有限元分析实验报告

有限元分析实验报告一、实验根本要求根据实验指导书的要求能够独立的使用ANSYS软件操作并在计算机上运行，学会判断结果及结构的分析，学会建立机械优化设计的数学模型，合理选用优化方法，独立的解决机械优化设计的实际问题。二、实验目的加深对机械优化设计方法的理解掌握几种常用的最优化设计方法能够熟练使用ANSYS软件操作，培养学生解决案例的能力培养学生灵活运用优化设计方法解决机械工程中的具体实例三、实验软件及设备计算机一台、一种应用软件如ANSYS四、实验内容实验报告例题实训1——衍架的结构静力分析图2-2所示为由9个杆件组成的衍架结构，两端分别在1，4点用铰链支承，3点受到一个方向向下的力Fy,衍架的尺寸已在图中标出，单位：m。试计算各杆件的受力。图2-2衍架结构简图图2-2衍架结构简图 弹性模量〔也称扬式模量〕E=206GPa；泊松比μ=0.3； 作用力Fy=-1000N；杆件的横截面积A=0.125m2ANSYS8.0的启动与设置图2-4Preference参数设置对话框1． 启动。点击：开始>所有程序>ANSYS8.0>ANSYS，即可进入ANSYS图形用户主界面。图2-4Preference参数设置对话框2． 功能设置。电击主菜单中的“Preference”菜单，弹出“参数设置”对话框，选中“Structural”复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2-4所示。本步骤的目的是为了仅使用该软件的结构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。3． 系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS，SI”，然后回车即可。〔注：SI表示国际公制单位〕二单元类型，几何特性及材料特性定义1．定义单元类型。2．定义几何特性。3．定义材料特性。三衍架分析模型的建立1． 生成节点。图2-2所示衍架中共有6个节点，其坐标根据条件容易求出如下：1〔0，0，0〕，2〔1，0，0〕，3〔2，0，0〕，4〔3，0，0〕，5〔1，1，0〕，6〔2，1，0〕。2．生成单元格。四、施加载荷1．施加位移约束。2．施加集中力载荷。图2-14生成单元显示图2-14生成单元显示五、开始求解图2-17求解对话框点击主菜单中的“Solution>Solve>CurrentLS”,弹出对话框〔图2-17〕，点击“OK”按钮，开始进行分析求解。分析完成后，又弹出一信息窗口〔图2-18〕提示用户已完成求解，点击“Close”按钮关闭对话框即可。至于在求解时产生的STATUSCommand窗口，点击“File>Close”关闭即可。图2-17求解对话框六、分析结果显示图2-19显示变形图设置图2-3用户主界面1．显示变形图。点击主菜单中的“GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape”,弹出对话框如图2-19所示。选中“Def+undeformed”选项，并点击“OK”按钮，即可显示本实训桁架结构变形前后的结果，如图2-20所示。图2-19显示变形图设置图2-3用户主界面图2-21变形动画参数设置图2-20用户主界面2显示变形动画。点击应用菜单〔UtilityMenu〕中的PlotCtrls>Animate>DeformedShape…,弹出对话框如图2-21所示。选中Def+undeformed”选项，并在“Timedelay”文本框中输入：0.1,然后点击“OK”按钮，即可显示本实训桁架结构的变性动画。由于集中力FY作用在3节点上，因此，3节点产生的位移最大。图2-22是动画片、显示桁架受力变形的过程，右边窗口是动画显示的控制窗口，可以暂停，也可以拖动显示进度条。图2-21变形动画参数设置图2-20用户主界面图2-23显示支反力参数设置对话框图2-22动画仿真控制对话框3．列举支反力计算结果。点击主菜单中的“GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu”，弹出对话框如图2-23所示。接受缺省设置，点击“OK”按钮关闭对话框，并弹出一列表窗口，显示了两铰链点〔1、4节点〕所受的支反力情况，如图2-24所示。图2-23显示支反力参数设置对话框图2-22动画仿真控制对话框4.列举各杆件的轴向力计算结果。点击主菜单中的“GeneralPostproc>ListResult>ElementSolution”，弹出对话框如图2-25所示，在中间列表框中移动滚动条至最后，选择“BySequencenum”选项，右上列表框中选择“SMISC”选项，右下文本框中输入“SMISC，1”，点击“OK”按钮关闭对话框，并弹出一列表窗口，显示了9个杆单元所受的轴向力，如图2-26所示，此外，还给出了最大、最小力及其图2-22动画仿真控制对话况框图2-22动画仿真控制对话况框图2-24显示支反力列表图2-24显示支反力列表实训2——三维实体结构的分析图2-28〔a〕所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸如图2-28〔b〕所示，其中，。试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的清况下对其进行结构静力分析。其他参数如下：弹性模量〔也称杨式模量〕E=206GPa；泊松比；材料密度；重力加速度；作用力Fy作用于梁的上外表沿长度方向中线处，为分布力，其大小Fy=-5000N一、ASSYS8.0的启动与设置二、单元类型、几何特性及材料特性定义图2-30材料特性对话框图2-29单元类型对话框1定义单元类型。图2-30材料特性对话框图2-29单元类型对话框图2-31材料特性参数对话框2．定义材料特性。点击主菜单中的“Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”，弹出窗口如图2-30所示，逐级双击右框中“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”前图标，弹出下一级对话框，在“弹性模量”〔EX〕文本框中输入：2.06e11，在“泊松比”〔PRXY〕文本框中输入：0.3，如图2-31所示，点击“OK”按钮，回到上一级对话框，然后，双击右框中的“Density”选项，在弹出对话框的“DENS”一栏中输入材料密度：7800，点击“OK”按钮关闭对话框。