課程設計ANSYS有限元分析(最完整)

1、有限元法分析與建模課程設計報告 學 院 ： 機電學院 專 業(yè)： 機械制造及其自動化 指導教師 ： * 學 生 ： * * 學 號 ：2012011*2015-12-311摘 要本文通過ANSYS10.0建立了標準光盤的離心力分析模型，采用有限元方法對高速旋轉的光盤引起的應力及其應變進行分析，同時運用經典彈性力學知識來介紹ANSYS10.0中關于平面應力問題分析的基本過程和注意事項。力求較為真實地反映光盤在光驅中實際應力和應變分布情況，為人們進行合理的標準光盤結構設計和制造工藝提供理論依據。關鍵詞：ANSYS10.0；光盤；應力；應變。目 錄第一章 引 言31.1 引言3第二章 問題描述42.1

2、有限元法及其基本思想42.2 問題描述4第三章 力學模型的建立和求解53.1設定分析作業(yè)名和標題53.2定義單元類型63.3定義實常數93.4定義材料屬性123.5建立盤面模型143.6對盤面劃分網格223.7施加位移邊界273.8施加轉速慣性載荷并求解30第四章 結果分析324.1 旋轉結果坐標系324.2查看變形334.3查看應力35總 結38參考文獻39第一章 引 言1.1 引言光盤業(yè)是我國信息化建設中發(fā)展迅速的產業(yè)之一，認真研究光盤產業(yè)的規(guī)律和發(fā)展趨勢，是一件非常迫切的工作。光盤產業(yè)發(fā)展的整體性強，宏觀調控要求高，因此，對于光盤產業(yè)的總體部署、合理布局和有序發(fā)展等問題，包括節(jié)目制作、軟

3、件開發(fā)、硬件制造、節(jié)目生產、技術標準等。在高速光盤驅動器中，光盤片會產生應力和應變，在用ANSYS分析時，要施加盤片高速旋轉引起的慣性載荷，即可以施加角速度。需要注意的是，利用ANSYS施加邊界條件時，要將內孔邊緣節(jié)點的周向位移固定，為施加周向位移，而且還需要將節(jié)點坐標系旋轉到柱坐標系下。 本文通過ANSYS10.0建立了標準光盤的離心力分析模型，采用有限元方法對高速旋轉的光盤引起的應力及其應變進行分析，同時運用經典彈性力學知識來介紹ANSYS10.0中關于平面應力問題分析的基本過程和注意事項。39第二章 問題描述2.1有限元法及其基本思想 有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個

4、、且按一定方式相互聯(lián)結在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結方式進行組合，且單元本身可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解區(qū)域。 有限元法作為數值分析方法的一個重要特點是利用在每一個單元內假設的近似函數，分片地表示全求解域上待求的未知場函數。單元內的近似函數通常由未知場函數或其導數在單元的各個節(jié)點的數值和其插值函數表達。這樣，一個問題的有限元分析中，未知場函數或其導數在各個節(jié)點上的數值就成為新的未知量（即自由度），從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經求解出這些未知量，就可通過插值函數計算出各個單元內場函數的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。顯然，隨著單

5、元數目的增加，即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度的增加及插值函數精度的提高，解的近似程度將不斷改進。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解。2.2 問題描述 標準光盤，置于52倍速的光驅中處于最大讀取速度（約為1000），計算其應力分布。標準光盤參數： 外徑：120mm 內孔徑：15mm 厚度：1.1mm 彈性模量： 密度：第三章 力學模型的建立和求解3.1設定分析作業(yè)名和標題 （1）從常用菜單中選擇File-Change jobname命令，將彈出Change jobname對話框，在Enter new jobname文本框中輸入文字“CH01”為數據庫文件名，單擊OK完成文件

6、名的修改，如圖所示。 （2）從實用菜單中選擇File-Change Title命令，將彈出Change Title對話框，在Enter new title文本框中輸入文字“CD”為標題名，單擊OK完成文件名的修改，如圖所示。 （3）選取菜單路徑Utility Menu/Plot /Replot，指定的標題“CD”將顯示在圖形窗口的左下角，如圖所示。 （4）選取菜單路徑Main Menu/Preference，將彈出Preference of GUI Filtering（菜單過濾參數選擇）對話框，選中Structural復選框，單擊OK按鈕確定，如圖所示。3.2定義單元類型 在進行有限元分析時，

