二维悬臂梁有限元分析

1、1 研究目的与问题阐述基本研究目的(1) 掌握ANSY软件的基本几何形体构造、网格划分、边界条件施加等方法(2) 熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。利用ANSY软件对梁结构进行有限元计算。(4) 研究不同泊松比对同一位置应力的影响。基本问题提出图 模型示意图如图所示，当EX= F=5000N悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端 当悬臂梁的泊松比u为：、时，确定同一位置的应力分布， 得出分布云图。采用二维模型， 3*0.09m。2 软件知识学习软件的使用与介绍软件介绍：ANSY歎件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分 析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国

2、ANSY开发，它能与多数CAD件接口，实现数据的共享和交换，女口 Pro/Engineer, NASTRANAIogor, I DEAS, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYST限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序， 可以用来求解结 构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线

3、性分析、非线性分析和高度非线性分析）、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也 可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 该软件 有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC SGI, HP SUN DEC IBM, CRAY等o3研究方法与过程研究方法论证经过查找

4、相关资料，讨论研究后，确定了两种方案解决这一问题，对于方法一， 可能比较简单，但是在最后确定固定点时准确度不够； 对于方法二，虽然操作过程有 点繁琐，但是在最后的节点选择上就会很准确，有利于研究结论的正确性与有效性； 故本次研究采用方法二。研究法方法一简要介绍（I）Utility Menu File Clear&Start New Utility Me nu File Change Job name（3）Utility Menu File Change Title（4）Main Menu Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete（5）Main Menu

5、Preprocessor Material props Material Models Linear（ 线性）Elastic（ 弹性） Isotropic （各向同性）（6）Main Menu Preprocessor ModelingCreateAreasRectangleByDimensions（7）Main Menu Preprocessor Meshing MeshAttributes All Areas（8）Main MenuPreprocessor Meshing SizeCntrls SmartSizeBasic（9）Main MenuPreprocessor Meshing M

6、eshAreaFree ANSYS（10）Main Menu Solution Define Load （定义载荷）Apply （加载）Structural（结构） Displacement （位移） On Ondes（II）Main Menu Solution Define Load （定义载荷）Apply （加载）Structural （结构）Force/Mome nt （力 / 力矩）On On des（12）ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK（to close the solveCurrent Load Step window）O

7、K（13）ANSYSMain Me nu: Ge neral Postproc Plot Results Deformed Shapeselect Def + UndeformedOK（弹性应变丫分量）（14）Main Menu General Postproc Plot Results （绘制结果） Contour Plot （绘制等值图）Nodal Solu （节点解）Nodal Solution （节点解）Elastic Strain弹性应变） Y-Component of elastic strain(15) ANSYS Main Me nu: Ge neral Postproc f

8、Query Results f Subgrid Solu f 选择Stress f X-Component of stress f OK在应力分布图中，选择一固定节点， 点0K即可测出相应丫方向上应力。主要研究方法二介绍3.3.1 过滤菜单(1) ANSYS Main Menu: Preferencesfselect Structuralf OK注: 过滤菜单如图所示图 过滤菜单3.3.2 实体建模(1) ANSYS Main Menu: Preprocessor fModeling fCreate fKeypoints fIn Active CS f依次输入 4个点的坐标：input:1(O

9、,O,O) f Apply f 2(3000,0,0) f Apply f 3(3000,90,0) fApply f 4(0,90,0) fOK注：在实体建模中， 建立四个方位点， 首先建立点 1，如图所示， 然后选择 Aplly 应用，再依次输入点 2、3、4 方位。图 建立方位点(2) 由 4 个关键点组成面ANSYS Main Menu: Preprocessor fModeling fCreate fAreas fArbitrary f Through KPs f依次拾取4个点f OK注：在拾取关键点是要按顺序依次拾取，拾取完点击OK即可，如图所示。图 依次拾取关键点组成图形3.3.

10、3 划分网格(1) 定义单元类型Preprocessor fElement TypefAdd/Edit/DeletefAdd fselect Solid Quad4node 42 fOK (back to Element Types window)fOptionsfselelt K3: PlaneStrsw/thk Close (the Eleme nt Type wi ndow)此处选用 Solid Quad 4node 42 。注：选择单元类型，如图所示。图 单元类型选择(2) 定义实常数ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add se

11、lect Type 1 OKinput THK:90 OK Close (the Real Constants Window)注：定义悬臂梁的厚度，即在 THK!中输入90 (mm ,如图所示。图 定义悬臂梁宽度(3) 定义材料(弹性模量，泊松比)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material PropsMaterial Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:, PRXY: OK注：定义材料弹性模量及泊松比，EX为弹性模量，PRXY为泊松比，在第一次定 义时在PRXY匡中输入，以后同理，依次输入、，

12、如图所示。图 定义弹性模量及泊松比(4) 指定单元属性ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool Element Attributes ( select ) Global Set OK注：指定单元属性，依次点 Set,Ok 即可，如图所示。图 指定单元属性(5) 网格密度设置Mesh Tool Size Controls select Lines Set 拾取长边的两条线 OK input NDIV:6Apply 拾取短边的两条线 OK input NDIV:2 OK分别等份划分长和宽注：划分长， 6 等分，如图所示。图 6 等分长注：划分宽

13、， 2 等分，如图所示。图 2 等分宽(6) 划分网格Mesh Tool Mesh : select Areas Shape:QuadFree Mesh Pick All Close( the Mesh Tool win dow)注：释放网格，如图所示。图 释放网格(7) 显示单元与节点编号Utility Menu : Plotctrls Numbering 选项 NODE Node number为 On 在 Elem/Attrib numbering 选择 Element numbers OK注:显示单元与节点，为以后应力分析打下基础，如图，图所示。图 显示节点操作图 节点显示示意图3.3.

14、4 求解（1） 施加位移边界条件与加载1）给节点1、10施加x和y方向的约束（即约束左边）ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply StructuralDisplacement On Nodes 拾取节点 1、 10 OK select Lab2:ALL OFF OK注:悬臂梁固定一端，此处选择左端固定，如图所示图 固定悬臂梁左端2)给节点 8 施加 y 方向载荷ANSYS Main Menu: Solution f Define Loads f Apply f StructuralfForce/Moment f On Nodes f拾取节点 8

15、f OK f Lab: FY, Value: -5e3 f OK 注：给悬臂梁右端施加方向向下，大小为 5000N的力，如图所示，综合效果图如 图所示。图 右端施加 -5e3N 力图 综合效果图(2) 定义分析类型并求解1)定义分析类型Preprocessor f Solution fAnalysis Type f New Analysis 注：定义分析类型，选择 Static ，如图所示。图 选择分析类型2) 求解ANSYS Main Menu: Solution fSolve fCurrent LS fOK(to close the solve Current Load Step wind

16、ow)fOK注：求解过程点击OK即可，每次变量的改变都必须都要求一次解，这一步至关重要，如图所示。图 求解3.3.5 后处理(1) 结构的变形图ANSYS Main Menu: General Postproc fPlot Results fDeformed Shapef select Def + Un deformedf OK将在软件主界面显示结构变形图。注：在后处理过程中中， 首先应该看一下结构的变形图， 以利于以后基本应力分 析，如图所示图 结构变形图(2) 显示特定位置应力ANSYS Main Menu: General Postproc f List Results f Nodal Solution f 选择 Stress f Y-Component of stress f OK注：此处选择显示在丫方向上各关键点应力，基本操作流程如图所示，显示结果 如图所示。图 基本操作图 显示结果4结论数据记录记录研究数据，转化为表格形式，如表所示:NODESXSYu1212121212表研究记录数据应力分布图