计算机辅助工程及案例分析实验内容与实验报告范例

实验一：平面刚架结构的静力分析图1所示为一个建筑平面刚架结构，由立柱和水平梁组成。立柱的底部与地面固结。立柱的材料为Q345，水平梁的材料也是Q345，考虑到水平梁通过楼板与立柱相连，水平梁的刚性大大高于立柱（可以通过增大水平梁的弹性模量1000倍来模拟其刚性比立柱大的情况）。现设在如图1（a）所示部位施加一个幅值为100mm变化幅值曲线如图1(b)所示的变幅载荷，按理想塑性材料考虑屈服后的材料行为。试对该结构进行静力仿真分析，对仿真结果进行分析，并绘制加载点的载荷-位移滞回曲线。图1（a）平面刚架的几何结构与加载部位图1（b）平面刚架所受位移载荷的幅值曲线图1平面刚架的静力分析实验二：结构的动力分析图1所示结构为自调螺栓式转炉的球铰式支撑装置的主要部件图。该球铰式支撑装置由支柱螺栓、耳座和销轴组成，其结构分别见图2～图4。耳座的地面焊接在转炉托圈上，视为固结。分别按两耳座与销轴采用绑定约束（Tie）、销轴与支柱螺栓面-面接触（surfacetosurfacecontact）和销轴与耳座及支柱螺栓不建立任何相互作用关系两种情况进行模态分析，取前20阶特征频率。比较两种模型的仿真结果，并分析产生差异的原因。图1转炉球铰支撑装置装配图图2销轴结构图图3支柱螺栓结构图图4耳座结构图实验三：瞬态传热分析图1所示钢制零件的初始温度500℃，置入恒温为50℃的油池内淬火，其换热系数为530W/m2.K,钢的比热容为460J/kg.K,密度7850kg/m3，导热系数为35W/m.K，计算5min后零件的温度分布。图1

实验报告范例（书写内容与格式）带孔平板结构的静力分析1仿真问题描述图3-1所示为一个带孔的平面大板，两侧受均布拉力作用，板的材料为Q345，板厚1mm，试利用结构的对称性简化该结构，对其进行静力分析，分析计算结果，分别画出应力沿孔边路径的变化曲线和应力沿X=0对称轴的变化曲线，并计算应力集中系数。图3-1带孔平板的静力分析2模型简化从图3-1可以看出，该平板长度尺寸与宽度尺寸为600mm，厚度仅为1mm，平板长宽尺寸远远大于厚度方向的尺寸，而所受的均布载荷属面内载荷，因此属于平面应力问题。同时，结构与载荷均关于X轴（水平中心轴）和Y轴（垂直中心轴）对称，故其应力与变形也必关于X轴与Y轴对称。利用对称性，可以取结构的1/4进行分析，如图3-2所示。图3-2利用对称性对计算模型进行简化3材料的机械性能平板的材料为Q345，查机械设计手册[1],其机械性能为：材料密度：弹性模量：泊松比：屈服极限：4建模采用的坐标系与单位制以平板中心孔的圆心为原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，作为本模型建模的直角坐标系。单位制采用ton-mm-s制，则分析结果的应力单位为MPa，变形的单位为mm。5建模过程5.1几何建模进入part模块，点击CreatPart图标，在弹出的CreatPart对话框中，Name输入Plate，ModelingSpace选2DPlanar,Type选Deformable，BaseFeature选Shell，ApproximateSize取1000，点击continue…进入草图绘制，如图3-3所示。在草图绘制模块，按图3-4所示尺寸绘制带孔平板1/4模型的草图。退出草图，返回part模块，绘制的plate部件如图3-5所示。至此，几何建模完成。图3-3图3-4图3-55.2赋材料属性在ABAQUS中，材料性能附着在截面上，将带有材料性能的截面赋予分析对象（part，cell），就使该对象具有了材料属性。进入property模块，建立一个名为steel的材料，在creatematerial对话框中，输入density：7.8e-9，Elestic输入弹性模量E=2.1e5MPa,,如图3-6所示。图3-6建立名为section-plate的solid截面，选Homogeneous（各向同性），截面的材料选刚建立的steel，勾选Planestress/strainthickness输入板厚1。如图3-7所示。图3-7将刚建立的截面section-plate赋给部件plate，使plate具有材料属性，其颜色将变成绿色。如图3-8所示。图3-8至此，对平板赋予了材料属性。5.3装配Abaqus是以装配体为对象进行分析的，即使模型中只有一个零件，也需要将其装配。进入assembly模块，将部件plate作为非独立实体（department）放入装配体。如图3-9所示。装配体建立后，模型呈蓝色，如图3-10所示。图3-9图3-105.4建立分析步进入step模块，建立名为step-static的分析步，Proceduretype选General，Static，General，单击Continue…进入step参数设置，参数设置选默认值不变。如图3-11所示。图3-115.5施加约束与载荷按对称性取平板1/4建模后，计算模型的约束与载荷如图3-2所示。进入load模块，单击图标建立约束，在X=0的边界建立关于X轴的对称约束BC-1，在Y=0的边界建立关于Y轴的对称约束BC-2，约束可以建立在intial分析步，也可以建立在step-static分析步。（两者的区别是，在initial分析步，只能建立0约束边界条件，用户自己建立的其它分析步可以建立0约束边界条件，也可以建立非0约束边界条件）。