现代设计方法实验指导书1111.docx
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现代设计方法实验指导书1111
《现代设计方法》
实验指导书
实验一计算机辅助设计
实验目的:
通过上机操作,认识计算机CAD系统的构成,了解常用工程机械软件AUTOCAD、UG的使用,初步掌握基本的绘图方法,联系课本加深对二维三维图形处理的理解。
实验要求:
掌握AUTOCAD基本的绘图、图形变换、编辑等命令,结合课本内容,理解计算机图形处理的过程。
实验设备:
计算机、AUTOCAD2007、UG软件
实验内容:
一、开机运行AUTOCAD2007,注意查看计算机,了解CAD系统的硬件构成
二、观察AUTOCAD2007界面,菜单、工具栏、状态栏、工作区等,用鼠标分别点击不同菜单包含的命令内容及功能如下:
1.文件菜单
文件菜单主要针对文件的操作,例如文件的打开、新建、保存、另存为、输入、输出、打印等。
2.编辑菜单
编辑菜单包含标准的剪切板功能、撤销、回复功能、以及全部选定、清除功能。
3.视图菜单
视图菜单主要是对窗口及绘图区域的控制。
刷新功能重新刷新图形,再生命令会调整圆弧的显示平滑度,实时平移、实时缩放。
视口将窗口分成几部分分别显示图形中的不同部分,视图功能是指从不同角度来观看图形。
4.插入菜单
插入菜单提供将不同的部件插入到当前图形中的功能,可以在图形中插入图块、外部参照、光栅图像、矢量图像等。
5.格式菜单
格式菜单主要是设置图形的格式,包括图层、颜色、线形、线宽、字型、标注型式、打印型式、单位、图形界限等。
6.工具菜单
工具菜单主要提供控制图形的一些工具。
快速选择可以通过所要选择的对象的共同特征来选择对象,如选择某一图层的对象、选择某一颜色的对象;查询功能可以查询两点之间的距离,封闭对象的面积,多个对象的属性列表等。
绘图设置主要是设置对象捕捉、对象跟踪、极轴追踪以及捕捉和栅格功能。
7.绘图菜单
包含最基本的绘图功能,可以分为以下几类:
线的功能:
线段、射线、构造线、多线段、矩形、多边形
弧的功能:
圆弧、圆、圆环、椭圆、椭圆弧、样条曲线等
块的功能:
图块、点、剖面线、边界、面域等
文本功能:
单行文本、多行文本等
建模功能:
多种实体的建立
8.标注菜单
标注包括线性标注、对齐标注、半径标注、直径标注、角度标注、快速标注、引线标注。
9.修改菜单
修改菜单可分为四个部分:
第一部分是对对象本身属性的修改,方便了操作。
第二部分为在保留对象的基础上利用该对象产生新的对象,如复制、偏移、阵列、镜像等。
第三部分为改变对象某方面的性质或或利用辅助的对象改变性质,有删除、移动、旋转、比例、拉伸、加长、修剪、延伸、倒角、圆角等。
第四部分为复杂对象的编辑。
10.窗口菜单
AUTOCAD2007可以同时打开多个图形文件,过窗口的菜单项可选择各窗口的排列形式,以及选择某个窗口作为当前的使用窗口。
11.帮助菜单
帮助菜单提供了帮助内容以及AUTOCAD网格的一些链接,某个命令执行期间按下F1键即可得到该命令的有关帮助内容。
在了解以上内容的基础上进行绘图练习,对于每个操作输入命令的三种方式:
工具条按钮、命令行、下拉菜单,掌握鼠标输入和键盘命令数值输入,记住Line、Arc、Circle、extend、trim、copy等基本常用命令以及快捷命令的输入。
绘制以下图形:
图1图2
图3
以绘制图2为例,绘图步骤如下:
1.把基准线层置为当前层,执行line(直线)命令,绘制水平和竖直的基准线。
2.把轮廓线置为当前层,执行circle(圆)命令,绘制右边的两个同心圆和左边的圆。
3.执行polygon(正多边形)命令,绘制正八边形
4.执行circle(圆)命令,绘制外切与内切圆弧
5.执行trim(修剪)命令,修剪多余线段,完成绘图。
以上步骤2、3可以依据自己的绘图习惯,随意调整绘图顺序,对于步骤4中绘制外切与内切圆弧,有好几种绘制方法,绘制的方法也课依据自己的绘图习惯。
实验二一个悬臂梁的基本分析
一、实验目的
✧掌握有限元软件完成一个分析问题的基本过程。
✧独立完成一个悬臂梁的基本分析
二、实验设备的基本配置
a)实验采用有限元分析软件ansys/ed版本
b)微机安装windows98,windowsnt4.0以上的操作系统。
至少需要200兆硬盘,16mb内存。
17”以上显示器,显示分辨率为1024X768。
三、实验步骤
