塔机平衡臂有限元分析-ansys课程设计.doc

山东建筑大学实验报告纸牟晋勇 机械085 2007071275一.实验目的：综合训练和培养学生利用有限元技术进行机械系统分析和设计的能力，独立解决本专业方向实际问题的能力；增强对ansys软件的认识和操作能力；进一步提高学生创新设计、动手操作能力，为将来所从事的机械设计打下坚实的基础。二、实验环境1.硬件：方正计算机1台2.软件：CAE软件ANSYS三、实验内容（任务及要求）：主要训练学生对机械结构问题分析规划的能力，能正确利用有限元分析软件ANSYS建立结构的有限元模型，合理定义单元、分析系统约束环境，正确加载求解，能够提取系统分析结果。通过实验分析使学生了解和掌握有限元技术辅助机械系统设计和分析的特点，推动学生进行创新设计。本组数据：数据项学生2a(m)12P(N)1.99e5N 2.3e4N1500N左端集度(N/m)0右端集度q0(N/m)1000弹性模量(GPa)200帕松比0.3截面积0.000314抗弯惯性矩0.020833截面高度0.4m四、实验步骤：（一）问题分析：塔机平衡臂主要载荷包括：平衡臂的自重，风载荷，平衡重，起升机构，电机重。结构为背向两槽钢用角钢焊接，上表面有拉杆的一个立体机构。因此，将实验模型简化为槽钢与角钢搭接，拉杆与槽钢上表面耦合的结构。(二)实验过程：1）设置计算类型：ANSYS Main Menu: Preferences select Structural （结构分析） OK2）选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add select shell63 applyselect link 1OKClosereal constantaddshell63定义厚度set1为0.0105ok同理定义厚度set2为0.018，set3为0.01addlink1定义拉杆截面积set4为0.0003143）定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear ElasticIsotropicinput EX:2.06 e11, PRXY:0.3 OKPreprocessor Material Props Material Models Structural Densityinput 7850 OK4)生成几何模型(A) 生成槽钢生成特征点：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值（-0.32,0,0）（-0.42,0,0）（-0.42,0.4,0）（-0.32,0.4,0）(0.32,0,0）（0.42,0,0）（0.42,0.4,0）（0.32,0.4，0）（0,0,0）（0,0,12）生成线：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines依次连接（-0.32,0,0）（-0.42,0,0）（-0.42,0.4,0）（-0.32,0.4,0）；同样依次连接相邻点(0.32,0,0）（0.42,0,0）（0.42,0.4,0）（0.32,0.4，0）再次连接（0,0,0）（0,0,12）拉伸成面：Preprocessor Modelingoperateextrudelinesabout lines选择槽钢型线apply选择（0,0,0）（0,0,12）形成的线OK，将槽钢拉伸完成（B）生成角钢：生成特征点：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值（-0.34,0.4，0）（-0.40，0.4,0.07）（-0.40,0.5，0.07）（-0.34,0.4,0.84），（0.34,0，0）（0.40,0,0）（0.40,0，0.07）（-0.34,-0.1,0.07）（-0.34,-0,0.84）生成线：依次连接（-0.34,0.4，0）（-0.40，0.4,0.07）（-0.40,0.5，0.07）0.34,0，0）（0.40,0,0）（0.40,0，0.07）（-0.34,-0.1,0.07）拉伸成面：Preprocessor Modelingoperateextrudelinesabout lines选择（-0.34,0.4,0.84）（-0.34,0.4，0）和（0.34,0，0）（-0.34,-0,0.84）形成的线apply选择（0.42,0.4，0.14）（-0.35，0.4,0.91）形成的线OK复制生成其他角钢：Preprocessor Modelingcopyareas选中要移动的角钢okdz输入1.9OK同理：生成特征点：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值（0.34,0.4,0.86）（0.340,0.4,0.93）（0.34,0.5,0.86）（-0.34,0.4,1.7）(-0.34,0.4,0.86）（-0.340,0.4,0.93）（-0.34,0.5,0.86）（0.34,0.4,1.7）生成线：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines依次连接（0.34,0.4,0.86）（0.340,0.4,0.93）（0.34,0.5,0.86） (-0.34,0.4,0.86）（-0.340,0.4,0.93）（-0.34,0.5,0.86）拉伸成面：Preprocessor Modelingoperateextrudelinesabout lines将角钢拉伸完成。