有限元法概论课程实验指导书

1、有限元法概论 上机实验指导书制造工程系二零零六年四月版权说明本课程实验指导书的所有权益全部由作者杨帆保持,未经授权,不得全部或部分复制、使用。目录§1概述 (11.1 有限元法概论课程简介 (11.2 有限元法概论课程上机实验的地位、作用和目的 (11.3 有限元法概论课程实验简介 (1§2有限元建模实验 (22.1 实验目的 (22.2 实验内容 (22.3 实验步骤 (22.4 实验考核要求 (6§3结构的有限元分析实验 (73.1 实验目的 (73.2 实验内容 (73.3 实验步骤 (83.4 实验考核要求 (9§4结构的热-力耦合有限元分析实验

2、 (104.1 实验目的 (104.2 实验内容 (104.3 实验步骤 (114.4 实验考核要求 (12§5薄壁结构的有限元分析实验 (135.1 实验目的 (135.2 实验内容 (135.3 实验步骤 (135.4 实验考核要求 (14§1概述1.1 有限元法概论课程简介有限元法是适应电子计算机应用而发展起来的一种比较新颖和有效的数值计算方法,广泛地应用于结构的静力和动力分析、热分析、电磁分析以及流体动力学分析等诸多工程领域。有限元法是将工程中的结构物或场空间转化为离散的有限元模型,并通过计算机进行数值计算、预测和仿真分析的方法。大型商业通用有限元计算分析软件是在有

3、限元方法的基础上开发出的商业软件,是进行有限元计算分析和仿真的可视化工具。运用主流大型商业通用有限元计算分析软件进行有限元分析已成为工程分析中应用广泛的技术手段,其分析结果已被众多工程领域的技术规程和规范所接受。有限元法概论课程针对工程结构分析主要讲授有限元法的基本思想、基本理论和基本方法,并结合大型商业通用有限元计算分析软件讲授有限元法在工程结构的静、动力分析和热力分析中的应用。课程除要求学生了解并初步掌握有限元法的基本思想、基本原理和基本方法外,更着重强调培养和训练学生的动手能力,提高学生运用基础知识和基本理论解决工程实际问题的能力。使学生初步掌握使用大型商业通用有限元计算分析软件的方法,

4、完成结构几何建模、有限元网格划分、施加荷载和边界条件、求解、结果可视化分析以及撰写计算分析报告等结构仿真分析的主要工作,以适应就业或进一步深造的需要。1.2 有限元法概论课程上机实验的地位、作用和目的在有限元法概论课程中,上机实验是巩固课程所学的有限元法的基础知识和基本方法,培养和训练学生运用有限元法分析解决实际问题必不可少的重要教学环节。通过实验课程的学习和训练,使学生初步具备使用大型商业通用有限元计算分析软件ANSYS进行结构分析、仿真计算结构力学行为的能力。1.3 有限元法概论课程实验简介有限元法概论课程上机实验由有限元建模、结构的有限元分析、结构的热-力耦合有限元分析以及薄壁结构的有限

5、元分析等四个实验组成,每个实验2个学时,共计8个学时。§2 有限元建模实验2.1 实验目的有限元分析是应用广泛的数值分析方法。进行有限元分析的基础是创建合理的有限元模型。本实验的目的是:使学生了解并掌握应用ANSYS 软件创建结构几何模型、剖分有限元网格的基本方法和技巧;使学生能够在教师的指导下独立完成创建三维结构的几何模型,并完成该结构有限元网格的剖分工作。2.2 实验内容在ANSYS 软件中,创建模型包括自下而上和自上而下两种方法。两种方法可以交替应用。由于六面体(四边形单元的计算精度较四面体(三角形单元高,在剖分有限元网格时应尽可能采用六面体(四边形单元。构建六面体单元网格有映

6、射(Mapping 、Sweeping (扫描、拉延(Extruding 等主要技术。在建模和剖分前,需经过周密策划,才能够获得较好有限元网格。如图 2.1所示支撑座,几何尺寸已标注在图中。本实验要求应用ANSYS 自上向下的几何模型创建方法,创建该支撑座的几何模型并完成块体单元有限元网格的剖分工作。实验的要点是,在创建几何模型和剖分有限元网格之前,经过周密的策划,尽可能利用映射和拉延等方法,剖分六面体单元网格。2.3 实验步骤1启动ANSYS ,其中Working Directory :E:stendent支撑座,Jobname :输入CounterboreBase Four 0.75D h

