板結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)例詳解

1、板結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)例詳解1：帶孔平板結(jié)構(gòu)靜力分析本節(jié)介紹帶孔平板結(jié)構(gòu)靜力分析問(wèn)題，同時(shí)介紹布爾操作的基本用法。 問(wèn)題描述與分析有孔的矩形平板，左側(cè)邊緣固定，長(zhǎng)400mm，寬200 mm，厚度為10 mm，圓孔在板的正中心，半徑為40 mm，左側(cè)全約束，右側(cè)邊緣均布應(yīng)力1MPa，如圖8.7所示。求板的變形、位移及應(yīng)力變化情況。（材料的材料屬性為：彈性模量為300000 MPa，剪切模量為0.31。）圖8.7 帶孔的矩形平板由于小孔處邊緣不規(guī)則，本文采用PLANE82高階平面單元進(jìn)行分析。8.3.2 求解過(guò)程8.3.2.1 定義工作目錄及文件名啟動(dòng)ANSYS Mechanical APDL Pro

2、duct Launcher窗口，如圖8.8所示。在License下拉選框中選擇ANSYS Multiphysics產(chǎn)品，在Working Directory輸入欄中輸入工作目錄：C:ANSYS12.0 Structural Finite Elements Analysis and PracticeChapter 88-1，在Job Name一欄中輸入工作文件名：Chapter8-1。以上參數(shù)設(shè)置完畢后，單擊Run按鈕運(yùn)行ANSYS。圖8.8 ANSYS設(shè)置窗口菜單可以先在目標(biāo)文件位置建立工作目錄，然后單擊Browse按鈕選擇工作目錄；也可以通過(guò)單擊Browse按鈕選擇工作文件名。8.3.2.2

3、 定義單元類型和材料屬性選擇Main MenuPreferences命令，出現(xiàn)Preferences for GUI Filtering對(duì)話框，如圖8.9所示，在Individual discipline(s) to show in the GUI中勾選Structural，過(guò)濾掉ANSYS GUI菜單中與結(jié)構(gòu)分析無(wú)關(guān)的選項(xiàng)，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖8.9 Preferences for GUI Filtering對(duì)話框選擇Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Types對(duì)話框，如圖8.10所示，單擊Add

4、按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types對(duì)話框，在Library of Element Types列表框中選擇Structural Solid中的Quad 8node 82單元，如圖8.11所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框，單擊Element Types對(duì)話框上的Options按鈕，彈出PLANE 82 element type options對(duì)話框，在Element behavior K3 項(xiàng)下拉菜單中選擇PLANE strs w/thk，如圖8.12所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框，單擊Close按鈕關(guān)閉Element Types對(duì)話框。圖8.10 Element Types

5、對(duì)話框圖8.11 Library of Element Types對(duì)話框圖8.12 PLANE 82 element type options對(duì)話框PLANE82是8節(jié)點(diǎn)的四邊形單元，是平面4節(jié)點(diǎn)PLANE42的高階形式，更適合有曲線邊界的模型，對(duì)于本問(wèn)題，我們需要有厚度的平面應(yīng)力單元，所以選擇了PLANE82單元。在PLANE82選項(xiàng)設(shè)置窗口中選擇PLANE strs w/thk使得我們可以設(shè)置板的厚度。設(shè)置材料屬性。選擇Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，出現(xiàn)Define Material Models Behavior

6、對(duì)話框，在Material Models Available一欄中依次點(diǎn)擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic選項(xiàng)，如圖8.13所示，出現(xiàn)Linear Isotropic Propeties for Material Number 1對(duì)話框，在EX輸入欄中輸入300000，在PRXY輸入欄中輸入0.31，如圖8.14所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。在Define Material Models Behavior對(duì)話框上選擇MaterialExit命令，關(guān)閉該對(duì)話框。圖8.13 Define Material Models Behavior對(duì)話框圖8.14 Li

7、near Isotropic Propeties for Material Number 1對(duì)話框設(shè)置實(shí)常數(shù)。選擇Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Real Constants對(duì)話框，如圖8.15所示，單擊Add按鈕，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Real Constant Set Number 1, for PLANE82對(duì)話框，在Thickness THK輸入欄中輸入10，如圖8.16所示，單擊OK按鈕關(guān)閉Real Constant Set Number 1, for PLANE82對(duì)話框，單擊Close按鈕關(guān)閉Real Co

8、nstants對(duì)話框。圖8.15 Real Constants對(duì)話框 圖8.16 Real Constant Set Number 1, for PLANE82對(duì)話框選擇Utility MenuFileSave as Jobname.db命令，保存上述操作過(guò)程。此操作為保存，也可通過(guò)鼠標(biāo)單擊按鈕或按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。8.3.2.3 創(chuàng)建幾何模型不采取由點(diǎn)建面的方式，而是采用菜單操作方式直接創(chuàng)建矩形面。菜單路徑為Main Menu Preprocessor Modeling Create Area Rectangle By Dimensions，彈出Create Rectangle by Dimensi

9、ons對(duì)話框，輸入矩形的相關(guān)參數(shù)，如圖8.17所示。單擊OK按鈕，將創(chuàng)建一個(gè)矩形，其左下角坐標(biāo)為（0, 0），右上角坐標(biāo)為（400, 200），如圖8.18所示。圖8.17 Create Rectangle by Dimensions對(duì)話框圖8.18 創(chuàng)建矩形后的結(jié)果創(chuàng)建圓。執(zhí)行Main MenuPreprocessorModelingCreateArea Rectangle By Dimensions命令，彈出Solid Circular Area對(duì)話框，輸入圓的相關(guān)參數(shù)，如圖8.19所示。單擊OK按鈕，將創(chuàng)建一個(gè)圓，圓心坐標(biāo)為（200, 100），半徑為40。圖8.19 Solid Cir

