有限元分析及应用报告4.docx

ANSYS15有限元分析及应用报告题目：教室课桌有限元分析姓名：XXXX学号：XXX班级：机械XXX学院:机械学院指导老师：XXXXX二零一五年一月一 问题概述下图所示可以展示大部分高校课桌结构。即基本结构为一个钢制支架用地脚螺栓固定在地面上，然后将胶合木平板用螺栓连接在钢制支架上。在本报告中，将对胶合木板和钢制支架做有限元分析。假定250kg的重量施加在在该课桌表面上，分析木板和钢架的变形和应力，并进行校核。钢材的弹性模量为2.11011Pa，泊松比为0.3；腹面木胶合板弹性模量1.11010Pa，泊松比为0.45。在设计中均假定材料为各向同性材料。二 问题分析50mm在日常生活中，课桌受力主要为桌面受到垂直方向的压力，所以桌面可以使用壳单元进行分析，而钢制支架则主要受到由桌面传递的弯矩产生变形，因此可以用梁单元进行分析。所以根据课桌的结构和其受力特点，实体课桌结构可以简化为梁单元和壳单元的组合，所以首先将课桌简化为由梁单元beam189和壳单元shell63构建的模型。在有限元模型中，当shell单元和beam单元划分网格的节点重合时，该节点能够起到传递力的作用，所以利用这一特点能将shell单元和beam单元连接起来进行分析600mm200mm200mm1000mm500mm简化得到的课桌形状尺寸如下图： 图2-1 简化课桌形状尺寸示意图三有限元建模1设置计算类型由问题分析可知本问题属于平面静应力问题，所以选择preferences为structure。2单元类型选定由问题分析可知，本例需要使用梁单元beam189，壳单元shell63。所以在element type中添加这两科单元。3材料参数支架的材料钢，则其材料参数：弹性模量E=2.1e11，泊松比为=0.3，在软件中定义为材料1。桌面的材料为胶合木板，则取弹性模量1.11011Pa，泊松比为=0.45，在软件中定义为材料2。4定义实常数和sections在real constants中定义shell单元的厚度为0.03mm。在sections中的beamcommon sections设置梁单元的截面形状和尺寸，如图3-1所示。图3-1 梁单元截面形状尺寸，单位：m5几何建模按照前述所的尺寸利用ansys的modeling依次建立keypoint：1(-0.1,0,0),2(0,0,0),3(1,0,0),4(0,0.5,0),5(0,0.6,0)，6(-0.2,0.6,0)，7(-0.3,0.6,0）, 8(-0.1,0,-1),9(0,0,-1),10(1，0,-1),11(0,0.5,-1),12(0,0.6,-1)，13(-0.2,0.6,-1)，14(-0.3,0.6,-1），create LINES依次连接各个keypoint即可创建所有直线。create AREAS创建两个面（划分为两个面是为了在一个面加均匀载荷pressure=2500N/0.1）。6网格划分首先使用mesh attribute选择作为支架的line，设置其为材质钢NO2，单元beam189，截面形状NO1。其次选择两个area，设置其材质为木板NO2,单元shell63，实常数No1。划分网格时，先拾取beam各条边进行Size Control，和地面连接的四条边设定NDIV为5；垂直的两条长边NDIV为15，两条短边为10，支撑桌面的两条边NDIV为10，加强筋的两条边NDIV为15，三条最长的1m边NDIV为20。再选mesh tool的type为line，则即可将上述的边line划分为单元。再次点击mesh tool选择两个平面，选择quad和mapped即可完成网格划分。下图3-2所示为划分网格后的情况。图3-2 课桌有限元网格模型6定义约束和载荷约束定义在连接地面的两个脚的部位，选择两个脚的四个node，约束其所有的自由度，相当于在实际中用四个螺栓将课桌固定在地面上。校核要求为给课桌施加2500N的力，分析校核支架和桌面的变形和应力。再本例中，将其均匀作用在课桌外侧的一个矩形区域内，矩形面积为10.1=0.1m，所以应该施加在外侧area的pressure应为25000pa。四计算求解在划分网格施加载荷和约束后，点击solution的solve即可进行计算求解，结果分析时主要关注最大位移、最大应力及其位置，应力分析采用等效应力von mises stress。1.有斜撑的情况下分析图4-1 受载变形图图4-2 受载变形云图，最大位移0.032m图4-3 受载等效应力分布云图，最大应力为9.4Mpa图4-4 最大应力位于斜撑支点部位2.无斜撑的情况图4-5 受载变形图图4-6 受载变形云图，最大位移0.036m图4-7 受载等效应力分布云图，最大应力为28Mpa图4-4 最大应力位于支架直角处3.将以上两组分析结果整理成数据表有无斜撑单元数节点数最大位移(m)最大应力MPa有斜撑4405730.0329.8无斜撑4205350.03628三 结果分析由以上各图和数据表可知，（1） 在分析中施加的载荷为250kg，相当于四五个人同时坐在一米长的课桌上，在课桌日常使用中处于极限载荷状况。在载荷作用下，支架和木板主要受到弯曲拉伸，所以需要校校核其抗拉强度。普通钢材的抗拉强度为200Mpa以上，取钢材的抗拉强度为200Mpa；查阅资料得知，15mm厚胶合木材顺纹抗拉强度为30MPa，本例的木板选用为30mm，所以取抗拉强度为50Mpa。由分析结果可知，在有斜撑的情况下课桌的最大应力远小于钢材和木板的抗拉强度，结构合理；在无斜撑的情况下，最大应力与木材的抗拉强度相比较为接近，所以此结构不可取。