不同的问题有不同的分析方法,对多数问题而言,分析问题的基本步骤是相同的。
一个典型的分析过程可以表示如下:
✧建立有限元模型
✧施加载荷及边界条件并求解
✧检验分析结果
四、使用ansys软件完成一个基本分析
根据以上的基本分析过程,下面完成一个简单的悬臂梁分析示例。
1、问题说明:
一个悬臂梁,一端固定,另一端受到集中载荷f的作用,计算最大应力和位移。
材料为a3钢。
截面的几何尺寸见图2.1。
相关的材料常数和其它输入数据如下:
材料常数:
弹性模量ex=2e11pa
几何尺寸:
l=100m,b=1m,h=2m
载荷:
f=100n图2.1:
几何尺寸
2、分析方案:
这是一个简单的静力问题。
有限元模型采用二维弹性梁单元beam3,需要输入的实常数为area=bh;惯性矩izz=bh3/12确定。
梁固定端约束全部自由度,另一端施加集中载荷f。
求解步骤:
第一步、定义工作名称
1、在ansys启动时选择interactive
2、在随后的设置中指定jobname为example,单击run按钮,进入ansys图形界面。
第二步、定义标题名称
1、选择菜单utilitymenu>file>changetitle
2、在弹出的对话框中输入beam,单击“ok”。
第三步、定义单位
1、输入窗口中输入/units,si回车。
(表示采用国际单位制,该步骤可以省略)。
第四步、选择单元类型
1、选择菜单mainmenu>preprocessor>elementtype>add/edit/delete,出现elementtype对话框。
2、单击add,libraryofelementtypes对话框出现,在左边的滚动列表框点击"structurebeam",在右边的滚动列表框点击“2delastic3",即beam3单元,单击“ok”。
第五步、定义单元实常数
1、选择菜单mainmenu>preprocessor>realconstants.
2、单击add,选中beam3单元,单击“ok”。
3、第一个输入框中的数字是实常数的编号,选择默认值1。
4、在弹出的对话框输入面积area=2;惯性矩izz=8/12,高度h=2,单击“ok”确定。
第六步、定义材料属性
1、选择菜单mainmenu>preprocessor>materialprops>constant-isotropic
2、弹出输入框中的数字是材料属性的编号,选择默认值1,单击“ok”。
3、弹出输入框中输入材料属性,弹性模型ex=2e11,单击“ok”。
接着建立有限元模型,建立有限元分析模型可以采用先建立几何模型,再进行网格划分的方式,也可以直接建立节点和单元。
这里采用第二种方式。
第七步、生成节点
1、选择菜单mainmenu>preprocessors>create>nodes>inactivecs,在弹出的对话框输入node=1,x=0,y=0,z=0,单击“apply“
2、弹出的对话框输入node=11,x=100,y=0,z=0,单击“ok“
3、选择菜单mainmenu>preprocessors>create>nodes>fillbetweennds,出现点取对话框,用鼠标点取节点1和11,单击“ok“,弹出的对话框单击“ok“,图形窗口出现11个节点如图2.2。
图2.2:
生成节点
第八步、生成单元
1、选择菜单mainmenu>preprocessors>create>elments>autonumbered-thrunodes,出现点取对话框,用鼠标点取节点1和2,单击“ok“,生成一个beam3单元。
2、选择菜单mainmenu>preprocessors>copy>elments>autonumbered,出现点取对话框,用鼠标点取单元1,单击“ok“,弹出的对话框输入itime=10,ninc=1,单击“ok“,图形窗口出现11个单元。
第九步、保存数据库文件
选择菜单utilitymenu>saveas,保存对话框中输入example.db。
第十步、定义分析类型和选项
选择菜单mainmenu>solution>newanalysis,弹出窗口中选择“static”,单击“ok“,表示选择一个静态分析。
第十一步、施加位移约束
1、选择菜单mainmenu>solution>loads>apply>displacements>onnodes,出现点取对话框,用鼠标点取节点1,单击“ok“。
2、弹出的对话框选择lab2=alldof,单击“ok“.
