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文檔簡介
.1 研究目的與問題闡述1.1 基本研究目的(1) 掌握ANSYS軟件的基本幾何形體構(gòu)造、網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等方法。(2) 熟悉有限元建模、求解及結(jié)果分析步驟和方法。(3) 利用ANSYS軟件對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計算。(4) 研究不同泊松比對同一位置應(yīng)力的影響。1.2 基本問題提出圖1.1 模型示意圖如圖1.1所示,當(dāng)EX=3.01e6,F(xiàn)=5000N,懸臂梁桿一端固定,另一端為自由端。 當(dāng)懸臂梁的泊松比u為:0.2、0.25、0.3、0.35、0.4時,確定同一位置的應(yīng)力分布,得出分布云圖。采用二維模型,3*0.09m。2 軟件知識學(xué)習(xí)2.1 軟件的使用與介紹 軟件介紹:ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等, 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序,可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域: 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來,也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本,可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上,如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。3 研究方法與過程3.1 研究方法論證經(jīng)過查找相關(guān)資料,討論研究后,確定了兩種方案解決這一問題,對于方法一,可能比較簡單,但是在最后確定固定點時準(zhǔn)確度不夠;對于方法二,雖然操作過程有點繁瑣,但是在最后的節(jié)點選擇上就會很準(zhǔn)確,有利于研究結(jié)論的正確性與有效性;故本次研究采用方法二。3.2 研究法方法一簡要介紹(1) Utility MenuFileClear&Start New(2) Utility MenuFileChange Jobname(3) Utility Menu File Change Title (4) Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete (5) Main MenuPreprocessorMaterial propsMaterial ModelsLinear(線性)Elastic(彈性)Isotropic(各向同性)(6) Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimensions(7) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAttributesAll Areas(8) Main MenuPreprocessorMeshing SizeCntrlsSmartSizeBasic(9) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAreaFree ANSYS(10) Main MenuSolutionDefine Load(定義載荷) Apply(加載)Structural(結(jié)構(gòu))Displacement(位移)On Ondes(11) Main MenuSolutionDefine Load(定義載荷) Apply(加載)Structural(結(jié)構(gòu))Force/Moment(力/力矩)On Ondes (12) ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK(13) ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (14) Main MenuGeneral PostprocPlot Results(繪制結(jié)果)Contour Plot(繪制等值圖)Nodal Solu(節(jié)點解)Nodal Solution(節(jié)點解)Elastic Strain(彈性應(yīng)變)Y-Component of elastic strain(彈性應(yīng)變Y分量)(15) ANSYS Main Menu: General Postproc Query Results Subgrid Solu 選擇Stress X-Component of stress OK 在應(yīng)力分布圖中,選擇一固定節(jié)點,點OK即可測出相應(yīng)Y方向上應(yīng)力。3.3 主要研究方法二介紹3.3.1 過濾菜單(1) ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK注:過濾菜單如圖3.1所示圖3.1 過濾菜單3.3.2 實體建模(1) ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次輸入4個點的坐標(biāo):input:1(0,0,0)Apply 2(3000,0,0)Apply 3(3000,90,0) Apply 4(0,90,0) OK注:在實體建模中,建立四個方位點,首先建立點1,如圖3.2所示,然后選擇Aplly應(yīng)用,再依次輸入點2、3、4方位。圖3.2 建立方位點(2) 由4個關(guān)鍵點組成面ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPs 依次拾取4個點OK注:在拾取關(guān)鍵點是要按順序依次拾取,拾取完點擊OK即可,如圖3.3所示。