ansys-二维悬臂梁有限元分析42p.pdf

专业课程设计 - 1 - 1 研究目的与问题阐述 1.1 基本研究目的 (1) 掌握 ANSYS 软件的基本几何形体构造、网格划分、边界条件施加等方法。 (2) 熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。 (3) 利用 ANSYS 软件对梁结构进行有限元计算。 (4) 研究不同泊松比对同一位置应力的影响。 1.2 基本问题提出 图 1.1 模型示意图 如图 1.1 所示，当 EX=3.01e6，F=5000N，悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端。 当悬臂梁的泊松比 u 为：0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 时，确定同一位置的应力分布， 得出分布云图。 采用二维模型，3*0.09m。 专业课程设计 - 2 - 2 软件知识学习 2.1 软件的使用与介绍 软件介绍： ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分 析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD软件接口， 实现数据的共享和交换， 如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。 ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结 构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、 汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具， 用户可以方便地构造有 限元模型； 分析计算模块包括结构分析 （可进行线性分析、 非线性分析和高度非线性分析） 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也 可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件 有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC，SGI， HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 专业课程设计 - 3 - 3 研究方法与过程 3.1 研究方法论证 经过查找相关资料，讨论研究后，确定了两种方案解决这一问题，对于方法一， 可能比较简单，但是在最后确定固定点时准确度不够；对于方法二，虽然操作过程有 点繁琐，但是在最后的节点选择上就会很准确，有利于研究结论的正确性与有效性； 故本次研究采用方法二。 3.2 研究法方法一简要介绍 (1) Utility MenuFileClear&Start New (2) Utility MenuFileChange Jobname (3) Utility Menu File Change Title (4) Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete (5) Main MenuPreprocessorMaterial propsMaterial ModelsLinear(线性） Elastic(弹性）Isotropic（各向同性） (6) Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimensions (7) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAttributesAll Areas (8) Main MenuPreprocessorMeshing SizeCntrlsSmartSizeBasic (9) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAreaFree ANSYS (10) Main MenuSolutionDefine Load （定义载荷） Apply （加载） Structural （结构）Displacement（位移）On Ondes (11) Main MenuSolutionDefine Load （定义载荷） Apply （加载） Structural （结构）Force/Moment（力/力矩）On Ondes (12) ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK (13) ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (14) Main MenuGeneral PostprocPlot Results（绘制结果）Contour Plot 专业课程设计 - 4 - （绘制等值图） Nodal Solu （节点解） Nodal Solution （节点解） Elastic Strain （弹性应变）Y-Component of elastic strain（弹性应变 Y 分量） (15) ANSYS Main Menu: General Postproc Query Results Subgrid Solu 选择 Stress X-Component of stress OK 在应力分布图中，选择一固定节点， 点 OK 即可测出相应 Y 方向上应力。 3.3 主要研究方法二介绍 3.3.1 过滤菜单 (1) ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK 注:过滤菜单如图 3.1 所示 图 3.1 过滤菜单 3.3.2 实体建模 (1) ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入 4 个点的坐标：input:1(0,0,0)Apply 2(3000,0,0) Apply 3(3000,90,0) Apply 4(0,90,0) OK 注：在实体建模中，建立四个方位点，首先建立点 1，如图 3.2 所示，然后选择 Aplly 应用，再依次输入点 2、3、4 方位。 