7、首先應根據分析問題的幾何結構、分析類型和所分析的問題精度要求等，選定適合具體分析的單元類型。本課題用選4節(jié)點四邊形板單元PLANE42。 （1）從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Element/Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types（單元類型）對話框，如圖所示。 （2）單擊Add.按鈕，將彈出Library of Element Types（單元類型庫）對話框，如圖所示。 （3）在左邊的列表框中選擇“Solid”選項，選擇實體單元類型。在右邊的列表框中選擇“Quad 4node 42”選項，選擇4節(jié)點四邊形板單元PLANE42，單擊OK按鈕

8、，將PLANE42單元添加，并關閉單元類型庫對話框，同時返回到第一步彈出的單元類型對話框，如圖所示。 （4）單擊Options彈出如圖所示的PLANE42 element type options（單元選項設置）對話框，對PLANE單元進行設置，使其可用于計算平面應力問題，如圖所示。 （5）在Element behavior（單元行為方式）下拉列表框中選擇Plane -stress w/thk(帶有厚度的平面應力)選項。單擊OK按鈕，接受選項，關閉單元選項設置對話框，返回到單元類型對話框，完成單元類型定義，如圖所示。 （6）單擊Close按鈕，關閉單元類型對話框，結束單元類型的添加，如圖所示。

9、3.3定義實常數本課題中選用帶有厚度的平面應力行為方式的PLANE42單元，需要設置其厚度實常數。（1） 從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete命令，彈出Real Constants(實常數)對話框，如圖所示。 （2）單擊add按鈕，彈出如圖所示Element Type for Real Constants（實常數單元類型）對話框，要求選擇欲定義實常數的單元類型。本課程設計中只定義了一種單元類型，在已知的單元類型列表中選擇“Type 1 PLANE42”，將要為PLANE42單元類型定義實常數。單擊OK彈出Rea

10、l Constant Set（實常數集）對話框，如圖所示。 （3)在Thickness（厚度）文本框中輸入“1.1”，單擊OK，關閉實常數輸入對話框，返回到實常數對話框，如圖所示已經定義了一組實常數，如圖所示。 (4)單擊Close按鈕，關閉實常數設置對話框，如圖所示。3.4定義材料屬性考慮慣性力的靜力分析中必須定義材料的彈性模量和密度。具體步驟如下： （1）從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models命令，將彈出Define Material Model Behavior(定義材料模型)窗口，如圖所示。 （2）依次雙

11、擊Structural/Linear/Elastic/Isotropic,將彈出1號材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對話框，如圖所示。 （3）在對話框EX文本框中輸入彈性模量EX為1.6e4，在PRXY文本框中輸入泊松比0.3，單擊OK按鈕，關閉對話框，并返回到定義材料屬性對話框，在定義材料屬性會話框的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的參與號為1的材料屬性，如圖所示。 （4）依次雙擊Structural/Density彈出定義密度對話框，在DENS文本框中輸入密度數值“2.2e-9”，單位為。單擊OK按鈕，退出定義材料模型屬性窗口，完成對材料模型屬性的定義，如圖所示。3.5建立盤面模型本課程設計的

12、模型比較簡單，僅有一個平面。需要注意的是使用PLANE系列單元時，要求模型必須位于全局XY平面內。默認的工作平面即位于全局XY平面內，因此可以直接在默認的工作平面內創(chuàng)建圓環(huán)面，為了對圓環(huán)面劃分有限元網格，還需要將圓環(huán)面分成兩半。（1）從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Circle/ Annulus命令，彈出Annular Circular Area(圓環(huán)面)對話框，如圖所示。（2） 在WP X文本框中輸入圓環(huán)面圓心的X坐標（相對于工作平面）“0”；在WP Y文本框中輸入圓環(huán)面圓心的Y坐標（相對于工作平面）“0”；在Rad-1

