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CAD/CAE软件实践课程设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械10906班 序 号： 21 号 姓 名： 王光勇 指导教师： 张先勇 冯进 起止日期：2013年 2 月 25 日 至 3 月 18 日目录一、 课设意义及课设目的.3二、 报告要求.4三、 第一题（平面应力问题）.5四、 第二题（简单三维问题）.15五、 第三题（常见零件一）.24六、 第四题（常见零件二）.32七、 课设小结.39参考文献.39一、 课设意义及课设目的（一）课程设计的意义现代工业的典型特征是大量使用计算机，无论是产品的开发、设计还是分析、制造过程中，计算机的应用都极大地提高了效率和质量。计算机辅助工程（CAE）就是其中必不可少的一个环节，它是计算机技术和现代工程方法的完美结合。有限单元法作为数值计算方法中在工程分析领域应用较为广泛的一种计算方法，自20世纪中叶以来，以其独有的计算优势得到了广泛的发展和应用，已出现了不同的有限元算法，并由此产生了一批非常成熟的通用和合专业有限元商业软件。随着计算机技术的飞速发展，各种工程软件也得以广泛应用。ANSYS软件以他的多物理耦合分析功能而成为CAE软件的应用主流，在工程分析应用中得到了较为广泛的应用。（二）课程设计的目的 1、结合典型机械零件，运用有限元分析软件，对其在受载条件下的强度问题进行分析讨论，使学生学会运用工程分析软件解决实际问题的基本方法和过程。2、通过课程设计，使学生的三维实体建模能力得到锻炼，将实际问题转化成分析模型的能力得到锻炼。3、能够运用ANSYS软件进行建模、划分网格、加载、求解和结果查看等常见方法。二、报告要求 1、报告包括封面、正文和课程设计小结。2、报告正文内容包括：（1）题目（含要求和图）。（2）三维建模，要求有主要的步骤和插图，尽量用ANSYS建模，也可用其它实体造型软件建模。（3）参数设置（单元类型，材料属性等）。（4）网格划分，要求有较详细步骤和插图。（5）加载，要求有较详细步骤和插图。（6）求解计算及结果，结果显示主要包括变形、应力状态云图及题目要求的其它结果，要求有详细过程和较详细的插图。 （7）结果分析，从变形和应力状况对结果进行简单的分析。 3、报告正文撰写按题目顺序依次进行，第二大题需先进行理论计算，再用软件计算，完成后并进行结果比较。4、报告最后附课程设计小结。5、报告一律用A4纸打印装订，统一封面。要求条理清楚、排版整齐、插图清晰。（黑白打印即可） 三、第一题（平面问题）：如图所示零件，所受均布力载荷为q,分析在该作用力下的零件的形变和应力状况，本题简化为二维平面问题进行静力分析，零件材料为Q235。序号数据（长度单位mm，分布力单位N/cm）ABCDq212606813062280一、 前处理 步骤一 创建几何实体模型1. 创建图形。a.依次点击Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoints in Active CS输入节点1(0,0,0) 2(0,150,0) 3(130,150,0) 4(260,150,0) 5（260,82,0） 6(130,82,0) 点OKMain MenuPreprocessorModelingCreateLinesLines Straight Line用光标点1，2点，2,3点，3，4点，4，5点，5，6点连成直结；连完点“OK”Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitrary By lines用光标分别点击各条边，全部点击完毕后点击OK，出现如下图形：b.建立两个圆 MainMenuProprocessorModelingCreateAreasCircleSolid Circles输入: WP X=50 输入: WP X=195 WPY=100 WPY=116 RADIUS=31 RADIUS=15c.用光标用布尔运算，将两个圆从图形中除去MainMenuProprocessorModelingOperateBooleansSubtractAreas弹出对话框后，用光标点基本（即总体），再点“OK”，再点要减去的部分，“OK”得到基本图形步骤二 进行单元属性定义1定义单元类型。Main MenuProprocessorElement Type Add/Edit/Delete 弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和“8 node 82”,点“OK”，退回到前一个对话框。2.设置单元选项点“Element Type”对话框中的“Options”K3 处选：Plane stress (表示选平面应力单元没有厚度)K5处选：Nodal stree(表示需要额外输出单元节点应力)K6处选：No extra output. 点“OK”.3.定义材料属性Main MenuProprocessorMaterial PropsMaterial Models. 弹出对话框，双击StructuralLinerElasticIsotropic。输入弹性模量“2e11”和泊松比“0.3” 点击“OK”即可。3.定义实常数由于是平面问题，故不需要定义实常数。步骤三 对整个图形进行网格划分及求解。. 定义网格(单元)尺寸MainMenuProprocessorMeshingSizeCntrlsManual SizeAreas All Areas, 弹出对话框，输入单元边长为: 3 2. 划分网格Main MenuProprocessorMeshingMeshAreasFree, 弹出对话框，用光标点基本，再点击对话框里的“Pick All ” 得到如下图形步骤四 3定义分析类型Main meun SolutionAnalysis TypeNew Analysis,选择static4定义位移约束Main Menu Solution Define Loads Apply Structural displaymenton lines弹出对话框后，选择最左边的那条线，再点击 “OK ” ,弹出对话框。选“All DOF” ,VALUE 栏中输入0 。取全约束，位移量为0图形如下所示2对右边矩形单元定义载荷。Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines, 选择需要加分布力的直线,在弹出的对话框中输入所加分布力的大小28(单位N/mm)点ok。如下图所示五.求解Main Menu Solution Solve Current LS1. 查看总体变形Main Menu General Postproc Plot Results Deformed shape选择Def+undeformed,二.