计算机在材料科学中的应用-用MaterialsStudio计算简单材料的能带(2)

1、实验课程名称：计算机在材料科学与工程中的应用 实验项目名称Ansys建模及求解实验成绩实验者张翅腾飞专业班级材科xs1101组别同组者实验日期2014年5月7日轴承座轴瓦轴四个安装孔径向约束 (对称)轴承座底部约束 (UY=0)沉孔上的推力 (1000 psi.)向下作用力 (5000 psi.)第一部分：实验分析与设计（可加页）一、实验内容描述（问题域描述）1、实验目的：创建实体的方法，工作平面的平移及旋转，布尔运算（相减、粘接、搭接，模型体素的合并，基本网格划分，基本加载、求解及后处理。2、实验内容：轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理二、实验基本原理与设计（包括实验方案设计，实

2、验手段的确定，试验步骤等，用硬件逻辑或者算法描述）1.有限元方法的用途结构分析用于确定材料结构的应变、应力及反作用力等有限元方法是处理连续介质问题的一种普遍方法，离散化是有限元方法的基础。然而，这种思想自古有之。齐诺（Zeno公元前5世纪前后古希腊埃利亚学派哲学家）曾说过：空间是有限的和无限可分的。故，事物要存在必有大小。亚里士多德(Aristotle古希腊大哲学家，科学家)也讲过：连续体由可分的元素组成。古代人们在计算圆的周长或面积时就采用了离散化的逼近方法：即采用内接多边形和外切多边形从两个不同的方向近似描述圆的周长或面积，当多边形的边数逐步增加时近似值将从这两个方向逼近真解。2.有限元法

3、求解的步骤（原理上求解） （1）将结构划分成单元结合体离散化 （2）建立单元上各种量之间的关系单元特性分析 （3）将单元特性进行集成，获得结构的整体特性和平衡方程整体分析 （4）解代数方程组求节点位移求解单元应力应变3.本次实验采用Ansys软件来进行轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理，具体实验步骤如下：（1） 创建基座模型 a、生成长方体操作：Main Menu：Preprocessor->Create->Block->By Dimensions，输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3；b、平移并旋转工作平面操作：Utility Menu

4、->WorkPlane->Offset WP by Increments，X,Y,Z Offsets 输入2.25,1.25,.75点击Apply，XY，YZ，ZX Angles输入0，90点击OK；c、创建圆柱体操作：Main Menu：Preprocessor->Create->Cylinder-> Solid Cylinder，Radius输入0.75/2, Depth输入1.5,点击OK；d、拷贝生成另一个圆柱体操作：Main Menu：Preprocessor->Copy->Volume拾取圆柱体,点击Apply, DZ输入1.5然后点击OK

5、；e、从长方体中减去两个圆柱体：Main Menu：Preprocessor->Operate->Subtract Volumes首先拾取被减的长方体，点击Apply,然后拾取减去的两个圆柱体，点击OK；f、使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致操作：Utility Menu->WorkPlane->Align WP with-> Global Cartesian；获得如下图所示图形：(2) 创建支撑部分：a、Utility Menu: WorkPlane -> Display Working Plane (toggle on)，b、Main Menu: Prep

6、rocessor -> -Modeling-Create -> -Volumes-Block -> By 2 corners & Z，c、在创建实体块的参数表中输入下列数值:WP X = 0WP Y = 1Width = 1.5Height = 1.75Depth = 0.75然后点击OK，d、Toolbar: SAVE_DB，防止误操作导致文件丢失；第2步走之后获得如下图形：(3) 偏移工作平面到轴瓦支架的前表面：a、Utility Menu: WorkPlane -> Offset WP to -> Keypoints + 1.在刚刚创建的实体块的左上

7、角拾取关键点2.OKb、Toolbar: SAVE_DB获得如下图形：(4) 创建轴瓦支架的上部：a、Main Menu: Preprocessor -> Modeling-Create -> Volumes-Cylinder -> Partial Cylinder +1).在创建圆柱的参数表中输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Rad-1 = 0Theta-1 = 0Rad-2 = 1.5Theta-2 = 90Depth = -0.752).OKb、Toolbar: SAVE_DB 获得如下图形：(5) 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备：a、Ma

8、in Menu: Preprocessor -> Modeling-Create -> Volume-Cylinder -> Solid Cylinder +1.)输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Radius = 1Depth = -0.18752.)拾取 Apply3.)输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Radius = 0.85Depth = -24.)拾取 OK如下图所示：(6) 从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔：a、Main Menu: Preprocessor -> Modeling-Operate -> Subtract -&

9、gt; Volumes +1.拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布尔“减”操作的母体，单击Apply；2.拾取大圆柱作为“减”去的对象，单击Apply；3.拾取步1中的两个体，单击Apply4.拾取小圆柱体，单击OKb、Toolbar: SAVE_DB获得如下图形：c、合并重合的关键点：Main Menu -> Preprocessor -> Numbering Ctrls -> Merge Items，将Label 设置为 “Keypoints”, 单击 OK(7) 创建一个关键点a、在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点:Main Menu > Preprocess

