有限單元法上機實驗報告34頁

1、機電工程學院上機實驗報告 題 目：機械中的有限單元法上機實驗 科 目：機械中的有限單元法 授課教師：鄭銀環(huán) 年級專業(yè)：機械工程（工）1002班 學生姓名： 學 號：2011年1月10日實驗一 ANSYS軟件環(huán)境一、實驗目的：熟悉ANSYS軟件菜單、窗口等環(huán)境、軟件分析功能及解題步驟。二、實驗設備：微機，ANSYS 12.0 軟件。三、實驗內容：ANSYS軟件功能、菜單、窗口及解題步驟介紹。四、實驗步驟： ANSYS 典型實例分析如圖所示，使用ANSYS分析平面帶孔平板，分析在均布載荷作用下板內的應力分布。已知條件：F20N/mm，L200mm，b100mm，圓孔半徑r20，圓心坐標為（100，

2、50），E200Gpa。板的左端固定。 圖1-2 帶孔平板模型1問題描述實例類型：ANSYS結構分析。分析類型：線性靜力分析。單元類型：PLANE82ANSYS功能示例：實體建模包括基本的建模操作，布爾運算和網(wǎng)格細化；施加均布載荷；顯示變形后形狀和應力等值線圖、單元信息列表；基本的結果驗證技巧。ANSYS幫助文件：在ANSYS Structural Analysis Guide了解Structural Static Analysis 分析知識，在ANSYS Elements Reference部分了解Plane82單元的詳細資料。2建立有限元模型1)建立工作目錄并添加標題進入ANSYS，F(xiàn)il

3、e菜單中設置工作文件名為Plane、標題為plane。2)創(chuàng)建實體模型（1）創(chuàng)建矩形通過定義原點、板寬和板高定義矩形。GUI：PreProcessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners彈出Rectangle by 2 corners對話框，填寫。WP X 和WP Y表示左下角點坐標。（2）生成圓面首先在矩形面上生成圓，然后挖去生成圓孔。生成圓面得操作如下：GUI：PreProcessor > Modeling > Create > Areas > Circle &g

4、t; Solid Circle彈出Solid Circular Area對話框，依圖輸入圓面幾何參數(shù)。下面通過布爾“減”操作生成圓孔，其操作如下：GUI：Processor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Areas先選擇矩形面為Base Area，單擊OK按鈕，然后選擇圓，單擊OK按鈕。布爾操作完畢之后，實體模型為帶孔平板3)定義材料屬性定義一種材料，而且只需定義彈性模量和泊松比：GUI：PreProcessor > Material Props > Material models >

5、Structural > Linear > Elastic >Isotropic在彈出對話框中鍵入EX=200000（單位Mpa），PRXY0.3。4)劃分網(wǎng)格（1）選擇單元選擇Plane82單元。選擇單元得操作如下：GUI：PreProcessor Menu > Element Type > Add/Edit/Delete選擇Plane82，彈出單元類型對話框，單擊OK按鈕。（2）定義單元實常數(shù)分析類型設定為Plane strs w/thk類型，操作如下：GUI：PreProcessor Menu > Element Type > Add/Edit/

6、Delete > Options在K3項后面下拉菜單中選“Plane strs w/thk“。定義單元厚度操作如下：GUI：PreProcessor Menu > Real Constants > Add/Edit/Delete > Add在彈出的對話框中THK后文本框中鍵入材料厚度值20。（3）設定網(wǎng)格尺寸采用用戶自定義網(wǎng)格尺寸參數(shù)，其操作如下：GUI：PreProcessor > Meshing > Size Cntrls > Manual Size > Areas > All Areas在彈出Element Size on All S

7、elected Areas對話框，在SIZE欄鍵入20mm。（4）劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，操作如下：GUI：Processor > Meshing > Mesh > Areas > Free > Pick All3施加載荷并求解1)定義約束需要約束線上節(jié)點所有自由度（All DOFs），其操作如下：GUI：Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Lines彈出Apply U，ROT on Lines 對話框。選擇板左側邊線，在Lab2 欄選All DO

8、F。單擊Apply按鈕。2)施加載荷在板右側邊施加均布載荷，載荷大小為20/201Mpa，施加載荷操作如下：GUI：Solution > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Lines彈出Apply PRES on Lines 對話框，鍵入載荷值-1（由于載荷方向離開板，為拉力所以為負值，反之為正），單擊OK按鈕。3)求解GUI：Solution > Solve > Current LS4查看分析結果1)顯示模型變形圖其操作如下：GUI：General Postproc > Plot

9、 Results > Deformed Shape2)顯示位移等值線分布圖其操作如下：GUI：General Postproc > Plot Results > Nodal Solution> DoF Solution > Displacement Vector sum由圖獲知最大位移值。3)顯示等效應力等值線圖其操作如下：GUI：General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu > Stress > Von Mises由圖發(fā)現(xiàn)最大應力出現(xiàn)在孔的上下頂點，與解析解吻

