有限元大作業(yè)

1、 有限元上機作業(yè)作 者: 學 號： 學院(系):機械工程專 業(yè):機械工程及自動化題 目:有限元上機作業(yè) 年 月1、下圖所示為一個支座類零件的結構示意圖，要求用ANSYS軟件建立相應的實體模型和有限元離散模型，說明所用單元的種類、單元數和節(jié)點總數。（單位：mm）解：1. 定義文件名和更改根目錄文件名work1，目錄D:Program FilesAnsys Incworks. 圖1. 定義文件名和更改根目錄2. 定義單元類型單元類型為8節(jié)點長方體單元Solid Brick 8 node 185 。圖2.定義單元類型3. 建模（1）建立底座。首先創(chuàng)建長方體36x70x10，然后對四個邊面倒圓，面割體

2、，刪除四個邊角體，接著創(chuàng)建四個圓柱，最后布爾運算SubtractVolumes，得到四個底座圓孔。圖3.1 創(chuàng)建長方體 圖3.2 四邊倒圓角 圖3.3 創(chuàng)建四個圓柱孔（2）創(chuàng)建空心圓柱。把WP移至XZ平面，建空心圓柱，對底座和空心圓柱進行布爾運算：DivideVolume by Area，接著Delete多余的體，最后對底座和空心圓柱進行Add操作。圖3.4 空心圓柱效果圖（3）創(chuàng)建肋板。把WP移至適當位置，創(chuàng)建長方體35x29x7，空心圓柱外表面切割長方體，刪除多余的體，然后創(chuàng)建斜截面，切割體、刪除體得到三角肋板，接著建立局部坐標系、執(zhí)行mirror鏡像生成的體，最后對所有體進行Add操作。

3、 圖3.5 創(chuàng)建一側肋板及對稱后效果圖（4）創(chuàng)建凸體。把WP移至凸體外圓孔中心處，創(chuàng)建長方體22x38x22，空心圓柱內表面切割長方體，刪除多余的體，然后創(chuàng)建凸體圓孔，最后對所有體進行Add操作。圖3.6 創(chuàng)建凸體圖3.7 創(chuàng)建凸體圓孔后最終效果圖4. 劃分網格選擇Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool,選擇自由網格劃分，smart size系數為4，之后點擊Mesh，選中目標體，確定劃分。 圖4.1 網格劃分參數選擇及網格劃分效果5. 查看信息選擇Utility MenuListStatusGlobal Status , 彈出Txt文件，里面包含有各種信息。

4、圖5. 網格化后信息結論：單元數：241565 ；節(jié)點數：43854 ；單元類型：Solid Brick 8 node 185. 421801551329050305414單齒的結構示意圖圓心角p/14圓心角p/28圓心角p/482下圖所示為一個直齒圓柱齒輪的結構示意圖（單位mm），齒數Z=28個。要求用ANSYS軟件建立相應的實體模型和有限元離散模型，說明所用單元的種類、單元數和節(jié)點總數。解：1. 定義文件名和更改根目錄文件名work2，目錄D:Program FilesAnsys Incworks.2. 定義單元類型單元類型為10節(jié)點四面體單元Solid187 。3. 建模（1）創(chuàng)建單齒。

5、首先創(chuàng)建外半徑77.5，內半徑66弧度為180/14的部分環(huán)面。接著創(chuàng)建直線L9，L10及弧線L6，刪除L8，然后創(chuàng)建面。之后拉伸42成單齒。 圖2.1 創(chuàng)建邊線圖2.2 創(chuàng)建面圖2.3 拉伸成單齒（2） 創(chuàng)建齒輪。將坐標系轉為柱坐標系，回轉（即復制命令）單齒,最后對所有體執(zhí)行Add操作。圖2.4 創(chuàng)建齒輪（3） 創(chuàng)建輪轂。將坐標系轉為柱坐標系，WP調為合適位置，建立空心圓柱。圖2.5 創(chuàng)建輪轂（4） 創(chuàng)建腹板。在柱坐標系下，建立實心腹板。圖2.6 創(chuàng)建腹板（5） 接著建立孔圓柱，然后進行布爾運算創(chuàng)建孔，接著用同樣方法創(chuàng)建其余四個孔。 圖2.7 建立圓柱 圖2.8 創(chuàng)建孔圖2.9 創(chuàng)建其余四個

