有限元上机第3周

1、第三周实验一：轴对称问题分析一、实验课题 柱形压力容器两端为球冠形封头（如图所示），已知 l = 2 m，R = 1 m，t = 0.2 m，p = 1 MPa，弹性模量E = 200 GPa，泊松比m = 0.3。由于结构及载荷均对称，可取四分之一计算。二、实验要求 1 掌握轴对称单元的定义方法； 2 掌握对称面上的边界条件； 3 掌握载荷的施加方法； 4 掌握自动划分网格及控制网格疏密的方法； 5 注意输出结果 x 为径向，y 为轴向，z 为周向。（ANSYS规定：x 坐标必须非负）三、实验步骤： 进入 ANSYS 建立有限元模型 1 输入标题 (1) 点击【File】【Change Ti

2、tle】； (2) 输入标题“Axisymmetric ProblemThe Analysis of Tank”； (3) 点击【OK】按钮。 2 选择分析类型 (1) 点击【Main Menu】【Preferences】； (2) 选择 structural 复选框，然后点击【OK】按钮。 3 确定单元类型 (1) 点击【Main Menu】【Preprocessor】【Element Type】【Add/Edit/Delete】； (2) 点击【Add】，选择 structural solid 族中 Quad 42 node 单元，再点击【OK 】； (3) 点击【Options】钮，在

3、Element behavior K3 行选择 Axisymmetric ； (4) 点击【OK】钮，再点击【Close】关闭对话框。 4 定义材料性质 (1) 点击【Preprocessor】【Material Props】【Material Models】再依次双击【Structural】【Linear】【Elastic】【Isotropic】； (2) 点击【OK】； (3) 输入弹性模量EX为 200E+9 以及泊松比PRXY为 0.3 ，然后点击【OK】。 5 建立几何模型 (1) 点击【Main Menu】【Preprocessor】【Modeling-Create】【Areas-

4、Rectangle】【By Dimenssion】； (2) 输入矩形对角点 x1 = 0.8 , y1 = 0 , 和 x2 = 1 , y2 = 1 ，然后点击【OK】； (3) 点击【Main Menu】【Preprocessor】【Modeling-Create】【Areas- Circle】【Partial Annulus】； (4) 在弹出的对话框内设置 wpx = 0 , wpy = 1 , rad-1 = 0.8 , theta-1 = 0 , rad-2 = 1 , theta-2 = 90 ，然后点击【OK】；（思考以上各项对应的几何量） (5) 点击【Main Menu】

5、【Preprocessor】【Modeling- Operate】【Booleans-Add】【Areas】 (6) 拾取矩形和圆环，并点击【OK】。 6 划分网格 (1) 点击【Main Menu】【Preprocessor】【Meshing-Size Cntrls】【Manual Size Global-Size】； (2) 键入单元边长 0.02 ，然后点击【OK】； (3) 点击【Main Menu】【Preprocessor】【Meshing-Mesh】【Areas-Free】； (4) 在拾取窗点击【Pick All】按钮。 求解 1 边界处理 (1) 点击【Main Menu】【

6、Solution】【Define Loads - Apply】【Structural-Displacement】【On Keypoints】； (2) 选中矩形下边界左、右两端点，并在拾取窗上点击【OK】； (3) 选择被约束的自由度为 UY ； (4) 输入被约束处的位移值 0 ，打开Expand displacement ； (5) 点击【OK】； (6) 选中圆环左边界上、下两端点，并在拾取窗上点击【OK】； (7) 选择被约束的自由度为 UX (注意不要包含 UX 方向) ； (8) 点击【OK】，关闭对话框。 2 定义载荷 (1) 点击【Main Menu】【Solution】【Lo

7、ads-Apply】【Structural- Pressure】【On Lines】； (2) 选中内边界（包括一条直线和一条圆弧），并点击【OK】； (3) 输入节点 I 处载荷值 然后点击【OK】。 3 求解 (1) 点击【Main Menu】【Solution】【Solve】【Current LS】； (2) 浏览完显示的信息后，关闭文本窗口； (3) 点击【OK】后开始求解； (4) 点击【Close】。 后处理 ( Postprocessing) 1 绘变形图 (1) 点击【Main Menu】【General Postproc】【Plot Results】【Deformed Sha

