現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)實(shí)驗(yàn)練習(xí)題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書變截面高速軸的最優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫狻白顑?yōu)化設(shè)計(jì)”的概念和方法；了解“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”的建模方法；了解“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”問題的解決過程；了解LINGO的編程、方法和求解過程。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)與原理在如圖1所示的變截面軸上，安裝有一個(gè)質(zhì)量為Q的輪子。軸的長度為3l,各段長度已知，要求解決的問題是確定在滿足動(dòng)力穩(wěn)定性條件下，軸的質(zhì)量最小時(shí)的直徑d1和d2。圖1、軸的簡(jiǎn)圖三、實(shí)驗(yàn)原理1選擇設(shè)計(jì)變量。此最優(yōu)化問題有兩個(gè)設(shè)計(jì)變量，即要求確定的軸直徑1d和2d。 .2建立目標(biāo)函數(shù)。以軸的質(zhì)量gM作為目標(biāo)函數(shù)，選用材料的密度為p，則目標(biāo)函數(shù)如下：3.

2、 確定約束條件。當(dāng)軸的旋轉(zhuǎn)速度 達(dá)到其臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的角速度 或橫向振動(dòng)（彎曲振動(dòng)）的固有頻率w時(shí)，軸便處于共振狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，需要進(jìn)行這種動(dòng)力穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的軸，其質(zhì)量 總小于輪子的質(zhì)量Q，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在確定 時(shí)時(shí)常忽略 ，而簡(jiǎn)化為單自由度的振動(dòng)問題。因此，軸的橫向振動(dòng)的固有頻率為：式中g(shù)為重力加速度；u為軸的中間截面處的靜撓度。按照?qǐng)D給出的條件，根據(jù)材料力學(xué)可求得：式中E為材料的彈性模量。為保證軸在工作時(shí)的動(dòng)力穩(wěn)定性，應(yīng)使式中K為大于1的安全系數(shù)。將u的表達(dá)式及代入上式，經(jīng)過整理后得到動(dòng)力穩(wěn)定性所要求的等式約束條件為：另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求的條件為： 因此，裝有一個(gè)重輪的變截面高速旋轉(zhuǎn)直軸

3、，當(dāng)以軸的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，其最優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：四、實(shí)驗(yàn)方法（步驟）確定材料密度和材料彈性模量，應(yīng)用LINGO程序?qū)υ搯栴}的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)化求解，具體操作過程如下：1. 運(yùn)行LINGO程序。2. 點(diǎn)擊下拉菜單“File”，選擇“New”或者單擊工具欄中的按鈕，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，新建一個(gè)優(yōu)化實(shí)例模型LINGO Model.3.在LINGO Model窗口建立模型，輸入以下程序語句：（注意：每一句后面要以分號(hào)“；”作為語句的結(jié)束。冒號(hào)“：”和分號(hào)“；”要在英文狀態(tài)下輸入。）五、注意事項(xiàng)1、要正確的選擇設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并把它們組合在一起，成為一組能準(zhǔn)確地反映優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式

4、。2、編寫程序時(shí)，每一句后面要以分號(hào)“；”作為語句的結(jié)束。冒號(hào)“：”和分號(hào)“；”要在英文狀態(tài)下輸入。3、所建立的數(shù)學(xué)模型要容易計(jì)算和處理。4、優(yōu)化設(shè)計(jì)建模時(shí)要注意準(zhǔn)確性和易用性。附加實(shí)驗(yàn)題：1、 對(duì)邊長為3米的正方形鐵板，在四角剪去相等正方形制成無蓋水槽，問如何剪使容積最大？2、 求函數(shù) 的極小值點(diǎn)。3、 求函數(shù) 的極小值點(diǎn)。4、 在某建筑工地中要制作10000套鋼筋，每套由2.9米、2.1米、1.5米長鋼筋組成。它們的直徑和材料相同.目前市場(chǎng)上采購到同類的鋼筋的長度每根均為7.4米.問應(yīng)購進(jìn)多少7.4米長的鋼筋才能滿足工程的需要?首先分析套裁方案,方案如表:壓桿的最優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦?/p>

