111ANSYS進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析.doc

經(jīng)典理論一、設(shè)計(jì)大綱概述1、設(shè)計(jì)目的（1）熟悉有限元分析的基本原理和基本方法；（2）掌握有限元軟件ANSYS的基本操作；（3）對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。2、設(shè)計(jì)原理利用ANSYS進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。3、設(shè)計(jì)儀器設(shè)備1）安裝windows 2000以上版本的微機(jī)；2）ANSYS 8.0以上版本軟件。4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1）熟悉ANSYS的界面和分析步驟；2）掌握ANSYS前處理方法，包括平面建模、單元設(shè)置、網(wǎng)格劃分和約束設(shè)置；3）掌握ANSYS求解和后處理的一般方法；4）實(shí)際應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。二、題目：如圖試樣期尺寸為100mm*5mm*5mm,下端固定，上端受拉力10000N作用。已知該試樣材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖所示。計(jì)算試樣的位移分布。三、分析步驟：分析：從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以看出該材料的屈服極限是225MPa左右，彈性部分曲線的斜率為常數(shù)75GPa。之后材料進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性的。估計(jì)本題應(yīng)力10000/（0.05*.005）=400MPa,因此材料屈服進(jìn)入塑性，必須考慮材料非線性影響。（1） 建立關(guān)鍵點(diǎn)。單擊菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS，建立兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（0，0，0）和（0，100，0）。（2） 建立直線。單擊菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesStaightLine,在關(guān)鍵點(diǎn)1、2之間建立直線。（3） 定義單元類(lèi)型。單擊菜單Main MenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete,定義單元StructuralLink2D spar1(LINK1)（4） 定義單元常數(shù)。單擊菜單Main MenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete,在彈出的Real Constants for LINK1對(duì)話框中，輸入如下的單元幾何參數(shù)：截面面積AREA=25 出始應(yīng)變=0（5） 定義材料屬性。1） 單擊菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic,在彈出的對(duì)話框中，輸入如下的材料屬性：楊氏模量EX=73e3 泊松比PRXY=.32） 單擊菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralNonlinearElasticMutilinear Elastic,彈出如圖所示的對(duì)話框。在STRAIN和STRESS域輸入如表所示的兩組數(shù)據(jù)。其表中的數(shù)據(jù)是從如圖所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中得來(lái)，中間點(diǎn)采用了線性插值的計(jì)算方法。輸入第一對(duì)數(shù)據(jù)后，單擊Add Point按鈕，可以輸入第二對(duì)數(shù)據(jù)。曲線點(diǎn)StrainStress10020.017530.00215040.00322550.00424060.00525070.02530080.0635590.1390100.15420110.2435120.25449130.2754503） 數(shù)據(jù)輸入完畢，在Mutilinear Elastic for Material Number 1對(duì)話框中單擊Graph按鈕，得到如圖所示的應(yīng)力-應(yīng)變圖形，這個(gè)圖形應(yīng)該和本例開(kāi)始給出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合。單擊OK按鈕確定輸入數(shù)據(jù)。4） 單擊菜單Utility MenuPlotReplot,重新繪制問(wèn)題的幾何模型。（6） 定義單元尺寸。單擊菜單Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeLinesAll Lines,指定單元邊長(zhǎng)5。（7） 劃分網(wǎng)絡(luò)。單擊菜單Main MenuPreprocessorMeshingMeshLines,在彈出的對(duì)話框中單擊Pick All按鈕。（8） 定義分析類(lèi)型。單擊菜單Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,選擇Static選項(xiàng)。（9） 設(shè)置解選項(xiàng)。單擊菜單Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Control,彈出如圖所示對(duì)話框。按照?qǐng)D中所示在Basic標(biāo)簽頁(yè)下做如下的設(shè)置：l 在Analysis Options域選擇Large Displacement Static選項(xiàng)。這樣ANSYS將考慮到大變形的效應(yīng)。l 在Time Control域的Automatic time stepping列表選擇On。Automatic time stepping將運(yùn)行ANSYS自動(dòng)決定將載荷步劃分成合適數(shù)目的子步。激活A(yù)utomatic time stepping選項(xiàng)同時(shí)也將降火二分法確保收斂功能。l 在Time Control域的Number of substeps文本框輸入子步數(shù)目20。這樣ANSYS計(jì)算的第一個(gè)子步載荷將是總載荷的1/20。