实验一-ANSYS软件环境

实验一ANSYS软件环境一、实验目的：熟悉ANSYS软件菜单、窗口等环境、软件分析功能及解题步骤。二、实验设备：微机〔P4配置〕，ANSYS软件〔教学版〕。三、实验内容：ANSYS软件功能、菜单、窗口及解题步骤介绍。四、实验步骤：1、ANSYS界面介绍：ANSYS软件功能非常强大，应用范围很广，并具有友好的图形用户界面〔GUI〕和优秀和程序架构。基于Motif标注的GUI主要由主窗口和输出窗口组成。随着版本的不断升级，ANSYS界面不断改良，不同版本间的界面存在着较大差异。下面介绍ANSYS7.0的用户界面。〔1〕主窗口ANSYS7.0的主窗口主要由以下5个局部组成。①Utility菜单这些菜单主要通过ANSYS的相关功能组件起作用，比方文件控制、参数选择、图像参数控制及参数输入等。②InputLine(InputWindow命令输入窗口)命令输入窗口〔也称为命令栏〕用于显示程序的提示信息并允许用户直接输入命令，简化分析过程。③工具栏〔Toolbar〕工具栏主要由按钮组成，这些按钮都是ANSYS中的常用命令。用户可以根据工作类型定义自己的工具栏以提高分析效率。④主菜单〔MainMenu〕主菜单包括了ANSYS最主要的功能，分为前处理器〔Preprocessor〕、求解器〔Solution〕、通用后处理器〔GeneralPostprocessor〕、设计优化器〔DesignOptimizer〕。展开主菜单可以看到非常多的树状建模命令，这也是ANSYS7.0版本和以前版本的一个显著差异。虽然菜单的外观改变了，但是菜单结构没有变化，这对ANSYS用户平滑升级非常有利。⑤图形窗口〔GraphicWindows〕图形窗口用于显示分析过程的图形，实现图形的选取。在这里可以看到实体建模各个过程的图形并可查看随后分析的结果。〔2〕输出窗口〔OutputWindows〕输出窗口用于显示程序的文本信息，即以简单表格形式显示过程数据等信息。通常，输出窗口被主窗口遮盖，当然，如果需要随时可以将输出窗口拖到前面。注意：应该在ANSYS分析的各个步骤中随时查看输出窗口中的信息，检验分析过程是否正确，以便及时调整。通过GUI可以方便地交互式访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，一步步地完成整个分析，很好地表达出ANSYS的易用性。同时，ANSYS软件也提供了完整的在线说明和帮助文件，以协助有经验的用户进行高级应用。在用户界面中，ANSYS软件提供了4种通用的命令输入方式：菜单、对话框、工具栏和直接输入命令。2、ANSYS分析过程：一个典型的ANSYS分析过程包含3个主要步骤，每个主要步骤及其子步骤如下：建立有限元模型在ANSYS中建立有限元模型的过程大致可分为以下3个主要步骤：建立或导入几何模型定义材料属性划分网格建立有限元模型施加载荷并求解在ANSYS中施加载荷及求解的过程大致可以分为以下3个主要步骤：定义约束施加载荷设置分析选项并求解查看分析结果在ANSYS中查看分析结果的过程大致可以分为以下2个主要步骤：查看分析结果检验分析结果〔验证结果是否正确〕ANSYS典型实例分析如下图，使用ANSYS分析平面带孔平板，分析在均布载荷作用下板内的应力分布。条件：F＝20N/mm，L＝200mm，b＝100mm，圆孔半径r＝20，圆心坐标为〔100，50〕，E＝200Gpa。板的左端固定。图1-2带孔平板模型1．问题描述难度级别：普通级别。所需时间：一个小时或者更多〔视ANSYS操作熟练程度而定〕。实例类型：ANSYS结构分析。分析类型：线性静力分析。单元类型：PLANE82ANSYS功能例如：实体建模包括根本的建模操作，布尔运算和网格细化；施加均布载荷；显示变形后形状和应力等值线图、单元信息列表；根本的结果验证技巧。ANSYS帮助文件：在ANSYSStructuralAnalysisGuide了解StructuralStaticAnalysis分析知识，在ANSYSElementsReference局部了解Plane82单元的详细资料。2．建立有限元模型1)．建立工作目录并添加标题以Interactive方式进入ANSYS，File菜单中设置工作文件名为Plane、标题为plane。2)．创立实体模型〔1〕创立矩形通过定义原点、板宽和板高定义矩形，其操作如下：GUI：PreProcessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By2Corners弹出Rectangleby2corners对话框〔如图1-3所示〕，如图填写。WPX和WPY表示左下角点坐标。命令：BLC4,0,0,200,100〔2〕生成圆面图1-图1-3生成矩形生成圆面得操作如下：图1-4图1-4生成圆弹出SolidCircularArea对话框〔如图1-4所示〕，依图输入圆面几何参数。命令：CYL4,100,50,20下面通过布尔“减〞操作生成圆孔，其操作如下：GUI：Processor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas先选择矩形面为BaseArea，单击OK按钮，然后选择圆，单击OK按钮。