CAE对角支架的有限元力学分析实验.docx

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CAE对角支架的有限元力学分析实验

课程上机实验报告

课程名称：

课程编号：

课程性质：

任课教师：

学生姓名：

学号：

学院：

领域年级：

2017年6月6日

上机实验一

实验内容：

对角支架的有限元力学分析

一、问题描述

已知角支架的结构和尺寸如下图1-1所示，角支架上开有两个销孔。

左上方的销孔在整个圆周上是受约束的（焊接的），右下角的销孔底部受到一个由圆心向下的一个线性分布负载的作用，现在利用ANSYS软件对上述模型进行基本的有限元力学分析。

已知角支架的具体尺寸如下图1-1所示。

该角支架由A36钢制成，其弹性模量为30E6psi，泊松比为0.27。

图1-1角支架

二、几何模型建立

几何模型的建立有很多种方式，这次实验的几何模型建立的方式是首先绘制两个矩形，然后在两个矩形的一端各绘制一个与矩形宽等径的圆，对上述几个图形做求和运算。

再对角支架转弯处倒圆角。

然后在角支架两端绘制两个小圆，最后进行求差运算，即在上面得到的图形中减去两个小圆便得到了所要的模型。

下面对模型的建立做具体说明。

2.1绘制矩形

通过依次点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions调出矩形的参数设置框，并设置X,Y轴的数据，如下图2-1所示。

图2-1第一个矩形参数设置框

点击图中的Apply按钮即生成一个矩形。

更改参数设置框里面X,Y的相应参数，如下图2-2所示。

图2-2第二个矩形参数设置框

点击OK按钮，即最终得到图2-3，即如下两个矩形的图形。

图2-3两个矩形图

上图显示了两个矩形，都是相同的颜色。

可以通过如下步骤的设置更清楚地区分区域。

通过点击UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering打开（勾选）areanumbers一栏。

图2-4PlotNumberingControls设置图

通过上述设置后建立的模型如下图2-5所示。

图2-5变更后的两个矩形图图2-6图形大小控制框图

2.2绘制圆面

模型建立的下一步是在上述已建立模型的两端创建半圆。

但是实际上，我们可以在每个端点都创建一个完整的圆，然后再将圆和矩形进行布尔求和运算。

在这个过程中我们可以通过图形大小控制框（Pan-Zoom-Rotate）放大或缩小已经建立的模型。

点击UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate即可调出图形大小控制框，如上图2-6所示。

通过点击图2-6图形控制框里的大点或小点来控制所建模型的放大或缩小。

点击UtilityMenu>WorkPlane>WPSettings把工作平面的坐标设置为极轴坐标。

具体设置为：

自上而下依次选择“极轴”，选择“网格和三角形”以及捕捉增量设置为0.1。

然后点击OK按钮。

现在通过点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle进行圆的绘制。

如下图2-7所示。

图2-7圆形面设置框图2-8绘制出一个圆的图形

调出图2-7所示的圆形面积绘制框，设置框中的X，Y的值为0，圆的半径可以直接输入1，或者在图中拉出一个长度作为半径。

绘制出第一个圆。

结果如上图2-8所示。

移动工作平面，绘制第二个圆面。

要通过上面的方式在角支架的右下端以相同的方式创建圆面，需要首先将工作平面移动到圆的原点。

在不输入数字偏移量的情况下，最简单的方法是将WP移动到一个平均的键点位置，方法是在右下方的矩形中选取关键点。

具体的步骤如下：

通过点击UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints，然后选者右边矩形的最下面的两个端点，然后点击OK按钮，即生成如下图2-9所示的图形。

图2-9绘制第二个圆的图形

然后通过点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle，然后选择右边矩形下方的圆心，然后再选择右边矩形下面的一个顶点，即生成了第二个圆面。

2.3布尔求和运算

即通过布尔求和运算将上述已经画出的几个相互独立的图形生成一个图形。

点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，然后点击跳出的框里面的PickAll按钮即可。

如下图2-10所示。

图2-10面求和选取框图2-11绘制第二个圆的图形

此时建立的模型如上图2-11所示。

2.4创建圆角

通过点击UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering打开Linenumbering，此时建立的模型上的会出现构成模型的各条线的编号。