后处理1.查看位移分布图Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solu,在弹出的对话框中选：Nodal Solution DOF Solution Displacement vector sum 2. 查看应力分布图Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution Stress von Mises stress或1st Principal stress 第二题（简单三维问题）：卷扬机卷筒心轴的材料为45钢，轴的结构和受力情况如下图所示。请先用材料力学计算公式校核心轴的强度；然后利用有限元软件对模型进行有限元分析；并最后对两者的结果进行比较分析。序号数据（长度单位mm，力单位KN）ABCDEF21210940891028820（一） 理论计算模型简化:2233A11B44 竖直方向：以A为距心： 联系方程组解得：从而可得:在1-1截面处: 在2-2截面处: 在3-3截面处: 在4-4截面处: 有上数据可见，弯矩最大在1处，但2、3处直径变小，所以需校核1、2、3三处。截面3是危险截面。（2）ANSYS分析Ansys 软件分析：前处理步骤一 创建几何实体模型 1.创建关键点Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoints in Active CS 输入节点1(0,0,0) 点Apply 再依次输入2（0,40,0），3（50,40,0），4（50,44.5,0），5（155,44,5,0），6（155,51,0），7（210,51,0），8（265,51,0），9（265,44,0），10（1095,44,0），11（1095,51,0），12（1150,51,0），13（1205,51,0），14（1205,55,0），15（1215,55,0），16（1215,40,0），17（1265,40,0），18（1265,0,0）2.连线Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLines Straight line输入1,2点Apply,依次连接18个点。3.建面Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitrary By lines 结果如图： 4.旋转 Main MenuProprocessor ModelingOperateExtrudeAreas About Axis, 弹出对话框中后，点面积,OK，再点对称线（1,18）,OK在弹出的对话框中输入ARC“360”点ok步骤二 进行单元属性定义二 进行单元属性定义1定义单元类型。Main MenuProprocessorElement Type Add/Edit/Delete 弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和“10node 92”,点“OK”，退回到前一个对话框。 设置单元选项点“Element Type”对话框中的“Options”K5处选：Nodal stree(表示需要额外输出单元节点应力)2.定义材料属性Main MenuProprocessorMaterial PropsMaterial Models. 弹出对话框，双击StructuralLinerElasticIsotropic。输入弹性模量200000和泊松比0.3 点击ok。3.划分网格定义网格(单元)尺寸 Main MenuProprocessorMeshingSize CntrlsManual Size Areas All Areas, 弹出对话框，输入单元边长为: 6 划分网格 Main MenuProprocessorMeshingMeshManualSizeVolumes Free, 弹出对话框，点“Pick All” 对整个图形进行加载和求解 1Main Menu Solution Define Loads Apply StructuralDisplacement On Areas, 选最左边端面，OK，在对话框中选择ALL DOF，VALUE输入0点OK同样方法选择右边端面，OK，在对话框中选择ALL DOF，VALUE输入0点OK 2. 加集中力Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On keypoints,选择关键点7，输入Y方向的力-20000N，同样的方法，选择关键点12，输入Y方向的力-20000N3.求解Main Menu Solution Solve Current LS 后处理1查看总体变形Main Menu General Postproc Plot Results Deformed shape选择Def+undeformed, 2查看位移分布图Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solu,在弹出的对话框中选：Nodal Solution DOF Solution Displacement vector sum 3. 查看应力分布图Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution Stress von Mises stress或1st Principal stress 4. 查看应力和形变数据应力情况Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution Stress von Mises stress 显示下列数据 3）计算结果分析从卷扬机芯轴应力云图可以看出，芯轴的最大应力分布在左端台肩处，（与理论计算结果对比分析）,芯轴材料为45钢，材料的屈服强度为335MPa，最大应力远小于材料的屈服强度，即卷扬机芯轴能够满足强度要求。第三题（常见零件）：一、如图所示零件，工作时该零件由图示2个螺栓（沉孔位置）固定在其它支座平面上，沿A向18凸台承受F1作用力，同时16孔承受向下F2作用力，零件材料为铸钢，图中长度单位为mm。建立三维实体模型，采用静力分析该零件的变形和应力状况。序号数据（长度单位mm，力单位N）ABCDF1F22184175409001700一.建立几何模型导入solidworks模型二. 进行单元属性定义步骤二 进行单元属性定义1.定义单元类型。Main MenuProprocessorElement Type Add/Edit/Delete 弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和 “10 node 92”,点“OK”，退回到前一个对话框。 