布尔操作完毕之后，实体模型为带孔平板。3)．定义材料属性材料属性是与几何模型无关的本构关系，如弹性模量、密度等。虽然材料属性不是与单元直接相联系在一起，但是由于计算单元矩阵时需要材料属性，ANSYS为了用户分析过程中定义材料属性方便，对每个单元类型进行了相应的分类。根据不同类型的应用，材料属性可以是线性或非线性的。与单元类型相似，材料也可以定义多个，系统自动根据材料定义的顺序编号。本问题只有一种材料，因此只需定义一种材料，而且只需定义弹性模量和泊松比，其操作如下：GUI：PreProcessor>MaterialProps>Materialmodels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic在弹出对话框中键入EX=200000〔单位Mpa〕，PRXY＝。4)．划分网格划分网格首先选择合理的单元类型，然后定义单元的实常数，最后根据分析问题的需要划分网格。〔1〕选择单元对于任何分析，必须在单元类型库中选择一种或者多种适宜的单元类型。单元类型决定了附加的自由度〔位移，转角、温度等〕。许多单元还需要设置一些单元选项，比方单元特性和假设。单元结果的打印输出选项等，对于本问题选择Plane82单元。选择单元得操作如下：GUI：PreProcessorMenu>ElementType>Add/Edit/Delete图1-5选择单元选择Plane82，弹出单元类型对话框〔如图1图1-5选择单元命令：ET，1，plane82〔2〕定义单元实常数有限单元的几何特性，不能仅用其节点的位置充分表达，这时需要提供一些实常数来补充几何参数。典型的实常数有壳单元的厚度，梁单元的横截面参数，板单元的厚度等。这些单元类型所需要的实常数以实数数值的形式输入。本问题所用单元类型为带厚度平面应力分析，因此分析类型设定为Planestrsw/thk类型，操作如下：GUI：PreProcessorMenu>ElementType>Add/Edit/Delete>Options在K3项后面下拉菜单中选“Planestrsw/thk“。命令：KEYOPT,1,3,3单元厚度为20mm，定义单元厚度操作如下：GUI：PreProcessorMenu>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add在弹出的对话框中THK后文本框中键入材料厚度值20。命令：R，1，20〔3〕设定网格尺寸这里让ANSYS知道需要划分多大网格。采用用户自定义网格尺寸参数，其操作如下：GUI：PreProcessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Areas>AllAreas在弹出ElementSizeonAllSelectedAreas对话框，在SIZE栏键入20mm。命令：AESIZE,ALL,20〔4〕划分网格让ANSYS知道网格大小后，现在划分网格，操作如下：GUI：Processor>Meshing>Mesh>Areas>Free>PickAll命令：AMESH,ALL〔5〕保存数据库GUI：UtilityMenu>File>Saveas...输入文件名为Mesh〔表示分析进度：已完成网格划分〕。3．施加载荷并求解在这里首先定义模型约束，然后施加载荷，最后求解，为后处理查看结果提供数据，具体操作步骤如下所示：1)．定义约束由得，需要固定〔Fix〕板左边线，即需要约束线上节点所有自由度〔AllDOFs〕，其操作如下：GUI：Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines弹出ApplyU，ROTonLines对话框。选择板左侧边线，在Lab2栏选AllDOF。单击Apply按钮。2)．施加载荷在板右侧边施加均布载荷，载荷大小为20/20＝1Mpa，施加载荷操作如下：GUI：Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines弹出ApplyPRESonLines对话框，键入载荷值-1〔由于载荷方向离开板，为拉力所以为负值，反之为正〕，单击OK按钮。3)．求解GUI：Solution>Solve>CurrentLS4．查看分析结果下面查看分析结果，对于静力分析主要是模型位移及等效应力等值线图或者节点结果数据列表。1)．显示模型变形图其操作如下：GUI：GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape2)．显示位移等值线分布图其操作如下：GUI：GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolution>DoFSolution>DisplacementVectorsum由图获知最大位移值。3)．显示等效应力等值线图其操作如下：GUI：GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu>Stress>VonMises由图发现最大应力出现在孔的上下顶点，与解析解吻合。