5、解“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”的概念和方法；了解“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”的建模方法；了解“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”問題的解決過程；了解LINGO的編程、方法和求解過程。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)在圖2所示的空心壓桿兩端受軸向外載荷P。軸的內(nèi)徑為d1 ，外徑為d2，支承間距尺寸為l 。試確定壓桿的結(jié)構(gòu)尺寸以保證在壓桿不產(chǎn)生屈服并且不破壞壓桿穩(wěn)定性條件下，壓桿的體積和重量最小。圖2 壓桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖三、實(shí)驗(yàn)原理壓桿為細(xì)長直桿，承受軸向壓力，會(huì)因軸向壓力達(dá)到臨界值時(shí)突然彎曲而失去穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)壓桿，除應(yīng)使其壓力不超過材料的彈性極限外，還必須使其承受的軸向壓力小于壓桿的臨界載荷。壓桿在機(jī)械裝置中應(yīng)用的例子較多，例如在液壓機(jī)構(gòu)中當(dāng)活塞的行程足夠大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致活

6、塞桿足夠長，這種細(xì)長的活塞桿便是壓桿。根據(jù)歐拉壓桿公式，對(duì)與兩端均為鉸支的壓桿，其臨界載荷為式中E為壓桿材料的彈性模量；J為壓桿橫截面的最小慣性矩，EJ為抗彎剛度；L為壓桿長度。將歐拉公式推廣到端部不同約束的壓桿，則上式變?yōu)槭街袨殚L度折算系數(shù)，其值將隨壓桿兩端約束形式的不同而異。當(dāng)兩端鉸支時(shí)?。灰欢斯潭?，另一端自由時(shí)取；一端固定，另一端鉸支時(shí)?。粌啥司潭〞r(shí)，取。由歐拉公式可知，與成正比。合理的設(shè)計(jì)壓桿截面形狀，使其材料盡量遠(yuǎn)離形心分布，就能使J增大而提高壓更的抗彎剛度EJ，增大臨界載荷。所以在相同截面面積的條件下，管狀壓桿比實(shí)心壓桿有更大的臨界載荷。以管狀壓桿的內(nèi)徑，外徑，長度作為設(shè)計(jì)變量，

7、以其體積或重量作為目標(biāo)函數(shù)，以壓桿不產(chǎn)生屈服和不破壞軸向穩(wěn)定性以及其尺寸約束條件，則管狀壓桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為式中分別為大于1的安全系數(shù)；P為設(shè)計(jì)給定的外載荷。四、實(shí)驗(yàn)方法（步驟）1、運(yùn)行LINGO程序。LINGO程序主界面如圖3-3所示。 2、點(diǎn)擊下拉菜單，選擇或者單擊工具欄中的按鈕，新建一個(gè)優(yōu)化實(shí)例模型LINGO Model(*.lg4)。 3、在“LINGO Model”窗口建立模型，輸入程序語句求解4、模型建立完成后要對(duì)模型進(jìn)行求解：?jiǎn)螕粝吕藛巍癓INGO”選擇“Sovle”，或者單擊工具欄中的模型求解命令按鈕。LINGO程序會(huì)彈出“LINGO Solve Status”窗口和“

8、Solution Report”窗口。在“Solution Report”窗口中會(huì)列出完整的模型求解過程，在“LINGO Solve Status”窗口中列出了求解器的有關(guān)信息。 五、注意事項(xiàng)1、要正確的選擇設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并把它們組合在一起，成為一組能準(zhǔn)確地反映優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2、編寫程序時(shí)，每一句后面要以分號(hào)“；”作為語句的結(jié)束。冒號(hào)“：”和分號(hào)“；”要在英文狀態(tài)下輸入。3、所建立的數(shù)學(xué)模型要容易計(jì)算和處理。4、優(yōu)化設(shè)計(jì)建模時(shí)要注意準(zhǔn)確性和易用性。附加實(shí)驗(yàn)題：1、已知梯形界面管道的參數(shù)是：底邊長度為C，高度為H，面積A=64516mm2，斜邊與底邊的夾角為thelt