第十二步、施加集中载荷
1、选择菜单mainmenu>solution>loads>apply>force/moments>onnodes,出现点取对话框,用鼠标点取节点11,单击“ok“。
2、弹出的对话框选择lab=fy,value=100,单击“ok“.
第十三步、求解
1、选择菜单mainmenu>solution>currentls.
2、出现一个状态信息窗口,显示求解的相关信息,浏览后关闭窗口。
3、单击“ok“,开始求解,对于这个静态问题,求解很快结束。
4、弹出求解完成信息框,单击“close“.
第十四步、进入后处理器检验分析结果
1、进入通用后处理器,并读入结果
选择菜单 mainmenu>generalpostproc>readresults>firstset
2、绘制变形图,显示y方向的位移
选择菜单 mainmenu>generalpostproc>plotresults>nodalsolu>,在弹出对话框中选择comp中左边滚动框选择“dofsolution”,右边滚动框选择“translationuy”,单击“ok“.
3、列表显示节点的轴向应力
选择菜单mainmenu>generalpostproc>listresults>elementsolution>,在弹出对话框中选择item中左边滚动框选择“bysequencenumber”,右边滚动框选择“nmisc,1”,单击“ok“.
4、列表显示反作用力
选择菜单mainmenu>generalpostproc>listresults>reactionsolu>,在弹出对话框中选择structforcefy”,单击“ok“.
比较结果
结果显示梁自由端出现最大位移,固定端出现最大应力和理论解保持一致。
用ansys软件计算的结果和理论解的比较见表2-2。
表2-2:
比较结果
理论值
ansys
比率
Y方向位移
0.250e-3
0.250e-3
1
轴向应力
15000
15000
1
实验三平面结构的静力分析
一、实验目的
✧掌握有限元软件进行结构静态分析方法。
✧掌握建立2d有限元模型。
✧掌握结构静态分析求解过程。
✧掌握结果后处理方法。
二、实验设备的基本配置
✧实验采用有限元分析软件ansys/ed版本
✧微机安装windows98,windowsnt4.0以上的操作系统。
至少需要200兆硬盘,16mb内存。
17”以上显示器,显示分辨率为1024X768。
三、实验步骤
静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应,不考虑惯性和阻尼的影响,静力分析可以是线性或非线性的,结构线性静力分析过程可以表示如下:
✧建立有限元模型
✧施加载荷及边界条件求解。
✧结果评价和检验分析
四、结构静态分析
问题描述
这是一个单载荷步的结构静态分析的例子,一块带销孔的角铁如图所示,其左上端的销孔四周被全部结束住(焊接),右下端销孔下半周受压力作用,并假定为平面压力状态。
通过这个例子使大家了解典型的ANSYS分析过程,包括建模,划分网络,施加结束与载荷,求解,后处理等。
图3.1:
几何尺寸
问题详细说明
角铁的几何尺寸如图3.1所示,材料为A3钢,相关的材料常数如下:
杨氏模量:
=2e11psi,泊松比=0.27
解题步骤
第一步:
指定jobname(可选)
有两种方法来指定jobname:
✧在ANSYS启动时选择Interactive,在ANSYS启动设置中直接指定jobname,
✧在ANSYS系统中选取菜单UtilityMenu:
File>ChangeTitle在弹出的对话框中输入jobname
第二步:
指定分析标题(可选)
1选取菜单UtilityMenu>ChangeTitle
2在弹出的对话框中输入“ComerBracket”
第三步:
设置分析范畴
1、选取菜单MainMenu>Proference
2、单击Structure选项,使之为选中,然后单击OK。
第四步:
定义单元类型
1、选取菜单MainMenu:
Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现ElementType对话框。
2、单击ADD,LibraryofElementTypes对话框出现。
3、在左边的滚动列表框中点击“StructuralSolid”。
4、在右边的滚动列表框中点击“Quad8node82”,即四边形八节点平面单元(PLANE82),单击OK。
5在LibraryofelementTypes对话框中点击Options,在Options对话框的ElementBehavior选项中选Planestresswiththickness。
6、关闭LibraryofelementTypes对话框。
第五步:
定义实常数
1、选取菜单MainMenu>Preprocessor>RealConstants.