7、oles,Bracket1.0R, 0.1875 deep6 x 3 x 1Web, 0.15 thickAll dimensions in inches1.750.75 offset from cornerBushing, 0.85R 1.5R, 0.75 thick图 2.1 支撑座及其几何尺寸你的姓名的拼音和学号(考核的需要;2File/Change Title/输入你的姓名的拼音(考核的需要;3Element Type/Add/Shell/Shell63,Add/Solid/Solid454因结构对称,仅创建右半边结构:aPreprocessor/Modeling/Create/i.A

8、reas/Rectangle By Dimensions: (0, 1, (1.5, 2.75ii.Areas/Circle/Solid Circle: (0, 2.75, r=1.5bPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Add Areas: Pick allc公用菜单/PlotCtrls/Numbering/打开面号dPreprocessor/Modeling/Create/i.Areas/Circle/Solid Circle: (0, 2.75, r=1.0ii.Areas/Circle/Solid Circle: (0, 2.75, r=0.8

9、5ePreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Partition Areas: Pick allfPreprocessor/Modeling/Delete Area and Below: Pick the central solid circle (Area No.2g公用菜单/Workplane/Offset WP By Increments/绕y轴正向旋转90°hPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Divide Area By Workplane: Pick alliPreprocessor/Model

10、ing/Delete Area and Below: Pick the left Areas (Area No. 2 and 3j公用菜单/Workplane/Offset WP By Increments/绕y轴负向旋转90°kPreprocessor/Modeling/Create/Areas/Rectangle By Dimensions: (1.5-0.15, 1, (1.5,2.75lPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Overlap Areas: 相互重叠的两个面(Area No.2 and 6mSave DB nPreproce

11、ssor/Meshing/Meshtooli.Set Element Attribute/Element Type=1 Shell63ii.Size Controls/Set Global Size=0.075iii.Mesh Areas: Pick AlloPreprocessor/Modeling/Operate/Extrude/i.Elem Ext Opts: Element Type No. =2 Solid45, Element size options for extrusion/No. Elem divs=8ii.Areas By XYZ offset: Pick All, Dz

12、=0.75-0.1875p模型控制工具条/Isometric View(右边第一个按钮 qPreprocessor/Modeling/Operate/Extrude/i.Elem Ext Opts: Element Type No. =2 Solid45, Element size options for extrusion/No. Elem divs=3ii.公用菜单/Plot Areasiii.Areas By XYZ offset: Pick Areas 11 and 16, Dz=0.1875r公用菜单/PlotCtrls/Numbering/打开Keypoint号,公用菜单/Plot

13、 Liness公用菜单/ Workplane/Align WP with Keypoints: Pick KP 1, 36, 9 tPreprocessor/Modeling/Create/i.Areas/Rectangle By Dimensions: (0, 0, (3, 3ii.Areas/Circle/Solid Circle: (0.75, 3-0.75, r=0.75/2iii.Areas/Circle/Solid Circle: (3-0.75, 3-0.75, r=0.75/2uPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Subtract Ar

14、eas: Area 35减去Areas 36 and 37 vPreprocessor/Modeling/Create/V olume/Block By 2 corners & z: (0.75, 1.5-0.15, Width=1.75, Height=0.15, depth=1.75w公用菜单/Plot Linesx公用菜单/ Workplane/Align WP with Keypoints: Pick KP 29, 30, 51 yPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Divide V olu By Workplane: Pick V o

15、lume No.6zPreprocessor/Modeling/Delete V olume and Below: Pick the left V olume (V olume No.8 aaPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Glue V olume: Pick V olumes No,.7 and 4bbPreprocessor/Meshing/Meshtooli.Set Element Attribute/Element Type=2 Solid45ii.Mesh V olumes: Shape=Hex, Mapped, Mesh V olume