加BC-1边界条件的过程见图3-12和图3-13。两个对称边界约束施加完成后的模型间图3-14。图3-12图3-13图3-14在load模块，点击图标，调出Createload对话框，Name取load-1，step：下拉表框选刚建立的step-static，表明将要建立的载荷在step-static分析步中建立。Category选Mechanical，TypesforSelectedStep选Pressure，表示施加均布压力。压力的正方向与表面（边）法向方向相反。实体表面的法线方向向外，平面边的法向也是向外的。图3-2所示平板受均布拉力作用，故施加Pressure时要加负压力。施加板边均布载荷的过程见图3-15和图3-16。施加均布载荷后，模型见图3-17。图3-15图3-16图3-175.6划分网格进入mesh模块，对模型进行网格划分。点击，设定网格划分控制策略。网格划分主要有free、structure、sweep方式。粉红色对应采用free网格划分方式，绿色对应采用structure方式，黄色对应采用sweep方式。Structure划分出的网格质量往往较高，但只有简单结构可以采用structure网格划分方式。复杂结构通过剖分，将一个复杂结构分解成多个简单结构的组合从而可以利用structure技术。过于复杂的结构无法通过剖切生成简单结构的组合，则只能采用自由网格划分。对于本实验的结构，可以将ElementShape设定为Quad（四边形，计算精度较高），采用free划分网格时，有Madialaxis算法和AdvancingFront算法。本实验先选择free划分4边形单元，AdvancingFront算法。如图3-18所示。图3-18通过点取菜单，确定单元网格类型。按图3-19，选定单元类型为CPS4(4节点完全积分平面应力单元)。图3-19点击，对部件撒全局种子。本实验按单元尺寸20mm撒全局种子。如图3-20所示。图3-20采用free网格划分，advancingfront算法，划分的网格如图3-21所示。图3-21孔边肯定存在应力集中。为了更好地反映孔边的应力变化，孔边的单元应该细化。在mesh模块，点击，通过绘制草图来分割面，进入草图模块，绘制与孔同心的同心圆，如图3-22所示。注意绘制圆时，鼠标最好指在圆的4个象限上，以避免在分割圆弧上出现分断点，影响后续网格划分。图3-22退出草图环境，平板被分割成图3-23所示。图3-23点击，将平板分割后的同心圆部分指定采用structural网格划分方式。剩余部分采用free网格划分方式，Madialaxis算法。设置全局种子，单元尺寸采用30mm。点击，对孔边圆弧边指定种子，圆弧线上采用14等分，圆弧相邻边采用6等分，点击对平板部件进行网格划分，划分的网格见图3-24。图3-24至此，CAE模型建立完成。6建立作业，提交分析进入job模块，点击，建立作业，取名job-plate。设置作业的参数。打开jobmanager，点击submit提交作业，进行仿真分析。7仿真结果与分析在jobmanager，点击Results，进入Visualization模块。单击，显示平板的应力场分布云图，其Mises应力分布云图如图3-25所示。图3-25其的应力分布云图如图3-26所示。图3-26为了分析计算结果在路径上的分布情况，在visualization模块，如图3-27从主菜单Tools下拉Path->Create…,建立2个路径。图3-27为了便于选取节点构建path，在visualization模块，单击，仅显示平板的网格图。通过createpath，建立path-1，path-2，path-1为孔边节点构建的path，path-2为X=0对称面上的节点构建的path。如图3-28和图3-29所示。图3-28图3-29在Visualization模块，单击，在弹出的CreateXYData对话框中，选path，如图3-30所示，单击Continue…图3-30在弹出的XYDatafromPath对话框，先后选Path-1，Path-2，单击FieldOutput，从FieldOutput对话框中选择欲绘制XY曲线的场变量Mises或S11，单击OK，回到XYDatafromPath对话框，再单击Plot,绘制相应场变量XY曲线。如图3-31～图3-36所示。图3-31图3-32图3-33孔边路径（path-1）的Mises应力分布曲线图3-34X=0对称面路径(path-2)的Mises应力分布曲线图3-35孔边路径（path-1）的σ11应力分布曲线图3-36X=0对称面路径(path-2)的σ11应力分布曲线从图3-25可以看出，孔边最大等效应力为266.1MPa，由图3-26可知，其X方向的应力σ11的最大值为273.8MPa，均小于Q345材料的屈服应力σs=345MPa，说明在该均布外载荷作用下，带孔平板仍处于弹性变形范围内。从图3-34和图3-36可以看出，无论是Mises应力，还是σ11，其沿X=0对称轴的大小均在孔边最大，随着距孔边距离增加，其应力水平急剧降低，说明由于孔的存在，孔边应力存在应力集中现象。远离孔边的平均应力约为σ11m=100MPa，则按σ11计算的孔边应力集中系数为注1：为了同学们熟悉操作过程，我在示范实验报告中将操作过程截图比较详细，实验报告有关操作过程的截图如对话框中的选项截图可以不用插入报告中，但