4)．显示变形动画通过动画显示可以查看模型在载荷作用下的内力变化过程，以图形方式显示分析计算结果。其操作如下：UtilityMenu中PlotCtrls>Animate>DeformedResults5)．列表显示位移结果数据其操作如下：GUI：GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution查看左侧边上的节点位移是否为零〔由于边上所有节点已被固定，所以任意节点的位移均应该为零，这也是验证的一个方面〕。6)．列表显示节点应力值验证节点应力值是否合理，其操作如下：GUI：GeneralPostproc>ListResults>Stress>PrincipalsSPRIN列表显示分析结果与参考数据相吻合，说明ANSYS分析结果可靠。7)．列表显示反作用力值在任何方向上，反作用力总是等于此方向上的载荷总和。通过显示反作用力可以检验分析结果是否合理，其操作如下：GUI：GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolution实验二梁结构静力有限元分析一、实验目的：加深有限元理论关于网格划分概念、划分原那么等的理解。熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。能利用ANSYS软件对三维梁结构进行静力有限元分析。二、实验设备：微机〔P4配置〕，ANSYS软件〔教学版〕。三、实验内容：梁的截面形状为梯形截面，各个截面尺寸相同。两端受弯矩沿中性面发生弯曲，如图2-1所示。试利用ANSYS软件对此梯形截面梁进行静力学分析，以获得沿梁AA截面的应力分布情况。rrθAAMMAA-A截面图2-1梯形截面梁受弯矩弯曲模型图2-1梯形截面梁受弯矩弯曲模型四、实验步骤：1、分析问题：由于此问题不是轴对称的，梁上各点位移呈圆弧状，有弯曲半径和弯曲中心，所以采用三维实体单元要比采用轴对称单元好一些。其几何形状可以通过柱坐标建立。合理简化模型。由于梁弯曲局部的应力不随θ变化，所以可以适当简化模型，取图2-2所示的切片。AB和CD边夹角为5°。DB14mmDB14mmM/2M/2D,BM/2M/2D,BMM1＃面2＃面88mm1＃面2＃面88mmC,AC,ArcrcACr,u65mmACr,u65mmθ,γr,u对称面44mmθ,γr,u对称面44mm5°Z,w5°Z,w旋转轴旋转轴图2-2分析切片图2-2分析切片由于不知道切片两侧截面上轴向应力的分布情况，所以只能将弯矩M直接作用在简化模型上。在定义位移约束时仍认为切片两侧保持平面，切片两端只受纯弯矩载荷，即切片端面不受外力载荷。通过有限元分析可以得到受弯矩切片端面处的应力分布情况。因应力与所受弯矩呈线性关系，所以截面上的应力与切片两端面所受弯矩Mp紧密相关。当z值不变时，梁的截面上点A、B、C和D对称分布，所以，分析梁截面时只需取截面的一半。(2)描述模型的边界条件。任意节点处沿u〔径向〕、v〔环方向〕、w〔轴向〕的约束情况如表2-1所示。表2-1约束条件1＃面〔Face1〕2＃面〔Face2〕U=0〔节点A〕无V=0〔所有节点〕V=0.0001(rc-r)〔所有节点〕W=0〔沿AB边〕W=0〔沿CD边〕切片上所有节点均被约束。A节点处，u=0可阻止切片沿r方向做刚体运动；1＃面上所有节点v=0可防止1＃面做圆周运动，对于ABCD由w=0保证切片模型的对称性；2＃面上BC保证2＃面绕r=rc面转动时，2＃面保持平面。比例系数0.0001，这是随意取的，没有特别含义。开始时，不知道rc确实切值，由于rc对应的是纯弯矩，所以A节点处的反作用力Ra为零。假设开始时，rc=60mm或rc=70mm，那么两个rc值对应的Ra分别为2001N和357N。根据线性推断，当Ra=0时有rc=72.2mm。所以，在分析过程中，取rc=72.2mm〔为了分析过程简洁，所以在这里给出rc值，实际问题分析中，读者只能自己确定rc值〕。2、建立有限元模型：建立工作文件夹。在运行ANSYS之前，在默认工作目录下建立一个文件夹，名称为Cbeam，在随后的分析过程中所生成的所有文件都将保存在这个文件夹中。在启动ANSYS时，系统将工作目录指向Cbeam文件夹。输入Cbeam为初始文件名，使分析过程中生成的文件均以Cbeam为前缀。启动后，进入Referenc设置过滤为必要的菜单，操作如下：GUI:MainMenu>Preferences>Structural选择单元。由于采用柱坐标进行三维实体分析，所以选择的单元与前面不同，具体单元信息参考ANSYS帮助文件关于单元的说明。选择单元的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add>StructuralSolid>Brick8-node45然后关闭ElementTypes对话框和ElementType菜单。下面定义单元的实常数。定义实常数定义单元实常数的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add由于分析不需要定义实常数，因此可忽略提示，关闭RealConstants菜单。