有限元綜合課程設(shè)計-沈陽理工大學(xué)

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案目錄1.用 AtuoCAD繪制加農(nóng)炮身管并標(biāo)注尺寸 .11.1繪制炮身結(jié)構(gòu) .11.2100mm 加農(nóng)炮身管說明 .11.3在繪制過程中應(yīng)注意的問題 .12.利用 AutoCAD繪制加農(nóng)炮身管截面圖 .13.問題分析 .23.1100mm 火炮身管靜態(tài)受力分析 .23.2確定問題的范圍 .24.建立有限元模型 .24.1設(shè)定分析作業(yè)名、標(biāo)題以及導(dǎo)圖模型 .24.2定義單元類型 .44.3定義材料屬性 .64.4網(wǎng)格劃分 .75.加載以及求解 .105.1添加約束位置 .105.2施加載荷 .105.3加載完成 .115.4求解 .116.后處理 .126.1查看變形圖 .126.2

2、查看應(yīng)力 .166.3查看三維立體圖 .197.結(jié)論 .218.參考文獻(xiàn) .22精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案1. 用 AtuoCAD繪制加農(nóng)炮身管并標(biāo)注尺寸1.1 繪制炮身結(jié)構(gòu)由提供的 100mm加農(nóng)炮身管結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用 AutoCAD2012軟件采用第一角投影法，嚴(yán)格按照 GB14665-2012機械工程 CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制圖，炮身零件工程圖見附錄附錄一。1.2 100mm加農(nóng)炮身管說明（ 1）圖紙名稱： 100mm加農(nóng)炮身管圖；（ 2）繪圖比例： 1:20 ；（ 3）數(shù)量： 1 ；（ 4）繪圖方法：半剖式。1.3 在繪制過程中應(yīng)注意的問題（ 1）繪圖前先設(shè)置圖限、圖層；（ 2）不同類型的對象繪制在

3、不同的圖層上，利于以后修改；（ 3）設(shè)置線寬顯示比例，使粗細(xì)線顯示協(xié)調(diào)；（ 4）內(nèi)螺紋的大徑為細(xì)實線，小徑為粗實線；（ 5）標(biāo)注前先設(shè)置標(biāo)注樣式，包括非圓直徑、角度、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注等；（ 6）將圖形縮小到 A4 圖紙后，應(yīng)注意放大線寬。2. 利用 AutoCAD繪制加農(nóng)炮身管截面圖建立有限元模型有兩種方法，輸入法和創(chuàng)建法。輸入法是直接輸入由其他CAD軟件創(chuàng)建好的實體模型，創(chuàng)建法是在ANSYS中從無到有地創(chuàng)建實體模型，兩者并不是完全分開的。 但由于 ANSYS在創(chuàng)建模型是過于繁瑣， 本次課程設(shè)計采用輸入法建立有限元模型。利用 AUTOCAD2012,以 y 軸為火炮身管的對稱軸繪制截面圖的右側(cè)部分，并

4、利用 CAD中面域功能將所繪制的圖形面域化。將上述繪制好的圖形以“SAT”文件格式導(dǎo)出 , 保存并命名。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案3. 問題分析3.1 100mm火炮身管靜態(tài)受力分析身管的材料參數(shù)為：彈性模量 E=207GPa,泊松比 u=0.3 。該模型后端施加 X 軸方向固定位移約束以及從坡膛到身管尾部的 Y 軸位移約束，在身管的膛底和坡膛之間內(nèi)側(cè)表面垂直內(nèi)表面方向上施加 183MPa的均布載荷。模型如圖 3-1 所示。圖 3-13.2 確定問題的范圍在對問題有了初步了解以后， 進(jìn)一步要弄明白問題涉及的領(lǐng)域， 即確定問題的范圍。對問題分析可知本問題屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域中的靜態(tài)分析問題且在材料變形的線

5、性變形的范圍內(nèi)。4. 建立有限元模型建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)和標(biāo)題； 定義單元類型和實常數(shù)； 定義材料屬性；導(dǎo)入幾何模型；劃分有限元網(wǎng)格。其具體步驟為：4.1 設(shè)定分析作業(yè)名、標(biāo)題以及導(dǎo)圖模型在進(jìn)行一個新的有限元分析時， 通常需要修改數(shù)據(jù)庫名， 并在圖形輸出窗口中定義一個標(biāo)題來說明當(dāng)前進(jìn)行的工作內(nèi)容。 另外，對于不同的分析范疇 （結(jié)構(gòu)分析，熱分析，流體分析，電磁場分析等） ， ANSYS所用的主菜單的內(nèi)容不盡相同，為此，需要在分析開始時選定分析內(nèi)容的范疇， 以便 ANSYS顯示出與其相對應(yīng)的菜單選項。a. 定義工作標(biāo)題和更改儲存路徑 : 打開 ANSYS 14.0 Mechanical APD

