平面类问题有限元分析

1、【问题描述】如图I所示的长方形板，板厚b=0.04m，孔半径r=0.2m。材 料弹性模量E=210GPa，泊松比U =0.3，约束条件为长方形底边 AB约束全 部自由度，CD边施加垂直向下的均布载荷 g=100000N/m。图I平板结构示意图【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，建立该零件的几何模型，进 行网格划分、施加边界条件以及静力有限元分析，最终得到长方形版位移 云图以及应力云图。分析系统选择（1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。在菜 单栏中找到Units下拉菜单，依次选择 UnitsMetric （kg,m,s, C，A，N,V ） 命

2、令。SaulKirResjteStatic Sbudurdl(2)在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中 双击“静力结构分析”【Static Structural】 系统，此时在右侧的“项目流 程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。相关界面如 图1所示。D&signAsEieasijeftElectricExp licit 0ynz micsFluid Flow - Blow Ma Idin 口 饵 ulyftoFluid Flow-Extj l SiOilfPoMIOw)Fluid Hdw(CFX)Fluid

3、Fl (Fluent)Fluid Flow Pclyflwi)HarmoriicR.espQnjeHy drodvnjmic Diffneticn Hydrodynamic Hr c RcsiMrseIC EngineLinear Buckl ingL near B uckling Smcef)ManttostdirModiModal(5an-icefRandom VibrfitianA.e5panstSpednjFFU* Ugn；80岂还西n静力分析系统Steady-St-ste HiermialSteady-State ThermalCsamcefThermabaectriLThrough

4、FlcmIron slent StructuralTransient Structural (rnoef)Tran s-ientTherrnaIransicrit Thtmal (Gaini：f)图1 Workbench中设置静力分析系统输入材料属性操作步骤如图2所示。（1 ）在右侧窗口的分析系统 A中双击工程材料【Engineering Data】单元 格，进入工程数据窗口。（2）在已有工程材料下方的单元格“点此添加新材料” 【Click here to add a new material】中输入新材料名称 rectangle。（3）在左侧工具箱下方双击“各项同性线弹性”选项： 【Line

5、ar Elastic】 【Isotropic Elasticity 】。（4） 在弹出的材料属性窗口中输入弹性模量以及泊松比的数值：【Young s Modulus 】=2e+11Pa,【Poisson s Ratio 】=0.3。（5）点击“项目”【Project】选项卡返回项目流程界面。AJ: Engineen ng DahaData ScLFi-rsE Physical PropertiesContents of BiobieainQ Data5-110.1Elm5ion5 Jobs史| 4n isotropic Elainiaiy曰 Hy p er elastic Biperi mer

6、its DdtdJniimalTHtDHtABie al Test DataShe-sr Test DataVol umftn cTes-t 占盘泪泪塔泪泪免泪泪翌泪汨挡法尝FUrTEngneenngSb u-ztii dietedUniEn *il CompressianTenMDDne-Rivli n 2 Perar 三 ter MDcney-Rivhn 3 Perar sier MDcney-Rivlin 5 Perar sbsr MDcnty-Rivlin 9 Perar ster Po no miia 13st Order Po lyna mi 12nd Order Pn lyn口

7、mia 13rd 0 rder YedH lit Order Yeoh 2nd Order YEoh 2rd Ordsr Ogden IrtOrder Oqden2nd Order2曰 囹 Isctropk BfEhdi-p-口3 qDerrygijoung!s Madu. 二 2E+HPmJjl5 6031.6667E+1LPa-17Shear ModuLif7.G923E+13Pa图2输入材料数据创建几何模型(1 )双击分析系统 A中的几何”【Geometry】单元格。在菜单栏中依次选择 UnitsMeter，确认以米”作为建模单位。之 后，单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏

8、中的“创建草图”选 项即由1选项以创建草图，此时【XYPlane】分支下出现了名为“ Sketch1 ” 的草绘平面。如图3所示。 nversicFile Create Concept T&ols Units View HelpGenerale 曰re TopolocTree OutlineI曰/里XYPlaneySfw ZXPlane，YZPlane，0 Part% 0 Bo-diesSlice早 Graphics图3创建草绘平面Details Viewsketching ModelingXYPlane未 Sk-etchlV 芒Thin/SurFaceB lend D Undo右键单击Ske