8、de】； (2) 选取 Del+undeformed 选项，然后点击【OK】。 2 画 Von Mises 等应力线 (1) 点击【Main Menu】【General Postproc】【Plot Results】【Contour plot】【Nodel Solu】； (2) 选择应力族中 Von Mises 等效应力，然后点击【OK】。 3 显示节点位移 (1) 点击【Main Menu】【General Postproc】【List Results】【Nodal Solution】； (2) 在 Item to be listed 框中选 DOF Solution 及其 All DOFs

9、 DOF； (3) 点击【OK】； （思考： 对称轴在哪？） 退出 ANSYS 点击工具栏上【Quit】按钮，选择 quit - no save! 复选框，再点击【OK】。四、ANSYS命令流文件/TITLE, 轴对称问题上机实验题/PREP7ET, 1, PLANE42, , , 1MP, EX, 1, 200E+9 MP, PRXY, 1, 0.3 RECTNG, 0.8, 1, 0, 1CYL4, 0, 1, 0.8, 0, 1, 90AADD, ALLESIZE, 0.20AMESH, ALLEPLOTFINISH/SOLUDL, 6, 3, ux, 0DL, 1, 3, uy, 0A

10、LLSELSFL, 4, press, , SFL, 10, press, , SOLVEFINISH/POST1PLDISPFINISH/EXIT,NOSAV实验二：平面连杆静力分析 连杆尺寸如图所示，厚度 t = 1 mm，大孔内侧固定，小孔内侧右半部分作用均布压力 q = 1 N/mm ，弹性模量为 200 GPa，迫松比为 0.3，试对其作静力分析。二、实验要求 1 掌握镜面反射的运用； 2 掌握圆弧的生成方法； 3 掌握过度圆角的生成方法； 4 掌握面的差运算。三、实验步骤： 建立有限元模型 1 输入标题 (1) 单击【File】【Change Title】； (2) 输入标题“St

11、atic Analysis of the Link”，再单击【OK】按钮。 2 选择分析类型 (1) 单击【Preferences】，选择 structural 复选框，然后单击【OK】按钮。 3 确定单元类型 (1) 单击【Preprocessor】【Element Type】【Add/Edit/Delete】【Add】； (2) 选 structural solid 族中 Quad 8node 183 单元，单击【OK】； (3) 单击【Options】钮，在 Element shape K1 行选择 Triangle ；在 Element behavior K3 行选择 plane st

12、ress + w / thk ； (4) 单击【OK】钮，再点击【Close】关闭对话框。 4 定义实常数 (1) 单击【Preprocessor】【Real Constants】【Add】【OK 】； (2) 输入板厚 1 ，再点击【OK 】，然后关闭 real constant 对话框。 5 定义材料性质 (1) 单击【Preprocessor】【Material Props】【Material Models】依次双击【Structural】【Linear】【Elastic】【Isotropic】；(1) 输入弹性模量 200E+3，泊松比 0.3，然后点击【OK】，再关闭对话框。（思考：

13、弹性模量200GPa，为什么这里输入 200E3 ? ）6 建立实体模型 (1) 单击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Keypoints】【In Active CS】； 输入关键点 1： x = -18 , y = 0 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 2： x = -18 , y = 3.5 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 3： x = -14 , y = 3.5 , z = 0 ，然后点击【Apply】；关键点 101： x = 0 , y = 0 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 102： x =

14、65 , y = 0 , z = 0 ，然后点击【OK】。 (2) 单击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Lines】【Lines】【Straight Line +】； 拾取 KP1 和 KP2 ，产生直线 L1；拾取 KP2 和 KP3 ，产生直线L2，然后单击【OK】。 (3) 单击【WorkPlane】【Change Active CS】【Global Cylindrical】； (4) 单击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Ketpoints】【In Active CS】； 输入关键点 4： x = 14 , y = 13