10、or > -Modeling- Create > Keypoints > KP between KPs +b、拾取如图的两个关键点,单击OKc、RATI = 0.5,单击OK步骤示意图如下所示： (8)创建一个三角面并形成三棱柱：a、Main Menu -> Preprocessor -> -Modeling- Create -> -Areas- Arbitrary -> Through KPs +1.拾取轴承孔座与整个基座的交点。2.拾取轴承孔上下两个体的交点3.拾取基座上上步建立的关键点，单击OK完成了三角形侧面的建模。4 沿面的法向拖拉三角面形成

11、一个三棱柱。（1）Main Menu -> Preprocessor -> -Modeling- Operate -> Extrude -> -Areas- Along Normal +（2）拾取三角面, 单击 OK5.输入DIST = -0.15，厚度的方向是向轴承孔中心, 单击 OKb、Toolbar: SAVE_DB如下图所示：(9)关闭 working plane display：Utility Menu: WorkPlane -> Display Working Plane (toggle off)(10) 沿坐标平面镜射生成整个模型：a、Main Me

12、nu: Preprocessor -> Modeling-Reflect -> Volumes +1.拾取All2.拾取 “Y-Z plane，单击OKb、Toolbar: SAVE_DB如下图所示：(11) 粘接所有体：a、Main Menu: Preprocessor -> Modeling-Operate -> Booleans-Glue -> Volumes +拾取 AllToolbar: SAVE_DB如下图所示：(12) 定义单元类型1为10-节点四面体实体结构单元 (SOLID92)：a、Main Menu: Preprocessor -> E

13、lement Type -> Add/Edit/Delete .1.Add2.选择 Structural-Solid, 并下拉菜单选择 “Tet 10Node 92”单击OK3.Close(13) 定义材料特性：a、Main Menu: Preprocessor -> Material Props ->Constant Isotropic.1.OK (将材料号设定为 1)2.在 “Youngs Modulus EX” 下输入：30e6单击OK。b、Toolbar: SAVE_DB(14) 用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元：a、Main Menu: Preproc

14、essor -> MeshTool.1将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on”2. 将滑动码设置为 “8” (可选: 如果你的机器速度很快，可将其设置为“7”或更小值来获得更密的网格)3. 确认 MeshTool的各项为: Volumes, Tet, Free4. MESH5. Pick All说明: 如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”。 划分网格时网格密度可由滑动码控制，滑动码的调节范围从0-10，当数值较大时网格稀疏，反之，网格加密。 6. 关闭 MeshToolb、Toolbar: SAVE_DB(15) 约束四个安装孔：a

15、、Main Menu: Solution -> Loads-Apply -> Structural-Displacement ->Symmetry B.C.-On Areas +1.绘出 Areas (Utility Menu: Plot-> Areas)2.拾取四个安装孔的8个柱面 （每个圆柱面包括两个面）说明：在拾取时，按住鼠标的左键便有实体增亮显示，拖动鼠标时显示的实体随之改变，此时松开左键即选中此实体。单击OK。(16)整个基座的底部施加位移约束 (UY=0)Main Menu: Solution -> Loads-Apply -> Structur

16、al-Displacement -> on Lines +1.拾取基座底面的所有外边界线，picking menu 中的 “count” 应等于 6，单击OK。2.选择 UY 作为约束自由度，单击OK(17) 在轴承孔圆周上施加推力载荷：a、Main Menu: Solution -> Loads-Apply -> Structural-Pressure -> On Areas +1.拾取轴承孔上宽度为 .15”的所有面 2.OK3.输入面上的压力值“1000 ”，单击Apply4Utility Menu: PlotCtrls -> Symbols 5用箭头显示压

17、力值， (“Show pres and convect as”)，单击OK(18) 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷，这个载荷是由于受重载的轴承受到支撑作用而产生的。a、While still in -> Loads>Apply -> Structural-Pressure -> On Areas +1.拾取宽度为.1875” 的下面两个圆柱面2.OK3.输入压力值 50004.OKb、Toolbar: SAVE_DB(19) 求解：a、Main Menu: Solution -> Solve-Current LS1.浏览 status window 中出现的信

18、息, 然后关闭此窗口。2.OK (开始求解). 关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。3.求解结束后，关闭信息窗口。(20) 绘等效应力 (von Mises) 图;a、Main Menu: General Postproc -> Plot Results -> Contour Plot-Nodal Solu1.选择 stress2.选择 von Mises3.OK(21) 应力动画：a、Utility Menu: PlotCtrls -> Animate -> Deformed Results .1.选择 stress2.选择 von Mises3.OKb、播放变形动画, 拾取MediaPlayer的 “>” 键。(22) Exit.Toolbar: QUIT1.Save Everything2.OK第二部分：实验调试与结果分析（可加页）三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）1、实验数据记录（1）下