CAE对角支架有限元力学分析实验.doc

课程上机实验报告课程名称： 课程编号： 课程性质： 任课教师： 学生姓名： 学 号： 学 院： 领域年级： 2017年 6月6日上机实验一实验内容：对角支架的有限元力学分析一、问题描述已知角支架的结构和尺寸如下图1-1所示，角支架上开有两个销孔。左上方的销孔在整个圆周上是受约束的（焊接的），右下角的销孔底部受到一个由圆心向下的一个线性分布负载的作用，现在利用ANSYS软件对上述模型进行基本的有限元力学分析。已知角支架的具体尺寸如下图1-1所示。该角支架由A36钢制成，其弹性模量为30E6psi，泊松比为0.27。图1-1 角支架二、几何模型建立几何模型的建立有很多种方式，这次实验的几何模型建立的方式是首先绘制两个矩形，然后在两个矩形的一端各绘制一个与矩形宽等径的圆，对上述几个图形做求和运算。再对角支架转弯处倒圆角。然后在角支架两端绘制两个小圆，最后进行求差运算，即在上面得到的图形中减去两个小圆便得到了所要的模型。下面对模型的建立做具体说明。2.1绘制矩形通过依次点击Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions调出矩形的参数设置框，并设置X,Y轴的数据，如下图2-1所示。 图2-1 第一个矩形参数设置框点击图中的Apply按钮即生成一个矩形。更改参数设置框里面X,Y的相应参数，如下图2-2所示。 图2-2 第二个矩形参数设置框点击OK按钮，即最终得到图2-3，即如下两个矩形的图形。图2-3 两个矩形图上图显示了两个矩形，都是相同的颜色。可以通过如下步骤的设置更清楚地区分区域。通过点击Utility Menu Plot Ctrls Numbering打开（勾选）area numbers一栏。 图2-4 Plot Numbering Controls设置图通过上述设置后建立的模型如下图2-5所示。 图2-5 变更后的两个矩形图 图2-6 图形大小控制框图2.2绘制圆面 模型建立的下一步是在上述已建立模型的两端创建半圆。但是实际上，我们可以在每个端点都创建一个完整的圆，然后再将圆和矩形进行布尔求和运算。在这个过程中我们可以通过图形大小控制框（Pan-Zoom-Rotate）放大或缩小已经建立的模型。点击Utility Menu PlotCtrls Pan, Zoom, Rotate即可调出图形大小控制框，如上图2-6所示。通过点击图2-6图形控制框里的大点或小点来控制所建模型的放大或缩小。点击Utility Menu WorkPlane WP Settings把工作平面的坐标设置为极轴坐标。具体设置为：自上而下依次选择“极轴”，选择“网格和三角形”以及捕捉增量设置为0.1。然后点击OK按钮。现在通过点击Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Circle Solid Circle进行圆的绘制。如下图2-7所示。 图2-7 圆形面设置框 图2-8 绘制出一个圆的图形调出图2-7所示的圆形面积绘制框，设置框中的X，Y的值为0，圆的半径可以直接输入1，或者在图中拉出一个长度作为半径。绘制出第一个圆。结果如上图2-8所示。移动工作平面，绘制第二个圆面。要通过上面的方式在角支架的右下端以相同的方式创建圆面，需要首先将工作平面移动到圆的原点。在不输入数字偏移量的情况下，最简单的方法是将WP移动到一个平均的键点位置，方法是在右下方的矩形中选取关键点。具体的步骤如下：通过点击Utility Menu WorkPlane Offset WP to Keypoints，然后选者右边矩形的最下面的两个端点，然后点击OK按钮，即生成如下图2-9所示的图形。图2-9 绘制第二个圆的图形然后通过点击Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Circle Solid Circle，然后选择右边矩形下方的圆心，然后再选择右边矩形下面的一个顶点，即生成了第二个圆面。2.3布尔求和运算即通过布尔求和运算将上述已经画出的几个相互独立的图形生成一个图形。点击Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Add Areas，然后点击跳出的框里面的Pick All按钮即可。如下图2-10所示。 图2-10 面求和选取框 图2-11 绘制第二个圆的图形此时建立的模型如上图2-11所示。2.4创建圆角通过点击Utility Menu PlotCtrls Numbering打开Line numbering，此时建立的模型上的会出现构成模型的各条线的编号。如下图所示：图2-12 Plot Numbering Controls设置框图2-13 显示模型的线的编号通过点击Utility Menu WorkPlane Display Working Plane关闭显示工作平面。