算结果进行比较。
二)基本原理和方法
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
有限元刚度分析法的步骤:
1)建立几何模型;2)对几何模型进行离散化处理;3)将单元节点位移作为基本未知量;4)选择位移模式;5)确定单元应变与位移、应力与应变的关系;6)根据虚功原理建立单元中节点力与节点位移的关系;7)根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;8)将各单元的刚度方程叠加,组装成整体刚度方程;9)根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;10)求解整体刚度方程,得到节点位移;11)根据相应方程求解应力和应变;12)利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析。
从应用角度看(如用ansys分析软件),整个过程可分为:
●前处理:
步骤1)、2)
●加载求解:
步骤7)、9)、10)、11)
●后处理:
步骤12)
其余为软件自动进行。
三)实验内容
求解P作用在Point处的变形,并将数值解与用弹性梁理论计算的解析解进行对比:
P=4000lb
L=72in
I=833in4
E=29E6psi,泊松比=0.3
横截面积(A)=28.2in2
H=12.71in
(提示:
根据弹性梁理论,Point处的变形:
yPoint=(PL3)/(3EI)=0.0206in.)
四)上机实验步骤(参考)
1)进入ansys:
开始→程序→ANSYS→UtilityMenu:
File→ChangeDirectoryintoyours→ChangeJobname:
beam0
2)设置计算类型:
MainMenu:
Preferences→selectStructural→OK
3)选择单元类型:
MainMenu:
Prepocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectBeam2Delastic3→OK→Close
4)定义实常数:
MainMenu:
Prepocessor→RealConstans→Add/Edit/Delete→Add→AREA:
28.2,IZZ:
833,HIGHT:
12.71→OK→Close
5)定义材料参数:
MainMenu:
Prepocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→EX:
29e6,PRXY:
0.3→OK
6)生成几何模型:
MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入两个坐标点1(0,0)和2(72,0)→OK.MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→StraightLine→Pick1和2两点,连接成线→OK。
(Saveas:
beam0geom.db)
7)网格划分:
MainMenu:
Prepocessor→Meshing→MeshAttributes→Pickedlines→Pick1→OK→OK.MainMenu:
Prepocessor→Meshing→MeshTool→SizeControls:
Lines:
Set→1→NDIV:
5→OK.Backto“MeshTool”Windows→Mesh→Pick1→Close(Saveas:
beam0mesh.db)
8)施加约束、载荷:
MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes→Pick1→AllDOF→OK.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→Pick2→FY,ConstantValue,VALUE:
-4000→OK.
9)分析计算:
MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS→OK→Close
10)显示结果:
MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResult→DeformedShape→Def+Undeformed→OK.(这里显示的是变形量)
11)改变背景:
UtilityMenu:
PlotCtrls→Style→Colors→ReverseVideo
12)对显示结果进行存储:
UtilityMenu:
PlotCtrls→CaptureImage→File→Saveas:
beam0
13)根据需要,重复步骤10)、12)对其它物理量进行显示、存储。
例如显示y方向节点位移量:
MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResult→ContourPlot→NodalSolu→DOFSolu→Y-ComponentDisplacement→Deformedshapewithundeformedmodel→OK
14)退出系统:
UtilityMenu:
File→Exit→SaveEverything→OK
实验二:
矩形梁的有限元分析
一)实验目的
1)熟悉用ansys进行有限元结构分析的基本过程。
2)熟悉ansys图形用户界面。
二)基本原理和方法
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
有限元刚度分析法的步骤:
1)建立几何模型;2)对几何模型进行离散化处理;3)将单元节点位移作为基本未知量;4)选择位移模式;5)确定单元应变与位移、应力与应变的关系;6)根据虚功原理建立单元中节点力与节点位移的关系;7)根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;8)将各单元的刚度方程叠加,组装成整体刚度方程;9)根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;10)求解整体刚度方程,得到节点位移;11)根据相应方程求解应力和应变;12)利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析。
从应用角度看(如用ansys分析软件),整个过程可分为:
●前处理:
步骤1)、2)
●加载求解:
步骤7)、9)、10)、11)
●后处理:
步骤12)
其余为软件自动进行。
三)实验内容
计算分析模型如图所示:
(提示:
根据弹性梁理论梁的最大挠度在其中间:
)
四)上机实验步骤(参考)
1)进入ansys:
开始→程序→ANSYS→UtilityMenu:
File→ChangeDirectoryintoyours→ChangeJobname:
beam
2)设置计算类型:
MainMenu:
Preferences→selectStructural→OK
3)选择单元类型:
MainMenu:
Prepocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectBeam3D2node188→OK→Close
4)定义截面:
MainMenu:
Prepocessor→Sections→Beam→CommonSections→SubType:
