有限元课程设计0001.docx
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有限元课程设计0001
有限元课程设计
0.前言
目前,几乎所有高校的力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等理工科专业,都为高年级本科生开设了《有限元方法》基础课程,为研究生开设了《非线性有限元方法》学位课程。
学生在学习完有限元课程之后,还必须熟练掌握相关有限元软件的使用,才能将有限元基本理论有效地应用到实际工程问题分析中去。
为此,部分有条件的高校也开设了有限元软件应用课程(课程名称可能会因学校及专业的不同而有所差异,但都是以讲解有限元软件ANSYS或其他软件为主)。
哈尔滨工业大学航天学院工程力学专业20世纪90年代末即开设了该类课程《应用软件工程--ANSYS》,作者从2003年开始接手讲授该门课程。
虽然市面上的ANSYS书籍很多,但却难以找出一本非常适合做教材的书籍,因此作者参考多本书籍自主编写了校内讲稿。
经过6年多的试用,目前已基本成型,现将多年的校内讲稿和心得体会完善成书,以期与开设该类课程的兄弟院校分享、共勉,同时也供从事相关科研与工程项目的人员参考阅读。
ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件,经过三十年的发展,已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件,广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域,其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。
作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准,目前几乎所有的CAD/CAE/CAM软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。
ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本,并同时有32位和64位版本,目前最新的版本为12.0。
本书以ANSYS12.0版本为依据,以WindowsNT为操作平台,将结构有限元分析的基本理论与ANSYS实践操作紧密结合,通过大量精心筛选的具有实际工程应用背景的原创性分析实例,以图形用户界面和命令流两种方式向读者全面介绍了ANSYS结构有限元分析方法。
1.问题阐述
外伸梁上均布载荷的集中度为q=3kN/m,集中力偶矩Me=3kN·m列出剪力方程和弯矩方程,并绘制剪力图。
长度l=8m;宽度b=2m;厚度h=0.5m
弹性模量=2.06e11材料力学Ι(刘鸿文第四版)P121
用材料力学计算所得剪力和弯矩图如下:
图2-1剪力图
图2-2弯矩图
2.有限元分析
2.1.梁的参数设定
长度l=8m;
宽度b=2m;
厚度h=0.5m
2.2.材料参数
材料特性应理想条件,即:
满足完全弹性假定,连续性假定,均匀性假定,各向同性假定的理想弹性体。
所以,选择弹性模量为2.06e11泊松比选择u=0.2
2.3.单元选择
由于梁只受均布载荷和弯矩,所以我们择2维的单元。
BEAM3单元,运用于2维问题,具有拉,压,弯特性,在每个节点上有3个自由度X,Y方向位移以及绕z轴的旋转。
选择BEAM单元家族中的2Delastic3类型。
即为二维梁单元。
根据梁的几何参数,所以参数定义为:
AREA=1,IZZ=0.020833,HEIGHT=0.5。
2.4.梁的边界条件
在节点A处梁受X,Y两个方向的约束;节点B受只受Y方向的约束。
2.5.梁所受的载荷
CD之间作用着均布载荷q=3kN/m,在节点D处作用着集中力偶Me=3kN·m,方向为顺时针方向,所以为负值。
2.6.ANSYS软件应用说明
由以上分析可知,在X=2m处,有一个X和Y方向的约束,在0到6m的梁上作用着大小为3KN/m均布载荷,而x=6m处还作用着一个力偶Me=3kN·m.X=8m处有一个固定端,只限制Y方向上位移。
集中力载荷的作用点一般分布在载荷强度的突变点,分布载荷与自由边界的分界点,支承点等都应该取为节点。
所以将X=0,X=2,X=6,X=8设置为节点,节点均布,将梁划分为16个单元,17个节点。
3.交互式的求解过程
3.1创建梁的各个节点
1.给梁的各参数赋值:
UtilityMenu:
Parameters→ScalarParameters界面,在Selection下输入梁高H=0.5按下Accept;输入梁宽B=2→Accept;梁长L=8→Accept;计算梁的横截面积AREA=B*H→Accept;计算梁的截面惯性矩IZZ=B*H*H*H/12→Accept;然后定义载荷:
弯矩M=-3000→Accept;均布载荷Q=3000→Accept;→Close.