15、5 , z = 0 ，然后点击【OK】。 (注意：点在柱坐标系中的坐标) (5) 单击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Lines】【Arcs】【By End KPs & Rad +】； 拾取 KP3 和 KP4，单击【OK】，再拾取 KP101，点击【OK】，在对话框第一框输入半径 14，然后单击【OK】产生圆弧 L3。 (6) 单击【PlotCtrls】【Numbering】，打开“Keypoint Numbers”和“Line Numbers”复选框。 单击【Plot】【Lines】。 (7) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Crea

16、te】【Lines】【Line Fillet +】；拾取水平直线L2和外侧圆弧L3，单击【OK】，输入圆弧半径2.5，点击【OK】，产生圆弧L5。 (8) 点击【WorkPlane】【Display Working Plane】； 点击【WorkPlane】【Change Active CS to】【Working Plane】； 点击【WorkPlane】【Offset WP by Increments.,】； 在“XY,YZ,ZX Angles”下的文本框内输入 45 ，然后点击【OK】。 (思考：以上坐标系操作目的，同时注意系统xyz坐标轴的方向) (9) 点击【Preprocessor

17、】【Modeling】【Reflect】【Lines +】； 单击【Pick All】，采用默认对称面Y-Z，单击【OK】。 (10) 点击【WorkPlane】【Offset WP by Increments.,】； 在“XY,YZ,ZX Angles”下的文本框内输入 -45 ，然后点击【OK】。 (11) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Reflect】【Lines +】； 选择 L5，L6，L7，L8，单击【OK】，取Y-Z对称面，单击【OK】。 (12) 点击【WorkPlane】【Offset WP by Increments.,】； 在“X,Y,Z Offs

18、ets”下的文本框内输入 65 ，然后点击【OK】。 (13) 点击【WorkPlane】【WP Settings】【Polar】【OK】。 (14) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Keypoints】【In Active CS】； 输入关键点 25 ：x = 7，y = 0 ， z = 0 , 然后点击【Apply】； 输入关键点 26 ：x = 7，y = 135 ，z = 0 , 然后点击【OK】。 (15) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Lines】【Arcs】【By End KP & Rad +】； 拾取

19、 KP25 和 KP26，单击【OK】，再拾取 KP102，单击【OK】，输入半径 7，单击【OK】。 (16) 点击【WP Settings】【Cartesian】【OK】。 (17) 点击【PlotCtrls】【Pan Zoom Rotate】【Fit】【Close】。 (18) 单击【PlotCtrls】【Numbering】，关闭“Line Numbers”复选框。 单击【Plot】【Lines】。 (19) 点击【WorkPlane】【Change Active CS to】【Global Cartesian】； (20) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Cre

20、ate】【Keypoints】【In Active CS】； 输入关键点 31 ：x = 25，y = 5.5 ，z = 0 , 然后点击【Apply】； 输入关键点 32 ：x = 52，y = 4.5 ，z = 0 , 然后点【OK】。 (21) 点击【Preprocessor】【Create】【Lines】【Splines】【Spline thru KPs +】；依次拾取 KP16，KP31，KP32，KP26，单击【OK】，生成样条曲线。 (22) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Reflect】【Lines +】；单击【Pick All】，选择X-Z对称面，单击

21、【OK】。 (23) 点击【Preprocessor】【Numbering Ctrls】【Merge Items】； 在第一个框内选择“Keypoints”，单击【OK】完成 KPs 的合并操作。 （思考并百度： merge items的含义和作用） (24) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Areas】【Arbitrary】【By Lines +】； 在图元对话框中选“Loop”，并任选外轮廓中的一条线，最后单击【OK】。 (25) 点击【workplane】【Offset WP to】【Global origin】，将工作面调回与整体笛卡尔坐标系一致；

22、然后点击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Areas】【Circle】【solid circle】； 输入圆心和半径 wpx = 0, wpy = 0, radius = 10 ，然后点击【Apply】； 输入圆心和半径 wpx = 65, wpy = 0, radius = 4 ，然后点击【OK】。 (26) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Operate】【Booleans】【Subtract】【Areas】 先选择连杆并点击【OK】，再选择两实心圆，然后点击【OK】。 (27) 点击【Plot】【Areas】。 (28) 点击【Fil