9、tch 1 ,在弹出的选项卡中选择“正视于”【Look at】选 项，即尊，切换视图以方便之后的建模。单击树形图下端的【Sketching】选项卡，打开草图绘制窗口。之后按照给定的模型在草绘平面上绘图：选取“矩形”【Rectangle】工具，即七二渣，图形区点击鼠标左键，拖放鼠标画出矩形。如图4所示。图4图形区绘制草图单击草图工具箱中的【Dimensions】菜单栏，之后在图形区的矩形的 边上拖放鼠标显示水平尺寸 H1以及垂直尺寸V2。之后在左下方的【Details View】中分别设置这些边的尺寸。如图5所示。图5尺寸参数设置回到草图工具箱的【Draw】菜单栏，利用“直线”【Line】工具以

10、 及“圆”【Circle】工具继续完成草图，相关步骤与本节(5)类似，在此 不再赘述。完成图如图6所示。图6完成的草图曰-jg如 Static Structurjl 白再XYPlane *5 Sketd 部 ZXPIane一书 yjrtaccSk.1图7面体创建步骤IDetul-G SmtaEeShlj JSrfacg-Fram Eketel-e-u1 EKtic.：ECancal |己per以值孔Add iMaunaLOnenltlhNezI?* OjIhcknew-Cyli-ta s View(8)点击工具栏中的【Generate】按钮，可以看到绘图窗口中的草图变成 了一个面，此时展开树形

11、图中的【1Part，1Body】就可以看见刚才选择创 建的面体【Surface Body】。如图8所示。图8创建完成的面体为将草图创建为面体，首先在菜单栏中找到概念模型【 Concept】菜 单，依次选择【Concept】 【Surfaces From Sketches】。之后在树形目录 中选择已生成的草图【Sketch 1】，再点击明细窗口中的【Base Objects】 中的【Apply】按钮，确认创建线体的草图，对长方形板的厚度的编辑， 在明细栏的【Thickness】中输入0.04m。如图7所示。Thiii声utfuh 臼1白福 T CkiAfriicT Trm Dudni!（9）这里

12、特别说明一下，在这里我们进行的是二维计算，生成的面体虽 然有厚度但是该厚度并不在模型中体现出来。（10）至此，建模步骤完成。3.网格划分（1）双击 Workbench界面中模型【Model】单元格，进入【Mechanical】 的静力分析模块。（2）为了给长方形板分配材料，在树形图中展开【 Geometry】，单击其 下的【Surface Body】，在明细栏窗口中的【Material】的【Assignment】 中选择已经设置好的材料【rectangle】。如图9所示。（3）在树形图中选择【Mesh】，此时活动工具栏变为了划分网格相关操 作。右键单击树形图中的【Mesh】，在【Insert】

13、选项中选择【Method】 以定义网格生成方式。（4）在菜单栏中选定【选择体】，即 Body按钮。然后单击选定视图栏中的模型。此时选定的模型变成绿色。在明细栏中【Geometry】后面选项中选择【Apply】，此时视图中选定的模型变为蓝色；在【 Method】后 选择【Quadrilateral Dominant】，将网格生成方式定义为四边形网格为主导的形式。如图10所示。OutlineFilter： Marne团心国Ml9-构厂 0 BodyFlSystems曰.韬 琶?kggllElgJSettings曰？由伽）f I Sdubon InformattenEMail，of SurfMe B

14、ody-Thernl Strain EffeclstcxxdM 眦彰SystmtxSlE CocrdiReference Temperature Ey Envirofwrwnt L Tliicknws4DG2 raSebahfiOr FlexibleTextThiclcnM-s Mod#Offset Type fehswicir-MiBtenaCMpnl n=r EffcWRefresh 5 Up.Midklltre Fl sjH一I 5钮，祀StriJ-ctufiilCA5) 力万:AnaJeiB Settings 百?画 Solution (AS ： n SQluUon 】11他5前31A

15、utomatic Method 2018/3/1 B 12:90剥 Project白虫| Model A4它,蜂 iSeometrySurfoce Bod/由, /束 Ccxircinate： Systems &Scope&cwing MethodGeometry SduE 版=JGeometr1 BodyDetails oF Automatic Method11 - Methodefnlti&rii/Suppiee-d街cMethod口utrilateral Daminant1Element Midade NodesUse Global SettingFrH& Face Mesh TypeQ