2.设置单元选项点“Element Type”对话框中的“Options”K5处选：Nodal stree(表示需要额外输出单元节点应力)K6处选：No extra output.3.定义材料属性Main MenuProprocessorMaterial PropsMaterial Models. 弹出对话框，双击StructuralLinerElasticIsotropic。输入弹性模量“2e11”和泊松比“0.3” 点击“OK”。步骤三 划分网格1.定义网格尺寸Main MenuProprocessorMeshingSize CntrlsSmartSizeBasic, 弹出对话框，选择:2。2.划分网格Main MenuProprocessorMeshingMeshVolumesFree, 弹出对话框，点“Pick All” 。得到如下图形:步骤四 对整个图形进行加载和求解1. 定义位移约束(对两个螺栓限制约束)Main Menu Solution Define Loads Apply StructuralDisplacement On Areas, 用光标选中两个螺栓孔面，点击OK.。在弹出的对话框中选全约束, 输入值为:0。2. 加载荷凸台面受力:p1= F1/A=5.648Mpa;p2=F2/S=2.125Mpa.a. Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Areas ,选取要加载的沿A向18的凸台面. 点OK，输入力的大小5.648E6，点apply，然后用鼠标选取16孔承下半部分，点OK,弹出对话框后输入力的大小2.125E6，点OK 。3. 求解Main Menu Solution Solve Current LS（2）后处理1.查看总体变形Main Menu General Postproc Plot Results Deformed shape选择Def+undeformed.2.查看应力分布图Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution Stress von Mises stress 3.查看位移分布图Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solu,在弹出的对话框中选：Nodal Solution DOF Solution Displacement vector sum .第四题、如图所示轴，工作时所受扭矩为T，轴材料为45# 钢，图中长度单位为mm。建立三维实体模型，采用静力分析其变形和应力状况。（提示：两键槽传递扭矩）序号数据（长度单位mm，扭矩单位N.m）ABCDET2145342825201400 一 前处理 建立几何模型 1 将solidworks中建好的模型保存为“x-t”格式，再导入ansys中：UtilityMenuFileImportPARA得图： 2.将导入模型转化为实体： Utility Menu plotctrls style solid model Facets弹出对话框后选中“Normol Faceting”点OK得图： 二. 进行单元属性定义1.定义单元类型。Main MenuProprocessorElement Type Add/Edit/Delete 弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和“Brick 8 node 185”,点“OK”，退回到前一个对话框。 2.定义材料属性Main MenuProprocessorMaterial PropsMaterial Models. 弹出对话框，双击StructuralLinerElasticIsotropic。输入弹性模量2E11 Pa和泊松比0.3 点击OK。3 划分网格 Main MenuProprocessorMeshingSize Cntrlssmart SizeBasic, 弹出对话框,选“3，并点OK.Main MenuProprocessorMeshingMeshvolumesFree, 弹出对话框，点“Pick All”。所得结果如图：4 加载和求解 定义分析类型：Main Menu Solution Analysis Type New Analysis, 选择Static 定义位移约束：Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On areas, 选中左边的径向约束面及内圆弧面，弹出下面的对话框中, 分别选择UX,UZ,并输入数值0，点OK。另外，对右边外圆表面进行径向约束也即UX输入数值0. 加载荷： Main Menu Solution Define Loads Apply Structural pressure On areas，弹出对话框，然后再用鼠标选取沿键槽径向左部分，输入力的大小1.25E9 即可求解：Main Menu Solution Solve Current LS三 后处理 1 查看总体变形：Main Menu General Postproc Plot Results Deformed shape2 查看位移分布图： Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solu, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution DOF Solution Displacement vector sum 3 查看应力分布图： Main Menu General Postproc Plot Results Contour PlotNodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution Stress von Mises stress五、课程设计小结 通过这次的课程设计，我对Ansys软件的利用有了切身的体会，感触颇多。通过本次本次ANSYS课程设计，我学会了ANSYS实体模型的建立、定义单元，材料、网格划分、约束和加载、模型的求解和后处理等操作。加深了对理论知识的理解，强化了我们的动手能力，使我们在基本理论的综合运用及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的训练。提高了我们思考、解决问题的能力，使我深刻的体会到了理论联系实际的重要性。通过看相关书籍，掌握了基本的ANSYS知识。从开始画点到可以进行三维实体建模，对网格划分、施加载荷和求解、后处理也有了一些了解。在做题的过程中遇到了不少问题，基本上通过查书籍、在网上找资料、请教别的同学