实常数定义完毕后，保存数据库。操作如下：GUI:Toolbar>SAVE_DB(4)定义材料属性定义弹性模量和泊松比，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>linear>Elastic>Isotropic在弹出的对话框中输入材料参数：杨氏模量：200e9(5)定义几何参数根据切片模型，首先定义切片顶点的8个关键点，然后通过关键点生成切片实体模型。在柱坐标系中生产所需关键点。由于4个关键点是模型图上的A、B、C、D，另外4个是有同样的r和θ但没有显示出来的z轴方向上的与前4个关键点对应的关键点。因此，需要通过模型几何参数创立。通过参数定义几何实体的操作如下：GUI:UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters在弹出的ScalarParameters对话框中输入下面参数〔每输入一个均需单击Accept按钮〕：R1=44e-3R2=R1+88e-3Z1=65e-3Z2=14e-3参数输入完毕后，单击Close按钮。〔6〕定义关键点由于几何模型将在柱坐标中创立，所以首先将坐标系转换到柱坐标，操作如下：GUI:UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical工作坐标转换完毕后，在柱坐标系中定义所需关键点，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS注意：当当前坐标系为柱坐标时，输入提示菜单中的X、Y和Z对应柱坐标的r、θ〔单位为度〕和Z。关键点坐标参数如下：1＃关键点X=R1，Y=90，Z=02＃关键点X=R1，Y=95，Z=03＃关键点X=R1，Y=95，Z=Z14＃关键点X=R1，Y=90，Z=Z15＃关键点X=R2，Y=90，Z=06＃关键点X=R2，Y=95，Z=07＃关键点X=R2，Y=95，Z=Z28＃关键点X=R2，Y=90，Z=Z2〔7〕生成切片模型采用等角视图，方便实体建模，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate>Iso通过Pan-Zoom-Rotate菜单可以调整视图角度来获得最正确视图。通过已定义的8个关键点生成实体模型：首先连接底部的关键点，然后连接顶部的关键点。上述操作均需在笛卡儿坐标系中进行。要创立切片实体模型，需要首先转换坐标系，操作如下：GUI:UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCartesian转换完后通过连接关键点而成的线为直线，即切片的边为直边。此处需要这些边为直边，而柱坐标系中生成的线却是曲线。通过关键点生成切片的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Arbitrary>ThroughKPs依生成关键点的顺序依次选择关键点。单击OK按钮，即可得到切片实体模型。〔8〕划分网格由于划分实体网格时需要根据具体的边、线进行调整，所以需要显示出边和线。另外，为了便于定义约束，需要显示线的序号并关闭背景。首先显示切片的边线，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Lines关闭背景〔否那么显示线时7＃和8＃关键点好似消失似的〕的操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Background>DisplayPictureBackground初始设置完毕后，准备划分网格，首先翻开网格划分工具〔MeshTool〕菜单，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>MeshTool通过MeshTool菜单控制网格参数、划分网格。由于只有一种单元和材料，所以在划分网格时，单元类型和参数需自动选定。为平安起见，可通过MeshTool菜单，确保在ElementAttribute下拉列表框中选择了Global选项。单击Set按钮可以看到在ElementAttribute菜单中完全正确的单元和材料参数已经选定。由于SOLID45单元没有设定实常数，所以该选项空白，然后单击Cancel按钮。为便于设置网格划分参数，可显示实体边线和关键点序号，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering将Keypointnumbers和Linenumbers设置翻开〔ON〕，单击OK按钮。显示实体线框的操作如下：GUI:UtilityMenu>List>Lines>OK①设定网格划分参数。从图2-3中可知，L7线从5＃关键点到1＃关键点，所以第一个分割出现在B点附近，最后一个分割出现在A点附近。因为希望沿径向网格密度递减，因此SpacingRatio值为0.3。依同样的方法设定L5、L9和L11的SpacingRatio值。