有限元分析实验.doc

有 限 元 法实验报告 专业班级 机械设计制造及其自动化13-2班姓 名 吴盼盼 学 号 2013210277 指导教师 尤涛 实验一 ANSYS基本操作及建模一、实验目的 1 了解和熟悉ANSYS软件的启动、图形用户界面（GUI）基本功能、数据库和文件的保存及退出。 2 初步掌握点、线、面及简单体的几何建模方法。 二、实验设备 1 硬件：微型计算机； 2 软件：ANSYS5.6（教育版）。 三、实验原理 1 ANSYS 基本操作： （1）ANSYS 的启动： ANSYS 的启动方式有两种：交互式或命令式，这里主要介绍交互式启动方式。 在 Windows 系统中按：StartProgramsANSYS5.7Interactive/Run Interactive Now (2) ANSYS 图形用户界面（GUI）：ANSYS 启动后出现六个主要窗口，如图 1-3 所示分别为： 应用菜单（Utility Menu）：包含例如文件管理、选择、选择、显示控制参数设置等应用功能。该菜单为下拉式结构，可直接完成某一功能或弹出对话窗口。 主菜单（Main Menu）：包含 ANSYS 的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。 输入窗口（Input）：该窗口为输入 ANSYS 命令区域，且可以显示程序的提示信息和浏览先前输入的命令。所有输入的命令将在此窗口显示。 图形窗口(Graphics )：该窗口显示由 ANSYS 创建或仁慈至 ANSYS 的模型以及分析结果等图形。 工具条(Toolbar) ：将常用的命令制成工具条，方便调用。 输出窗口( Output)：显示软件的文本输出，通常在其它窗口后面，需要查看时可提到前面。 (3) 数据库和文件的保存： ANSYS 数据库包括了建模、求解、后处理所产生在内存中的数据。这些数据可分为两类：输入数据-用户必须输入的信息，诸如模型尺寸、材料特性及载荷情况。 结果数据-ANSYS 的计算结果，诸如位移、应力、应变等等。 保存数据是指将内存中的数据拷贝至称为数据库的文件中。可按如下方式保存：单击 ToolbarSAVE_DB 或使用： Utility MenuFileSave as Jobname.db Utility MenuFileSave as SAVE 命令 从 db 文件中恢复数据库，用 RESUME 操作。 单击 ToolbarRESUME_DB 图 1-1 ANSYS 图形用户界面或使用： Utility MenuFileResume Jobname.db Utility MenuFileResume from RESUME 命令 (4) 退出 ANSYS： 可采用三种方法退出 ANSYS：单击 ToolbarQUIT 使用 Utility MenuFileExit 或使用/EXIT 命令。 2 实体建模 实体建模即建立实体模型的过程。一个实体模型由体、面、线、及关键点组成，体由面围成，面由线组成，线由关键点组成，它们的层次从低到高依次为：关键点、线、面、体，如果高一级的实体存在，则低一级的与之依附的实体不能删除。另外，一个只由面及面以下层次组成的实体，如壳或二维平面模型，在 ANSYS 中仍称为实体。实体建模可通过两个途径： (1) 由上而下建模，首先建立体或面等图元，再对这些体或面按一定的规则组合，即布尔运算得到最终需要的形状。 图元的建立：二维图元-Preprocessor-Modeling-create-Aereas- 三维图元-Preprocessor-Modeling-create-Volumes- 工作平面：是一个可移动的二维参考平面，用来定位确定图元。缺省状态下，工作平面原点与整体坐标系原点重合，但可以根据建模需要将工作平面移动或旋转到任意位置，操作路径为：Utility MenuWorkplane 布尔运算：是对几何体进行合并的计算。ANSYS 中布尔运算包括加、减、相交、叠分、粘接、搭接等。所有的布尔运算可以在 GUI 界面下获得：Preprocessor-Modeling-Operate. (2) 由下而上建模，这种建模方式首先建立关键点，再从关键点开始建立其它实体。坐标系：缺省时为总体直角坐标系，用 CSYS 命令或 Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to 可将其改变为：总体直角坐标系(CSYS=0)；总体柱坐标系(CSYS=1)；总体球坐标系(CSYS=2)；工作平面(CSYS=4)；或用户定义的局部坐标系(CSYS=n)。 图 1-2 由下而下建模方式 建关键点：选择合适的坐标系，通过下列路径建立关键点：PreprocessorKeypoints 建线： 建立线时，关键点必须已存在，通过关键点建立线 Create-Lines-或OperateExtrude 建面： 用由下而上的方法生成面时，需要的关键点或线必须已经定义。Create-Areas-Arbitrary 或 OperateExtrude 建体： 用由下而上的方法生成体时，需要的关键点、线或面必须已经定义， Create-Volumes-Arbitrary 或 OperateExtrude 图 1-3 由下而上的建模方式 四、实验内容 1 图 14 为厚度为 5mm 的零件主视图，试采用由上而下的方法，用布尔运算进行实体建模。 2 图 1-5 是厚度为 5mm 的零件主视图，试采用由下而上的方法进行实体建模。 五、实验步骤 题 1 详细步骤： 1) 按指定工作目录，用”M-topdown”作为作业名进入 ANSYS。选择总体直角坐标系(图形窗口标题显示为 CSYS=0)：WorkPlaneChange active CS toGlobal Cartesian 图 1-6 2) 建长方体：Main Menu Preprocessor Create -Volumes-Block By Dimensions；在弹出对话框中输入 X1 = 0，X2 = 60 Y1 = 0，Y2 = 20 Z1 = 0，Z2 = 5 点 Apply 按钮创建第一个长方体。 3) 输入 X1 = 40，X2 = 60 Y1 = 0，Y2 = -20 Z1 = 0，Z2 = 5 图 1-7 点 OK 按钮创建第二个入长方体。 