圖3.3 依次拾取關(guān)鍵點組成圖形3.3.3 劃分網(wǎng)格(1) 定義單元類型 Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (back to Element Types window) Optionsselelt K3: Plane Strsw/thk Close (the Element Type window)此處選用Solid Quad 4node 42。注:選擇單元類型,如圖3.4所示。圖3.4 單元類型選擇(2) 定義實常數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add select Type 1 OKinput THK:90 OK Close (the Real Constants Window)注:定義懸臂梁的厚度,即在THK框中輸入90(mm),如圖3.5所示。圖3.5 定義懸臂梁寬度(3) 定義材料(彈性模量,泊松比)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:3.01e6, PRXY:0.2 OK 注:定義材料彈性模量及泊松比,EX為彈性模量,PRXY為泊松比,在第一次定義時在PRXY框中輸入0.2,以后同理,依次輸入0.25、0.3、0.35、0.4,如圖3.6所示。圖3.6 定義彈性模量及泊松比(4) 指定單元屬性ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool Element Attributes (select) Global Set OK 注:指定單元屬性,依次點Set,Ok即可,如圖3.7所示。圖3.7 指定單元屬性(5) 網(wǎng)格密度設(shè)置Mesh Tool Size Controls select Lines Set 拾取長邊的兩條線OK input NDIV:6 Apply 拾取短邊的兩條線OK input NDIV:2 OK 分別等份劃分長和寬注:劃分長,6等分,如圖3.8所示。圖3.8 6等分長注:劃分寬,2等分,如圖3.9所示。圖3.9 2等分寬(6) 劃分網(wǎng)格Mesh Tool Mesh : select Areas Shape:QuadFree Mesh Pick All Close( the Mesh Tool window)注:釋放網(wǎng)格,如圖3.10所示。圖3.10 釋放網(wǎng)格(7) 顯示單元與節(jié)點編號Utility Menu:PlotctrlsNumbering 選項NODE Node numbers為On 在Elem/Attrib numbering選擇Element numbers OK注:顯示單元與節(jié)點,為以后應(yīng)力分析打下基礎(chǔ),如圖3.11,圖3.12所示。圖3.11 顯示節(jié)點操作圖3.12 節(jié)點顯示示意圖3.3.4 求解(1) 施加位移邊界條件與加載1)給節(jié)點1、10施加x和y方向的約束(即約束左邊)ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 拾取節(jié)點1、10 OK select Lab2:ALL OFF OK 注:懸臂梁固定一端,此處選擇左端固定,如圖3.13所示。圖3.13 固定懸臂梁左端2)給節(jié)點8施加y方向載荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 拾取節(jié)點8OK Lab: FY, Value: -5e3OK 注:給懸臂梁右端施加方向向下,大小為5000N的力,如圖3.14所示,綜合效果圖如圖3.15所示。圖3.14 右端施加-5e3N力圖3.15 綜合效果圖(2) 定義分析類型并求解1)定義分析類型Preprocessor Solution Analysis Type New Analysis注:定義分析類型,選擇Static,如圖3.16所示。圖3.16 選擇分析類型2) 求解ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK注:求解過程點擊OK即可,每次變量的改變都必須都要求一次解,這一步至關(guān)重要,如圖3.17所示。圖3.17 求解3.3.5 后處理(1) 結(jié)構(gòu)的變形圖ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK將在軟件主界面顯示結(jié)構(gòu)變形圖。注:在后處理過程中中,首先應(yīng)該看一下結(jié)構(gòu)的變形圖,以利于以后基本應(yīng)力分析,如圖3.18所示。圖3.18 結(jié)構(gòu)變形圖(2) 顯示特定位置應(yīng)力ANSYS Main Menu: General Postproc List Results Nodal Solution 選擇Stress Y-Component of stress OK 注:此處選擇顯示在Y方向上各關(guān)鍵點應(yīng)力,基本操作流程如圖3.19所示,顯示結(jié)果如圖3.20所示。圖3.19 基本操作圖3.20 顯示結(jié)果4 結(jié)論4.1 數(shù)據(jù)記錄記錄研究數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為表格形式,如表4.1所示:NODESXSYu1241.150-0.60053E-010.21241.149-0.70191E-010.251241.147-0.80443E-010.31241.145-0.90832E-010.351241.143-0.101380.4表4.1 研究記錄數(shù)據(jù)4.2 應(yīng)力分布圖研究過程中主要看節(jié)點12 Y方向上應(yīng)力,由上表中可以看出應(yīng)力隨懸臂梁泊松比u變化規(guī)律,在以下給出應(yīng)力分布圖:(1)當(dāng)u=0.2時,如圖4.1所
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