王亮亮1007240816《ANSYS工程分析与应用》大作业级.docx
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王亮亮1007240816《ANSYS工程分析与应用》大作业级
西安建筑科技大学
研究生课程考试试卷
考试科目:
ANSYS工程分析与应用
课程编码:
071060
任课教师:
郑建校
考试时间:
2011.01.10
学号:
1007240816
学生姓名:
王亮亮
题号
成绩
总成绩
学分
1
2
3
4
5
6
阅卷人签字
7
8
9
试题总页数
10
18页
1、简述ANSYS软件的发展历史。
1970年,DoctorJohnSwanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化,于是创建了ANSYS公司,总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。
30年来,ANSYS公司致力于设计分析软件的开发,不断吸取新的计算方法和计算技术,领导着世界有限元技术的发展,并为全球工业广泛接受,其50000多用户遍及全世界。
ANSYS软件的第一个版本仅提供了热分析及线性结构分析功能,像当时的大多数程序一样,它只是一个批处理程序,且只能在大型计算机上运行。
20世纪70年代初,ANSYS软件中融入了新的技术以及用户的要求,从而使程序发生了很大的变化,非线性、子结构以及更多的单元类型被加入到子程序。
70年代末,交互方式的加入是该软件最为显著的变化,它大大地简化了模型生成和结果评价(前处理和后处理)。
在进行分析之前,可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件;在分析完成之后,计算结果的图形显示,立即可用于分析检验。
今天该软件的功能更加强大,使用更加便利。
ANSYS提供的虚拟样机设计法,使用户减少了昂贵费时的物理样机,在一个连续的、相互协作的工程设计中,分析用于整个产品开发过程,并且工作人员之间像一个团队一样相互协作。
ANSYS分析模拟工具易于使用、支持多种工作平台、并在异种异构平台上数据百分之百兼容、提供了多场耦合的分析功能。
同时该软件提供了一个不断改进的功能清单,包括:
结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。
基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择,为用户使用ANSYS提供“导航”。
ANSYS公司对软件的质量非常重视,新版的ANSYS软件必须通过7000道标准考题。
业界典范的质保体系,自动化规范化的质量测试使ANSYS公司于1995年5月在设计分析类软件中第一个通过了ISO9001的质量体系认证。
ANSYS公司于1996年2月在北京开设了第一个驻华办事机构,短短几年的时间里发展到北京、上海、成都、广州四个办事处。
ANSYS软件与中国压力容器标准化技术委员会合作,在1996年开发了符合中国JB4732-95国家标准的中国压力容器版。
作为ANSYS集团用户的铁路机车车辆工业总公司,在其机车提速的研制中,ANSYS软件已经开始发挥作用,中国铁路机车“上水平、上档次、上质量”的目标已初见成效。
ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛用于核工业、地道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
ANSYS能与多数CAD软件结合使用,实现数据共享和交换,如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alongor等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单,具体包括:
结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。
基于Motif的菜单系统是用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择,为用户使用ANSYS提供“导航”。
2、节点、单元、单元类型的基本概念。
节点:
几何模型通过划分网格,转化为有限元模型,节点构成了网格的分布和形状,是构成有限元模型的基本元素。
单元:
有限元模型的组成元素,主要有点、线、面、体。
单元类型:
根据实体模型划分网格时所要确定的单元的形状,是单元属性的一部分,单元类型决定了单元的自由度,包括线单元(梁、杆、弹簧单元)、壳单元(用于薄板或曲面模型)、二维实体单元、三维实体单元、线性单元、二次单元和P–单元。
3、ANSYS软件进行分析的一般步骤是什么?
ANSYS进行分析的步骤基本为:
前处理、求解计算及后处理三大步。
①、确定结构的分析方案(线、面、体):
桁架、壳、实体等;注意线性单元和高次单元的使用;对称性等简化方法的运用;
②、根据分析的类型确定单元类型、实常量等,特别是单元类型的某些选项,对于某些分析十分重要;
③、设定材料模型;
④、采用各种方法建立模型。
在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响,尤其是在某些情况下有些网格较难生成,因此对于布尔运算要慎重考虑,为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模;
⑤、将材料、实常量等参数赋给模型,在某些情况下可以同时指定方向点;
⑥、按情况划分网格:
自由网格或自由网格,设置合适的网格密度等,尤其注意网格设置;
⑦、在生成节点和单元后,根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等;
⑧、施加力和约束等;
⑨、求解:
注意设置合适的求解选项;
⑩、进入后处理菜单获得计算结果等,评价分析结果。
4、ANSYS软件划分网格的方法有那些?