2.MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Node→InActiveCS。
3.在创建节点窗口内,在NODE后的编辑框内输入节点号1,并在X,Y,Z后的编辑框内输入0,0,0作为节点1的坐标值。
4.按下该窗口内的Apply按钮。
5.输入节点号17,并在X,Y,Z后的编辑框内输入L,0,0作为节点17的坐值。
6.按下OK按钮。
7.MainMenu:
Preprocessor→-Modeling-Create→Node→FillbetweenNds。
8.在图形窗口内,用鼠标选择节点1和17。
9.按下FillbetweenNds窗口内的Apply按钮。
10.按下OK按钮,完成在节点1到节点17之间节点的填充。
2.显示各个节点
1.UtilityMenu:
Plotctrls→Numberings
2.将Nodenumbers项设置为On。
3.UtilityMenu:
Plot→Nodes
4.UtilityMenu:
List→Nodes
5.对出现的窗口不做任何操作,按下OK按钮。
6.浏览节点信息后,关闭该信息窗口。
3.2定义单元类型、材料特性和梁的横截面几何参数
1.定义单元类型
1.MainMenu:
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete
2.按下ElementType窗口内的Add按钮。
3.在单元类型库中,选择左侧列表中的BEAM单元家族,及右侧列表中2Delastic3类型。
4.按下OK按钮完成选择。
5.按下Close按钮关闭ElementType窗口。
2.定义材料特性
1.MainMenu:
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。
2.在材料定义窗口内选择:
Structural→Linear→Elastic→Isotropic。
3.在EX后的文本框内输入数值2.06e11作为弹性模量。
4.按下OK按钮完成定义。
3.定义梁的横截面几何参数
1.MainMenu:
Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。
2.按下RealConstants窗口内的Add按钮。
3.按下RealConstantsforElementType窗口内的OK按钮。
4.依次输入1,AREA,IZZ,H。
5.按下OK按钮完成定义。
6.按下RealConstants窗口内的Close按钮。
3.3创建单元
1.创建单元
1.MainMenu:
Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→ThruNodes。
2.在图形窗口内,用鼠标点选节点1和2。
3.按下按下OK按钮完成单元1的定义。
4.MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Copy→Elements→Auto-Numbered。
用光标选择单元1,然后点Apply。
5.在ITIME后的编辑框内输入16(包括被复制的单元1)作为要复制的单元总数。
6.按下OK按钮完成单元2到单元16的定义。
2.显示单元信息
1.UtilityMenu:
PlotCtrls→Numberings
2.在第一个下拉列表中,选择Elementsnumbers选项。
3.UtilityMenu:
Plot→Elements
4.UtilityMenu:
List→Elements→Nodes+Attributes
5.浏览单元信息后,关闭该窗口。
4.施加约束和载荷
4.1节点自由度约束
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes。
2.用鼠标在图形窗口内选择节点5。
3.按下选择窗口内的Apply按钮。
4.选择自由度UX和UY,并在VALUE后为其输入数值0。
5.按下Apply按钮。
6.用鼠标在图形窗口内选择节点17。
7.按下选择窗口内的Apply按钮。
8.选择自由度UY,并在VALUE后为其输入数值0。
9.按下OK按钮。
4.2施加节点13处的弯矩m。
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。
2.用鼠标在图形窗口内选择节点13。
3.按下选择窗口内的Apply按钮。
4.在第一个下拉列表中选择MZ,并在下面的文本框内输入其值M(逆时针为正方向)。
5.按下OK按钮。
4.3施加单元1到单元12上的的分布载荷q。
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams。
2.用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元12。
3.按下选择窗口内的Apply按钮。
4.在LKEY后的文本框内输入数值1。
5.在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入Q,
6.按下OK按钮。
5.求解
5.1定义分析类型
1.MainMenu:
Solution→AnslysisType→NewAnalysis。
2.选中Static选项。
3.按下OK按钮。
5.2求解
1.MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLs。
2.按下OK按钮关闭SolveCurrentLoadStep窗口。
3.按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。
4.浏览/STATUSCommand窗口内的信息后,将其关闭。
6.后处理
6.1绘制梁的Y方向变形图
1.MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlotNodalSolu...
