專業(yè)課設(shè),懸臂梁有限元分析

1、專業(yè)課程設(shè)計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。二維模型，3*0.09m。2 軟件的介紹與使用2.1 ANSYS 簡介ANSYS程序是一個

2、功能強大的靈活的設(shè)計分析及優(yōu)化、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商用分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了一個不斷改進的功能清單，集體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力分析、設(shè)計優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大應(yīng)變/有限轉(zhuǎn)動工功能一接利用ANSYS參數(shù)設(shè)計的擴展宏命令功能。ANSYS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，利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口

3、，可精確的將在CAD系統(tǒng)下生成的集合數(shù)據(jù)傳入ANSYS,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 并通過必要的修補可準(zhǔn)確地在該模型上劃分網(wǎng)格并求解。2.2 ANSYS軟件的功能介紹ANSYS軟件含有多種有限元分析的能力，包括從簡單線性靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動態(tài)分析。一個典型的ANSYS分析過程可分為以下三個步驟：創(chuàng)建有限元模型；施加載荷進行求解；查看分析結(jié)果；在有限元的分析過程中，程序通常使用以下三個部分：前處理模塊，分析求解模塊和后處理模塊。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，通過這個模塊用戶可以建立自己想要的工程有限模型。

4、分析求解模塊即是對已建立好的模型在一定的載荷和邊界條件下進行有限元計算，求解平衡微分方程。包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、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（熱-應(yīng)力耦合、流-固耦合以及電-磁-熱-應(yīng)力耦合）等，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。下面對ANSYS軟件的三種模塊的功能進行簡要介紹：1. 前處理模塊ANSYS軟件的

5、前處理模塊主要實現(xiàn)三種功能：參數(shù)定義、實體建模和網(wǎng)格劃分。（1）參數(shù)定義ANSYS程序在進行結(jié)構(gòu)建模的過程中，首先要對所有被建模型的材料進行參數(shù)定義。包括定義使用單位制，定義所有使用單元的類型，定義單元的實常數(shù)，定義材料的特性以及使用材料庫文件等。（2）實體建模在實體建模過程中，ANSYS程序提供了兩種方法：從高級到低級的建模與從低級到高級的建模。(3)網(wǎng)格劃分ANSYS系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能十分強大，使用起來十分便捷。從使用選擇的角度來講，程序的網(wǎng)格劃分可以分為系統(tǒng)智能劃分和人工選擇劃分兩種。從網(wǎng)格劃分的功能來講，則包括四種劃分：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。2. 求解模塊在此階段，

6、用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項。（1）定義分析類型和分析選項用戶可以根據(jù)所施加載荷條件和所要計算的響應(yīng)來選擇分析類型。分析選項允許用戶自定義分析類型。（2）載荷一般所謂的載荷應(yīng)該包括邊界條件（結(jié)束、支承或邊界場的參數(shù)）和其他外部或內(nèi)部作用載荷。在ANSYS程序中，載荷分為六類：DOF約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷。（3）指定載荷步載荷步選項是用于改正載荷步的選項，如子步數(shù)、載荷步的結(jié)束時間和輸出控制。根據(jù)所作分析的類型，載荷步選項可有可無。3.后處理模塊ANSYS程序的后處理包含兩個部分：通用后處理模塊和時間歷程后處理模塊。（1）通用后處理模塊通用

7、后處理模塊可以用于查看整個模塊或選定的部分模塊在某一子步（時間步）的結(jié)果。可獲得等值線顯示、變型形狀以及檢查和解釋分析的結(jié)果和列表。（2）時間歷程后處理模塊時間后處理模塊可以用于查看模型的特定點在所有時間步內(nèi)的結(jié)果。可獲得結(jié)果數(shù)據(jù)對時間（或頻率）的關(guān)系的圖形曲線以及列表。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.研究方法及過程3.1研究方法一介紹(1) Utility MenuFileClear&Start New(2) Utility Me

8、nuFileChange Jobname（輸入新的工作文件名為Cantilever）(3) Utility Menu File Change Title （輸入Changing pressure on one point of a pole）(4) Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete（選擇單元類型Structural-Solid-Quad 4node 42） (5) Main MenuPreprocessorMaterial propsMaterial ModelsStructural(機構(gòu)）Linear(線性）Elastic(彈性

9、）Isotropic（各向同性）(6) Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimensions(7) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAttributesAll Areas(8) Main MenuPreprocessorMeshing SizeCntrlsSmartSizeBasic(9) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAreaFree (10)Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis (11)Main Men

10、uSolutionDefine Load（定義載荷） Apply（加載）Structural（結(jié)構(gòu)）Displacement（位移）On Lines（在線上）(13) Main MenuSolutionDefine Load（定義載荷） Apply（加載）Structural（結(jié)構(gòu)）Force/Moment（力/力矩）On Keypoint （在關(guān)鍵點上） (14) Main Menu Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK(15) Main Menu General Postpr

11、oc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (16) 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）(17) Main Menu General Postproc Query Results Subgrid Solu 選擇Stress X-Component of

12、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。3.2研究方法二介紹3.2.1過濾菜單（1) Main Menu: Preferences select Structural OK圖3.1 過濾菜單3.3.2 實體建模(1) 建立方位點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

13、1，如圖3.2所示，然后選用Apply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3.3.3 劃分網(wǎng)格(1) 定義單元類型 Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (返回到the Element Types window)

14、Optionsselelt K3: Plane Strsw/thk Close (the Element Type window)此處選用Solid Quad 4node 42。圖 3.3 選擇單元類型圖 3.4（2) 定義實常數(shù)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 定義懸臂梁厚度(3) 定義材料（彈性模量，泊松比）Main Menu: P

15、reprocessor 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 泊松比(4) 指定單元屬性ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool Element Attributes （select） Glo

16、bal 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制定單元屬性（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;劃分短，2等分。(6) 網(wǎng)格劃分Mesh Tool Mesh : select Areas Shape:QuadFree Mesh Pick All Close( the Mesh Tool window)注：釋放網(wǎng)格(7) 顯示單元與節(jié)點編號

17、Utility Menu：PlotctrlsNumbering 選項NODE Node numbers為On 在Elem/Attrib numbering選擇Element numbers OK3.3.3求解過程（1）施加邊界條件和加載力1）給節(jié)點1、10施加x和y方向的約束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，選擇左端為固定端。圖 3.8固定懸臂梁左端2）給節(jié)點8施加y方向載荷Main M

18、enu: 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。圖 3.9 懸臂梁右端施加力(2) 定義分析類型并求解1）定義分析類型Main Menu: Preprocessor Solution Analysis Type New AnalysisStatic 2) 求解Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load

19、 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。3.3.4 后處理（1）讀取求解出的結(jié)果：顯示結(jié)果如圖3.10所示Main Menu：General PostprocList ResultsNodal SolutionNodal Solution選擇Stress Y-Component of stressOK 圖 3.10 求解結(jié)果(2) 結(jié)構(gòu)的變形圖 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。Main Menu：General PostprocPlot Results（繪制結(jié)果）Contour Plot（繪制等值圖）Nodal Solu（節(jié)點解）（節(jié)點解）Elastic Strain（彈性應(yīng)變）Y-Comp