2、点击ADD,选中plane82,点“OK”
3、点击Help可获取关于单元plane82的帮助
4、选File>Exit退出帮助系统
5、在第一个输入框的数字是该实常数集的编号,接受默认值1
6、在THK中输入0.013,即板的厚度,关闭所有对话框
第六步:
定义材料常数
1、选取菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Constant-Isotropic
2、点OK,进下一个对话框
3、在EX处输入2e11
4、在NUXY处输入.27
5、OK,关闭材料常数定义对话框
接下去的第七步到第十八步为建立几何模型,在这儿用到了画矩形、圆,倒角,布尔运算以及工作平面等
第七步:
画矩形
ANSYS的建模采用两种方法:
自顶向下和自底向上。
比较好的方法是,将一个欲分析的模型分解成若干个ANSYS的基本图元,如平面图形有:
矩形,圆等,再通过某种布尔运算形成整个模型,针对这个问题,可以发现,整个模型是由矩形和圆组成,如图所示
下面从画矩形开始
1`、选取总体坐标原点(globalorigin)
ANSYS分析与坐标系无关,但是为了便于建模,ANSYS提供了一个总体坐标系,我们要做的是把模型的哪一点作为原点,在这里,我们取左上角销孔的圆心为原点
2、选取菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling-Create>Dimensions
3、在对应的输入框中键入X1=0X2=0.015Y1=-0.0025Y2=0.0025
4、点APPLY产生第一个矩形
5、在输入框中键入X1=0.010X2=0.015Y1=-0.0025Y2=-0.0075
6、点OK形成第二个矩形
第八步:
改变绘图控制
上面我们建立了两个矩形的面,他们以相同的颜色显示,如何来区分不同的面呢?
ANSYS可以用编号或颜色来区分。
方法是
1、选菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering
2、点击Areanumbers选项使之为ON
3、点击OK,关闭对话框,自动重画绘图区域,可以看到两个面编号分别为A1,A2,并以不同的颜色显示
第九步:
保存数据库文件
在使用ANSYS程序时,经常保存数据是一个很好的习惯,操作很简单,选Toolbar>save_db,保存的目的是为减少由于误操作而造成的重复工作量,因为,ANSYS的恢复操作能恢复到最后一次保存的状态
第十步:
将工作平面变为极坐标,产生第一个圆
接下来是建立两个半圆,我们实际上是画两个实心的圆,然后,通过波尔“加”运算,把圆和矩形合并起来
1、选菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate
2、点取小圆点,把图形缩小ZOOMOUT
3、选菜单UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleon)
4、选菜单UtilityMenu>WorkPlane>WPSettings
5、选中Polar,GridandTriad
6、在Snapinc中输入1
7、OK,关闭对话框
8、选取菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling-Create>Area-Circle>SolidCircle
9、在WPX和WPY中输入0
10在Radius中输入1,OK
第十一步:
移动工作平面
1、选菜单UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints
2、分别点取矩形A2的左下角和右下角
3、选取菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling-Create>Area-Circle>SolidCircle
4、在WPX和WPY中输入0
5、在Radius中输入1,OK
6、Toolbar:
SAVE_DB
第十二步面的合并
1、选取菜单mainmenu>preprocessor>modeling-operate>booleans-add
>areas
2、点pickall,对所有面合并
3、Toolbar:
SAVE_DB
第十三步:
产生倒角
1、选菜单utilitymenu>plotctrls>numbering
2、选中linenumbering
3、OK,关闭对话框,自动重画绘图区,出现线段编号
4、选菜单utilitymenu>workplane>displayworkingplane(toggleoff).
