有限元分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告

有限元分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)根本要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求能夠獨(dú)立的使用ANSYS軟件操作并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，學(xué)會(huì)判斷結(jié)果及結(jié)構(gòu)的分析，學(xué)會(huì)建立機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，合理選用優(yōu)化方法，獨(dú)立的解決機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際問(wèn)題。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚?duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的理解掌握幾種常用的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠熟練使用ANSYS軟件操作，培養(yǎng)學(xué)生解決案例的能力培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法解決機(jī)械工程中的具體實(shí)例三、實(shí)驗(yàn)軟件及設(shè)備計(jì)算機(jī)一臺(tái)、一種應(yīng)用軟件如ANSYS四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)報(bào)告例題實(shí)訓(xùn)1——衍架的結(jié)構(gòu)靜力分析圖2-2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2-2衍架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖2-2衍架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 彈性模量〔也稱揚(yáng)式模量〕E=206GPa；泊松比μ=0.3； 作用力Fy=-1000N；桿件的橫截面積A=0.125m2ANSYS8.0的啟動(dòng)與設(shè)置圖2-4Preference參數(shù)設(shè)置對(duì)話框1． 啟動(dòng)。點(diǎn)擊：開(kāi)始>所有程序>ANSYS8.0>ANSYS，即可進(jìn)入ANSYS圖形用戶主界面。圖2-4Preference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2-4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)。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(guó)際公制單位。在命令輸入欄中鍵入“/UNITS，SI”，然后回車即可?！沧ⅲ篠I表示國(guó)際公制單位〕二單元類型，幾何特性及材料特性定義1．定義單元類型。2．定義幾何特性。3．定義材料特性。三衍架分析模型的建立1． 生成節(jié)點(diǎn)。圖2-2所示衍架中共有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)根據(jù)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〕。2．生成單元格。四、施加載荷1．施加位移約束。2．施加集中力載荷。圖2-14生成單元顯示圖2-14生成單元顯示五、開(kāi)始求解圖2-17求解對(duì)話框點(diǎn)擊主菜單中的“Solution>Solve>CurrentLS”,彈出對(duì)話框〔圖2-17〕，點(diǎn)擊“OK”按鈕，開(kāi)始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口〔圖2-18〕提示用戶已完成求解，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STATUSCommand窗口，點(diǎn)擊“File>Close”關(guān)閉即可。圖2-17求解對(duì)話框六、分析結(jié)果顯示圖2-19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“GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape”,彈出對(duì)話框如圖2-19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2-20所示。圖2-19顯示變形圖設(shè)置圖2-3用戶主界面圖2-21變形動(dòng)畫參數(shù)設(shè)置圖2-20用戶主界面2顯示變形動(dòng)畫。點(diǎn)擊應(yīng)用菜單〔UtilityMenu〕中的PlotCtrls>Animate>DeformedShape…,彈出對(duì)話框如圖2-21所示。選中Def+undeformed”選項(xiàng)，并在“Timedelay”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2-22是動(dòng)畫片、顯示桁架受力變形的過(guò)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2-21變形動(dòng)畫參數(shù)設(shè)置圖2-20用戶主界面圖2-23顯示支反力參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖2-22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“GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu”，彈出對(duì)話框如圖2-23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2-24所示。圖2-23顯示支反力參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖2-22動(dòng)畫仿真控制對(duì)話框4.列舉各桿件的軸向力計(jì)算結(jié)果。點(diǎn)擊主菜單中的“GeneralPostproc>ListResult>ElementSolution”，彈出對(duì)話框如圖2-25所示，在中間列表框中移動(dòng)滾動(dòng)條至最后，選擇“BySequencenum”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)桿單元所受的軸向力，如圖2-26所示，此外，還給出了最大、最小力及其圖2-22動(dòng)畫仿真控制對(duì)話況框圖2-22動(dòng)畫仿真控制對(duì)話況框圖2-24顯示支反力列表圖2-24顯示支反力列表實(shí)訓(xùn)2——三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的分析圖2-28〔a〕所示為一工字鋼梁，兩端均為固定端，其截面尺寸如圖2-28〔b〕所示，其中，。試建立該工字鋼梁的三維實(shí)體模型，并在考慮重力的清況下對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。其他參數(shù)如下：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作用于梁的上外表沿長(zhǎng)度方向中線處，為分布力，其大小Fy=-5000N一、ASSYS8.0的啟動(dòng)與設(shè)置二、單元類型、幾何特性及材料特性定義圖2-30材料特性對(duì)話框圖2-29單元類型對(duì)話框1定義單元類型。圖2-30材料特性對(duì)話框圖2-29單元類型對(duì)話框圖2-31材料特性參數(shù)對(duì)話框2．定義材料特性。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”，彈出窗口如圖2-30所示，逐級(jí)雙擊右框中“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2-31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。