9、a，管道內(nèi)液體的流速與管道截面的周長s的倒數(shù)成比例關(guān)系，如何設(shè)計(jì)使液體流速最大？2、一樓房的后面是一個(gè)大花園，在花園中緊靠著樓房有個(gè)溫室，溫室伸入花園2m，高3m，溫室正上方是樓房的窗臺(tái)。清潔工打掃窗臺(tái)周圍，他得用梯子越過溫室，一頭放在花園中，一頭靠在樓房的墻上。因?yàn)闇厥沂遣荒艹惺芴葑訅毫Φ?，所以梯子太短是不行的。現(xiàn)清潔工只有一個(gè)7m長的梯子，你認(rèn)為它能達(dá)到要求嗎？能滿足要求的梯子的最小長度為多少？ 衍架的結(jié)構(gòu)靜力分析實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、使學(xué)生熟悉ANSYS8.0軟件的用戶界面，了解有限元分析的一般過程；2、通過使用ANSYS軟件分析的結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以建立起對(duì)利用ANSYS軟件進(jìn)

10、行問題分析的信任度，為以后使用ANSYS軟件進(jìn)行更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析打基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)與原理圖3所示為由9個(gè)桿件組成的衍架結(jié)構(gòu)，兩端分別在1，4點(diǎn)用鉸鏈支承，3點(diǎn)受到一個(gè)方向向下的力Fy ,衍架的尺寸已在圖中標(biāo)出，單位： m。試計(jì)算各桿件的受力。 圖3 衍架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖其他已知參數(shù)如下: 彈性模量（也稱揚(yáng)式模量）E=206GPa；泊松比=0.3；作用力Fy =-1000N；桿件的橫截面積A=0.125m2.顯然，該問題屬于典型的衍架靜力分析問題，通過理論求解方法（如節(jié)點(diǎn)法或截面法）也可以很容易求出個(gè)桿件的受力，但這里為什么要用ANSYS軟件對(duì)其分析呢？三、實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)靜力分析是ANSYS軟件中最簡(jiǎn)單

11、，應(yīng)用最廣泛的一種功能，它主要用于分析結(jié)構(gòu)在固定載荷（主要包括外部施加的作用力，穩(wěn)態(tài)慣性力如重力和離心力，位移載荷和溫度載荷等）作用下所引起的系統(tǒng)或部件的位移，應(yīng)力，應(yīng)變和力。一般情況下，結(jié)構(gòu)靜力分析適用于不考慮或慣性，阻尼以及動(dòng)載荷等對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不大的場(chǎng)合，如溫度，建筑規(guī)范中的等價(jià)靜力風(fēng)載和地震載荷等在結(jié)構(gòu)中所引起的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)靜力分析分為線性分析和非線性分析兩類，由于非線性分析涉及大變形，塑性，蠕變和應(yīng)力強(qiáng)化等內(nèi)容，較為復(fù)雜，不適于作為入門教學(xué)。因此，本實(shí)訓(xùn)中只討論ANSYS的線性結(jié)構(gòu)靜力分析。四、實(shí)驗(yàn)方法（步驟）（一） ANSYS8.0的啟動(dòng)與設(shè)置1啟動(dòng)。點(diǎn)擊：開始>所有程序&g

12、t; ANSYS8.0> ANSYS，即可進(jìn)入ANSYS圖形用戶主界面。其中，幾個(gè)常用的部分有應(yīng)用菜單，命令輸入欄，主菜單，圖形顯示區(qū)和顯示調(diào)整工具欄。圖4 Preference參數(shù)設(shè)置對(duì)話框2功能設(shè)置。電擊主菜單中的“Preference”菜單，彈出“參數(shù)設(shè)置”對(duì)話框，選中“Structural”復(fù)選框，點(diǎn)擊“OK”按鈕，關(guān)閉對(duì)話框，如圖4所示。本步驟的目的是為了僅使用該軟件的結(jié)構(gòu)分析功能，以簡(jiǎn)化主菜單中各級(jí)子菜單的結(jié)構(gòu)。圖5單元類型庫對(duì)話框圖6單元類型對(duì)話框3系統(tǒng)單位設(shè)置。由于ANSYS軟件系統(tǒng)默認(rèn)的單位為英制，因此，在分析之前，應(yīng)將其設(shè)置成國際公制單位。在命令輸入欄中鍵入“/UNI