6、L Product Launcher, 出現(xiàn)如下如圖 4-1 所示的對話框，定義工作標(biāo)題和更改儲存路徑。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 4-1b. 導(dǎo)入模型及修改文件名：執(zhí)行 File-Import SAT 瀏覽上述模型，如圖4-2 所示；執(zhí)行 File-Change Tile, 如圖 4-3 所示；模型圖如下圖 4-4 所示。圖 4-2圖 4-3精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 4-4c. 定義分析類型：執(zhí)行 Main Menu-Preferences, 選擇結(jié)構(gòu)分析，如圖 4-5 所示。圖 4-54.2 定義單元類型在進(jìn)行有限元分析時， 首先應(yīng)該根據(jù)分析問題的幾何結(jié)構(gòu)， 分析類型和所分析的問題精度要求等，

7、選定合適具體分析的單元類型。 本次選用四節(jié)點四邊形板單元 PLANE182。PLANE182不僅可用于計算平面應(yīng)力問題，還可以用于分析平面應(yīng)變和軸對稱問題。單元類型對話框如圖 4-6 所示。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 4-6a. 定義單元類型：執(zhí)行Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add，彈出Library of Element Types對話框，選擇固體下4 節(jié)點 182 單元，如圖 4-7所示。圖 4-7b. 單元行為方式選擇：單擊 option 按鈕，打開如圖 4-8 所示的對話框，在Element behavior 項選擇 Axisymmetri （軸

8、對稱）。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 4-84.3 定義材料屬性本次選用的單元類型不需要定義實常數(shù)，故直接定義材料屬性。a.依次單擊 Structural-Linear-Elastic-Isotropic, 如圖 4-9 所示。展開材料屬性的樹形結(jié)構(gòu)，打開材料的彈性模量 EX和泊松比 PRXY的定義對話框，如圖 4-10 所示，在對話框的 EX文本框中輸入彈性模量 2.07e11 ，在 PRXY文本框中輸入泊松比 0.3 。圖 4-9圖 4-10精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案b. 依次 Structural-Density,打開材料密度定義對話框如圖4-11 所示。圖 4-114.4 網(wǎng)格劃分a. 執(zhí)行 Ma

9、in Menu-Preprocessor-meshing-Mesh Tool 命令，打開 MeshTool( 網(wǎng)格工具 ) ，如圖 4-12 所示。圖 4-12精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案b. 自定義網(wǎng)格大?。狐c擊 lines 域的 set 按鈕，出現(xiàn)對話框如圖 4-13 所示，要求選擇定義單元個數(shù)的線， 在模型圖上選擇炮膛內(nèi)壁的線； 接著在對話框中點擊 Apply, 出現(xiàn)如圖 4-14 所示的對話框，在單元數(shù)目該項上輸入 60，點擊 Apply ，再次選擇坡膛內(nèi)壁的線，點擊 Apply ，輸入 40，其余地方選取 30 個單元，最后點擊 OK。圖 4-13精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 4-14c. 在 M

10、esh欄中選擇選擇默認(rèn)選項，點擊 Mesh按鈕，出現(xiàn)如圖 4-13 的對話框，在對話框中選擇 Pick All ，ANSYS將按照對線的控制進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分后的結(jié)果如圖 4-15 所示。圖 4-15精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案5. 加載以及求解5.1 添加約束位置執(zhí)行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Displacement-onLines 出現(xiàn)選擇對話框，選擇最下端的線，單擊 OK按鈕出現(xiàn) Apply U,ROTon Lines 對話框，選擇 UY，添加炮管在 Y 方向的約束，如圖 5-1 所示。圖 5-15.2 施加載荷執(zhí)行Main m

11、enu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Pressure-onlines ，打開選擇線對話框，選擇身管的坡膛到身管尾尾內(nèi)側(cè)表面線，單擊OK按鈕，出現(xiàn) Apply PRES on lines對話框 , 如圖 5-3 所示，在 Load PRES value文本框中輸入均布載荷，大小為1.83e8 ，單擊 OK按鈕施加均布載荷。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 5-35.3 加載完成加載以及施加約束后的模型圖如圖5-4 所示。圖 5-45.4 求解執(zhí)行 Main menu-Solution-Solve-Current LS,出現(xiàn)對話框，依次點擊OK進(jìn)行求解，直至出現(xiàn)