23、e】【Save as】，输入被保存的文件名，然后点击【OK】。 (29) 点击【Preprocessor】【Meshing】【MeshTool】； 在“MeshTool”对话框选择“Smart Size”，并将滚动条调到 4，然后设置网格对象为“Areas”，单元形状为“Tri”，划分方式为“Free”，单击【Mesh】按钮，最后选择【Pick All】。 求解 1 施加约束 (1) 点击【Solution】【Define Loads】【Apply】【Structural】【Displacement】【On Lines】； 拾取大圆内侧 4 圆弧，点击【OK】，再选 All DOF ，点击【O

24、K】；2 定义载荷 (1) 点击【Solution】【Define Loads】【Apply】【Structural】【Pressure】【On Lines】； 选择小圆右侧上，下两条圆弧，并点击【OK】，输入载荷值 1 ，然后点击【OK】。 3 求解 (1) 点击【Solution】【Solve】【Current LS】； 浏览完显示的信息后，关闭文本窗口， 点击【OK】后开始求解，再点击【Close】。 后处理 ( Postprocessing) 1 绘变形图 (1) 点击【General Postproc】【Plot Results】【Deformed Shade】； (2) 选取 De

25、l+undeformed 选项，然后点击【OK】。 2 显示节点位移 (1) 点击【General Postproc】【List Results】【Nodal Solution】； (2) 选择 DOF solution 中 All DOFs 项，然后点击【OK】。 (3) 浏览节点位移值，然后关闭文本窗口。 3 显示应力 (1) 点击【General Postproc】【List Results】【Element Solution】； (2) 选择 Stress 中 Components 项，然后点击【OK】。 (3) 浏览单元应力值，然后关闭文本窗口。 4 画 Von Mises 等应力线

26、 (1) 点击【General Postproc】【Plot Results】【Contour plot】【Nodel Solu】； (2) 选择 Stress 族中 Von Mises 等效应力，然后点击【OK】。 5 询问应力 (1) 点击【General Postproc】【Query Results】【Subgrid Solu】； (2) 选择 Von Mises 应力，然后点击【OK】； (3) 任意点取节点，观察其应力值，在图中标出不同点的Von Mises应力值； (4) 点击【OK】按钮，关闭菜单。 6 显示约束反力 (1) 点击【General Postproc】【List

27、Results】【Reaction Solu】； (2) 选择 All struc forc F，然后点击【OK】； (3) 浏览约束反力后关闭文本输出窗。 退出 ANSYS 点击工具栏上【Quit】按钮，选择 quit - no save! 复选框，再点击【OK】。四、命令流文件/BATCH/TITLE, 连杆静力分析 ANSYS-902/PREP7KEYW, PR_STRUC, 1 !设置结构分析类型ET, 1, PLANE2R, 1, 1MP, EX, 1, 200E3MP, PRXY, 1, 0.3K, 1, -18, 0 K, 2, -18, 3.5K, 3, -14, 3.5L,

28、1, 2L, 2, 3K, 101, 0, 0K, 102, 65, 0CSYS, 1K, 4, 14, 135 LARC, 3, 4, 101, 14LFILLT, 2, 3, 2.5CSYS, 0WPROTA, 45, 0, 0CSWPLA, 11, LSYMM, X, ALLWPROTA, -45, 0 ,0!CSDELE, 11CSYS, 0LSYMM, X, 5, 8, 1LOCAL, 12, 1, 65, 0, 0K, 25, 7, 0 K, 26, 7, 135LARC, 25, 26, 102, 7CSYS, 0K, 31, 25, 5.5K, 32, 52, 4.5BSPLI

29、N, 16, 31, 32, 26, LSYMM, Y, ALLNUMMRG, KPAL, ALLCYL4, 0, 0, 10CYL4, 65, 0, 4ASBA, 1, ALL, TYPE, 1MAT, 1REAL, 1ESIZE, 3AMESH, ALL/SOLUTIONDL, 29, 4, ALL, 0DL, 30, 4, ALL, 0DL, 31, 4, ALL, 0DL, 32, 4, ALL, 0SFL, 33, PRES, 10SFL, 36, PRES, 10SOLVEFINISH/POST1PLESOL, S, EQV, 0, 1 !FINISH! /EXIT,NOSAV实验