10、合。4)顯示變形動畫（見文件夾）通過動畫顯示可以查看模型在載荷作用下的內力變化過程，以圖形方式顯示分析計算結果。其操作如下：Utility Menu 中 PlotCtrls > Animate > Deformed Results5)列表顯示位移結果數(shù)據(jù)其操作如下：GUI：General Postproc > List Results > Nodal Solution查看左側邊上的節(jié)點位移是否為零（由于邊上所有節(jié)點已被固定，所以任意節(jié)點的位移均應該為零，這也是驗證的一個方面）。6)列表顯示節(jié)點應力值驗證節(jié)點應力值是否合理，其操作如下：GUI：General Postpr

11、oc > List Results > Stress > Principals SPRIN列表顯示分析結果與參考數(shù)據(jù)相吻合，表明ANSYS分析結果可靠。7)列表顯示反作用力值在任何方向上，反作用力總是等于此方向上的載荷總和。通過顯示反作用力可以檢驗分析結果是否合理，其操作如下：GUI：General Postproc > List Results > Reaction Solution8）實驗一生成的文件：9）實驗一命令流：/BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 21:43:13 11/03/2010/input,m

12、enust,tmp,'',1 /GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0/FILNAME,plane,0/PREP7 /TITLE,plane/VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST BLC4,0,0,200,100/VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /AUTO,1 /REP,FAST CYL4,100,50,20 ASBA, 1, 2 ET,1,PLANE82MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,200

13、000 MPDATA,PRXY,1,0.3 KEYOPT,1,3,3KEYOPT,1,5,0KEYOPT,1,6,0R,1,20, AESIZE,ALL,20, MSHKEY,0CM,_Y,AREA ASEL, , , , 3 CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y AMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,4 /GO DL,P51X, ,ALL, /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1

14、/REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,4 DLDELE,P51X,ALL /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,4 /GO DL,P51X, ,ALL, FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,2 /GO SFL,P51X,PRES,-1, FINISH /SOL/STATUS,SOLUSOLVE FINI

15、SH /POST1 PLDISP,2PLDISP,0PLDISP,1PLDISP,2PLDISP,1PLDISP,2PLDISP,1/EFACET,1 PLNSOL, U,SUM, 0,1.0/EFACET,1 PLNSOL, S,EQV, 0,1.0/REPLOT,RESIZE PLNSOL,U,X ANCNTR,10,0.5 /ANFILE,SAVE,'1i',' ','C:Documents and SettingsAdministrator堋霢' PRNSOL,S,PRIN PRNSOL,U,COMP PRRSOL, FINISH ! /

16、EXIT,NOSAV /BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 15:34:09 11/04/2010/input,menust,tmp,'',1 /GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0/FILNAME,plane,0/TITLE,plane/VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /PREP7 BLC4,0,0,200,100/REPLOT,RESIZE CYL4,100,50,20 FLST,2,2,

17、5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 ASBA,P51X, 2 /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /AUTO,1 /REP,FAST MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,200000 MPDATA,PRXY,1,0

18、.3 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDE,EX,1 MPDE,PRXY,1 MPDATA,EX,1,2E+005 MPDATA,PRXY,1,0.3 ET,1,PLANE82KEYOPT,1,3,3KEYOPT,1,5,0KEYOPT,1,6,0R,1,20, AESIZE,ALL,20, MSHKEY,0CM,_Y,AREA ASEL, , , , 3 CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y AMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST F

19、LST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,4 /GO DL,P51X, ,ALL, FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,2 /GO SFL,P51X,PRES,-1, FINISH /SOL/STATUS,SOLUSOLVE FINISH /POST1 PLDISP,1/EFACET,1 PLNSOL, U,SUM, 0,1.0/EFACET,1 PLNSOL, S,EQV, 0,1.0PLNSOL,U,X ANCNTR,10,0.5 /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /ANFILE,SAVE,'planea','av

20、i',' ' PLNSOL,U,X ANCNTR,10,0.5 /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST PRNSOL,U,COMP PRNSOL,S,PRIN PRRSOL, SAVESAVEFINISH SAVEFINISH ! /EXIT,ALL實驗二 平面結構靜力有限元分析一、實驗目的：1、掌握ANSYS軟件基本的幾何形體構造方法、網(wǎng)格劃分方法、邊界條件施加方法及各種載荷施加方法。2、熟悉有限元建模、求解及結果分析步驟和方法。3、能利用ANSYS軟件對平面結構進行靜力有限元分析。二、實驗設備：微機，ANSYS12.0 軟件。三、實驗內容：單位

21、厚度的方板中間有一個圓孔（如圖所示），平板所用材料的彈性模量為E=107Mpa，泊松比為0.3。沿圓孔邊緣施加P=1Mpa的壓力。分析方板的應力及位移。r=7mma=10mm四、實驗步驟： 1、建立有限元模型。（1） 創(chuàng)建工作文件夾并添加標題：在ANSYS工作目錄下創(chuàng)建一個文件夾，命名為plate，以便用這個文件夾保存分析過程中所生成的文件。選擇Reference菜單，在彈出的對話框中選擇結構分析（Structural），取消選擇與結構分析無關的選項。（2） 定義幾何參數(shù)；作 GUI: Utility Menu > Parameters > Scalar Parameters依次輸