6、孔4. 劃分網格選擇Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool,選擇自由網格劃分，smart size系數為1，之后點擊Mesh，選中目標體，確定劃分。圖2.10 劃分網格5. 查看信息 圖2.11 網格化后信息結論：單元數：11912 ；節(jié)點數：22533 ；單元類型：Solid Tet 10 node 185.3圖示四邊固定的鋁板，在中央處放置一個圓柱體鋼錠。鋼錠直徑為5cm，高為2.5cm。鋼錠上表面作用著100MPa的外壓；正方形鋁板邊長20cm，厚為2.5cm。已知靜摩擦因數；鋁的材料參數，；鋼的材料參數，。研究鋼錠和鋁板的變形和應力情況。鋁板鋼錠解：1

7、. 定義文件名和更改根目錄文件名work3，目錄D:Program FilesAnsys Incworks.2. 定義計算類型選擇Main ManuPreferences,勾選Structural。3. 定義單元類型和材料屬性單元類型為20節(jié)點六面體單元Solid95.之后根據條件設置材料屬性。由于長度單位設定為毫米，故有如下參數：鋼：E=2e5 N/mm2,=0.27,=7.8e-6 kg/mm3 鋁：E=0.7e5 N/mm2,=0.33,=2.7e-6 kg/mm3圖3.1 材料屬性設置4. 建模正方形板邊長200mm，厚度25mm。圓柱直徑50mm，高25mm。圖3.2 建立模型5.網

8、格劃分首先在MeshTool Attributes中對上表面的圓柱使用材料1（鋼），并使用smart size為1的自由劃分網格。之后對下表面的正方形板用同樣方法使用材料2（鋁），smart size為1的自由劃分網格。圖3.3 設置材料屬性 圖3.4 網格劃分6.創(chuàng)建接觸對顯示面編號，打開接觸對管理窗口Contact Manager，點擊Contact Wizard，依次選中長方體與中圓柱接觸的兩個面，設置摩擦系數Coefficient of Friction為0.2，點擊Creat創(chuàng)建接觸對。圖3.5 管理窗口Contact Manager 圖3.6 設置摩擦系數 圖3.7 接觸面對圖5.

9、 加載和求解選擇PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructural,在長方體四周施加全約束，位移值為0；在上圓柱頂面施加均布壓力100MPa。選擇SolveCurrent LS,開始求解。 圖3.8 長方體四邊施加全約束圖3.9 在圓柱頂面施加壓力6. 查看信息整體變形：圖3.10 整體變形圖（1） 圖3.11整體變形圖（2）全矢量位移（DOF）：圖3.12 全矢量位移圖（1）圖3.13 全矢量位移圖（2）Z軸位移：圖3.14 z軸位移圖Z軸應力：圖3.15 z軸應力圖Mises應力：MSIES應力圖（1）MISES應力圖（2）4、利用有限元軟件研究下圖中

10、輪子的受力分析應力和應變。輪子僅承受軸旋轉角速度的作用。已知角速度為，材料，圖示尺寸每單位為10cm，不考慮自重影響。解：1. 定義文件名和更改根目錄文件名work4，目錄D:Program FilesAnsys Incworks.2. 定義計算類型選擇Main ManuPreferences,勾選Structural。3. 定義單元類型和材料屬性單元類型為20節(jié)點六面體單元Solid95.之后根據條件設置材料屬性。長度單位設定為米，故有如下參數：彈性模量=2e11pa，泊松比=0.3，密度=7800kg/m3.圖4.1 設置材料屬性4. 建模(1)首先輸入關鍵點坐標建立關鍵點，在連接各點。(

11、2)在需要倒圓角處倒圓角。(3)以邊線為基準創(chuàng)建截面。(4)由于輪轂結構中心對稱，故選取其1/8部分為研究對象。所以Y軸為基準，旋轉截面45。 圖4.2 連接基本點 圖4.3 創(chuàng)建圓角圖4.4 創(chuàng)建截面 圖4.5 旋轉截面(5)旋轉坐標系：wprot,0,90,0,以及wprot,-22.5,0,0使Z軸平行于輪轂中心軸，X軸指向所得旋轉體中間對稱軸，創(chuàng)建直徑等于孔徑大小的長圓柱，在通過幾何體subtract運算減去圓柱獲得孔。 圖4.6 創(chuàng)建圓柱 圖4.7 創(chuàng)建孔4. 網格劃分采用自由網格，smart size=1.圖4.8 劃分網格5. 加載并求解（1）首先在旋轉體兩端的截面設置加載對稱約