专业课程设计 - 5 - 图 3.2 建立方位点 (2) 由 4 个关键点组成面 ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPs 依次拾取 4 个点OK 注：在拾取关键点是要按顺序依次拾取，拾取完点击 OK 即可，如图 3.3 所示。 图 3.3 依次拾取关键点组成图形 专业课程设计 - 6 - 3.3.3 划分网格 (1) 定义单元类型 Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (back to Element Types window) Optionsselelt K3: Plane Strsw/thk Close (the Element Type window) 此处选用 Solid Quad 4node 42。 注：选择单元类型，如图 3.4 所示。 图 3.4 单元类型选择 (2) 定义实常数 ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add select Type 1 OKinput THK:90 OK Close (the Real Constants Window) 注：定义悬臂梁的厚度，即在 THK 框中输入 90（mm）,如图 3.5 所示。 图 3.5 定义悬臂梁宽度 专业课程设计 - 7 - (3) 定义材料（弹性模量，泊松比） ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:3.01e6, PRXY:0.2 OK 注：定义材料弹性模量及泊松比，EX 为弹性模量，PRXY 为泊松比，在第一次定 义时在 PRXY 框中输入 0.2，以后同理，依次输入 0.25、0.3、0.35、0.4，如图 3.6 所示。 图 3.6 定义弹性模量及泊松比 (4) 指定单元属性 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool Element Attributes （select） Global Set OK 注：指定单元属性，依次点 Set,Ok 即可，如图 3.7 所示。 图 3.7 指定单元属性 专业课程设计 - 8 - (5) 网格密度设置 Mesh Tool Size Controls select Lines Set 拾取长边的两条线OK input NDIV:6 Apply 拾取短边的两条线OK input NDIV:2 OK 分别等份划分长和宽 注：划分长，6 等分，如图 3.8 所示。 图 3.8 6 等分长 注：划分宽，2 等分，如图 3.9 所示。 图 3.9 2 等分宽 专业课程设计 - 9 - (6) 划分网格 Mesh Tool Mesh : select Areas Shape:QuadFree Mesh Pick All Close( the Mesh Tool window) 注：释放网格，如图 3.10 所示。 图 3.10 释放网格 (7) 显示单元与节点编号 Utility Menu：PlotctrlsNumbering 选项 NODE Node numbers 为 On 在 Elem/Attrib numbering 选择 Element numbers OK 注：显示单元与节点，为以后应力分析打下基础，如图 3.11，图 3.12 所示。 图 3.11 显示节点操作 专业课程设计 - 10 - 图 3.12 节点显示示意图 3.3.4 求解 (1) 施加位移边界条件与加载 1）给节点 1、10 施加 x 和 y 方向的约束（即约束左边） ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 拾取节点 1、10 OK select Lab2:ALL OFF OK 注：悬臂梁固定一端，此处选择左端固定，如图 3.13 所示。 图 3.13 固定悬臂梁左端 专业课程设计 - 11 - 2）给节点 8 施加 y 方向载荷 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 拾取节点 8OK Lab: FY, Value: -5e3OK 注：给悬臂梁右端施加方向向下，大小为 5000N 的力，如图 3.14 所示，综合效果 图如图 3.15 所示。 图 3.14 右端施加-5e3N 力 图 3.15 综合效果图 (2) 定义分析类型并求解 1）定义分析类型 Preprocessor Solution Analysis Type New Analysis 注：定义分析类型，选择 Static，如图 3.16 所示。 专业课程设计 - 12 - 图 3.16 选择分析类型 2) 求解 ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK 注：求解过程点击 OK 即可，每次变量的改变都必须都要求一次解，这一步至关重 要，如图 3.17 所示。 图 3.17 求解 3.3.5 后处理 (1) 结构的变形图 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK 将在软件主界面显示结构变形图。 注：在后处理过程中中，首先应该看一下结构的变形图，以利于以后基本应力分 专业课程设计 - 13 - 析，如图 3.18 所示。 图 3.18 结构变形图 (2) 显示特定位置应力 ANSYS Main Menu: General Postproc List Results Nodal Solution 选择 Stress Y-Component of stress OK 注：此处选择显示在 Y 方向上各关键点应力，基本操作流程如图 3.19 所示，显 示结果如图 3.20 所示。 图 3.19 基本操作 专业课程设计 - 14 - 图 3.20 显示结果 专业课程设计 - 15 - 4 结论 4.1 数据记录 记录研究数据，转化为表格形式，如表 4.1 所示： NODE SX SY