13、TS，SI”，然后回車即可。（注：SI表示國際公制單位）（二） 單元類型，幾何特性及材料特性定義圖7單元類型對(duì)話框圖8 材料特性對(duì)話框1定義單元類型。電擊主菜單中的“Preference >Element Type>Add/Edit/Delete”，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊對(duì)話框中的“Add”按鈕，又彈出一對(duì)話框（圖5），選中該對(duì)話框中的“Link”和“ 2D spar 1”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉圖5對(duì)話框，返回至上一級(jí)對(duì)話框，此時(shí)，對(duì)話框中出現(xiàn)剛才選中的單元類型：LINK1，如圖6所示。點(diǎn)擊“Close”，關(guān)閉圖6所示對(duì)話框。注：LINK1屬于二維平面桿單元，即我們常說的二力桿，只承受

14、拉壓，不考慮彎矩。2定義幾何特性。在ANSYS中主要是實(shí)常數(shù)的定義：點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>RealContants>Add/Edit/Delete”, 彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊“Add”按鈕，第二（1）步定義的LINK1單元出現(xiàn)于該對(duì)話框中，點(diǎn)擊“OK”，彈出下一級(jí)對(duì)話框，如圖7所示。在AREA一欄桿件的截面積0.125，點(diǎn)擊“OK”，回到上一級(jí)對(duì)話框。點(diǎn)擊“Close”，關(guān)閉所示對(duì)話框。3定義材料特性。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Material Props> Material Models”, 彈出對(duì)話框，如圖8所示,逐級(jí)雙擊右框中“Str

15、uctural,Linear,Elastic,Isotropic”前圖標(biāo)，彈出下一級(jí)對(duì)話框，在彈性模量文本框中輸入：206E9，在泊松比文本框中輸入：0.3，如圖9所示，點(diǎn)擊“OK” 返回上一級(jí)對(duì)話框，并點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕，關(guān)閉圖8所示對(duì)話框。圖9 材料特性參數(shù)對(duì)話框（三） 衍架分析模型的建立圖11 生成節(jié)點(diǎn)顯示圖10 節(jié)點(diǎn)生成參數(shù)輸入對(duì)話框1生成節(jié)點(diǎn)。圖10所示衍架中共有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)根據(jù)已知條件容易求出如下：1（0，0，0），2（1，0，0），3（2，0，0），4（3，0，0），5（1，1，0），6（2，1，0）。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>Cr

16、eate>Nodes>In Active CS”, 彈出對(duì)話框.在“Node number”一欄中輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)1，在“XYZ Location”一欄中輸入節(jié)點(diǎn)1的坐標(biāo)（0，0，0），如圖10所示，點(diǎn)擊“Apply”按鈕，在生成1節(jié)點(diǎn)的同時(shí)彈出與圖10一樣的對(duì)話框，同理將2-6點(diǎn)的坐標(biāo)輸入，以生成其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，在顯示窗口上顯示所生成的6個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，如圖11所示。圖12 節(jié)點(diǎn)選擇對(duì)話框2 生成單元格。 點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>Thru Nodes”,彈出“節(jié)

17、點(diǎn)選擇”對(duì)話框，如圖12所示。依次點(diǎn)選節(jié)點(diǎn)1、2，點(diǎn)擊Apply按鈕，既可生成單元。同理，分別點(diǎn)擊2、3； 3、4；1、5；2、5；5、6；3、5；3、6；4、6可生成其余8個(gè)單元。生成后的單元如圖13所示。（四）施加載荷圖13 生成單元顯示1施加位移約束。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes”,彈出與圖12所示類似的“節(jié)點(diǎn)選擇”對(duì)話框，點(diǎn)選1節(jié)后，然后點(diǎn)擊“Apply”按鈕，彈出對(duì)話框如圖14所示，選擇右上列表框中的“All DOF”,并點(diǎn)擊“Apply” 按鈕，彈出對(duì)

