有限元实验140.docx
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有限元实验140
现代设计理论与方法
有限元实验
实验平台(软件):
ANSYS
实验目的:
了解并掌握有限元分析的基本思路,学会使用ANSYS经典界面和ANSYSWorkbehch分析简单的问题
一、ANSYS经典界面下的有限元分析
(1)问题描述
厚度t=50.8mm,长度l=1270mm,截面高度线性变化的悬臂梁,截面高度从d变化到3d(d=76.2mm),在自由端的集中力F=17.793KN,弹性模量207GPa,泊松比为零。
利用PLANE42(四节点平面单元)计算梁中部和固定端位置的最大弯曲应力。
(2)解析解结果
悬臂梁中部(x=l)
悬臂梁固定端处(x=1.5l)
(3)有限元模型分析
1、分析类型
静力分析
2、问题描述
平面应力
3、初步分析
(1)上页梁理论应力值。
上边受拉下边受压。
(2)最大位移发生在自由端。
可计算。
4、ANSYS单位
mmNMP
5、单元
PLANE182—4节点四边形(每个节点2个自由度)
6、材料
弹性模量和泊松比
7、实常数
厚度
(4)设置工作目录
Start>Programs>ANSYS12.0>ANSYSProductLaucher(工作目录以及分析文件名可以自由设定)
(5)分析步骤
1、菜单过滤
ANSYSMainMenu:
Preferences→selectStructural→OK
2、实体建模
建4个关键点
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入4个点的坐标:
input:
1(635,0)→Apply→2(1905,0)→Apply→3(635,-76.2)→Apply→4(1905,-228.6)→OK
由4个关键点组成面
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ThroughKPs→依次拾取4个点→OK
3、划分网格
1)定义单元类型
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectSolidQuad4node182→OK(backtoElementTypeswindow)→Options…→seleltK3:
PlaneStrsw/thk→Close(theElementTypewindow)
2)定义实常数(厚度)
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→RealConstants…→Add…→selectType1→OK→inputTHK:
50.8→OK→Close(theRealConstantsWindow)
3)定义材料(弹性模量,泊松比)
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:
2.07e5,PRXY:
0→OK
4)指定单元属性
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→Meshing→MeshTool→ElementAttributes
selectGlobal→Set→OK
5)网格密度设置
MeshTool→SizeControls→selectLines→Set→拾取长边的两条线→OK→inputNDIV:
6→Apply→拾取短边的两条线→OK→inputNDIV:
1→OK
6)划分网格
MeshTool→Mesh:
selectAreas→Shape:
Quad→Free→Mesh→PickAll→Close(theMeshToolwindow)
7)显示单元与节点编号
UtilityMenu(主界面顶菜单):
Plotctrls→Numbering→选项NODENodenumbers为On→在Elem/Attribnumbering选择Elementnumbers→OK
显示元素:
UtilityMenu:
Plot→emements
4、求解
1)施加位移边界条件与加载
给节点2、8施加x和y方向的约束(即约束右边)
ANSYSMainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes→拾取节点2、8→OK→selectLab2:
ALLOFF→OK
给节点1施加y方向载荷
ANSYSMainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→拾取节点1→OK→Lab:
FY,Value:
-17793→OK
2)定义分析类型并求解
Preprocessor>Solution>AnalysisType>NewAnalysis
ANSYSMainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS→OK(toclosethesolveCurrentLoadStepwindow)→OK
5、后处理
1)结构的变形图
ANSYSMainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape…→selectDef+Undeformed→OK
2)图示X方向的应力
ANSYSMainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolution
选择Stress→X-Componentofstress→OK
3)查询中部最大应力和固定端最大应力
ANSYSMainMenu:
GeneralPostproc→QueryResults→SubgridSolu→选择Stress→X-Componentofstress→OK→拾取节点2和节点5→OK
4)结果对比
理论值
ANSYS值
比值
PLANE42(4节点)
中部最大应力
57.457MPa
56.24MPa
0.979
固定端最大应力
51.073MPa
49.3MPa
0.965
二、ANSYSWorkbench下的有限元分析
1案例介绍
某如图1-24所示不锈钢钢板尺寸为320mmX50mmX20mm,其中一端为固定,另一端为自由状态,同时在一面上分布有均布载荷q=0.2MPa,请用ANSYSWorkbench求解出应力与应变的分布云图。
2启动Workbench并建立分析项目
(1)在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS14.0→Workbench命令,启动ANSYSWorkbench14.0,进入主界面。
(2)双击主界面Toolbox(工具箱)中的Componentsystems→Symmetry(几何体)选项,即可在项
目管理区创建分析项目A,如图1-25所示。
图1-24案例问题图1-25创建分析项目A
(3)在工具箱中的AnalysisSystem→StaticStructural上按住鼠标左键拖曳到项目管理区中,当项目A
的Symmetry红色高亮显示时,放开鼠标创建项目B,此时相关联的项数据可共享,如图1-26所示。
图1-26创建分析项目
提示:
本例是线性静态结构分析,创建项目时可直接创建项目B,而不创建项目A,几何体的导入可在项目B中的B3栏Geometry中导入创建。
本例的创建方法在对同一模型进行不同的分析时会经常用到。
3导入创建几何体
(1)在A2栏的Geometry上点击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择ImportGeometry→Browse命令,如图1-27所示,此时会弹出“打开”对话框。
(2)在弹出的“打开”对话框中选择文件路径,导入char01-01.x_t几何体文件,如图1-28所示,此时A2栏Geometry后的
变为
,表示实体模型已经存在。
图1-27导入几何体图1-28“打开”对话框
(3)双击项目A中的A2栏Geometry,此时会进入到DesignModeler界面,此时设计树种Import1前显示
,表示需要生成,图形窗口中没有图形显示,如图1-29所示。
(4)单击
(生成)按钮,即可显示生成的几何体,如图1-30所示,此时可在几何体上进行其它的操作,本例无需进行操作。
(5)单击DesignModeler界面右上角的
(关闭)按钮,退出DesignModeler,返回到Workbench主界面。
图1-29生成前的DesignModeler界面图1-30生成后的DesignModeler界面
4添加材料库
(1)双击项目B中的B2栏EngineeringData项,进入如图1-31所示的材料参数设置界面,在该界面下即可进行材料参数设置。
图1-31材料参数设置界面
(2)在界面的空白处单击鼠标右键,弹出快捷菜单中选择EngineeringDataSources(工程数据源),此时的界面会变为如图1-32所示的界面。
原界面窗口中的OutlineofSchematicB2:
EngineeringData消失,取代以EngineeringDataSources及OutlineofFavorites。
图1-32材料参数设置界面
(3)在EngineeringDataSources表中选择A3栏GeneralMaterials,然后单击OutlineofFavorites表中A8栏StainlessSteel(不锈钢)后的B8栏的
(添加),此时在C8栏中会显示
(使用中的)标识,如图1-33所示,标识材料添加成功。
(4)同步骤
(2),在界面的空白处单击鼠标右键,在弹出快捷菜单中选择EngineeringDataSources
(工程数据源),返回到初始界面中。
(5)根据实际工程材料的特性,在PropertiesofOutlineRow3:
StainlessSteel表中可以修改材料的特性,如图1-34所示,本实例采用的是默认值。
提示:
用户也可以通过在EngineeringData窗口中自行创建新材料添加到模型库中
图1-33添加材料图1-34材料参数修改窗口
(6)单击工具栏中的
按钮,返回到Workbench主界面,材料库添加完毕。
4添加模型材料属性
(1)双击主界面项目管理区项目B中的B3栏Model项,进入如图1-35所示Mechanical界面,在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。
提示:
此时分析树Geometry前显示的为问号,表示数据不完全,需要输入完整的数据。
本例是因为没有为模型添加材料的缘故。
图1-35Mechanical界面
(2)选择Mechanical界面左侧Outlines(分析树)中Geometry选项下的Char01-01,此时即可在Detailsof“Char01-01”(参数列表)中给模型添加材料,如图1-36所示。