图2-3图2-3模型线框图表2-2总结了每条线的分割数〔NDIV〕和SpacingRatio(SPACE)。表2-2网格参数设定直线序号NDIVSPACEL1，L3，L6，L1011L2，L4，L8，L1251L7，L9，L118L58下面介绍网格划分的详细操作。首先进入网格尺寸控制对话框，操作如下：GUI:MeshTool>SizeControls>Lines单击Set按钮，弹出选取对话框。设定L1、L3、L6和L10网格参数选择L1、L3、L6和L10，单击OK按钮。在No.ofelementdivisions文本框中输入“1〞，单击Apply按钮〔SpacingRatio文本框可以不填，系统默认为1〕。设定L2、L4、L8和L12网格参数选择L2、L4、L8和L12，单击OK按钮。在No.ofelementdivisions文本框中输入“5〞，单击Apply按钮。设定L7、L9、L11网格参数选择L7、L9、L11，单击OK按钮。在No.ofelementdivisions文本框中输入“8〞，在SpacingRatio文本框输入“〞，单击Apply按钮。设定L5网格参数选择L5，单击OK按钮。在No.ofelementdivisions文本框中输入“8〞，在SpacingRatio文本框输入“〞，单击OK按钮。②划分网格。这里采用六面体单元划分模型网格。在MeshTool菜单的Shape栏选择Hex选项。在MeshTool下拉列表框中确保选中Volumes，保证实体通过体单元划分。单击Mesh按钮后，单击拾取对话框中PickAll按钮。③查验网格是否符合要求。查验网格划分是否符合期望，为此，可从不同角度查看视图，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate查看模型网格划分情况是否满足要求。单击Iso按钮获取等视角视图，关闭Pan-Zoom-Rotate菜单。然后关闭MeshTool菜单。④保存数据库。GUI:Toolbar>SAVE_DB3、施加载荷并求解：此局部主要是定义模型约束，具体定义过程如下。〔1〕定义约束回忆1＃面边界条件：节点A〔1＃关键点〕：u=01＃面：v=0沿线AB〔L7〕：w=0这些边界条件均是在柱坐标系下的，要定义边界条件需要首先转换坐标系，操作如下：GUI:UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical在面上定义边界条件，所以显示实体的面，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Areas旋转节点坐标系ANSYS中的约束在节点坐标系中定义，节点坐标系平行于笛卡儿坐标系。因为需要在柱坐标系中定义约束，因此需要旋转节点坐标系。选择节点坐标系可借助nrotat命令。在Input窗口中输入：nrotat,all②定义A点〔1＃关键点〕约束通过节点定义约束，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes选择A处节点，单击OK按钮。在被约束自由度(DOFstobeconstrained)列表中选UY，位移值〔Displacementvalue〕保持空白〔系统默认位移值为零〕，单击OK按钮。这时在图形窗口中可看到A节点处出现箭头，表示此点已被约束，箭头表示被约束的方向。③定义1＃面约束首先选择1＃面上的节点。ANSYS提供了众多功能，比方SelectLogic(按照逻辑选择)，可以通过不同标准选择子集。这里通过SelectLogic选择1＃面上的节点。首先选择1＃面，逻辑选择1＃面上节点的操作如下：GUI:UtilityMenu>Select>Entities在顶部的下拉列表框中选择Areas，保证在其下的下拉列表框中选择了ByNum/Pick，然后单击Apply按钮。按住左键不放直到选定1＃面。单击对话框中的OK按钮。这时只有1＃面被选定，为了验证选定的是否是1＃面，可显示出面，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Areas下面选择此面上的所有节点。在SelectEntities〔实体选择〕对话框中，从顶部下拉列表框中选中Nodes(节点)并在其下面的下拉列表框中选择Attachedto选项，选择Areas,All单项选择按钮后单击Apply按钮。确保只有1＃面上的节点被选中，然后显示节点查验，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Nodes面上的约束只有通过节点定义。通过节点定义约束的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes在Pick对话框中单击PickAll按钮。在被约束自由度(DOFstobeconstrained)列表中选择UY选项，单击OK按钮。这时在图形窗口中显示出1＃面被施加了周向约束。④定义AB线约束首先显示实体线框图，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Lines定义约束之前，需要选中AB线上的节点。