18、話框如圖14所示，選擇右上列表框中的UY，并點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可完成對(duì)節(jié)點(diǎn)4沿y方向的位移約束。圖14 節(jié)點(diǎn)1的位移約束2施加集中力載荷。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Nodes”,彈出對(duì)話框如圖15所示，在“Direction of force/mom”一項(xiàng)中選擇：“FY”，在“Force/Moment value” 一項(xiàng)中輸入：-1 000（注：負(fù)號(hào)表示力的方向與Y的正向相反），然后點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，這樣，就在節(jié)點(diǎn)3處給桁架結(jié)構(gòu)

19、施加了一個(gè)豎直向下的集中載荷。圖15 施加載荷說明：根據(jù)圖1所示有限元分析的基本過程，到此為止，有限元分析的前置處理部分已經(jīng)結(jié)束。但在使用ANSYS軟件進(jìn)行分析的過程中，施加載荷這一步驟往往既可以在前置處理中完成（如本實(shí)訓(xùn)一樣），也可以在求解器中完成（如點(diǎn)擊主菜單中的“Solution>Define Loads>Apply>Stuctural”,實(shí)現(xiàn)過程完全一樣）。（五）開始求解圖16 求解對(duì)話框點(diǎn)擊主菜單中的“Solution>Solve>Current LS”,彈出對(duì)話框（圖16），點(diǎn)擊“OK”按鈕，開始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口（圖17）提示

20、用戶已完成求解，點(diǎn)擊“Close”按鈕關(guān)閉對(duì)話框即可。至于在求解時(shí)產(chǎn)生的STATUS Command窗口，點(diǎn)擊“File>Close”關(guān)閉即可。圖17 求解完成說明：到此為止，有限元分析的求解器計(jì)算部分已經(jīng)結(jié)束。（六）分析結(jié)果顯示圖18 顯示變形圖設(shè)置圖2-3 用戶主界面1顯示變形圖。點(diǎn)擊主菜單中的“General Postproc>Plot Results>Deformed Shape”,彈出對(duì)話框如圖18所示。選中“Def + undeformed”選項(xiàng)，并點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可顯示本實(shí)訓(xùn)桁架結(jié)構(gòu)變形前后的結(jié)果，如圖19所示。圖20 變形動(dòng)畫參數(shù)設(shè)置圖19 用戶主界面2顯

21、示變形動(dòng)畫。點(diǎn)擊應(yīng)用菜單（Utility Menu）中的Plot Ctrls >Animate>Deformed Shape,彈出對(duì)話框如圖20所示。選中Def+undeformed”選項(xiàng)，并在“Time delay”文本框中輸入：0.1,然后點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可顯示本實(shí)訓(xùn)桁架結(jié)構(gòu)的變性動(dòng)畫。由于集中力FY作用在3節(jié)點(diǎn)上，因此，3節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移最大。圖21是動(dòng)畫片、顯示桁架受力變形的過程，右邊窗口是動(dòng)畫顯示的控制窗口，可以暫停，也可以拖動(dòng)顯示進(jìn)度條。圖22 顯示支反力參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖21 動(dòng)畫仿真控制對(duì)話框3列舉支反力計(jì)算結(jié)果。點(diǎn)擊主菜單中的“General Postproc&g

22、t;List Results> Reaction Solu”，彈出對(duì)話框如圖22所示。接受缺省設(shè)置，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，并彈出一列表窗口，顯示了兩鉸鏈點(diǎn)（1、4節(jié)點(diǎn)）所受的支反力情況，如圖23所示。4.列舉各桿件的軸向力計(jì)算結(jié)果。點(diǎn)擊主菜單中的“General Postproc>List Result> Element Solution”，彈出對(duì)話框如圖24所示，在中間列表框中移動(dòng)滾動(dòng)條至最后，選擇“By Sequence num”選項(xiàng)，右上列表框中選擇“SMISC”選項(xiàng)，右下文本框中輸入“SMISC，1”，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，并彈出一列表窗口，顯示了9個(gè)桿單

