ANSYS悬臂梁的自由端受力的有限元计算[1].doc

悬臂梁自由端受力的有限元计算任柳杰 10110290005一、 计算目的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、 梁的变形、挠曲线等情况的分析。5、 一维梁单元，二维壳单元，三维实体单元对计算结果的影响。6、 载荷施加在不同的节点上对结果的影响。二、 计算设备PC，ANSYS软件（版本为11.0）三、 计算内容悬臂梁受力模型如上图所示，一段长100mm的梁，一端固定，另一段受到平行于梁截面的集中力F的作用，F=100N。梁的截面为正方形，边长为10mm。梁所用的材料：弹性模量E=2.0105MPa，泊松比0.3。四、 计算步骤（以梁单元为例）1、 分析问题。分析该物理模型可知，截面边长/梁长度=0.1是一个较小的值，我们可以用梁单元来分析这样的模型。当然，建立合适的壳单元模型和实体单元模型也是可以的。故拟采用这三种不同的方式建立模型。以下主要阐述采用梁单元的模型的计算步骤。2、 建立有限元模型。a) 创建工作文件夹并添加标题；在个人的工作目录下创建一个文件夹，命名为beam，用于保存分析过程中生成的各种文件。启动ANSYS后，使用菜单“File”“Change Directory”将工作目录指向beam文件夹；使用/FILNAME,BEAM命令将文件名改为BEAM，这样分析过程中生成的文件均以BEAM为前缀。偏好设定为结构分析，操作如下：GUI: Main Menu Preferences Structuralb) 选择单元；进入单元类型库，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add对话框左侧选择Beam选项，在右侧列表中选择2D elastic 3选项，然后单击OK按钮。本步骤也可以用以下命令行形式代替：/PREP7! 进入前处理器/ET,1,BEAM3! 定义BEAM3单元c) 定义实常数；根据单元类型定义实常数，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add本例中主要定义梁的截面性质，在AREA对应的文本框中输入梁的截面积100。在IZZ对应的文本框中数据截面惯性矩10000/12。（注：截面惯性矩公式为Iz=BH3/12其中B为矩形截面的宽，H为高。）在HEIGHT对应的文本框中输入截面的高度10。d) 定义材料属性；定义材料属性（弹性模量和泊松比）的操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic在弹出的对话框中输入材料参数：杨氏模量(EX): 2.0e5 泊松比(PRXY): 0.3该步骤也可以使用以下命令实现：MP,EX,1,2.0E5MP,PRXY,1,0.3e) 创建实体模型；合理规划模型的坐标可以减少一定的工作量，在本例中，将坐标原点取在梁的固定端，将梁的方向置放为x方向。1. 创建点：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS在NPT对应的文本框中输入点的编号为1，在X,Y,Z对应的文本框中分别输入点的坐标0,0,0。同样方式输入编号为2的另一点，坐标为100,0,0。以上步骤可以用命令实现：K,1,0,0,0K,2,100,0,02. 连接线：将上面的两个点连接成线，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Straight Line依次拾取上面的两个点，即形成两者之间的连线。该步骤可以用命令实现：L,1,2f) 划分网格；首先进入Mesh Tools对话框，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool在出现的对话框中选择line标签旁边的Set按钮，拾取直线，在出现的对话框中NDIV对应的文本框中填入20，设置在线上将网格划分为20份。 在Mesh标签对应的下拉菜单中选择Lines，点击Mesh按钮，拾取直线。点击OK。 在标题菜单上对应路径“PlotCtrls”“Style”“Size and Shape”，在出现的对话框中将On前面的选框勾选。这样可以展示梁的三维形体。3、 施加载荷并求解。a) 定义约束；梁在左侧的端点具有约束，利用以下操作定义约束：GUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement On Keypoints选择左边的端点，在出现的对话框右边的选框中选择ALL DOF约束所有自由度，点击OK按钮确定。b) 施加载荷；GUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Force/Moment On Keypoints选择右边的端点，在出现的对话框Lab对应的下拉菜单中选择FY定义Y方向的集中力，在Value对应的文本框中输入力的值为-100，负号代表Y的负方向。c) 求解4、 利用壳单元和实体单元建立类似模型并求解。a) 壳单元；壳单元模型选择单元类型为SHELLl63，实常数为梁的“厚度”，值为10，材料特性保持不变；建立的实体为一个长为100，宽为10的矩形；对该面进行适当的网格划分；在左端的线上定义约束，右端的各点上施加载荷。b) 实体单元；实体单元模型选择单元类型为SOLID65，无需定义实常数，材料特性保持不变；建立的实体为一个长为100，宽和高为10的长方形；对该体进行适当的网格划分；在左端的面上定义约束，右端的各点上施加载荷。五、 结果分析1、 网格划分效果图（依次为梁单元，壳单元，实体单元）如图所示，梁单元只能在一个方向上划分网格，壳单元可以在一个平面上划分，而实体单元则可以在整个体的范围内划分网格。2、 梁的变形首先考虑将集中力都加载在端点中心处的情况，以便比对。下面是位移云图，顺序保持和以上一致。 Element TypeUmaxmmBeam0.200000Shell0.197879Solid0.198981 单元类型与最大位移(取绝对值)对应表 3、 加载不同的节点上的情况。a) 壳体模型