然后点击Utility Menu WorkPlane Display Working Plane选择上图中的第17条线和第8条线。点击Apply后设置Fillet radius为0.4。如下图2-14所示。图2-14 线角生成设置然后点击Utility Menu Plot Lines使得图形只显示线。如下图2-15所示：图2-15 只显示线的模型可以通过滚动鼠标中间的滚轮按需要放大图形进行线的选取。然后点击Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines，选取图像中的第4，5条线及第1条线。点击Ok即生成了由上速三条线围城的面。如下图2-16所示。 图2-16 生成圆角面通过前面提到的布尔求和运算将此步骤前面的图形生成一个图形。2.5绘制销孔通过前面步骤提到的绘制圆的方法在已经建立的模型上绘制两个半径为0.4的圆形。如下图2-17所示。图2-17 绘制两个小圆面2.6布尔求差运算点击Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Areas，先选择之前建立的模型，然后点击Apply，在选择两个圆，点击OK即得到所要建立的模型。如下图所示：图2-18 最终建立的模型点击Utility Menu File Save As保存上面图2-18建立的最终的几何模型。三、有限元网格模型建立3.1定义材料点击Main Menu Preferences勾选Structural。然后点击OK按钮即可。点击Main Menu Preprocessor Material Props Material Models对角支架的弹性模量及泊松比进行设置，如下图3-1所示：图3-1 弹性模量及泊松比设置进行上图的设置后点击Ok按钮即可。3.2定义元素类型通过点击Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete添加一个元素类型，选择Solid后再选择8 node 183，然后再点击Ok按钮。如下图所示。图3-2 定义元素类型图1 图3-3 定义元素类型图2图3-4 定义元素类型图3在点击上图中的Option按钮，将K3后面对应的设置为Plane strs w/thk即可，点击OK按钮。如下图3-5所示：图3-5 定义元素类型图43.3定义常数点击Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete，添加一个real constant，进行如下图的设置。 图3-6 定义常数对上图中的THK设置为0.5后，点击OK按钮即可。3.4生成网格 网格的划分分为线网格，面网格，体网格。对于最基本的线网格划分而言，一般有两种，一种是将线均分为多少段，另一种是按给定划分后每小段的尺寸来划分网格。本次实验中网格划分采用第二种。通过点击Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool，设置相应的参数，自动生成网格，操作步骤如下：点击MeshTool里面Size Control下面的Global后面的Set设置Type为0.5。如下图3-7所示。 图3-7 网格尺寸设置然后点击Mesh选择建立的几何模型。然后点击OK，即自动生成网格。生成的网格如下图3-8所示。图3-8 最终生成的网格点击Utility Menu File Save as，对生成的网格进行保存。四、边界、约束条件及施加载荷本次实验中，角支架的左上角的销孔受到约束，右下角的销孔下部受到向下50到150psi线性分布的压力载荷。在软件中，具体的操作如下。4.1约束条件的设置通过点击Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines，对左上的销孔的周长进行选取。选取如下图4-1所示。图4-1 选择约束并对约束进行相应的参数的设置，如下图4-2所示。图4-2约束的参数设置然后点击OK按钮即可。此时可以看出图中生成了由圆心向外的力的箭头示意图。4.2压力载荷的设置点击Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines，选择右下销孔的下半部分的周长分左右两部分进行分别设置。如下图4-3所示。压力载荷施加的部位为图中销孔的弧长16和17。图4-3 压力载荷施加的部位选取对销孔的弧长部位分别施加压力载荷后的受力如下图4-4箭头所示。 图4-4 压力载荷施加后的图进行上述的设置后即可进行求解的操作。五、结果分析经过求解得到角支架受到压力载荷后的位移云图，如下图5-1所示。角支架受到压力载荷后的等效应力云图如下图5-2所示。角支架受到压力载荷后Y方向的各节点反力下图5-3所示。图5-1 角支架受载荷后的位移云图图5-2 角支架受载荷后的等效应力云图图5-3 角支架受载荷后Y方向各节点的