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课程设计说明书工程结构仿真课程设计 学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 201 年 0 月 日安 徽 理 工 大 学课 程 设 计 成 绩 评 定1、专业班级： 2、姓 名： 3、完成日期： 4、设计题目： 平面桁架问题 门铰链位置优化分析5、成绩评定：成绩评定标准所占分值各项得分学生工作态度及与团队协作能力25学生掌握相关基础理论及设计软件的程度25学生模型建立的合理性及结果的精确性25课程设计说明书编写的规范性及语言的流畅性25总成绩日期： 年 月 日18安徽理工大学课程设计目 录1.前言21.1引言21.2结构静力学分析21.3 课程设计的目的和要求22.平面桁架问题分析32.1问题阐述32.2理论分析42.3有限元分析 52.4本章小结8 3.实体模型分析9 3.1模型材料与几何参数9 3.2有限元模型的建立9 3.3 结果与分析114. 心得体会185.参考文献1 前言1.1引言有限元法（finite element method）是一种高效能、常用的数值计算方法。科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。基本思想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。1.2结构静力学分析通过进行结构静力学的分析，我们能更加熟悉已学过的结构求解，结构受力的情况，结构静力学的分析不仅仅关系到我们的课程作业，也与我们日常生活，我们的工作密切相关，熟练的掌握结构静力学分析能帮助我们解决许多生活、工作中遇到的静力学问题。1.3 课程设计的目的和要求课程设计能更好的让我们把所学的各科知识联系起来，把书本上的知识与生活实际所面对的问题联系起来，能有效的提高我们解决实际问题的能力。通过做课程设计，能有效的提高学生自主学习的能力，提高学生查阅书刊杂志，自主选择查找相关资料的能力，进行独自分析解答的能力。本次课程设计有两个问题，第一个为桁架的静力学分析，第二个为ANSYS设计模型要求采用理论计算和ANSYS软件两种方法分别进行分析，这是进一步让我们熟悉使用ANSYS软件，并对有限元理论进行更好的总结，让我们学习更好。2 平面桁架问题分析2.1问题阐述平面桁架问题在各种工程结构中被广泛使用的一种特殊的刚体系，它们是一些短而直的钢杆彼此以端部连接而成的几何不变的结构。当刚杆之间的连接能近似的看做是铰链约束时，这种杆系结构称为桁架。已知有一个桁架，结构形状如下图所示。施加在桁架上的力F=10kN。桁架每根长1m，杆的截面积为0.01，泊松比=0.3，弹性模量E=200GPa。用两种方法分别计算出桁架的内力并进行比较。图2-1桁架计算模型图图2-2 桁架受力分析图2.2理论分析求支座反力，分别对A,B点取矩： (2-1) 解得 (2-2)解得 以节点A为研究对象： ： (2-3) 解得 ： (2-4) 解得 （压力） 以节点C为研究对象： ： (2-5) 解得 （拉力）(压力）以节点D为研究对象： ： (2-6) 解得 （压力） ： (2-7) 解得 以节点E为研究对象： ： (2-8) 解得 ： (2-9) 解得 （拉力） （压力）以节点F为研究对象： ： (2-10) 解得 （拉力） ： (2-11) 解得 （压力）以节点G为研究对象： ： (2-12) 解得 (压力） ： (2-13) 解得 （拉力）2.3 有限元分析（1）选择单元类型： 通过单击Preference Element Type Add/Edit/Delete定义单元类型为LINK 3D finit stn 180。（2）定义几何特性： 通过单击Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete定义单元的几何特性，即：面积为0.01。（3）定义材料特性： 通过单击Preprocessor Material Props Material Models，以及Structural Linear Elastic Isotropic定义弹性模量为2E11，泊松比为0.3。（4）定义节点： 通过单击Preprocessor Modeling Create Nodes In Active CS，定义13个节点，它们分别是1（0，0，0），2（5，0，0），3（0，1，0），4（1，1，0），5（1，2，0），6（2，1，0），7（2，2，0），8（3，1，0），9（3，2，0），10（4，1，0），11（4，2，0），12（5，1，0），13（2.5，1，0）。（5）定义单元： 通过节点生成单元，方法如下，单击Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes，弹出“节点选择”对话框，依次选择1、3，单击Apply,如此生成1号单元。同理单击Apply生成剩余的22个单元。（6）施加位移约束：依次单击Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes，在1号节点施加All DOF约束，在2号节点施加UY=0的约束。（7）施加集中力载荷：依次单击Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes在6号和8号节点施加F=-10000N的荷载。（8）求解结果：依次单击Solution Solve Current LS，求出结果。图2-3 桁架有限元分析加载图 图2-4 桁架总体变形图图2-5 桁架整体应变图表2-1 桁架杆件内力表ElementMF(N)1-10000.210000.30.17618E-094-14142. 50.23717E-096-20000.710000. 814142.90.10842E-0910-0.54210E-101120000. 12-20000.130.81315E-101420000. 15-0.27105E-1016-20000.1710000.180.00001914142.2010000. 21-14142. 