最后，点击图2-31所示窗口右上角“关闭”该窗口。图2-31材料特性参数对话框三、工字钢三维实体模型的建立1．生成关键点。图2-32节点生成参数输入对话框图2-32节点生成参数输入对话框图2-33生成直线显示2．生成直线。点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>StraightLine”，弹出关键点选择对话框，依次点选关键点1、2，点击“Apply”按钮，即可生成第一条直线。同理，分别点击2、3；3、4；4、5；5、6；6、7；7、8；8、9；9、10；10、11；11、12；12、1可生成其余11条直线。生成后的组成工字钢梁横截面的直线如图2-33所示。图2-33生成直线显示图2-34面选择对话框3．生成平面。点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines”，弹出“直线选择”对话框，依次点选1~12直线，点击“OK”按钮关闭对话框，即可生成工字钢的横截面。图2-34面选择对话框4．生成三维实体。点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>>Operate>Extrude>Areas>AlongNormal”，弹出平面选择对话框2-34，点选上一步骤生成的平面，点击“OK”按钮。之后弹出另一对话框2-35，在“DIST”一栏中输入：1〔工字钢梁的长度〕，其他保存缺省设置，点击OK按钮关闭对话框，即可生成工字钢梁的三维实体模型。如图2-36所示。图2-35平面拉伸成体的参数设置五、网络划分图2-35平面拉伸成体的参数设置图2-38划分网格后的工字钢梁模型图2-36工字钢梁三维实体模型1．设定单元大小。点击主菜单中的“Preprocessor>Meshing>MeshTool”,弹出对话框，在“SizeControl”标签中的Global一栏点击Set按钮，弹出“网格尺寸设置”对话框，在SIZE一栏中输入：0.02，其他保存缺省设置，点击OK按钮关闭对话框。图2-38划分网格后的工字钢梁模型图2-36工字钢梁三维实体模型2．接着上一步，在2-37的划分网格的对话框中，选中单项选择框“Hex”和“Sweep”，其他保存缺省设置，然后点击“Sweep”按钮，弹出体选择对话框，点选2-36中的工字钢梁实体，并点击OK按钮，即可完成对整个实体结构的网格划分，其结果如2-38所示。五、施加载荷1．施加位移约束。〔1〕选择施力节点。点击应用菜单中的“Select>Entities...”，弹出对话框如图2-73所示，在第一个列表框中选择“Nodes”选项，第二个列表框中选择“ByLocation”选项，选中“Zcoordinates”单项选择框，并在“Min,Max”参数的文本框中输入：0.5〔表示选择工字钢梁沿的中间横截面上的所有节点〕，其他参数保存缺省设置，点击“Apply”按钮完成选择。点击“Plot”按钮，在显示窗口上显示出工字钢梁中间横截面上的所有节点。然后，在图2-73所示对话框中选中“Zcoordinates”单项选择框，在“Min,Max”参数文本框中输入：0.2〔表示工字钢梁的上外表〕，选中“Reselect”〔表示在现有活动节点——即上述选择的中间横截面中，再选择y坐标等于0.2的节点为活动节点〕单项选择框，其他参数保存缺省设置〔参见图2-74〕，然后依次点击“Apply”和“Plot”按钮，即可在显示窗口上显示出工字钢梁上外表沿长度方向中线处的一组节点，这组节点即为施力节点。图2-37网格划分对话框〔2〕施加载荷。点击主菜单中的“Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnLoads”，弹出“节点选择”对话框〔图2-75〕，点击“PickAll”按钮，即可选中〔1〕中所选择的这组需要施力的节点，之后弹出另一个对话框，在该对话框中的“Directionofforce/mom”一项中选择：“FY,在Force/momentvalue”一项中输入：-5000〔注：负号表示力的方向与Y的方向相反〕，其他保存缺省装置，如图2-76所示，然后点击“OK”按钮关闭对话框，这样，通过在该组节点上施加与Y向相反的作用力，就可以模拟该实训中所要求的分布力Fy=-5000N。图2-37网格划分对话框图2-39节点选择〔3〕恢复选择所有节点。在求解之前必须选择所有已创立的对象为活动对象〔如点、线、面、体、单元等〕，否那么求解会出错。因此，点击应用菜单中的“Select>Everything”，即可完成该项工作。图2-39节点选择需要注意的是，此时显示窗口仅显示施力节点及作用力的方向箭头。假设要显示整个工字钢梁的网络模型，可点击应用菜单中的“Plot>Elements”即可。3．施加重力载荷。点击主菜单中的“Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity”,在弹出对话框的“ACELY”一栏中输入：9.8〔表示沿Y方向的重力加速度为9.8m/s，系统会自动利用密度等参数进行分析计算〕，其他保存缺省设置，点击“OK”关闭对话框。六、求解图2-40施加载荷时的参数设置点击主菜单中的“Solution>Solve>CurrentLS”，在弹出对话框中点击“OK”按钮，开始进行分析求解。分析完成后，又弹出一信息窗口提示用户已完成求解，点击“Close”按钮关闭对话框即可。至于在求解时产生的STATUSCommand窗口，点击“File>Close”关闭即可。图2-40施加载荷时的参数设置七、分析结果图2-33生成直线显示1．绘制节点位移云图。点击主菜单中的“GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu”，弹出对话框，选中右上列表框“Translation”栏中的“UY”选项，其他保存缺省设置。点击“OK”按钮，即可显示本实训工字钢梁各节点在重力和Fy作用下的位移云图，如图2-81所示。同理，通过在图2-80所示对话框中选择不同的选项，也可以绘制各节点的应力以及沿其他方向的云图。图2-33生成直线显示图2-41节点位移显示设置2．列举各节点的位移解。点击主菜单中的GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu”，弹出对话框如图2-41所示，全部保存缺省设置，点击