在选择实体〔SelectEntities〕对话框中，在顶部的下拉列表框中选择Lines并在其下面的下拉列表框中选择ByNum/Pick，单击Apply按钮。选择线AB〔L7〕后单击OK按钮。选择AB线上的节点。在选择实体对话框中，在顶部的下拉列表框中选择节点〔Nodes〕并在其下面的下拉列表框中选择Attachedto，选择其下面的Lines,All选项，然后单击Apply按钮。检查当前是否只有AB线上的节点被选中，显示节点的操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Nodes确认选择无误后，下面通过节点定义AB线的约束，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes单击PickAll按钮。在被约束自由度(DOFstobeconstrained)列表中选择UZ，然后单击OK按钮。⑤定义2＃面上的约束首先回忆2＃面的边界条件：2＃面上所有节点：v=0.0001(rc-r)5＃线：w=0由于v方向边界条件为空间函数，因此需要通过定义函数来定义约束。首先编辑函数，然后加载函数，最后在2＃面上定义函数边界。首先进入函数编辑器，操作如下：GUI:UtilityMenu>Parameters>Functions>Define/Edit通过上面的计算器按钮或键盘输入函数。函数变量为TIME，X，Y等，这些变量均可在Result栏中有效。输入空间坐标x和y，使用下拉菜单，输入下面的函数：Result=1e-4*(72.2e-3-sqrt({X}^2+{Y}^2))函数编辑完毕后保存，操作如下：GUI:FunctionEditor>File>Save取vface2.func为函数名，然后关闭函数编辑器。函数编辑完毕后，加载函数。由于ANSYS不允许用户在定义载荷时直接使用函数，所以需要通过一个FunctionLoader加载函数和载荷数据，即Table数组。Table数组可以添加到模型中，操作如下：GUI:UtilityMenu>Parameters>Functions>ReadFromFile选择vface2.func并单击OK按钮。在数组参数名(Tableparametername)文本框中输入“vface2〞，单击OK按钮。函数加载完毕后，定义2＃面上的约束，首先选择2＃面。此时需要去除前面所做的选择并显示实体面，操作如下：GUI:UtilityMenu>Select>EverythingUtilityMenu>Plot>Areas选择2＃面上节点的过程与选择1＃面上节点的过程类似，操作如下：GUI:UtilityMenu>Select>Entities在对话框顶部的下拉列表框中选择Areas并在其下面的下拉列表框中选择ByNum/Pick,然后单击OK按钮。按住鼠标左键不放直到选中2＃面。通过下面的操作验证所选中面是否为2＃面，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Areas选择2＃面上所有节点。在实体选择〔SelectEntities〕对话框中，从顶部的下拉列表框中选中Nodes并在其下面的下拉列表框中选择Attachedto，选择Areas，All单项选择按钮后单击Apply按钮。2＃面被选中后，下面定义面上的约束，即通过vface2数组定义2＃面上的约束，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes在Pick对话框中单击PickAll按钮。被约束自由度(DOFstobeconstrained)为UY，在Applyas下拉列表框中选择Existingtable。这里只有一个数组〔Vface2〕，系统已默认选定，单击OK按钮后在图形窗口中可以看到2＃面上出现小箭头，表示2＃面上的节点环向约束。⑥定义CD线上约束为了选择CD线，可显示实体线框图，操作如下：GUI:UtilityMenu>Plot>Lines在选择实体〔SelectEntities〕对话框中，从顶部的下拉列表框中选中Lines并在其下面的下拉列表框中选择ByNum/Pick，选择Lines，All选项，然后单击OK按钮。查验所需节点是否正确：GUI:UtilityMenu>Plot>Nodes确保选择准确无误后定义CD〔L5〕线上的节点约束。通过节点定义线的约束的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes在Pick对话框中单击PickAll按钮。被约束自由度(DOFstobeconstrained)取UZ，在Applyas下拉列表框中选择Constantvalue，然后单击OK按钮。接下来重新选定实体，显示体模型，操作如下：GUI:UtilityMenu>Select>EverythingUtilityMenu>Plot>Volumes⑦保存数据库GUI:Toolbar>SAVE_DB〔2〕施加载荷并求解首先进入求解器，操作如下：GUI:MainMenu>Solution求解之前检查输入是否正确。