并说明他们的优缺点。
划分网格方法:
网格可分为自由网格和映射网格;
自由网格划分优点:
对实体操作无特殊要求,任何几何模型,尽管是不规则的也可以进行自由网格划分;缺点:
可能会遇到全部网格都必须为四边形网格的情况,这时应控制SmartSizing项让它来决定合适的单元数。
自由网格对实体模型无特殊要求,对任何几何模型(规则的或不规则的),都可以进行网格划分,并且没有特定的准则。
所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分,自由面网格可以只由四边形单元组成、也可以只由三角形单元组成,或由两者混合组成。
自由体网格一般限定为四面体单元。
映射网格划分优点:
它可以指定程序全部用四边形面单元、三角形面单元、或六面体单元生成网格模型。
缺点:
SmartSizing不能用于映射网格划分,硬点不支持映射网格划分。
映射网格划分要求面或体是有规则的形状,而且必须遵循一定的准则。
与自由网格相比,映射面网格只包含四边形或三角形单元,而映射体网格只包含六面体单元。
映射网格具有规则形状,各单元成排规则排列。
下面分别介绍这2种基本的划分方法。
5、APDL的具体含义是什么?
APDL的全称是ANSYSParametricDesignLanguage(ANSYS参数化设计语言)。
用于根据来建立模型,是优化设计和自适应网格划分等ANSYS经典特性的实现基础;有限元分析的标准过程包括:
定义模型及其载荷、求解和解释结果,假如求解结果表明有必要修改设计,那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步骤。
而APDL用建立智能分析的手段为用户了自动完成上述循环的功能,也就是说,程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。
APDL为用户了自动完成上述循环的功能,也就是说,程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。
它允许复杂的数据输入,使用户对任何设计或分析属性有控制权,例如,几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等,扩展了传统有限元分析范围以外的能力,并扩充了更高级运算包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设计优化。
为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。
它实质上由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成。
其中,程序设计语言部分与其它编程语言一样,具有参数、数组表达式、函数、流程控制(循环与分支)、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。
标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的,这些命令可以写进程序设计语言编写的程序,命令的参数可以赋确定值,也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。
6、ANSYS软件有哪些功能?
简述它的优缺点。
1)、结构静力分析:
用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。
静力分析包括线性和非线性分析,而非线性分析涉及塑性、应力钢化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变。
2)、接触问题分析:
与点-面接触单元相比,面-面接触有好几项优点:
支持低阶和高阶单元;支持有大滑动和摩擦的大变形,协调刚对阵计算,不对称单元刚度阵的计算;提供工程目的采用更好的接触结果;没有刚体表面形状的限制,刚体表面光滑不是必须的,允许自然的或网格离散引起的表面不连续;允许多种建模控制。
难点:
求解之前不知道接触区域,表面之间是接触或分开是未知的。
3)、模态分析:
有利于计算结构的固有频率和模态;可以是机构设计避免共振或以特定频率进行振动,是工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;有助于在其他动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)。
4)、谐响应分析(谐波分析);有利用确定在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。
5)、瞬态动力学分析:
有利于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应,并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。
6)、谱分析:
是对模态分析的拓广,优于计算由于响应谱或PSD输入(随机械振动)引起的应力和应变。
7)、结构屈曲分析:
有利于计算曲屈载荷和确定曲屈模态;他还可以进行线性(特征值)和非线性曲屈分析。
8)、显示动力分析:
ANSYS/LS-DYNA有利于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。
9)、结构动力学分析:
用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。
与静力分析不同,动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。
ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括:
瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
10)结构非线性分析:
结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。
ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题,包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。
11)声场分析:
程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播,或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。
这些功能可用来确定音响话筒的频率响应,研究音乐大厅的声场强度分布,或预测水对振动船体的阻尼效应。
12)压电分析:
用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。
这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。
可进行四种类型的分析:
静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
8、详述自己学习ANSYS软件的体会以及学习过程中应注意的问题。
通过对ANSYS软件的初步学习时,我发现这个软件具有强大的功能和可利用性,该软件对初学者提出了很高的要求,不仅要求初学者比较扎实的力学基础(如理论力学、材料力学、弹性力学、结构力学、流体力学等),而且需要我们初学者不断的总结和积累经验,从实例的学习中掌握这个软件的基本操作规程,只有这样才能较好的掌握这门软件,学习过程中需注意以下几点:
首先,要熟悉GUI操作后再来使用命令流,GUI操作起来更加的直观方便,掌握命令流是一件非常困难的事情;其次,建议不要使用自底向上的建模方法,而要使用自顶向下的建模的方法,充分的熟悉BLC4、CYLIND等几条直接生成图元的命令。
再次,对于面网格划分,不需要考虑映射条件,直接对整个模型使用命令控制单元的大小,保证长边上产生单元的大小与短边上产生单元的大小基本单元,绝大部分面都能生成非常规则地四边行网格;对于三维的壳单元,麻烦一点的就是给面赋予实常数。
最后,对于有限元模型的加载,但当施加载荷或边界条件的面比较多,需要使用选择命令将这些面全部选出来,以保证施加的载荷和边界条件的正确性。
8、根据给定的图形,在ANSYS软件中建模、分析,并得出应力云图。
题目:
某曲柄轴材料为球墨铸铁(QT400-10),许用应力120MPa,曲柄轴抽象为矩形,h=1.2D,b/h=2/3(左右臂尺寸相同),l=1.5e,l4=1.5l。
有关数据:
F=15KN,P=5.2KN,l1=225mm,l2=175mm,l3=100mm,e=80mm,α=12°。
没有的尺寸自己确定。
120X100X15,D=d=20mm,经查得球墨铸铁(QT400-10)的E=169Gpa,泊松比0.275,飞轮直径D×h=120×30。
(如图7-1)
(1)建立有限元模型并划分网格;
(2)画出曲柄轴的内力图;
(3)画出应力云图;(4)整理出APDL命令流
1)、定义工作文件名和工作标题
1、选择UtilityMenu|File|ChangeJobname命令,弹出对话框后输入标题为:
“QuBingZhou”,单击OK按钮关闭对话框。
2、选择UtilityMenu|File|ChangeTitle命令,弹出对话框后输入标题为:
“QuBingZhouAnalysis”,单击OK按钮关闭对话框。
2)、定义单元类型
1、MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete命令,从列表框中选出StructualSolid,Brick20node95,参数如图7-2、7-3、7-4,单击OK按钮关闭对话框。
图7-2PreferenceforGUIFiltering
图7-3ElementTypes
图7-4LibraryofElementTypes
3)、定义材料性能参数
1、选择MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels命令,弹出对话框,在MaterialModelsAvailabey一栏中依次双击Structral、Linear、Elastic、Isotropic选项,对话框参数如图7-5。
图7-5EX与PRXY参数选项
2、在DefineMaterialModelBehavior对话框中选择Material|Exit命令关闭该对话框。
4)、几何建模并划分网格
1、下图为曲柄轴几何模型图(图7-6),MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|…….,.建模过程省略,尺寸见题目中。
图7-6曲柄轴几何模型图
2、节点、关键点、线、面、体的序号重新排序,选择MainMenu|Preprocessor|NumberingCtrls|CompressNumbers,弹出如图所示对话框,设置参数见图7-7。
图7-7CompressNumbers
3、单击OK按钮关闭对话框。
4、对实体划分网格,MainMenu|Preprocessor|Meshing|MeshTool,弹出对话框,对勾选中对话框上面的SmartSize选项,其余选项默认,点击下面图标“Mesh”,然后选中实体,划分网格结束,如图7-8。
图7-8曲柄图网格划分示意图
5)、加载求解
1、选择MainMenu|Solution|AnalysisType|NewAnalysis命令,出现NewAnalysis对话框,选择类型为Static,单击OK按钮关闭对话框。
2、选择MainMenu|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|Displacement|OnAreas命令,出现对话框ApplyU,ROTonA拾取菜单,选中曲柄轴两端相应位置(见图7-1A、B位置)加载旋转约束的面积,点击Apply命令,出现ApplyU,ROTonAreas对话框(如图7-9),进行参数设置,单击OK按钮关闭对话框。
图7-9ApplyU,ROTonAreas