5、选取菜单mainmenu>preprocessor>modeling-create>lines-linefillet
6、点取线段17和8
7、OK,关闭拾取对话框
8、在filletradius中输入0.01
9、OK,产生倒角弧线
10、选菜单utilitymenu>plot>lines
第十四步:
产生倒角区域的面
1、选菜单utilitymenu>plotctrls>pan,zoom,rotate
2、点击zoom按钮。
3、移动鼠标到倒角区域,按左键,移动鼠标形成一个框,再按左键,此选中框即为放大区域
4、选取菜单mainmenu>preprocessor>modeling-create>area-arbitrary>bylines
5、点取围成倒角区域的三条线L4,L5和L1
6、OK,产生倒角区域面
7、在pan,zoom,rotate对话框中点fit,使整个图形正好显示在显示窗口内
8、选菜单utilitymenu>plot>areas
9、toolbar:
save_db
第十五步:
合并两个面
1.选取菜单mainmenu>preprocessor>modeling-operate>booleans-add>
areas
2、点pickall对所有面合并
3、toolbar:
save_db
第十六步:
产生第一个销孔
1、选菜单utilitymenu>workplane>displayworkingplane(toggleon)
2、选取菜单mainmenu>preprocessor>modeling-create>area-circle>solidcircle.
3、在WPX和WPY中输入0
4、在Radius中输入0.01,OK
第十七步:
移动工作平面产生第二个销孔
1、选菜单utilitymenu>workplane>offsetwpto>golbalorigin
2、选取菜单mainmenu>preprocessor>modeling-create>area-circle>solidcircle.
3、在WPX和WPY中输入0
4、在Radius中输入0.01,OK
5、选菜单utilitymenu>workplane>displayworkingplane(toggleoff)
6、选菜单utilitymenu>plot>replot
7、选菜单utilitymenu>plot>lines
8、toolbar:
save_db
第十八步:
用布尔“减”形成销孔
1.选取菜单mainmenu>preprocessing>modeling-operate>booleans-
substract>areas
2、点取大的面为基面,点APPLY
3、点取两销孔处的小圆为被减去的面
4、OK,形成两销孔
至此,建模完成,接下去进行网格划分,在划分网格前,先将建模的数据保存的指定文件中,以备下次回到建模状态,重新进行网格划分,
第十九步:
将数据存入model.db文件
1、选菜单utilitymenu>saveas
2、在保存对话框中输入model.db(扩展名不要省略)
第二十步:
网格划分
ANSYS程序的一个最大优点是能自动进行网格划分,如果你的网格密度不能确定时,建议先采用此方法,不过,此方法一般会产生较多的网格,所以,如果你用的是ANSYS/ED版的话,此方法可能行不通,这时,我们可以通过单元尺寸
人为控制网格密度,步骤如下:
1、选取菜单mainmenu>preprocessor>meshtool
2、点取globalset
3、在SIZE输入框中输入0.01
4、选择areamesh
5、点mesh
6、在拾取对话框中点pickall
7、关闭meshtool,完成网格划分,接下去是求解过程,包括:
施加约束,载荷,指定分析类型和相关选项等。
图3.2:
有限元模型
第二十一步:
施加位移约束
1、选菜单mainmenu>solution>loads-apply>structuraldisplacements>onkeypoints.
2、点取左端销孔上的四个关键点
3、OK,关闭拾取菜单,弹出applyu,rotonkps对话框
4、选中alldof(限制所有自由度,即固定约束)
5、在displacementvalue中
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