在输入窗口〔InputWindows〕中输入check。假设查看OutputWindows，可以看到下面的信息：Theanalysisdatawascheckedandnowarningsorerrorswerefound。确认分析设置准确无误后求解，操作如下：GUI:MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS查看/STATUSCommand窗口信息后关闭此窗口。单击SolveCurrentLoadStep对话框中单击OK按钮，关闭该对话框。4、查看分析结果：首先进入后处理器，操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPostproc静力分析的后处理大致相同，具体分析过程如下。查看等效应力首先显示等效应力等值线图，操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPostproc>Plotresults>ContourPlot>NodalSolu在左侧列表中选择Stress，在右侧列表中选择vonMisesSEQV，单击OK按钮。为了查看梁的横截面的应力分布，可显示结果右视图，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Pan-Zoom-Rotate>Right从右视图上得知，最大等效应力〔MaximumvonMises〕为147MPa，出现在对称线的底部。查看环向应力在ANSYS中，σθ表示柱坐标中的SY应力，所以要显示σθ，需要将当前坐标系转换到柱坐标。首先设置结果文件输出参数，以整体柱坐标系输出分析结果，操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPostproc>OptionsforOutp在结果坐标系〔ResultsCoordSystem〕列表中选择GlobalCylindric〔全局柱坐标系〕。然后显示1＃面上的σθ〔即环向应力〕应力分析等值线图，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate>RightMainMenu>GeneralPostproc>ContourPlot>Plotresults>NodalSolu在左侧列表中选择Stress，在右侧列表中选择Y-directionSY，单击OK按钮，得到环向应力等值线图。查看中性轴中性轴的位置就是σθ值为零的位置，通过查看梁的中性轴可以简单判断分析结果是否合理。为了单独显示中性轴，首先调整一下显示色彩，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Contours>UniformContours图2-4中性轴系统将弹出设置对话框，在Numberofcontours文本框中输入2，在等高线比例〔ContourIntervals〕选项组中选择用户自定义〔Userspecified〕，在最小等高线值〔Mincontourvalue〕文本框中输入“〞，在最大等高线值〔Maxcontourvalue〕文本框中输入“〞，在Contourvalueincr文本框中输入“〞，然后单击OK按钮。图2-4中性轴上述设置使应力为负和应力为正的区域以不同的色彩显示，即在0<σθ<200MPa区域显示红色，在-200MPa<σθ<0区域显示蓝色，这两种颜色的相交处为中性轴，如图2-4所示。有限元分析结果显示中性轴是弯曲的，这与《材料力学》中关于中性轴的假定相矛盾，考虑到经典理论与工程实际的差异，结果可以接受。查看径向应力柱坐标系中径向应力就是SX应力。首先显示径向应力分析结果，操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPostproc>Plotresults>NodalSolu在左侧列表中选择Stress，在右侧列表中选择X-directionSX，然后单击OK按钮。为了显示方便，将颜色设置恢复原样，操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Contours>UniformContours在Numberofcontours文本框中输入9，在ContourIntervals选项组中选择Autocalculated,单击OK按钮，即可得到径向应力等值线图，从中可发现整个截面上的径向应力均为拉应力。查看变形后图形显示变形后图形的操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape>Def+undeformed此时在图形窗口中显示出变形前后图形，从图中可知，最大位移DMX=0.230e-4m。查看变形过程动画查看三维切片在静力下的变形过程动画的操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>DeformedShape>Def+undeformed在动画控制器〔AnimationController〕中选择ForwardOnly。