3、选择MainMenu|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|Force/Moment|OnNodes命令,出现对话框ApplyF/MonNodes,选中4节点,单击OK,,弹出对话框ApplyF/MonNodes,设置参数见图7-10,单击OK按钮关闭对话框。
选中4节点,单击OK,弹出对话框ApplyF/MonNodes,设置参数见图7-11,单击OK按钮关闭对话框(因为F=15KN,α=12°,且F在XOY平面上,所以将其分解成X、Y两个方向上的分力,FX=-14672.2N,FY=3118.68N)。
图7-10ApplyF/MonNodes(4节点X方向分力)
图7-11ApplyF/MonNodes(4节点Y方向分力)
4、选择MainMenu|Solution|Solve|CurrentLS命令,弹出对话框SolveCurrentLoadStep(如图7-12),单击OK,弹出求解进行窗口(如图7-13),过会求解结束(如图7-14),点击close关闭窗口。
图7-12SolveCurrentLoadStep
图7-13开始求解过程
图7-14求解结束Solutionisdone
5、选择UtilityMenu|File|Saveas命令,出现SaveDatabase对话框,在SaveDatabasto栏输入QuBingZhou01.db,保存求解结果。
(注:
以上过程中,可能是上面有些地方也用到了该保存,过程中可能为反映)
6)、查看求解结果
1、MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|DeformedShape命令,显示对话框PlotDeformedShape,选择Defshapeonly,单击OK显示曲柄轴变形形状显示(图7-15)。
图7-15曲柄轴变形形状显示
2、MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu命令,弹出对话框ContourNodalSolutionData,选择NodalSolution|DofSolution|X-Componentofdisplacement(图7-16X方向位移等值线图)/Y-Componentofdisplacement(图7-17Y方向位移等值线图)/Z-Componentofdisplacement(图7-18Z方向位移等值线图)/Displacementvectorsum(图7-19合成位移等值线图),分别单击OK,分别得到相应的图形。
图7-16X方向位移等值线图图7-17Y方向位移等值线图
图7-18Z方向位移等值线图
图7-19合成位移等值线图
3、MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu命令,弹出对话框ContourNodalSolutionData,选择NodalSolution|Stress|X-Componentofstess(图7-20X方向应力等值线图)/Y-Componentofstess(图7-21Y方向应力等值线图)/Z-Componentofstess(图7-22Z方向应力等值线图)/vonMisesstess(图7-23合成应力等值线图),分别单击OK,分别得到相应的图形。
图7-20X方向应力等值线图7-21Y方向应力等值线图
4、选择UtilityMenu|File|Exit命令,出现ExitfromANSYS对话框,选择Quit—NoSave!
选项,单击OK按钮,关闭ANSYS。
图7-22Z方向应力等值线图
图7-23合成应力等值线图
7)、整理出APDL命令流
/BATCH
/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071821:
20:
4501/10/2011
/input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1
/GRA,POWER
/GST,ON
/PLO,INFO,3
/GRO,CURL,ON
/CPLANE,1
/REPLOT,RESIZE
WPSTYLE,,,,,,,,0
/REPLOT,RESIZE
/FILNAME,QuBingZhou,0
/TITLE,QuBingZhouAnalysis
!
*
/NOPR
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1
KEYW,PR_THERM,0
KEYW,PR_FLUID,0
KEYW,PR_ELMAG,0
KEYW,MAGNOD,0
KEYW,MAGEDG,0
KEYW,MAGHFE,0
KEYW,MAGELC,0
KEYW,PR_MULTI,0
KEYW,PR_CFD,0
/GO
!
*
/COM,
/COM,PreferencesforGUIfilteringhavebeensettodisplay:
/COM,Structural
!
*
/PREP7
!
*
ET,1,SOLID95
!
*
!
*
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,1.69e11
MPDATA,PRXY,1,,0.275
CYL4,0,0,0.01,,,,0.06
K,11,0.05,0.02,0.06,
K,12,-0.05,0.02,0.06,
K,13,-0.05,-0.1,0.06,
K,14,0.05,-0.1,0.06,
L,11,12
L,12,13
L,13,14
L,14,11
FLST,2,4,4
FITEM,2,13
FITEM,2,12
FITEM,2,11
FITEM,2,14
AL,P51X
!
*
VOFFST,5,0.015,,
FLST,3,2,6,ORDE,2
FITEM,3,1
FITEM,3,-2
VSYMM,Z,P51X,,,,0,0
/VIEW,1,1,1,1
/ANG,1
/REP,FAST
wpoff,,-0.08,-0.075
CYL4,0,0
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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