23、元所受的軸向力，如圖25所示，此外，還給出了最大、最小力及其發(fā)生位置。說明：到此為止，有限元分析的后置處理部分就可以結(jié)束了。實(shí)際上，ANSYS軟件的后置處理功能非常強(qiáng)大，除了能顯示上述結(jié)果外，還可以顯示其他許多結(jié)果，比如，各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)圖23 顯示支反力列表生的位移（General Postproc >List Results> Nodal Solution）和各節(jié)點(diǎn)所受載荷（General Postproc >List Results> Nodal Loads）等等。（七）ANSYS軟件的保存與退出1保存。點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“File>Save as Jobname.d

24、b,ANSYS”自動(dòng)將結(jié)果保存，缺省的文件名為：下次打開時(shí)，可直接點(diǎn)擊“file.db”2退出。點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“File>Exit”，彈出保存對(duì)話框，選中“Save Everything”，點(diǎn)擊“OK”按扭，即可退出ANSYS。圖24 單元求解結(jié)果參數(shù)選擇對(duì)話框五、注意事項(xiàng)1、桁架結(jié)構(gòu)分析時(shí)劃分網(wǎng)格要遵循合適的劃分原則，注意網(wǎng)格劃分對(duì)有限元模型求解速度和精度的影響。2、根據(jù)不同的有限元分析模型，選擇合適的單元類型。注意beam單元與link單元的區(qū)別。三維實(shí)體結(jié)構(gòu)-工字鋼的結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釧NSYS在三維實(shí)體建模方面的一些技術(shù)，并深刻體會(huì)ANSYS軟件在網(wǎng)格劃分方面的強(qiáng)大

25、功能，ANSYS軟件的分析直觀方便快捷，應(yīng)該努力掌握其應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)與原理圖25所示為一工字鋼梁，兩端均為固定端，其截面尺寸為，。試建立該工字鋼梁的三維實(shí)體模型，并在考慮重力的情況下對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。其他已知參數(shù)如下：圖25 工字鋼結(jié)構(gòu)示意圖彈性模量（也稱楊式模量） E= 206GPa；泊松比； 材料密度；重力加速度；作用力Fy作用于梁的上表面沿長度方向中線處，為分布力，其大小Fy=-5000N 二、 實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)靜力分析是ANSYS軟件中最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛的一種功能，它主要用于分析結(jié)構(gòu)在固定載荷（主要包括外部施加的作用力，穩(wěn)態(tài)慣性力如重力和離心力，位移載荷和溫度載荷等）作用下所引起的

26、系統(tǒng)或部件的位移，應(yīng)力，應(yīng)變和力。一般情況下，結(jié)構(gòu)靜力分析適用于不考慮或慣性，阻尼以及動(dòng)載荷等對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不大的場(chǎng)合，如溫度，建筑規(guī)范中的等價(jià)靜力風(fēng)載和地震載荷等在結(jié)構(gòu)中所引起的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)靜力分析分為線性分析和非線性分析兩類，由于非線性分析涉及大變形，塑性，蠕變和應(yīng)力強(qiáng)化等內(nèi)容，較為復(fù)雜，不適于作為入門教學(xué)。因此，本實(shí)訓(xùn)中只討論ANSYS的線性結(jié)構(gòu)靜力分析。三、 實(shí)驗(yàn)方法（步驟）（一）ASSYS8.0的啟動(dòng)與設(shè)置與衍架的結(jié)構(gòu)靜力分析實(shí)驗(yàn)的第一步驟完全相同，請(qǐng)參考。圖26單元類型庫對(duì)話框圖27單元類型對(duì)話框圖28 材料特性參數(shù)對(duì)話框（二）單元類型、幾何特性及材料特性定義1定義單元類型。點(diǎn)擊主