30、三 ：皮带轮轴对称分析一、实验课题 皮带轮尺寸如图所示，以角速度 w = 100 rad/s 匀速旋转，已知其弹性模量为 200 GPa，迫松比为 0.3，试求在惯性载荷作用下的应力分布。二、实验要求1 掌握轴对称模型的建立（Y 为对称轴，X 非负）； 2 掌握惯性载荷（匀速旋转）的施加方法。 三、实验步骤： 建立有限元模型 1 输入标题 (1) 单击【File】【Change Title】； (2) 输入标题“Static Analysis of Axisymmetric Structure”，然后单击【OK】按钮。 2 选择分析类型 (1) 单击【Preferences】； (2) 选择

31、structural 复选框，然后单击【OK】按钮。 3 确定单元类型 (1) 点击【Preprocessor】【Element Type】【Add/Edit/Delete】【Add】。 (2) 选 structural solid 族中 Quad 8node 183 单元，单击【OK】； (3) 单击【Options】钮，在 Element shape K1 行选择 Triangle ；在 Element behavior K3 行选择 Axisymmetric，单击【OK】和【Close】。 4 定义材料性质 (1) 点击【Preprocessor】【Material Props】【Mat

32、erial Models】。(2) 依次双击【Structural】【Linear】【Elastic】【Isotropic】； 输入弹性模量 200E+3，泊松比 0.3，然后点击【OK】。(3) 再双击【Density】, 输入密度DENS为 7. 8E-6，单击【OK】，并关闭窗口。5 建立实体模型 (1) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Keypoints】【In Active CS】； 输入关键点 1： x = 12 , y = 16 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 2： x = 20 , y =16 , z = 0 ，然后点击

33、【Apply】； 关键点 3： x = 21 , y =3 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 4： x = 52 , y =3 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 5： x =52 , y =16 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 6： x = 70 , y =16 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 7： x =70 , y =12 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 8： x =60, y =8.5 , z = 0 ，然后点击【Apply】； 关键点 9： x = 60 , y =5.5 , z = 0 ，

34、然后点击【Apply】； 关键点10： x = 70 , y = 2 , z = 0 ，然后点击【OK】。 (2) 单击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Lines】【Lines】【Straight Line +】； 拾取 KP1 和 KP2 ，产生直线 L1；拾取 KP2 和 KP3 ，产生直线L2；拾取 KP9 和 KP10 ，产生直线 L9；然后单击【OK】。 (3) 点击【Preprocessor】【Modeling】【Reflect】【Lines +】； 单击【Pick All】，取默认对称面Y-Z，单击【OK】。 (4) 单击【PlotCtrls】【

35、Numbering】；打开“Keypoint Numbers”和“Line Numbers”复选框。 单击【Plot】【Lines】。 (5) 单击【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Lines】【Lines】【Straight Line +】； 拾取 KP10 和 KP20 ，产生直线 L19；拾取 KP1 和 KP11 ，产生直线L20； (6) 点击【Preprocessor】【-Modeling】【Create】【Area】【Arbitrary】【By Lines +】； 选择【Loop】按钮，再选任意一条线，然后单击【OK】。 (7) 单击【PlotCt

36、rls】【Style】【Symmetry Expansion】【2D Axi-Symmetric】； 选择展开的数量，然后点击【OK】。 (8) 点击【Preprocessor】【Modeling】【MeshTool】； 在“MeshTool”对话框选择“Smart Size”，并将滚动条调到 4，然后设置网格对象为“Areas”，单元形状为“Tri”，划分方式为“Free”，单击【Mesh】按钮，最后选择【Pick All】。 求解 1 施加约束 (1) 点击【Solution】【Define Loads】【Apply】【Structural】【Displacement】【On Lines】； 选中模型最底下的一条线，并点击【OK】，再选被约束的自由度为 All DOF ，点击【OK】。 2 施加离心载荷 (1) 点击【Solution】【Define Loads】【Apply】【Inertia】【Angular Velosity】； 在 OMEGY 框输入 100（以弧度计），并点击【OK】。3 求解 (1)