最后，點(diǎn)擊圖2-31所示窗口右上角“關(guān)閉”該窗口。圖2-31材料特性參數(shù)對(duì)話框三、工字鋼三維實(shí)體模型的建立1．生成關(guān)鍵點(diǎn)。圖2-32節(jié)點(diǎn)生成參數(shù)輸入對(duì)話框圖2-32節(jié)點(diǎn)生成參數(shù)輸入對(duì)話框圖2-33生成直線顯示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2-33所示。圖2-33生成直線顯示圖2-34面選擇對(duì)話框3．生成平面。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines”，彈出“直線選擇”對(duì)話框，依次點(diǎn)選1~12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。圖2-34面選擇對(duì)話框4．生成三維實(shí)體。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Modeling>>Operate>Extrude>Areas>AlongNormal”，彈出平面選擇對(duì)話框2-34，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)話框2-35，在“DIST”一欄中輸入：1〔工字鋼梁的長(zhǎng)度〕，其他保存缺省設(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2-36所示。圖2-35平面拉伸成體的參數(shù)設(shè)置五、網(wǎng)絡(luò)劃分圖2-35平面拉伸成體的參數(shù)設(shè)置圖2-38劃分網(wǎng)格后的工字鋼梁模型圖2-36工字鋼梁三維實(shí)體模型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“SizeControl”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，其他保存缺省設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。圖2-38劃分網(wǎng)格后的工字鋼梁模型圖2-36工字鋼梁三維實(shí)體模型2．接著上一步，在2-37的劃分網(wǎng)格的對(duì)話框中，選中單項(xiàng)選擇框“Hex”和“Sweep”，其他保存缺省設(shè)置，然后點(diǎn)擊“Sweep”按鈕，彈出體選擇對(duì)話框，點(diǎn)選2-36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2-38所示。五、施加載荷1．施加位移約束?！?〕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2-73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“ByLocation”選項(xiàng)，選中“Zcoordinates”單項(xiàng)選擇框，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)保存缺省設(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2-73所示對(duì)話框中選中“Zcoordinates”單項(xiàng)選擇框，在“Min,Max”參數(shù)文本框中輸入：0.2〔表示工字鋼梁的上外表〕，選中“Reselect”〔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)〕單項(xiàng)選擇框，其他參數(shù)保存缺省設(shè)置〔參見(jiàn)圖2-74〕，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外表沿長(zhǎng)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)。圖2-37網(wǎng)格劃分對(duì)話框〔2〕施加載荷。點(diǎn)擊主菜單中的“Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnLoads”，彈出“節(jié)點(diǎn)選擇”對(duì)話框〔圖2-75〕，點(diǎn)擊“PickAll”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)話框，在該對(duì)話框中的“Directionofforce/mom”一項(xiàng)中選擇：“FY,在Force/momentvalue”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〕，其他保存缺省裝置，如圖2-76所示，然后點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對(duì)話框，這樣，通過(guò)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。圖2-37網(wǎng)格劃分對(duì)話框圖2-39節(jié)點(diǎn)選擇〔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)立的對(duì)象為活動(dòng)對(duì)象〔如點(diǎn)、線、面、體、單元等〕，否那么求解會(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2-39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。假設(shè)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>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity”,在彈出對(duì)話框的“ACELY”一欄中輸入：9.8〔表示沿Y方向的重力加速度為9.8m/s，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用密度等參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算〕，其他保存缺省設(shè)置，點(diǎn)擊“OK”關(guān)閉對(duì)話框。六、求解圖2-40施加載荷時(shí)的參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊主菜單中的“Solution>Solve>CurrentLS”，在彈出對(duì)話框中點(diǎn)擊“OK”按鈕，開(kāi)始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口提示用戶已完成求解，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STATUSCommand窗口，點(diǎn)擊“File>Close”關(guān)閉即可。圖2-40施加載荷時(shí)的參數(shù)設(shè)置七、分析結(jié)果圖2-33生成直線顯示1．繪制節(jié)點(diǎn)位移云圖。點(diǎn)擊主菜單中的“GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu”，彈出對(duì)話框，選中右上列表框“Translation”欄中的“UY”選項(xiàng)，其他保存缺省設(shè)置。點(diǎn)擊“OK”按鈕，即可顯示本實(shí)訓(xùn)工字鋼梁各節(jié)點(diǎn)在重力和Fy作用下的位移云圖，如圖2-81所示。同理，通過(guò)在圖2-80所示對(duì)話框中選擇不同的選項(xiàng)，也可以繪制各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力以及沿其他方向的云圖。圖2-33生成直線顯示圖2-41節(jié)點(diǎn)位移顯示設(shè)置2．列舉各節(jié)點(diǎn)的位移解。點(diǎn)擊主菜單中的GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu”，彈出對(duì)話框如圖2-41所示，全部保存缺省設(shè)置，點(diǎn)擊