(矩形),B:
0.1,H:
0.15→OK
5)定义材料参数:
MainMenu:
Prepocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→EX:
2.1e11,PRXY:
0.3→OK
6)生成几何模型:
MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入三个坐标点1(0,0)、2(10,0)和3(5,1)→OK.MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→StraightLine→Pick1和2两点,连接成线→OK。
(Saveas:
beamgeom.db)
7)网格划分:
MainMenu:
Prepocessor→Meshing→MeshAttributes→Pickedlines→Pick1→OK→PickOrientationKeypoint(s):
Yes→OK→Pick3→OK.MainMenu:
Prepocessor→Meshing→MeshTool→SizeControls:
Lines:
Set→Pick1→NDIV:
5→OK.Backto“MeshTool”Windows→Mesh→1→OK→Close(Saveas:
beammesh.db)
8)施加约束、载荷:
MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes→Pick1→UX,UY,UZ,ROTX→OK.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes→Pick2→UY,UZ,ROTX→OK.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams→Pickall(inPickingMenu)→VALI:
100000→OK.
9)分析计算:
MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS→OK→Close
10)显示结果:
MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResult→DeformedShape→Def+Undeformed→OK.(这里显示的是变形量)
11)改变背景:
UtilityMenu:
PlotCtrls→Style→Colors→ReverseVideo
12)对显示结果进行存储:
UtilityMenu:
PlotCtrls→CaptureImage→File→Saveas:
beam
13)根据需要,重复步骤10)、12)对其它物理量进行显示、存储。
14)退出系统:
UtilityMenu:
File→Exit→SaveEverything→OK
实验三:
受内压作用球体的有限元分析
一)实验目的
1)熟悉用ansys进行实体建模及结构分析的基本过程。
2)熟悉ansys图形用户界面。
二)基本原理和方法
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
有限元刚度分析法的步骤:
1)建立几何模型;2)对几何模型进行离散化处理;3)将单元节点位移作为基本未知量;4)选择位移模式;5)确定单元应变与位移、应力与应变的关系;6)根据虚功原理建立单元中节点力与节点位移的关系;7)根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;8)将各单元的刚度方程叠加,组装成整体刚度方程;9)根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;10)求解整体刚度方程,得到节点位移;11)根据相应方程求解应力和应变;12)利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析。
从应用角度看(如用ansys分析软件),整个过程可分为:
●前处理:
步骤1)、2)
●加载求解:
步骤7)、9)、10)、11)
●后处理:
步骤12)
其余为软件自动进行。
三)实验内容
受均匀内压的球体计算分析模型(截面图)如图所示:
四)上机实验步骤(参考)
1)进入ansys:
开始→程序→ANSYS→UtilityMenu:
File→ChangeDirectoryintoyours→ChangeJobname:
sphere
2)设置计算类型:
MainMenu:
Preferences→selectStructural→OK
3)选择单元类型:
MainMenu:
Prepocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectSolidQuad4node42→OK(backtoElementTypeWindows)→Options→SelectK3:
Axisymmetric→OK→Close
4)定义材料参数:
MainMenu:
Prepocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→EX:
2.1e11,PRXY:
0.3→OK
5)生成几何模型:
MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入四个坐标点1(0.3,0)、2(0.5,0)、3(0,0.5)和4(0,0.3)→OK.UtilityMenu:
WorkPlane→ChangeActiveCSto→GlobalSpherical.MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→InActiveCoord→依次连接1,2点、2,3点、3,4点、4,1点→OK.MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ByLines→Pickall(InPickingMenu)→OK。
UtilityMenu:
WorkPlane→ChangeActiveCSto→GlobalCartesian.(Saveas:
spheregeom.db)
6)网格划分:
MainMenu:
Prepocessor→Meshing→MeshTool→SizeControls:
Lines:
Set→Pick1和3(inPickingMenu)→NDIV:
10→Apply→Pick2和4(inPickingMenu)→NDIV:
20→OK→(BacktotheMeshtoolWindows)Mesh:
Areas,Shape:
Quad,Mapped→Mesh→Pickall(inPickingMenu)OK→Close(Saveas:
spheremesh.db)
7)施加约束、载荷:
MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnLines→Pick1→Lab2:
UY→OK.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→SymmetryB.C→OnLines→Pick3→OK.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines→Pick4→OK→inputVALUE:
100e6→OK.