12、束。如下圖：圖4.9 施加對稱約束（2）在輪轂內側邊線上施加UY=0.（3）施加旋轉角速度：執(zhí)行Main Menu Solution Define LoadsApplyStructuralInertial Angular VelocityGlobal，在彈出的對話框中的OMEGY文本框中輸入525，確定。（4） 選擇PCG迭代求解器：執(zhí)行Main Menu Solution Analysis TypeSoln Controls命令，在彈出的對話框中，選擇“Pre-condition CG”，確定。 圖4.10 定義旋轉角速度 圖4.11選擇PCG迭代求解器（1） 求解運算。6. 查看信息（1）

13、整體變形如下，虛線表示原始狀態(tài)形狀：圖4.12 整體變形圖（2）整體（DOF）應變等值線圖如下，從中可知應變最大值為0.003733，在輪轂外側邊緣處；最小值為0.001603，位于輪轂內側邊緣處。圖4.13 整體應變圖（3）MISES應力云圖如下，從中可看出應力最大值為2.54GPa，分布于內孔表面沿輪轂直徑方向處；應力最小值為0.0451GPa，分布于內孔表面沿輪轂環(huán)向方向處。圖4.14 MSIES應力云圖5圖示剛架結構，桿件均為相同的鋼管，內外半徑為和，材料，密度。試用有限元軟件計算：（1）結構的前5階固有頻率和固有振型；（2）圖示在結構頂端的二個節(jié)點上作用動載荷，繪出結構在不同時刻的變

14、形圖和等效應力云圖。3m3m3m3m3m3m3mzxzyF-1012340t(s)F(KN)1020解：1. 定義文件名和更改根目錄文件名work5，目錄D:Program FilesAnsys Incworks.2 定義計算類型選擇Main ManuPreferences,勾選Structural。3 定義單元類型和材料屬性單元類型為2節(jié)點梁單元beam188.之后根據條件設置材料屬性。長度單位設定為米，故有如下參數：彈性模量=2e11pa，泊松比=0.27，密度=7800kg/m3.4. 設定梁單元參數 在beam tool對話框中設定如圖5.3：圖5.1 設定彈性模量和泊松比 圖5.2

15、設定密度 圖5.3 設定梁單元參數 圖5.4 繪制鋼架連接點6. 建模先創(chuàng)建三個關鍵點，然后通過Copy命令獲取其他9個關鍵點，接著連接各點創(chuàng)建直線。圖5.5 連好線后的模型7. 網格劃分采用自由網格劃分，smart size=1.圖5.6 劃分網格后的模型8. 加載并求解（）施加底端，方向約束。圖. 施加約束后的模型（）瞬態(tài)動力學分析1)設定分析類型 執(zhí)行Main MenuSolutionAnalysis Typenew analysis, 在彈出的對話框中勾選Modal。2) 設定載荷步選項執(zhí)行Main MenuSolutionanalysis options，在彈出的對話框中設置參數如下

16、圖5.8.3）計算求解4）查看結果 顯示固有頻率，執(zhí)行Main MenuGeneral PostprocResults Summary命令，將列表顯示各個模態(tài)，每個模態(tài)都保存在單獨的子步中，如圖5.9。 各階的固有振型如圖5.10-5.14.圖5.8 選定模態(tài)分析方法圖5.9 前5階固有頻率 圖5.10 1階固有振型 圖5.11 2階固有振型 圖5.12 3階固有振型 圖5.13 4階固有振型圖5.14 5階固有振型（2） 瞬態(tài)分析 1）設定分析類型及分析方法。執(zhí)行Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，在彈出的對話中勾選Transient，在隨后彈出的對話框Transient Analysis中選擇Full。2）設定第一載荷步。執(zhí)行Main MenuSolutionAnsys TypeSoln Controls，在彈出的對話框中參數設定如圖。圖5.15 設定第一載荷步執(zhí)行Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Keypoints命令，拾取關鍵點，添加FX方向集中力，如下圖。圖5.16 設定載荷參數 圖5.17 施加載荷后的模型執(zhí)行Main MenuS