因?yàn)楝F(xiàn)在將Automatic time stepping激活，所以剩余的子步步長(zhǎng)將由ANSYS根據(jù)前一個(gè)子步的計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整。l 在Time Control域的Max no of substeps文本框輸入最大子步數(shù)目1000。如果經(jīng)過(guò)1000個(gè)子步迭代，仍然得不到收斂的解，ANSYS將停止繼續(xù)求解。l 在Time Control域的Min no of substeps文本框輸入最小子步數(shù)目1。l 在Write Items to Results File域中選擇All solutions items選項(xiàng)，在Frequncy列表中選擇Write Every Substep選項(xiàng)，這樣可以保存每個(gè)子步的計(jì)算結(jié)果，便于作出系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線。 切換到Nonlinear標(biāo)簽頁(yè)，如圖所示，做以下設(shè)置。l 在Nonlinear Options域的Line search列表中選擇On選項(xiàng)。線性搜索可以加速牛頓-拉普森（NR）平衡迭代的收斂。l 在Equilibrium iterations域的Maximum number of iterations文本框中輸入最大迭代數(shù)1000。（10）施加位移約束。單擊菜單Main MenuSolutionDefine Loads ApplyStructuralDisplacementOn Keypoints固定關(guān)鍵點(diǎn)1。（11）施加載荷。Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/Moment On Keypoints，在關(guān)鍵點(diǎn)2施加集中力載荷FY=1000N。（12）求解。單擊菜單Main MenuSolutionSolveCurrent LS，圖形窗口將顯示非線性分析求解的收斂過(guò)程。（13）顯示單元的三維視圖。單擊菜單Utility MenuPlotCtrlsSrylrSize and Shape，彈出如圖所示對(duì)話框。選擇Display of element復(fù)選框，得到單元的三維視圖如圖所示。（14）繪制位移分布圖。單擊菜單Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsCoutour PlotNodal Solution，在彈出的對(duì)話框中選擇DOF solutionUY，得到如圖所示的位移分布圖。（15）查看位移隨時(shí)間的變化。 1）定義變量。 單擊菜單Main MenuTimeHist Postproc，彈出如圖所示對(duì)話框。 單擊左上角的【+】添加變量按鈕，彈出如圖所示對(duì)話框。選擇Nodal Solution DOF SolutionY-Component of displacement，單擊 【OK】按鈕。彈出 Node for Data窗口，選擇式樣頂端的節(jié)點(diǎn)，單擊 【OK】按鈕。 添加另一個(gè)變量。單擊左上角的【+】添加變量按鈕，這次選擇Reaction Forces Structural Forces Y-Component of Force。拾取試樣底端的節(jié)點(diǎn)，單擊【OK】 按鈕。 在Time History Variable 窗口，單擊FY-3行、X-Axis列的單選按鈕，將反力 FY-3作為X軸變量，如圖所示。2）查看位移隨時(shí)間變化。 在Time History Variable 窗口單擊UY_3行，再單擊繪圖按鈕【】 ，得到如圖所示的位移UY隨反力FY變化關(guān)系。 修改X軸和Y軸標(biāo)簽。單擊菜單Utility MenuPlorCtrlsStyleGraphsModifyAxes，重新設(shè)定X軸和Y軸標(biāo)簽為L(zhǎng)OAD和DEFLECTION。從圖中可以看出，當(dāng)反力小（相應(yīng)載荷和應(yīng)力也較?。r(shí)，位移和載荷之間是線性的關(guān)系。當(dāng)反力較大（相應(yīng)載荷和應(yīng)力都超出彈性極限）時(shí)，位移以越來(lái)越大的速率增加。這些結(jié)果和經(jīng)典塑性力學(xué)的結(jié)果是一致的。四、總結(jié)：通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)我學(xué)會(huì)了有限元分析的基本原理和基本方法；掌握有限元軟件ANSYS的基本操作。熟悉ANSYS的界面和分析步驟；掌握ANSYS前處理方法，包括平面建模、單元設(shè)置、網(wǎng)格劃分和約束設(shè)置；掌握ANSYS求解和后處理的一般方法；實(shí)際應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。五、源代碼/BATCH /COM,ANSYS RELEASE 10.0 UP20050718 04/03/2011/input,menust,tmp,1 /GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0/VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /COM,ANSYS RELEASE 10.0 UP20050718 12:06:33 02/28/2011/input,menust,tmp,1 /GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0/REPLOT,RESIZE /FILNAME,1111,0 /TITLE,2222 /REPLOT /FILNAME,aaa,0 /TITLE,dynamic analysis of a gear /REPLOTET,1,SOLID186 !* !* !* MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.06e11MPDATA,PRXY,1,0.3 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,7.8e3SAVESAVECSYS,1 K,1,20,0, K,110,16,40, KWPAVE, 110 wprot,-50,0,0 CSYS,4 K,2,12.838,0, CSYS,1 K,120,16,43, K,130,16,46, K,140,16,49, K,150,16,52, K,160,16,55, KWPAVE, 120 wprot,3,0,0 CSYS,4 K,3,13.676,0, SAVEKWPAVE, 130NSOL,