27、菜單中的“Preprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete”，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊對(duì)話框中的“Add”按鈕，又彈出一對(duì)話框（圖26），選中該對(duì)話框中的“Solid”和“Brick 8node 45”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉圖26對(duì)話框，返回至上一級(jí)對(duì)話框，此時(shí)，對(duì)話框中出現(xiàn)剛才選中的單元類型：Solid45，如圖27所示。點(diǎn)擊“Close”，關(guān)閉圖27所示對(duì)話框。圖29 材料特性對(duì)話框2定義材料特性。點(diǎn)擊主菜單中的 “Preprocessor>Material Props >Material Models”，彈出窗口如圖29所示，逐級(jí)雙擊

28、右框中“Structural Linear Elastic Isotropic”前圖標(biāo)，彈出下一級(jí)對(duì)話框，在“彈性模量”（EX）文本框中輸入：2.06e11，在“泊松比”（PRXY）文本框中輸入：0.3，如圖28所示，點(diǎn)擊“OK”按鈕，回到上一級(jí)對(duì)話框，然后，雙擊右框中的“Density”選項(xiàng)，在彈出對(duì)話框的“DENS”一欄中輸入材料密度：7800，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框。（三）工字鋼三維實(shí)體模型的建立圖30 節(jié)點(diǎn)生成參數(shù)輸入對(duì)話框1生成關(guān)鍵點(diǎn)。圖30所示的工字鋼梁的橫截面由12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連線而成，其各點(diǎn)坐標(biāo)分別為：1（-0.08,0,0）、2（0.08,0,0）、3（0.08,0.02,0

29、）、4（0.015,0.02,0）、5（0.015,0.18,0）、6（0.08,0.18,0）、7（0.08,0.20,0）、8（-0.08,0.20,0）、9（-0.08,0.18,0）、10（-0.015,0.18,0）、11（-0.015,0.02,0）、12（-0.08,0.02,0）。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS”，彈出對(duì)話框。在“Keypoint number”一欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)1，在“XYZ Location”一欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)1的坐標(biāo)（-0.08，0，0），如圖30

30、所示，點(diǎn)擊“Apply”按鈕，同理將212點(diǎn)的坐標(biāo)輸入，此時(shí)，在顯示窗口上顯示所生成的12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置。圖31 生成直線顯示圖32 面選擇對(duì)話框2生成直線。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>Create >Lines >Lines>StraightLine”，彈出關(guān)鍵點(diǎn)選擇對(duì)話框，依次點(diǎn)選關(guān)鍵點(diǎn)1、2，點(diǎn)擊“Apply”按鈕，即可生成第一條直線。同理，分別點(diǎn)擊2、3；3、4；4、5；5、6；6、7；7、8；8、9；9、10；10、11；11、12；12、1可生成其余11條直線。生成后的組成工字鋼梁橫截面的直線如圖31所示。圖33 平面拉

31、伸成體的參數(shù)設(shè)置3生成平面。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>Create >Areas>Arbitrary>By Lines”，彈出“直線選擇”對(duì)話框，依次點(diǎn)選112直線，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，即可生成工字鋼的橫截面。4生成三維實(shí)體。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>>Operate>Extrude>Areas圖35 網(wǎng)格劃分對(duì)話框圖34 工字鋼梁三維實(shí)體模型>Along Normal”，彈出平面選擇對(duì)話框32，點(diǎn)選上一步驟生成的平面，點(diǎn)擊“OK”按鈕。之后彈出另一對(duì)話

32、框33，在“DIST”一欄中輸入：1（工字鋼梁的長度），其他保留缺省設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框，即可生成工字鋼梁的三維實(shí)體模型。如圖34所示。（四）網(wǎng)絡(luò)劃分1設(shè)定單元大小。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Meshing>MeshTool”,彈出對(duì)話框，在“Size Control”標(biāo)簽中的Global一欄點(diǎn)擊Set按鈕，彈出 “網(wǎng)格尺寸設(shè)置”對(duì)話框，在SIZE一欄中輸入：0.02，其他保留缺省設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。2接著上一步，在圖35的劃分網(wǎng)格的對(duì)話框中，選中單選框“Hex”和“Sweep”，其他保留缺省設(shè)置，然后點(diǎn)擊“Sweep”按鈕，彈出體選擇對(duì)話框，點(diǎn)選