13、文本框中輸入內孔半徑“7.5”；在Rad-2文本框中輸入內孔半徑“60”。單擊OK按鈕確認，關閉對話框。同時ANSYS在當前工作平面的原點位置創(chuàng)建內徑為15mm，外徑為120mm的圓環(huán)面，如圖所示。 （3）從實用菜單中選擇Main Menu/PlotCtrls/Numbering命令，彈出Plot Numbering Controls（顯示圖元編號控制）對話框，如圖所示。選中Keypoint numbers(關鍵點編號)復選框。單擊OK按鈕，使之生效，并對圖形窗口進行重繪，如圖所示。圖為顯示圖元編號控制對話框圖為創(chuàng)建的圓環(huán)面 （4）從主菜單中選擇Main Menu/Modeling/Creat

14、e/Lines/Lines/Straight Line命令，彈出關鍵點選擇對話框，要求選擇要創(chuàng)建的直線的兩個端點。用鼠標在圖形窗口中選擇選取關鍵點1、3，創(chuàng)建出端點為關鍵點1,3的直線，如圖所示。 （5）單擊OK按鈕，關閉選擇對話框，如圖所示。 （6）從實用菜單中選擇Utility Menu/Plot/Multi-Plots命令，在圖形窗口顯示所有圖元，如圖所示。圖為創(chuàng)建的盤面和切割盤面的線 （7）從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Divide/Area by Line命令，彈出面選擇對話框，要求選擇欲被分割的面，如

15、圖所示。 (8) 選擇創(chuàng)建的圓環(huán)面，并單擊選擇對話框的OK按鈕，又彈出選擇對話框，要強求選擇分割面的線，如圖所示。 （9）選擇在第（4）步中創(chuàng)建的線，并單擊選擇對話框的OK按鈕，如圖所示。 （10）ANSYS將進行布爾運算，將選定的面分割開來成為兩個面，如圖所示。如圖是被分割后的兩個面3.6對盤面劃分網格 （1）從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Meshing/MeshTool命令，彈出Mesh Tool，單擊Lines域Set按鈕，點擊Pick All按鈕，彈出Element Sizes on Picked Lines對話框，在NDIV No. of element

16、 divisions文本框中輸入“10”單擊OK按鈕，如圖所示。 （2）在網格工具中選擇分網對象為“Areas”，網格形狀為Quad，選擇分網形式為Mapped。附加選項中選擇“Pick corners”。單擊Mesh按鈕，彈出面選擇對話框，要求選擇欲劃分網格的面，如圖所示。 （3）選擇一個面后單擊Apply按鈕，彈出點選擇對話框，依次點取圖中的四個關鍵點3，7，6，1當選擇完四個頂點后，單擊Apply按鈕，ANSYS將對選擇的面進行網格劃分，如圖所示。 （4）選擇另一個面，選定后單擊對話框中的OK按鈕，彈出點選擇對話框，選擇3,7,6,1四個關鍵點后，單擊OK按鈕，ANSYS將對選擇的面進行

17、網格劃分，如圖所示。 （5）從實用菜單中選擇Utility Menu/Plot/Elements命令，圖形窗口中將顯示剛剛生成的單元見，如下圖所示。 （6）單擊SAVE-DB按鈕，保存數據庫。3.7施加位移邊界 該模型的位移邊界條件為將內孔邊緣節(jié)點的周向位移固定，為施加周向位移，需要將節(jié)點坐標系旋轉到柱坐標系下。 （1）從實用菜單中選擇Utility Menu/WorkPlane/Change Active CS to/Global Cylindrical命令，將激活坐標系切換到總體柱坐標系下。 （2）從主菜單中選擇Main Menu/Preprocessor/Modeling/Move/Mo