22、入下面的參數(shù)：a=10e-3 r=7e-3 p=1e6 E=1e13 nu=0.3（3） 選擇單元；首先進入單元類型庫，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete >Add在對話框左側選擇Solid選項，在右側列表中選擇Quad 4 node 42選項，然后單擊OK按鈕。（4） 定義實常數(shù)；（5） 定義材料屬性；選定單元后，根據(jù)單元類型定義實常數(shù)，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Real Constants >Add/Edit/

23、Delete >Add定義材料屬性（彈性模量和泊松比）的操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Material Props >Material Models >Structural >Linear >Elastic>Isotropic在彈性模量（楊氏模量，Youngs modulus EX）文本框中輸入“E”，在泊松比（Poissons Ratio PRXY）文本框中輸入“nu”。（6） 創(chuàng)建實體模型；由于幾何模型、材料參數(shù)和載荷均關于水平、豎直中心線對稱，所以只需要建立方板的1/4模型即可。取坐標原點為圓孔中心，

24、建立右上角的1/4模型。首先由半寬a生成板，然后減去半徑為r的1/4圓。 創(chuàng)建矩形（1/4板）通過長寬定義矩形，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Areas >Rectangle >By Dimensions 創(chuàng)建圓面（1/4部分圓）創(chuàng)建1/4部分圓，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Areas>Circle >Partial Annulus 從方板中減去圓通過布爾操作實現(xiàn)面相減，

25、操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate >Booleans >Subtract >Areas（7） 設定網(wǎng)格尺寸并劃分網(wǎng)格；單元及實體模型定義完畢后，劃分網(wǎng)格。首先進入MeshTool對話框，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >MeshTool2、施加載荷并求解。（1） 選擇分析類型；選擇分析類型為靜力分析（Static）。（2） 定義約束；由于實體模型及載荷約束均對稱，所以利用對稱性定義約束。ANSYS提供了專門的設置，以方便設置對稱條件，即沿對

26、稱軸設置“symmetry boundary condition”，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Loads >Define Loads >Apply >Structural >Displacement > Symmetry B.C >On Lines選擇底邊和左側邊（實體模型的對稱線），單擊Pick對話框中的OK按鈕，則被選中線上沿對稱軸顯示出小s。（3） 施加載荷；沿內孔邊緣施加均布載荷，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Loads >Define

27、Loads >Apply >Structural >Pressure >On Lines為防止出現(xiàn)錯誤，可檢查剛定義的約束是否正確，然后檢查載荷施加是否正確。顯示約束的操作為：GUI: Utility Menu >List >Loads >DOF constraints >On All Lines顯示模型載荷的操作為GUI: Utility Menu >List >Loads >Surface Loads>On All Lines（4） 求解；GUI: Main Menu >Solution >Solve &g

28、t;Current LS1、 查看分析結果。（1） 查看變形后圖形；這里需要對比變形前后的實體模型，找出變形的最大位置。顯示變形后圖形的操作如下：GUI: Main Menu >General Postproc >Plot Results >Deformed Shape在彈出的對話框中選擇Def+undeformed選項，然后單擊OK按鈕。顯示變形動畫可更精確地了解變形過程，其操作如下：GUI: Utility Menu >PlotCtrls >Animate >Deformed Shape（2） 查看等效應力（Nodal Solu）；通過等效應力等值線圖，

29、分析應力分布。顯示等效應力等值線圖的操作如下：GUI: Main Menu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu從左側列表中選擇Stress選項，從右邊列表中選擇von Mises SEQV選項，然后單擊OK按鈕。（3） 查看等效應力（Element Solu）；通過應力在各個單元內部的分布是否均勻判別網(wǎng)格密度是否合理，決定是否需要細化網(wǎng)格。由于Element Solution不經(jīng)過節(jié)點插值平滑處理，因此單元內部的應力分布顯示得比較清楚。顯示操作如下：GUI: Main Menu >Ge

30、neral Postproc >Plot Results >Contour Plot >Element Solu在彈出的對話框的左邊列表中選擇Stress選項，在右邊列表中選擇von Mises SEQV選項，然后單擊OK按鈕。以單獨單元顯示等效應力。（4） 置疑分析結果；通常采用測定第一主應力sigma1的方法置疑ANSYS分析結果是否合理，具體操作如下：GUI: Main Menu >General Postproc >Query Results >Subgrid Solu系統(tǒng)將彈出Query Subgrid Solution Data對話框，從左側列表

31、中選擇Stress選項，從右側列表中選擇1st principal S1，單擊OK按鈕，將彈出Pick對話框，圖形窗口顯示了模型任何位置的第一主應力。單擊需要置疑的位置，此位置的第一主應力的坐標及具體應力值顯示在Pick對話框中。5）實驗二生成的文件：6）實驗二命令流：/BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 16:08:13 11/04/2010/input,menust,tmp,'',1 /GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYL

32、E,0/TITLE,plate/FILNAME,plate,0/VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /NOPR /PMETH,OFF,0KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,1 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,0 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,0 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO /COM, /COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM, Structural *SET,a,10e-3*SET,r,7