10、cular Area對(duì)話框利用布爾操作中的減操作從矩形中減去圓。選擇Main MenuPreprocessorModeling OperateBooleansSubtractAreas命令，彈出Subtract Areas拾取框，如圖8.20所示，用鼠標(biāo)選取基本面矩形（盡量選擇邊上），單擊Apply按鈕，再用鼠標(biāo)選擇被減的面圓形，單擊Subtract Areas窗口上的OK按鈕，減操作完成，生成ANSYS圖形結(jié)果如圖8.21所示。圖8.20 Subtract Areas拾取框 圖8.21 減操作完成后圖形顯示結(jié)果至此，我們已經(jīng)完成了帶孔矩形板幾何模型的建立，選擇Utility MenuFile

11、Save as Jobname.db命令，保存上述操作過(guò)程。8.3.2.4 劃分網(wǎng)格選擇Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManual SizeAreasAll Areas命令，彈出Element Sizes on All Selected Areas對(duì)話框，如圖8.22所示，指定網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5。至于5是否合適，可以根據(jù)劃分網(wǎng)格大小和計(jì)算結(jié)果是否收斂而繼續(xù)調(diào)整。圖8.22 Element Sizes on All Selected Areas對(duì)話框劃分網(wǎng)格。選擇Main MenuPreprocessorMeshingMeshAreasFree命令，彈出

12、Mesh Aeras拾取對(duì)話框，如圖8.23所示，選擇需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖8.24所示。圖8.23 Mesh Areas拾取框 圖8.24 網(wǎng)格劃分后的結(jié)果至此，我們已經(jīng)完成了帶孔矩形板有限元模型的劃分，選擇Utility MenuFileSave as Jobname.db命令，保存上述操作過(guò)程。8.3.2.5 加載求解對(duì)平板的左側(cè)邊緣進(jìn)行固定約束。選擇Main MenuSolutionDefine LoadsApply StructuralDisplacementOn Lines命令，出現(xiàn)Apply U,ROT on Lines拾取菜單，如圖8.25所示，用鼠標(biāo)拾取

13、最左側(cè)的邊，單擊Apply按鈕，出現(xiàn)Apply U,ROT on Lines對(duì)話框，在Lab2 DOFs to be constrained列表框中選擇ALL DOF，如圖8.26所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖8.25 Apply U,ROT on Lines拾取菜單 圖8.26 Apply U,ROT on Lines對(duì)話框選擇Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn lines命令，出現(xiàn)Apply Pressure on Lines拾取菜單，如圖8.27所示，用鼠標(biāo)最右側(cè)線，單擊Apply按鈕，彈出Apply Pres

14、sure on Lines對(duì)話框，在VALUEA Load PRES value一欄中輸入-1，如圖8.28所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。ANSYS窗口顯示施加約束荷載后的結(jié)果如圖8.29所示。圖8.27 Apply Pressure on Lines拾取菜單 圖8.28 Apply Pressure on Lines對(duì)話框圖8.29 施加約束荷載后的結(jié)果因?yàn)榫級(jí)毫Φ闹赶驗(yàn)楸畴x平板，所以壓力值為負(fù)，表示邊緣受拉選擇Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，出現(xiàn)New Analysis對(duì)話框，選擇分析類型為Static，如圖8.30所示，單擊O

15、K按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖8.30 New Analysis對(duì)話框選擇Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，如圖8.31所示，單擊OK按鈕，ANSYS開(kāi)始求解計(jì)算。圖8.31 Solve Current Load Step對(duì)話框求解結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)Note對(duì)話框，如圖8.32所示，單擊Colse按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖8.32 Note對(duì)話框選擇Utility MenuFileSave as Jobname.db命令，保存上述操作過(guò)程。至此，加載及求解過(guò)程結(jié)束，下面開(kāi)始查看和分析結(jié)果。8.3.2.6 查看求解結(jié)果選擇

16、Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，出現(xiàn)Plot Deformed Shape對(duì)話框，在KUND Items to be plotted選項(xiàng)中選擇Def + undeformed選項(xiàng)，如圖8.33所示，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口將顯示變形后的幾何形狀和未變形的幾何形狀，如圖8.34所示。圖8.33 Plot Deformed Shape對(duì)話框圖8.34 變形后的幾何形狀和未變形形狀顯示選擇Main MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu命令，出現(xiàn)List React

17、ion Solution對(duì)話框，在Lab Item to be listed列表框中選擇All struc force F，如圖8.35所示，單擊OK按鈕，出現(xiàn)支座節(jié)點(diǎn)反作用力結(jié)果列表，如圖8.36所示。圖8.35 List Reaction Solution對(duì)話框圖8.36 支座節(jié)點(diǎn)反作用力結(jié)果列表選擇Main MenuGeneral postprocPlot resultsContour plotNodal Solu命令，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，然后選擇窗口中DOF solution選項(xiàng)下的Displacement vector sum，如圖8.3

18、7所示，得出結(jié)構(gòu)的總體位移云圖，如圖8.38所示。圖8.37 Contour Nodal Solution Data對(duì)話框圖8.38 結(jié)構(gòu)的總體位移云圖選擇Main MenuGeneral PostprocPlot results Contour plotNodal Solu命令，彈出Contour Nodal Solution Data窗口，選擇Stress下的von Mises stress，如圖8.39所示，單擊OK按鈕，得到Mises等效應(yīng)力云圖，如圖8.40所示。圖8.39 Contour Nodal Solution Data對(duì)話框圖8.40 結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力云圖列表顯示von Mises等效應(yīng)力，以查看特