（2） 最大应力主要分布在拐角的地方，所以在进行结构设计时在容易产生应力集中的尖锐部位使用适当的圆角过渡能减小最大应力。（3） 由两组不同结构分析的的结果可知，在合适的地方添加支撑梁能有效减小应力和变形，提高结构的稳定性。四 结论和体会1. 学会将实际的零件或装配图简化成为杆梁板壳等简单单元进行分析，而不用建立复杂的三维模型。2. 学会将一个模型中不同材料不同单元类型的部分连接起来，能相互传递位移和力，在本例中就使两种材料的梁和壳单元相互连接传递力，实现方法只需在划分网格时使两者的公共部分划分的节点重合即可，ansys在进行求解分析时自动将两者连接在一起分析。3. 在进行零件或装配体结构设计时，可以利用ansys等有限元分析软件对零件进行分析优化，往往能使设计的零件结构轻量化且能有更好的使用性能。4. 在本课程中仅仅使用ansys进行了简单的静力学结构分析，而ansys对其他很多领域的问题均有强大的分析设计能力，因此，理解有限元的基本思想，熟练掌握一个有限元分析软件，对于今后的工作学习将有重大的帮助。五 附录（操作步骤）1 进入ANSYS2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK3选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add1 select beam189apply Add2 select shell63OK (back to Element Types window) optionK3 select plane strainOKClose (the Element Type window)4定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Modelsfilenew modelStructural Linear Elastic Isotropic input EX:1.1e10, PRXY:0.45 OK5.设置实常数和sectionsNSYS Main Menu: Preprocessor Real ConstantsAdd/Edit/Deletaddchoose shell63 okinput TK = 0.03OKNSYS Main Menu: Preprocessor sectionsbeamcommon sectionsaddchoose beam189choose sub type 中空矩形input 如图3-1所示参数OK6.建立几何模型生成keypointANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入点的坐标：input: 1(-0.1,0,0),2(0,0,0),3(1,0,0),4(0,0.5,0),5(0,0.6,0),6(-0.2,0.6,0),7(-0.3,0.6,0), 8(-0.1,0,-1),9(0,0,-1),10(1,0,-1),11(0,0.5,-1),12(0,0.6,-1)，13(-0.2,0.6,-1),14(-0.3,0.6,-1),OK生成直线straight lineANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines 依次连接各点即可生成areaANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas by lines依次连接组成桌面的线，建立两个平面OK7.网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked lines OKMAT1,TYPE1 beam63, section1 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked areas OKMAT2,TYPE2 shell63, constant1 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines: Set 依次拾取6条最短水平边:OKinput NDIV: 5 apply依次拾垂直的长边:OKinput NDIV: 15 apply依次拾取三条水平的长边:OKinput NDIV: 20apply依次拾取剩下的边:OKinput NDIV: 10 OK (back to the mesh tool window) Mesh type: line，选择组成支架的line划分为梁单元Mesh OK (back to the mesh tool window) Mesh: Areas, quad，Mapped Mesh Pick 两个area (in Picking Menu) Close( the Mesh Tool window)8.模型施加约束和载荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On nodes 拾取桌脚的四个node OK select Lab2:ALL DOF OKANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On areas 拾取两个面；OK 输入25000 loadkey2OK9. 分析计算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK10 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc Pl