如下图所示：

图2-12PlotNumberingControls设置框

图2-13显示模型的线的编号

通过点击UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane关闭显示工作平面。

然后点击UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane选择上图中的第17条线和第8条线。

点击Apply后设置Filletradius为0.4。

如下图2-14所示。

图2-14线角生成设置

然后点击UtilityMenu>Plot>Lines使得图形只显示线。

如下图2-15所示：

图2-15只显示线的模型

可以通过滚动鼠标中间的滚轮按需要放大图形进行线的选取。

然后点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines，选取图像中的第4，5条线及第1条线。

点击Ok即生成了由上速三条线围城的面。

如下图2-16所示。

图2-16生成圆角面

通过前面提到的布尔求和运算将此步骤前面的图形生成一个图形。

2.5绘制销孔

通过前面步骤提到的绘制圆的方法在已经建立的模型上绘制两个半径为0.4的圆形。

如下图2-17所示。

图2-17绘制两个小圆面

2.6布尔求差运算

点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas，先选择之前建立的模型，然后点击Apply，在选择两个圆，点击OK即得到所要建立的模型。

如下图所示：

图2-18最终建立的模型

点击UtilityMenu>File>SaveAs保存上面图2-18建立的最终的几何模型。

三、有限元网格模型建立

3.1定义材料

点击MainMenu>Preferences勾选Structural。

然后点击OK按钮即可。

点击MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels对角支架的弹性模量及泊松比进行设置，如下图3-1所示：

图3-1弹性模量及泊松比设置

进行上图的设置后点击Ok按钮即可。

3.2定义元素类型

通过点击MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete添加一个元素类型，选择Solid后再选择8node183，然后再点击Ok按钮。

如下图所示。

图3-2定义元素类型图1

图3-3定义元素类型图2

图3-4定义元素类型图3

在点击上图中的Option按钮，将K3后面对应的设置为Planestrsw/thk即可，点击OK按钮。

如下图3-5所示：

图3-5定义元素类型图4

3.3定义常数

点击MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete，添加一个realconstant，进行如下图的设置。

图3-6定义常数

对上图中的THK设置为0.5后，点击OK按钮即可。

3.4生成网格

网格的划分分为线网格，面网格，体网格。

对于最基本的线网格划分而言，一般有两种，一种是将线均分为多少段，另一种是按给定划分后每小段的尺寸来划分网格。

本次实验中网格划分采用第二种。

通过点击MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，设置相应的参数，自动生成网格，操作步骤如下：

点击MeshTool里面SizeControl下面的Global后面的Set设置Type为0.5。

如下图3-7所示。

图3-7网格尺寸设置

然后点击Mesh选择建立的几何模型。

然后点击OK，即自动生成网格。

生成的网格如下图3-8所示。

图3-8最终生成的网格

点击UtilityMenu>File>Saveas，对生成的网格进行保存。

四、边界、约束条件及施加载荷

本次实验中，角支架的左上角的销孔受到约束，右下角的销孔下部受到向下50到150psi线性分布的压力载荷。

在软件中，具体的操作如下。

4.1约束条件的设置

通过点击MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines，对左上的销孔的周长进行选取。

选取如下图4-1所示。

图4-1选择约束

并对约束进行相应的参数的设置，如下图4-2所示。

图4-2约束的参数设置

然后点击OK按钮即可。

此时可以看出图中生成了由圆心向外的力的箭头示意图。

4.2压力载荷的设置

点击MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines，选择右下销孔的下半部分的周长分左右两部分进行分别设置。

如下图4-3所示。

压力载荷施加的部位为图中销孔的弧长16和17。

图4-3压力载荷施加的部位选取

对销孔的弧长部位分别施加压力载荷后的受力如下图4-4箭头所示。

图4-4压力载荷施加后的图

进行上述的设置后即可进行求解的操作。

五、结果分析

经过求解得到角支架受到压力载荷后的位移云图，如下图5-1所示。

角支架受到压力载荷后的等效应力云图如下图5-2所示。

角支架受到压力载荷后Y方向的各节点反力下图5-3所示。

图5-1角支架受载荷后的位移云图

图5-2角支架受载荷后的等效应力云图

图5-3角支架受载荷后Y方向各节点的反力

利用ANSYS经过上述对角支架受到压力载荷后的求解分析，由图5-1的位移云图可知，角支架右下部分（即位移云图中标记了MX处）的位移变形量最大，由位移云图可读出，其变形的最大位移量为0.0012in。

由图5-2的等效应力云图可知，固定端销孔的右下方的弧长边（即应力云图图中标记了MX处）受到的应力最大，最集中，由等效应力云图可读出受到的最大应力为3037.48psi。

在受力分析的过程中可如图5-3所示，查看Y方向各节点的反力情况。