从截面的变形动画中可以看出，前面定义的边界条件〔节点A处u=0，沿AB边和CD边w=0〕是合理的。验证分析结果首先验证约束是否合理，是否满足约束。这局部已经在后处理局部得到验证。下面验证反作用力是否合理。首先列出反作用力，操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu在Itemtobelisted〔被显示工程〕列表中选择AllstrucforcF〔所有结构反作用力〕，然后单击OK按钮。由于模型没有直接承受外力，所以平衡方程中合力应该为零。径向力〔FX〕大小为4.6N，接近零。通过更加精确地选择rc可以将径向力变得更小。周向合力FY和轴向合力FZ也非常小，但不为零，具体原因是FX不为零，因此结构平衡方程是一个近似值。五、实验总结：建模：熟悉根本的建模操作，掌握布尔减操作；掌握如何通过SpaceRatio控制网格细化参数；掌握工作坐标系的转换方法，能够根据需要转动或者平移工作平面，了解节点坐标系的含义及其与整体坐标系的关系。施加载荷和求解：掌握通过函数定义模型边界条件的方法，能够根据不规那么边界定义相应的函数。查看分析结果：掌握显示变形图形和应力等值线图的操作，了解不同坐标系下同一个参量的不同表达方式，如在柱坐标中FY对应的是环向应力σθ，而在笛卡儿坐标系中那么是σy；能够通过动画显示参数的变化过程；掌握静力分析问题根本的验证技巧，知道如何通过的数据及常识进行简单的判断。实验三平面结构静力有限元分析一、实验目的：1、掌握ANSYS软件根本的几何形体构造方法、网格划分方法、边界条件施加方法及各种载荷施加方法。2、熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。3、能利用ANSYS软件对平面结构进行静力有限元分析。二、实验设备：微机〔P4配置〕，ANSYS软件〔教学版〕。三、实验内容：单位厚度的方板中间有一个圆孔〔如下图〕，平板所用材料的弹性模量为E=107Mpa，泊松比为0.3。沿圆孔边缘施加P=1Mpa的压力。分析方板的应力及位移。r=7mmr=7mma=10mma=10mm四、实验步骤：1、建立有限元模型。创立工作文件夹并添加标题；在ANSYS工作目录下创立一个文件夹，命名为plate，以便用这个文件夹保存分析过程中所生成的文件。选择Reference菜单，在弹出的对话框中选择结构分析〔Structural〕，取消选择与结构分析无关的选项。定义几何参数；为方便起见，以参数化的方式定义方板的1/4模型，即方板的半宽a，圆孔半径r，压力p，材料参数E和υ。操作GUI:UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters依次输入下面的参数：a=10e-3r=7e-3p=1e6E=1e13选择单元；首先进入单元类型库，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add在对话框左侧选择Solid选项，在右侧列表中选择Quad4node42选项，然后单击OK按钮。定义实常数；选定单元后，根据单元类型定义实常数，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add定义材料属性；定义材料属性〔弹性模量和泊松比〕的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic在弹性模量〔杨氏模量，Young’smodulusEX〕文本框中输入“E〞，在泊松比〔Poisson’sRatioPRXY〕文本框中输入“nu〞。创立实体模型；由于几何模型、材料参数和载荷均关于水平、竖直中心线对称，所以只需要建立方板的1/4模型即可。取坐标原点为圆孔中心，建立右上角的1/4模型。首先由半宽a生成板，然后减去半径为r的1/4圆。创立矩形〔1/4板〕通过长宽定义矩形，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions创立圆面〔1/4局部圆〕创立1/4局部圆，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>PartialAnnulus从方板中减去圆通过布尔操作实现面相减，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas设定网格尺寸并划分网格；单元及实体模型定义完毕后，划分网格。首先进入MeshTool对话框，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>MeshTool定义网格的单元属性设定网格尺寸通过设定SmartSize值，可让系统自动设定每个边的网格尺寸。划分模型网格保存数据库操作GUI:Toolbar>SAVE_DB2、施加载荷并求解。选择分析类型；选择分析类型为静力分析〔Static〕。定义约束；由于实体模型及载荷约束均对称，所以利用对称性定义约束。AN