22-10000.230.0000退出系统 ANSYS Utility Menu: File Exit Save Everything OK2.4 本章小结通过对比手动理论计算的结果和ANSYS软件分析的结果，我们可以发现，在理论计算杆力为0的地方，ANSYS分析结果为极小的数值，两者相差并不大，这说明了在面对平面桁架结构这种问题时，理论计算的结果还是大体正确的，但是在面对更为复杂的问题时，我们就要求助于ANSYS等工程类软件的应用了。在这个平面桁架问题上，当我们运用ANSYS软件时，能够更加快速，更加精确地计算出问题的结果，并且误差小，而手动理论计算的误差更大，计算过程中也有可能出错，所以，熟练运用ANSYS软件解决工程问题，是我们必须学会的一项技能。3 实体模型分析3.1 模型材料与几何参数现已知一扇门，高度为2m，宽度为0.9m，厚度为0.05m，要求对于门铰链的位置进行优化分析，那么我们可以设定三组不同位置的门铰链位置数据进行对比，设置门的弹性模量为2e10，泊松比为0.3，进行相关计算。 3.2 有限元模型的建立(1) 定义工作名、工作标题、过滤参数： 定义工作名：Utility menu File Jobname 工作标题：Utility menu File Change Title（姓名）(2)设置解题类型：启动ANSYS，单击Preference交互界面对话框，选中Structural，来对后面的分析进行菜单 及相应的图形界面过滤，单击OK按钮。(3)选择单元类型： Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add Solid 10node 187(4)设置材料属性：定义材料的弹性模量和泊松比：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Isotropic 定义弹性模量EX为2e10，泊松比PRXY为0.3(5)实体建模，建立薄板模型： Main Menu Preprocessor Create Volumes Block By Diemnsions：X方向0.9m，Y方向0.05m，Z方向2m。点击OK。形成薄板模型。图3-1实体模型图(6)网格划分：Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool Lines Set：逐个点击薄板的各个边 OK。设置单元长度为0.1m，点击Mesh，选中薄板，点击Apply。图3-2门框网格划分图(7) 施加约束： Solution Defines Loads Apply Structural Displacement On Nodes。选择四个约束点，点击All DOF，点击OK。图3-3 施加约束图(8)施加载荷：Solution Defines Loads Apply Structural Pressure On Areas。选择施加载荷的面，施加150N的力，点击OK。(9)求解：Solution Solve Current LS，求出结果。3.3 结果与分析ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Result Deformed Shape Def+undeformed Apply。获得整体变形图。ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Result Contour Plot Nodal Solu DOF Solution。获得Y方向位移图。ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Result Contour Plot Nodal Solu Stress。获得门框应力分布图。第一组：施加约束于薄板两个顶端 图3-4 门框变形图图3-5 Y方向位移图图3-6 门框应力分布图第二组：施加约束于薄板边缘距两端五分之一处图3-7 门框变形图图3-8 Y方向位移图图3-9 门框应力分布图第三组：施加约束于薄板距边缘两端十分之三处图3-10 门框变形图图3-11 Y方向位移图图3-12 门框应力分布图表3-1 第一组的最大最小应力值表MINIMUM VALUESNODE8787876767VALUE-107.25-1063.9-4647.83.16902.7677 MAXIMUM VALUESNODE11111VALUE6299.21493.5145.186154.05602.9表3-2 第二组的最大最小应力值表MINIMUM VALUESNODE1999639636464VALUE-142.43-723.51-2873.70.301300.26715MAXIMUM VALUESNODE197197961197197VALUE3058.8581.1774.5173285.02964.9表3-3 第三组的最大最小应力值表MINIMUM VALUESNODE2039591776464VALUE-74.383-242.14-1589.30.380530.37202 MAXIMUM VALUESNODE201201175201201VALUE2461.2287.309.77232825.32562.5结论：对比上面三组图形，可以看出，第一组在门框的两端安装门铰链时，会使门整体所受应力过于集中，从而造成整体结构的不稳定，因此应舍弃，而第三组的门铰链位于距门框两端十分之三处，则使应力在门框中部集中，使得门框易从中部受损，因此舍弃，第二组在距门框两端五分之一处安装门铰链，其受力与应变最为均匀，不会发生大的形变，也就不会轻易受损，所以是最合适的门铰链位置。综上，经过ANSYS的计算与分析，可以明确指出第二组为最优方案，也就是铰链位置相对分散更易于对门框结构的保护。4 心得体会这一次的工程仿真课程设计，不仅使我加深了对于使用有限单元法的理解，同时也让我能更熟练地运用ANSYS软件，进行相关的计算分析。在没有接触到ANSYS这款软件之前，每当我们要进行有关力学的计算时，只能用纸和笔，花大量的时间进行缓慢计算，耗时耗精力，并且，人工进行的计算经常会因为一点不小心而失误，造成整个题目的计算错误，而重新查找错误的过程又要花去大量时间，当然，这还只是一些较简单的结构方面的计算，如果是更为接近实际的结构的计算，凭借人工计算，对于我们来说几乎是不可能的。然而，有了ANSYS软件，这一切就变得方便许多，尤其是一些桁架，圆盘类的受力的计算，只需在软件中建立相关模型，加上条件，就能获得相应结果。刚开始接触ANSYS时，由于对有限元，单元，节点，