33、34中的工字鋼梁實(shí)體，并點(diǎn)擊OK按鈕，即可完成對(duì)整個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如36所示。圖36 劃分網(wǎng)格后的工字鋼梁模型（五）施加載荷1施加位移約束。點(diǎn)擊主菜單的“Preprecessor>Loads>Define Loads>Apply>Structuaral>Displacemengt>On Areas”，彈出面選擇對(duì)話框，點(diǎn)擊該工字梁的左端面，點(diǎn)擊“OK”按鈕，彈出對(duì)話框如圖示，選擇右上列表框中的“All DOF”，并點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可完成對(duì)左端面的位移約束，相當(dāng)于梁的固定端。同理，對(duì)工字鋼的右端面進(jìn)行固定端約束。2施加分布力（Fy）載荷。（1）

34、選擇施力節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“Select>Entities.”，彈出對(duì)話框如圖37所示，在第一個(gè)列表框中選擇“Nodes”選項(xiàng)，第二個(gè)列表框中選擇“By Location”選項(xiàng)，選中“Zcoordinates”單選框，并在“Min,Max”參數(shù)的文本框中輸入：0.5（表示選擇工字鋼梁沿的中間橫截面上的所有節(jié)點(diǎn)），其他參數(shù)保留缺省設(shè)置，點(diǎn)擊“Apply”按鈕完成選擇。點(diǎn)擊“Plot”按鈕，在顯示窗口上顯示出工字鋼梁中間橫截面上的所有節(jié)點(diǎn)。然后，在圖37所示對(duì)話框中選中“Ycoordinates”單選框，在“Min,Max”參數(shù)文本框中輸入：0.2（表示工字鋼梁的上表面），選中“Rese

35、lect”（表示在現(xiàn)有活動(dòng)節(jié)點(diǎn)即上述選擇的中間橫截面中，再選擇y坐標(biāo)等于0.2的節(jié)點(diǎn)為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)）單選框，其他參數(shù)保留缺省設(shè)置（參見圖37），然后依次點(diǎn)擊“Apply” 和“Plot”按鈕，即可在顯示窗口上顯示出工字鋼梁上表面沿長度方向中線處的一組節(jié)點(diǎn)，這組節(jié)點(diǎn)即為施力節(jié)點(diǎn)。（2）施加載荷。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Loads”，彈出“節(jié)點(diǎn)選擇”對(duì)話框，點(diǎn)擊“Pick All”按鈕，即可選中（1）中所選擇的這組需要施力的節(jié)點(diǎn)，之后彈出另一個(gè)對(duì)

36、話框，在該對(duì)話框中的“Direction of force/mom”一項(xiàng)中選擇：“FY,在Force/moment value”一項(xiàng)中輸入：-5000（注：負(fù)號(hào)表示力的方向與Y的方向相反），其他保留缺省裝置，如圖38所示，然后點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，這樣，通過在該組節(jié)點(diǎn)上施加與Y向相反的作用力，就可以模擬該實(shí)訓(xùn)中所要求的分布力Fy =-5000N。（3）恢復(fù)選擇所有節(jié)點(diǎn)。在求解之前必須選擇所有已創(chuàng)建的對(duì)象為活動(dòng)對(duì)象（如點(diǎn)、線、面、體、單元等），否則求解會(huì)出錯(cuò)。因此，點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“Select>Everything”，即可完成該項(xiàng)工作。圖37 節(jié)點(diǎn)選擇需要注意的是，此時(shí)顯示窗口僅顯示施力節(jié)點(diǎn)及作用力的方向箭頭。若要顯示整個(gè)工字鋼梁的網(wǎng)絡(luò)模型，可點(diǎn)擊應(yīng)用菜單中的“Plot>Elements”即可。3施加重力載荷。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Loads>Define Loads>A