12、如圖5-5 所示的對話框，求解完成！精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 5-56. 后處理求解完成后， 就可以利用 ANSYS軟件生成的結(jié)果文件 （對于靜力分析， 就是Jobname.RST）進(jìn)行后處理。靜力分析中通常通過POST1后處理器就可以處理和顯示大多數(shù)興趣的結(jié)果數(shù)據(jù)。6.1 查看變形圖關(guān)鍵的變形為徑向變形， 在高膛壓下膛底至坡膛處徑向產(chǎn)生過大變形， 可能導(dǎo)致身管破裂。a. 執(zhí)行ANSYS MainMenu-GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal Solu出現(xiàn) Contour Nodal Solution Data（等值線顯示節(jié)點數(shù)據(jù)）對話框，如

13、圖6-1 所示。圖 6-1b. Item to be contourd（等值線顯示結(jié)果項）域中選擇DOF solution （自由精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案度解）選項，在列表中選擇X-Component of displacement（X 向位移）選項，此時， X 向位移即為徑向位移。選擇Deformed shape with undeformededge（變形后和未變形輪廓線）選項，如圖6-2 所示。圖 6-2c. 單擊 OK按鈕，在圖形窗口中顯示變形圖， 包含變形前的輪廓線， X 向位移圖如圖 6-2 所示。圖中下方的色譜表面不同顏色對應(yīng)的數(shù)值。其局部放大圖如圖 6-3 所示。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文

14、案圖 6-2 X 向位移圖 6-3 X 向位移局部放大d. 用同樣的方法顯示 Y 向位移，其位移圖和局部放大圖如圖 6-4 、6-5 所示。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 6-4 Y 向位移圖 6-5 Y 向位移局部放大精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案6.2 查看應(yīng)力火炮身管膛內(nèi)壓力垂直于內(nèi)表面，主要應(yīng)力也是徑向應(yīng)力。a.與查看應(yīng)變類似，執(zhí)行：Main Menu-General Postproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal 命令對話框，打開 Contour Nodal Solution Nata（等值線顯示節(jié)點解數(shù)據(jù)）對話框。b.在 Item to be contourd （等值線

15、顯示結(jié)果項）域中選擇DOF solution （自由度解）選項，在列表中選擇 X-Component of stress （X 向應(yīng)力）選項。c.選擇 Deformed shape with undeformed edge （變形后和未變形輪廓線）選項，如圖 6-6 所示：點擊 OK,即可查看其 X 向應(yīng)力圖。 X 向應(yīng)力圖及其局部放大圖如 6-7 、6-8 所示。圖 6-6精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖 6-7 X 向應(yīng)力圖 6-8 X 向應(yīng)力局部放大精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案d. 用同樣的方法查看模型的 Y 向應(yīng)力圖及其局部放大圖如圖 6-10 、6-11 所示。圖 6-10 Y 向應(yīng)力圖 6-11 Y

16、 向應(yīng)力局部放大精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案6.3 查看三維立體圖a. 從 應(yīng) 用 菜 單 中 選 擇UtilityMenu ： PlotCtrls-Style-SymmetricExpansion-2D Axi Symmetric 命令，打開 2D Axi-Symmetric Expansion 對話框，如圖 6-12 所示。圖 6-12b. 在 Select expansion anount欄中選擇 Full expansion,點擊 OK,得到如圖6-13 所示的整體圖。圖 6-13 整體圖精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案c. 在 Select expansion anount欄中選擇 3/4 expansion ，點擊 OK，得到如圖6-14 所示的 3/4 整體圖。圖 6-14 3/4整體圖精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案7. 結(jié)論通過上述位移圖分析可得， 身管 X 方向的最大位移為0.011732mm,通過上述應(yīng)力圖分析可得，最大應(yīng)力為298MPa,小于身管的屈服極限620MPa.，身管滿足強度要求。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，但是建模功能方面不是很強大。因此，一般都是在AUTOCAD中建模，然后再導(dǎo)入ANSYS分析。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案8. 參考文獻(xiàn)1 徐次達(dá) , 華伯浩 . 固體力學(xué)有限元理論、