复制生成其他角钢：Preprocessor Modelingcopyareas选中要移动的角钢okdz输入1.88ok（C）创建拉杆：生成点：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入（0,2.9.0）（0.35,0.4,8.5）（-0.35,0.4,8.5）生成线：Main Menu: Preprocessor Modeling CreatelinesStraight lines依次连接(0,2.9.0）（0.35,0.4,8.5）（-0.35,0.4,8.5）5）将角钢和槽钢搭接：Main Menu: Preprocessor Modeling operatebooleansoverlapareaspick allOK6）拉杆与槽钢耦合前先建立硬点：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypointshardpoint on areahard pt by coordinate选择建立硬点的面ok输入（0.35,0.4,8.5）同理在点（-0.35,0.4,8.5）建立硬点。7）网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh tool areaset选择槽钢的上下表面OK在对话框中选择1okarea set选择槽钢的上下表面ok对话框中输入0.2okmesh选择槽钢的侧表面OK同理划分腹板和角钢8）将拉杆跟槽钢耦合：Main Menu: Preprocessorcouplingcouple DOFs选择硬点ok选择node点选择全约束（all）ok9）模型施加约束：施加平衡臂的全约束：main Menu: solutiondefine loadsapply Structural Displacementon line选择约束线uxok。同理施加除z轴旋转的弯矩。在（0,2.4,13）点施加全约束：main Menu: solutiondefine loadsapply Structural Displacementon keypoints选择点（0,2.9,0）选择全约束ok施加载荷：main Menu: solutiondefine loadsapply Structural forceon keypoints（0.34,0.4,11）（-0.34,0.4,11）oky方向施加-72030。同理，在（0.34,0.4,10）（-0.34,0.4,10）施加y方向-11270，在（0.34,0.4,7）（-0.34,0.4,7）施加y方向-18886.510）施加风载荷：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值（0.42,0.2,10）（0.42,0.2,7）main Menu: solutiondefine loadsapply Structural forceon keypoints（0.42,0.2,10）OKFX-4410OK；同理在（0.42,0.2,7）施加-690N的力定义重力加速度和风载荷：main Menu: solutiondefine loadsapply Structural inertialgravityglobleacelx 0.454，acely9.8ok11）后处理：main Menu: solutionsolvecurrent LSOK12）定义力：General postprocelement table define tableadduser able for iterm TXby sequence numsmiscsmisc1applyuser able for iterm TYby sequence numsmiscsmisc2apply依次定义TXY，MX , MY , MXY user able for iterm STRESS1 by sequence numnmisc1apply依次定义STRESS2 , STRESS3 okcloseTX图：General postprocelement tableplot element tableiterm to be plotedtxokTY图选择ty TXY图：txy MX图：mx MY图：my MXY图：mxy PSTRESS1图：NMSIC,1 PSTRESS2图: NMSIC,2 PSTRESS3图: NMSIC,3TX图 TY图TXY图 MX图MY图MXY图PSTRESS1图PSTRESS2图PSTRESS3图变形图：General postprocPlot resultDeformed shape-Select Def+Underformed两约束点的受力情况：General Postproc-List Results-Reaction Solu-Select All items-OK （三）对比结果（误差分析）：ansys软件所得数值与原来计算结果存在差别，但力最大点，弯矩最大点，扭矩最大点均在同一处,与实际情况相符。通过截图的颜色可以看出，平衡臂回转惯性力最大值点以及风载荷加载在臂架上的力转矩最大值点在同一处，即在约束点处。在起升平面内弯矩及剪力最大值点在拉杆与臂架的结合处。数值存在误差主要原因是在计算时，将平衡臂简化了，而用软件进行仿真时则是应用实际模型进行仿真，与计算数据相比较，数据更真实。五、实验总结加深了对有限元的理解，熟悉了ansys的操作指令，练习ANSYS软件解决问题的步骤，熟悉自底向上建模和自顶向下建模的各种命令，练习布尔操作，练习网格划分，练习加载求解和通用后处理，收获很大。掌握了原理，明白了ansys软件的操作。现在感觉比刚开始学习有限元的时候还是懂了许多内容，随着时间的推移，积累的东西多了也会有不同的学习效果。对于如何分析一个模型，如划分单元、单元分析、整体分析、求解方程，得出节点位移、计算应变与应力等基本的有限元分析步骤有了一定的理解，对于理论方面的需要学习的东西，如：弹性力学方面、材料力学、数值计算、等这些在学习有限元过程中也要求较为熟悉和会应用。本课程主要的内容可以归结起来就是求解节点位移、应力、应变的过程。在学习有限元的过程中，总的感觉是有限元很难学。本课程所需要的理论知识较为繁杂，应用性强，有些东西较难理解；其实总的来说学习这么课其实是不难的，关键是我们自己花在上面的时间较少，遇到问题不会妥善的解决，问题越堆越多就是使自己对这门课失去浓厚的兴趣，这样也就使得不难的问题变得困难了，可能这也是老师布置的作业一拖再拖的直接原因了吧，确实是很多东西都必须花很多时间才能弄懂。有限元这门课程其实也是很有趣的，所讲的内容很多都有相关性，关联度较大