16、uad/Tri图10设置网格生成方式右键单击树形图中的【Mesh】，在【Insert】选项中选择【Sizing】 以定义网格尺寸大小。在菜单栏中选定【选择体】，即 后Body按钮。然 后单击选定视图栏中的模型。此时选定的模型变成绿色。在明细栏中【Geometry】后面选项中选择【Apply】，此时视图中选定的模型变为蓝色；在【Element Size】后输入网格尺寸大小，这里输入 0.03m。单击工具 栏上的【Update】即#叩血化，等待网格划分结束。如图11所示。生成的网格如图12所示，四边形网格作为主导，局部难以生成四面 体网格处以三角形网格代替。至此，网格划分步骤完成。岌 NqNo S

17、drction_E-cal Min SizeC*Fault(i9315e-0U2mD.35DD.700 (mJAs-aDCjfl&OnFilten NamrM) |豚国回 ProtectB- r-icndei(A4j日力明i GeDmehry;5ltFace Body申 p* Cowdharr svsjias白屉心i,、? /& Au9maJg*d- - /觑 Body 5irn|白-丁1白 Stge 5-mjctural (AS)割 Mm唳 SetthgEdw圈 SAlution (A6j-fVl Sohbon Irn-formabcnBehavmrCuralure rJormaJ Angi

18、e 留faultOutlineEcxly Sizing ZD1 0/3/1B 1 3:51 Body SizingDetails erf Body SizingScoping MethodSuppr-essedEmflnt 5IE-POJOQQ-SizingMe-s sages平Cerxnrtry 汩ectiGeometry%L F,、3*XRag: F*.；、*/Elemer: SumGrgh RatW典削It图11设置网格尺寸图12生成的四边形网格施加载荷、约束以及求解(1 )单击树形图中的【Static Structural】，进入静力分析环境。(2)施加边界条件，问题中的长方形板底边限

19、制全部自由度。依次选择 工具栏中的【Supports】 【Fixed Support】，之后选择【Edge】工具，即 匡1选项，在右侧图形区中选择长方形的底边，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选边。如图13所示。图13对底边添加约束(3)对问题中的长方形板的顶边施加均布载荷。依次选择工具栏中的【Loads】 【Line Pressure】选项，之后选择【Edge】工具，即!选项，在右侧图形区中选择长方形的顶边，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选边；在明细栏的【Define By】中选择【Components】， 由于这里均布载荷的方向

20、与Y轴正方向相反，因此在下方的【Y Component】后输入-100000N/m。如图14所示。| File Edit View Unks Tools Help | H 0 憔 ySolve EhoErro5 帽祺臭1 麻囚里j 肇妇管 * 晦茵住i归曜囊 应-1 5 *会向 徵回a玖掌呵孟I有Aswmbly CenterOutlinere: 1 je+005 N/m tx: Dlj=+nOD. N/m| | Line Presi/UCamponenFih:en NameUVireframe1=1 备Shew M&ih 未* Random Colors. Annotation Pyefer&

21、niA;就诚祉 racturalLine PressureTimet 1 a i 2fll9/a/lB14dO国A田珈mj心&室Model IM)日.曲 Gecmeir,|i:占 Kl Su-fflQ=日udy自CccrdnalE SgtenK0Vfe MednAutamabr Methcd,丫恩 Bcdv Stzrq B- -:：p-| Btabc Structural (AS)Mdyss Ecttng?Hated SMppwt电 LinePesscre日 或逾 Solution (Afi)-. ：|_f SohtJon nfurmalion| 新 咋 Reset xplEdc-F-acU

22、rA Shen# Vertices . Close Vertices 1 .&-M3 Kr 5或壬 .EnvironniEfir Inertial 虱.觑 5up|pnrts ConditicnE t Direct FE , Mass- Flow Rate 反T Fdessagn GraphOJOD mTabular Dffta0.35Q0H001.feSIWfry X.Pn K Prey iig w k REpO*t Pr四 E/J N/m ij*awed)GeomeEj3, Sriecbc J. 1V-Line Pressure foni pa refits tilabal Coordin

23、ate SystemI.zOO&Me o；rannpedl0 N/m anwd)NdDetails- of Li Pressure*E ScopeScoping MethodGeonwlry-瀚钿itimType Define BySupprrs&fdCoordinate- Syrt-emJ XComptxienl_l Z Commonenl Y Cornponenl图14添加均布载荷点击工具栏中【Solve】进行求解。至此，施加载荷及求解步骤完成。查看长方形板变形结果单击树形图中的【Solution】，进入求解结果环境。依次选择工具栏中的【Deformation】 【Total】选项，以查看长方形 板的整体变形，此时树形图中的【Solution】下出现了【Total Deformation】 分支。右键单击【Total Deformation】，选择【Evaluate All Results】选项得到长方形板的整体变