4) 将工作平面移到(0,10,0)点：Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments 设置 X,Y,Z Offsets = 0,10, 0，然后点OK 5) 创建圆柱体：Main Menu Preprocessor Create Volumes CylinderSolid Cylinder 输入：WPX=0，WPY=0，Radius=10, Depth=5 6) 将工作平面移至原点：Utility Menu WorkPlane Offset WP to Original of Active CS 7) 将工作平面移到(50,-20,0)点：Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments 设置 X,Y,Z Offsets = 50,-20, 0，然后点OK 8) 创建第二个圆柱体：Main Menu Preprocessor Create Volumes CylinderSolid Cylinder 9) 输入：WPX=0，WPY=0，Radius=10, Depth=5 10) 11) 将所有体通过布尔运算加成一个整体：Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans-Add Volumes + 图 1-8 选 Pick All，然后点 OK 12) 创建第一个孔：Main Menu Preprocessor Create Volumes CylinderSolid Cylinder 13) 输入：WPX=0，WPY=0，Radius=5, Depth=5 14) 将工作平面移至原点：Utility Menu WorkPlane Offset WP to Original of Active CS 15) 将工作平面移到(0,10,0)点并创建第二个孔： 16) Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments 图 1-9 17) 设置 X,Y,Z Offsets = 0,10, 0，然后点OK 18) Main Menu Preprocessor Create Volumes CylinderSolid Cylinder 19) 输入：WPX=0，WPY=0，Radius=5, Depth=5 20) 21) 从基体上挖去两个圆孔： 22) Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Subtract Volumes + 23) 拾取基体 (V1), 按 OK 24) 拾取两个圆柱体 (V2 和 V3), 然后按 OK 25) 保存数据：Toolbar: SAVE_DB. 图 1-10 题 2 详细步骤： 1) 按指定工作目录，用”M-bottomup”作为作业名进入 ANSYS。选择总体直角坐标系(图形窗口标题显示为 CSYS=0)：WorkPlaneChange active CS toGlobal Cartesian 2) 创建关键点：Main Menu Preprocessor Create Keypoints In Active CS 输入 Keypoint number =1 ， X1=0, Y1=0, Z1=0 点 Apply 输入 Keypoint number =2 ， X2=40, Y2=0, Z2=0 点 Apply 输入 Keypoint number =3 ， X3=40, Y3=40, Z3=0 点 Apply 输入 Keypoint number =4 ， X4=20, Y4=40, Z4=0 点 Apply 输入 Keypoint number =5 ， X5=20, Y5=20, Z5=0 点 Apply 输入 Keypoint number =6 ， X6=0, Y6=20, Z6=0 点 OK 图 1-11 3) 创建线：Main Menu Preprocessor Create Lines Straight Line 拾取点 1，2，3，4，5，6，1，选 OK 4) 创建面：Main Menu Preprocessor Create -Areas-ArbitraryBy Lines 拾取线 1，2，3，4，5，6，选 OK 图 1-12 5) 以 YOZ 面为对称面对面进行镜面反射：Main Menu Preprocessor -Modeling-reflect 拾取面，选 Y-Z Plane，点 OK 图 1-13 6) 将两个面合成一个面： Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans-Add Areas+ 拾取 A1 面与 A2 面，点 OK 7) 将面沿法向拖拉成体：Main Menu Preprocessor Operate Extrude By XYZ Offset 8) 拾取面，输入：DX=0，DY=0，DZ=5，点 OK 9) 保存数据：Toolbar: SAVE_DB. 图 1-14 6、 实验报告主要内容7、 实验注意事项 ANSYS分析过程中注意数据的保存； 实验二 冲压机机床床身实验模型有限元分析 一、实验目的 1通过本实验基本掌握应用通用有限元分析软件 ANSYS 进行结构分析的一般方法与步骤即：前处理计算后处理的过程。 2熟悉有关的单位制问题和软件间的数据交换方法。 3工程实际问题的有限元分析模型建立并得到计算结果。 二、实验的主要内容 如图 2-1 所示，图a为一 C 型冲压机机身的模型，最大冲压力为 1.5 吨。图b为一封闭式冲压机机身的模型，最大冲压力为 2 吨。材料 Q235，厚度均为 10mm，E= 2.061011Pa，m= 0.3。试加载实测其应力和变形，并用有限元方法对其进行应力与变形计算。 图2-1 三、实验设备和工具硬件：微型计算机 软件：ANSYS5.6（教育版）四、实验原理 弹性力学问题求解的有限元法五、实验方法和步骤 有限元方法计算一般步骤： 1、 确定基本单位制及各种导出单位； 2、 建立几何模型并存盘； 3、 设置分析的特性参数； 4、 设置材料特性； 5、 定义单元特性及选项； 6、 定义实常数（必要时）； 7、 划分网格并存盘； 8、加约束条件； 9、 加载荷； 10、 求解； 11、 进入后处理模块； 12、 按要求列出各种云图并分别存盘； 13、退出 ANSYS。 详细求解步骤 1、 本题(图 2-1a 问题)确定以长度单位为 mm，质量单位为 Kg，时间单位为秒，其他主要单位如弹性模量等的单位请自行导出。 2、 建立几何模型并存盘直接在 ANSYS 软件中建模。建模之前需要考虑： 1） 可不可以采用二维模型，为什么？ 2） 采用什么建模方式？要考虑加载要求，选择自下而上或自上而下的建模方式。 3、 设置分析特性参数 1） Main Menu Preferences。 2） 选择“structure” 。 3） 点击 OK 关闭对话框。 4、定义材料特性 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 5、 定义单元特性及其选项 Main Menu Preprocessor Element Type 6、 定义实常数（厚度） Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 7、 划分网格 M