16、 No. 6ccPreprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Overlap Areas: 底座高度相互重叠的面(Areas No. 12, 21, 23, 34, 39 and 38ddPreprocessor/Meshing/Meshtooli.Set Element Attribute/Element Type=1 Shell63ii.Mesh Areas: Shape=Quad, Free, Mesh Area No. 35eePreprocessor/Modeling/Operate/Extrude/i.Elem Ext Opts: Element T

17、ype No. =2 Solid45, Element size options for extrusion/No. Elem divs=6ii.Areas By XYZ offset: Pick Areas No. 12, 21, 23, 34, 39 and 35, Dy=-1ffSave DB ggPreprocessor/Meshing/Meshtool/Mesh Areas/Clear: Pick All hhSave DB2.4 实验考核要求提交ANSYS的db和log文件。图 3.2 连杆的几何模型 §3 结构的有限元分析实验3.1 实验目的结构分析是有限元法的基本应用

18、。通过结构分析,工程技术人员可以了解结构物在一定的荷载工况下的力学响应和行为,是进行结构强度和刚度验证、进行其他结构安全性评价的基础。本实验的目的是:使学生了解并掌握应用ANSYS 软件进行结构分析的基本方法和操作程序;使学生能够在教师的指导下独立完成三维结构的有限元分析工作。3.2 实验内容在结构分析前,许多结构物的几何模型都已经通过其他CAD 软件建成。利用已有的CAD 几何模型可以节省大量的几何建模时间。由于CAD 软件建造的几何模型通常包含过细的细节(如小孔、小槽等,有时还会缺失部分几何信息,将CAD 几何模型导入ANSYS 中,通常会需要进行几何模型的修正或修复。 本实验将对如图 3

19、.2所示的连杆进行结构静力分析。连杆的材料为A3钢,其弹性模量为210GPa ,泊松比为0.3,许用应力为160MPa 。连杆结构的几何模型已由其他CAD 软件创建,文件格式为IGES 。如所图3.1示,IGES 模型缺失了半径为6.35mm 的三个倒角。由于结构和荷载、约束均对称,固采用半模型进行分析。荷载和约束如图 3.3所示。 图 3.1 缺失倒角的连杆实验的要点包括建模中的倒角、剖网中的扫描(Sweeping 、施加荷载和约束、求解以及后处理中的图示和图形输出。3.3 实验步骤1 创建文件夹E:stendent连杆,将文件Connecting Rod.IGES 传入该文件夹; 2 启动

20、ANSYS ,其中Working Directory :E:stendent连杆,Jobname :输入你的姓名的拼音和学号(考核的需要;3 File/Change Title/输入你的姓名的拼音(考核的需要; 4 File/Import/IGES/ok/Browser File :Connecting Rod.IGES ;5 将工作平面绕X 轴正向旋转90°用工作平面将连杆一分为二,将下半部分删除;6 创建倒角曲面,并创建相关的曲面,用这些新建曲面围成倒角体积; 7 利用Boolean 运算将倒角与原连杆合并;8 利用Boolean 运算将倒角与原连杆的前后表面分别合并; 9 将工

21、作沿X 正向平移165.1mm ,并绕Y 轴正向旋转135°用工作平面将小环内表面一分为二;对称边界条件压力68.95MPa图 3.3 连杆的荷载与约束条件 10选择适当的单元,输入材料性质;11利用Meshtool的扫描(Sweeping功能将半个连杆剖分为六面体网格,其中单元尺寸约为2mm;12依图 3.3所示施加荷载和约束,利用公共菜单/PlotCtrls/Symbols将SurfaceLoad Symbols中外加压力的图示由Face Outlines改变为Arrows,并检查压力的方向是否正确;13求解;14进入后处理,图示计算结果,并输出图片;15撰写计算分析报告。3.4

22、 实验考核要求独立撰写、完成结构的计算分析报告并提交计算分析的db和log文件。该报告应包括:z问题的来源;z有限元模型概述(材料参数,××单元××个,××单元××个,总计××个,节点××个;z问题的荷载工况;z各荷载工况的计算结果(最大应力、高应力区,变形等图示;z结论;等主要内容。§4 结构的热-力耦合有限元分析实验4.1 实验目的结构的热-力耦合分析是分析受热机械部件(结构在热、力荷载的的耦合作用下的热、力学行为。是分析、计算受热机械部件(结构强度和刚度的重要