(3)单击参数列表中的Material下Assignment黄色区域后的
,此时会出现刚刚设置的材料StainlessSteel,选择即可将其添加到模型中去。
此时分析树Geometry前的变为,如图1-37所示,表示材料已经添加成功。
图1-36添加材料图1-37添加材料后的分析树
5划分网格
(1)选择Mechanical界面左侧Outline(分析树)中的Mesh选项,此时可在Detailsof“Mesh”(参数列表)中修改网格参数,本例中在Sizing中的RelevanceCenter选项设置为Medum,其余采用默认设置。
(2)在Outlines(分析树)中的Mesh选项单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择
GenerateMesh
命令,此时会弹出如图1-38所示的进度显示条,表示网格正在划分,当网格划分完成后,进度条自动消失,最终的网格效果如图1-39所示。
图1-38生成网格图1-39网格效果
6施加载荷与约束
(1)选择Mechanical界面左侧Outline(分析树)中的StaticStructural(B5)选项,此时会出现如图
1-40所示的Environment工具栏。
(2)选择Environment工具栏中的Supports(约束)→FixedSupport(固定约束)命令,此时在分析树种会出现FixedSupport选项,如图1-41所示。
图1-40Environment工具栏图1-41添加固定约束
(3)选中FixedSupport,选择需要施加固定约束的面,单击Detailsof“StaticStructural(B5)”(参数列表)中Geometry选项下的
按钮,即可在选中面上施加固定约束,如图1-42所示。
图1-42施加固定约束
(4)如同操作步骤
(2)选择Environment工具栏中的Loads(载荷)→Pressure(压力)命令,此时在分析树种会出现Pressure选项,如图1-43所示。
图1-43添加压力
(5)如同操作步骤(3)选中Pressure,选择需要施加压力的面,单击Detailsof“StaticStructural(B5)”
(参数列表)中Geometry选项下的
按钮,同时在Magnitude选项下设置压力为0.2MPa的面载荷,如图1-44所示。
图1-44添加面载荷
(6)在Outlines(分析树)中的StaticStructural(B5)选项单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择
Solve命令,此时会弹出进度显示条,表示正在求解,当求解完成后进度条自动消失,如图1-45所示。
图1-45求解
7结果后处理
(1)选择Mechanical界面左侧Outline(分析树)中的Solution(B6)选项,此时会出现如图1-46所示的Solution工具栏。
(2)选择Solution工具栏中的Stress(应力)→Equivalent(von-Mises)命令,此时在分析树种会出现EquivalentStress(等效应力)选项,如图1-47所示。
图1-46Solution工具栏图1-47添加等效应力选项
(3)如同步骤
(2)选择Solution工具栏中的Strain(应变)→Equivalent(von-Mises)命令,如图1-48
所示,此时在分析树种会出现EquivalentElasticStrain(等效应变)选项。
(4)如同步骤
(2)选择Solution工具栏中的Deformation(变形)→Total命令,如图1-49所示,此时在分析树种会出现TotalDeformation(总变形)选项。
图1-48添加等效应变选项图1-49添加总变形选项
(5)在Outlines(分析树)中的Solution(B6)选项单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择
Equivalent
AllResults命令,如图1-50所示,此时会弹出进度显示条,表示正在求解,当求解完成后进度条自动消失。
图1-50快捷菜单
(6)选择Outline(分析树)中Solution(B6)下的EquivalentStress选项,此时会出现如图1-51所示的应力分析云图。
(7)选择Outline(分析树)中Solution(B6)下的EquivalentElasticStrain选项,此时会出现如图1-52
所示的应变分析云图。
图1-51应力分析云图图1-52应变分析云图
(8)选择Outline(分析树)中Solution(B6)下的TotalDeformation(总变形),此时会出现如图1-53
所示的总变形分析云图。
8保存与退出
(1)单击Mechanical界面右上角的
(关闭)按钮,退出Mechanical返回到Workbench主界面。
此时主界面中的项目管理区中显示的分析项目均已完成,如图1-54所示。
(2)在Workbench主界面中单击常用工具栏中的
(保存)按钮,保存包含有分析结果的文件。
(3)单击右上角的
(关闭)按钮,退出Workbench主界面,完成项目分析。
图1-53总变形分析云图图1-54项目管理区中的分析项目
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