2.选择DOFSolution下的Y-Componentofdisplacement→在Undisplacedshapekey后选择Deformedshapewithundeformededge→OK
6.2建立单元结果表
1.创建单元表,计算节点弯矩。
1.MainMenu:
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。
2.按下ElementTableData窗口内的Add按钮。
3.在Lab后的文本框内输入IMOMENT。
4.在左侧列表中选择Bysequencenum项。
5.右侧列表中选择SMICS,项。
6.在右侧列表下的文本框内SMICS后面,输入6。
7.按下Apply按钮。
8.在Lab后的文本框内输入JMOMENT。
9.重复上面的步骤4和5。
10.右侧列表下的文本框内SMICS后面,输入12。
11.按下OK按钮→Close。
2.创建单元表,计算节点剪力
1.MainMenu:
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。
2.按下ElementTableData窗口内的Add按钮。
3.在Lab后的文本框内输入ISHEAR。
4.在左侧列表中选择Bysequencenum项。
5.右侧列表中选择SMICS,项。
6.右侧列表下的文本框内SMICS后面,输入2。
7.按下Apply按钮。
8.在Lab后的文本框内输入JSHEAR。
9.重复上面的步骤4和5。
10.右侧列表下的文本框内SMICS后面,输入8。
11.按下OK按钮→Close。
6.3结果显示
1.列出各节点弯矩和剪力
1.MainMenu:
GeneralPostproc→ListResults→ElemeTableData。
2.在ListElementTableData窗口内选择IMOMENT,JMOMENT,ISHEAR和JSHEAR。
3.按下OK按钮并在浏览资料窗口内的信息后,将其关闭。
2.画剪力图
1.MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElemRes
2.在第一个下拉列表中选择ISHEAR,在第二个下拉列表中选择JSHEAR。
3.按下ok按钮。
剪力图:
3.画弯矩图
1.MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes
2.在第一个下拉列表中选择IMOMENT,在第二个下拉列表中选择JMOMENT。
3.按下OK按钮。
弯矩图:
7.退出程序
Toolbar:
Quit。
选择Quit-NoSave!
按下OK按钮。
心得体会
通过本次课程设计,我们不仅加深了对《现代机械设计方法》这门课程的基本知识的了解,更加了解的了有限元法在实际问题中的应用,应用ANSYS软件进行有限元分析,能够精确的观察出模型各个微元部分所收的应力或者形变等等。
使我们意识到了有限元分析在现代机械设计中的强大功能与作用。
通过对数学模型的实际优化,了解了优化方法在实际问题中的应用,也了解了各种方法的有点与缺点,对以后的学习工作奠定基础,使我们了解到理论与实际联系的重要性,增加了我们的学习兴趣,这次课程设计让我懂得很多有限元知识,对ANSYS软件更加深入的了解。
参考文献
[1]现代机械设计方法/倪洪启,古耀新主编。
﹣北京:
化学工业出版社,2008..2
[2]材料力学Ⅰ/刘鸿文主编.-4版.-北京:
高等教育出版社,2004.1(2008重印)
[3]C程序设计/谭浩强著.-3版:
北京:
清华大学出版社,2005(2007重印)
[4]孙靖民主编.现代机械设计方法.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2003
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