23、手段。通常的结构热-力耦合分析采用间接耦合方法,即将整个耦合分析分为热分析和结构分析两个步骤进行,其中的热分析为结构分析提供热荷载。本实验的目的是使学生能够在教师的指导下独立完成简单机械部件的热-力耦合分析。4.2 实验内容带散热片的圆管,截面形状及其几何尺寸如图 4.1所示。材料为304无应变钢,弹性模量为193GPa ,泊松比为0.29,热膨胀系数为1.78×10-5/°C ,热传导系数为16.3W/m/°C 。热学边界条件如图 4.2所示,力学边界条件如图 4.3所示。 内压6.895M P a对称对称参考温度 25°C内部对流 f =824.2W

24、 /m 2/°C T =232.2°C外部对流f=203.1 W/m 2/°C T=21.1°C外部对流f =203.1 W /m 2/°C T =21.1°C对称对称图 4.1 带散热片圆管的截面及其几何尺寸(mm 实验计算分析共由两个步骤组成,首先执行热传导分析,其节点自由度是节点温度;其次执行结构分析。热分析的节结构分析共包含两个荷载步:(1 由单纯热荷载作用导致的力学行为;(2 由热荷载和内压组成的荷载作用导致的力学行为。实验共包括轴对称分析、热分析边界条件的施加、单元的转换、结构热荷载导入、荷载步、后处理中的对称性扩展等要点

25、。4.3 实验步骤1启动ANSYS,其中Working Directory:E:stendent热力耦合,Jobname:输入你的姓名的拼音和学号(考核的需要;2File/Change Title/输入你的姓名的拼音(考核的需要;3建立几何模型;4输入材料性质;5热传导分析a选定热分析单元,在option选项中指定轴对称分析,剖分网格;b施加热分析的边界条件;c输出(Load Step Opts/Write LS作为荷载步1;d求解;e进入后处理检查热分析的结果是否合理;6结构分析a利用Element Type中的转换单元类型功能将热分析单元转换为对应的结构分析单元,在option选项中检查并

26、指定轴对称分析;b删除所有热分析的边界条件;c设置参考温度;d施加位移约束条件;e定义第一荷载步i.由热分析的结果文件(.rth导入结构的温度分布;ii.输出(Load Step Opts/Write LS作为荷载步2;f定义第二荷载步i.施加内压,利用公共菜单/PlotCtrls/Symbols将Surface Load Symbols中外加压力的图示由Face Outlines改变为Arrows,并检查压力的方向是否正确;ii.输出(Load Step Opts/Write LS作为荷载步3;g求解荷载步2和3(Solve/From LS Files;7进入后处理,逐个荷载步处理(列表、图

27、示计算结果,并输出相关图片a图示各物理量在截面上的分布;b利用PlotCtrls/Style/Symmetry Expansion中的对称扩展功能,扩展1/4和100%模型的计算结果;8撰写计算分析报告。4.4 实验考核要求独立撰写、完成结构计算分析报告并提交计算分析的db和log文件。该报告应包括:z问题的来源;z有限元模型概述(材料参数,××单元××个,××单元××个,总计××个,节点××个;z问题的荷载工况;z各荷载工况的计算结果(最大应力、高应力区,变形等图示;z结论。等主要内容。§5 薄壁结构的有限元分析实验 5.1 实验目的 薄壁结构是工程应用中广泛采用的结构形式，在铁路机车和车辆、汽车以及 建筑工程结构中应用十分普遍。其结构形式可采用膜、板、壳等力学模型进行模 拟。本实验的目的是使学生在教师的指导下初步了解并掌握板、壳等薄壁结构的 有限元分析。 5.2 实验内容 如图所示壳体结构是球壳的 1/8 结构。球壳的弹性模量为 1×107psi（英制压 力单位） 泊松比为 0.0， ， 中面半径为 4 英寸， 厚度为 0.1 英寸。 该球壳承受 500psi 内压，并在其水平的赤道