8)分析计算:
MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS→OK→Close
9)显示结果:
MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResult→DeformedShape→Def+Undeformed→OK.(这里显示的是变形量)
10)改变背景:
UtilityMenu:
PlotCtrls→Style→Colors→ReverseVideo
11)对显示结果进行存储:
UtilityMenu:
PlotCtrls→CaptureImage→File→Saveas:
sphere
12)根据需要,重复步骤9)、11)对其它物理量进行显示、存储。
13)退出系统:
UtilityMenu:
File→Exit→SaveEverything→OK
实验四:
受热作用的厚壁圆筒的有限元分析
一)实验目的
1)熟悉用ansys进行实体建模及热分析的基本过程。
2)熟悉ansys图形用户界面。
二)基本原理和方法
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
有限元刚度分析法的步骤:
1)建立几何模型;2)对几何模型进行离散化处理;3)将单元节点位移作为基本未知量;4)选择位移模式;5)确定单元应变与位移、应力与应变的关系;6)根据虚功原理建立单元中节点力与节点位移的关系;7)根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;8)将各单元的刚度方程叠加,组装成整体刚度方程;9)根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;10)求解整体刚度方程,得到节点位移;11)根据相应方程求解应力和应变;12)利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析。
从应用角度看(如用ansys分析软件),整个过程可分为:
●前处理:
步骤1)、2)
●加载求解:
步骤7)、9)、10)、11)
●后处理:
步骤12)
其余为软件自动进行。
三)实验内容
受热作用的厚壁圆筒计算分析模型(截面图)如图所示:
(提示:
一维导热圆筒壁的温度分布:
)
四)上机实验步骤(参考)
1)进入ansys:
开始→程序→ANSYS→UtilityMenu:
File→ChangeDirectoryintoyours→ChangeJobname:
cylinder
2)设置计算类型:
MainMenu:
Preferences→selectThermal→OK
3)选择单元类型:
MainMenu:
Prepocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectThermalSolidQuad4node55→OK(backtoElementTypeWindows)→Options→SelectK3:
Axisymmetric→OK→Close
4)定义材料参数:
MainMenu:
Prepocessor→MaterialProps→MaterialModels→Thermal→Conductivity→Isotropic→KXX:
7.5→OK
5)生成几何模型:
MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入四个坐标点1(0.3,0)、2(0.5,0)、3(0.5,1)和4(0.3,1)→OK.MainMenu:
Prepocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ThroughKPS→Pickall(InPickingMenu)→OK。
(Saveas:
cylindergeom.db)
6)网格划分:
MainMenu:
Prepocessor→Meshing→MeshTool→SizeControls:
Lines:
Set→Pick1和3(inPickingMenu)→NDIV:
5→Apply→Pick2和4(inPickingMenu)→NDIV:
15→OK→(BacktotheMeshtoolWindows)Mesh:
Areas,Shape:
Quad,Mapped→Mesh→Pickall(inPickingMenu)OK→Close(Saveas:
spheremesh.db)
7)施加约束、载荷:
MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Thermal→Temperature→OnLines→Pick4→Lab2:
TEMP,VALUE:
500→OK.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Thermal→Temperature→OnLines→Pick2→Lab2:
TEMP,VALUE:
100→OK.
8)分析计算:
MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS→OK→Close
9)显示结果:
MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResult→ContourPlot→NodalSolu→ThermalGradient→Thermalgradientvectorsum→Deformedshapewithundeformedmodel→OK(这里显示的是温度梯度矢量)
10)改变背景:
Utilit
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