18、dify/Rotate Node CS/To Active CS命令，彈出節(jié)點選擇的對話框，要求選擇與旋轉坐標系的節(jié)點，如圖所示。 （3）單擊Pick All按鈕，將所有節(jié)點旋轉到當前激活的總體柱坐標系下。 （4）從實用菜單中選擇Utility Menu/Select/Entities.對話框，然后在第一個下拉列表框中選擇Nodes選項；在下面的下拉列表中選擇By Location選項；在位置選項中列出了位置屬性的3個可用項，單擊X coordinates單選按鈕使其選中，表示要通過X坐標來進行選取，此時X代表的是徑向；在文本框中輸入“7.5”表示選擇徑向坐標為7.5的節(jié)點，即內孔邊上的節(jié)點；

19、單擊OK按鈕將符合要求的節(jié)點添入選擇集中，如圖所示。 （5）從主菜單中選擇MainMenu/Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Nodes命令，彈出節(jié)點選擇對話框，要求選擇欲施加位移約束的節(jié)點，如圖所示。 （6）單擊Pick All按鈕,選擇當前選擇集中的所有節(jié)點，彈出Apply U,ROT on Nodes對話框；選擇UY，此時節(jié)點坐標系為柱坐標系，Y方向為周向，即施加周向位移約束。如圖所示。 （7）單擊OK按鈕，ANSYS在選定節(jié)點上施加指定的位移約束。如圖所示。 （8）從實用菜單中選擇Utility Menu/Se

20、lect/Everything命令，選取所有圖元、單元和節(jié)點。3.8施加轉速慣性載荷并求解 本課程設計中，施加盤片高速旋轉引起的慣性載荷。 （1）從主菜單中選擇Solution/Define Loads/Apply/structural/Inertia/Angular Veloc命令，彈出Apply Angular Velocity對話框，如圖所示。 （2）在OMEGZ Global Cartesian Z-comp文本框中輸入“1047.2”，轉速是相對于總體柱坐標系施加的，單位為；如圖所示。 （3）單擊OK按鈕，施加轉速引起的慣性載荷；單擊SAVE-DB按鈕，保存數據庫。 （4）從主菜單中

21、選擇Solution/Solve/Current LS命令，彈出一個確認對話框和狀態(tài)列表；如圖所示。 （5）查看列表中的信息確認無誤后，單擊OK按鈕，開始求解。 （6）求解完成后彈出提示求解結束對話框，單擊Close按鈕，關閉提示求解結束對話框。如圖所示。第四章 結果分析4.1 旋轉結果坐標系 該模型為旋轉件，在柱坐標系下查看結果會比較方便，因此在查看變形和應力分布之前，首先將結果坐標系旋轉到柱坐標系下。 （1）從主菜單中選擇General Postproc/Options for Outp命令，彈出Options for Output對話框，如圖所示。 （2）在RSYS Results co

22、ord system下拉列表框中選擇Global cylindric選項。 （3）單擊OK按鈕，接受設定，關閉對話框。4.2查看變形 該模型關鍵的變形為徑向變形，在高速旋轉時，徑向變形過大，可能導致邊緣部位與其他部件發(fā)生摩擦。 （1）從主菜單中選擇General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu命令，彈出Contour Nodal Solution Data對話框，如圖所示。 （2）在Item to be contoured域的左邊的列表框中選擇Nodal Solution/DOF Solution選項。 （3）在右邊的列表框中選擇X-

23、Component of displacement選項，此時，結果坐標系為柱坐標系，X向位移即為徑向位移。 （4）選擇Deformed shape with undeformed edge單選按鈕。如圖所示。 （5）單擊OK按鈕，在圖形窗口中顯示出變形圖，包含變形前的輪廓線，圖中下方的色譜表明不同的顏色對應的數值，如圖所示。 可以看出在邊緣處的最大徑向位移也只有6微米左右，變形還是很小的。4.3查看應力 盤片在高速旋轉時的主要應力也是徑向應力。 （1）從主菜單中選擇General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu命令，彈出Contour Nodal Solution Data對話框，如圖所示。 （2）在Item to be contoured域的左邊的列表框中選擇Nodal Solution/Stress選項。 （3）在右邊的列表框中選擇X-Component of stress方向。 （4）選擇Deformed shape only單選按鈕。 （5）單擊OK按鈕，圖形窗口中顯示出X方向應力分布圖，如圖所示。 （6）從主菜單中選擇Genera