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)會判斷結(jié)果及結(jié)構(gòu)的分析，學(xué)會建立機(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)際問題。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚C(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、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)簡圖圖2-2衍架結(jié)構(gòu)簡圖 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的啟動與設(shè)置圖2-4Preference參數(shù)設(shè)置對話框1． 啟動。點(diǎn)擊：開始>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”對話框，選中“Structural”復(fù)選框，點(diǎn)擊“OK”按鈕，關(guān)閉對話框，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，以簡化主菜單中各級子菜單的結(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、開始求解圖2-17求解對話框點(diǎn)擊主菜單中的“Solution>Solve>CurrentLS”,彈出對話框〔圖2-17〕，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2-18〕提示用戶已完成求解，點(diǎn)擊“Close”按鈕關(guān)閉對話框即可。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變形動畫參數(shù)設(shè)置圖2-20用戶主界面2顯示變形動畫。點(diǎn)擊應(yīng)用菜單〔UtilityMenu〕中的PlotCtrls>Animate>DeformedShape…,彈出對話框如圖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是動畫片、顯示桁架受力變形的過程，右邊窗口是動畫顯示的控制窗口，可以暫停，也可以拖動顯示進(jìn)度條。圖2-21變形動畫參數(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)置對話框圖2-22動畫仿真控制對話框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)置對話框圖2-22動畫仿真控制對話框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”，彈出對話框如圖2-25所示，在中間列表框中移動滾動條至最后，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動畫仿真控制對話況框圖2-22動畫仿真控制對話況框圖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度方向中線處，為分布力，其大小Fy=-5000N一、ASSYS8.0的啟動與設(shè)置二、單元類型、幾何特性及材料特性定義圖2-30材料特性對話框圖2-29單元類型對話框1定義單元類型。圖2-30材料特性對話框圖2-29單元類型對話框圖2-31材料特性參數(shù)對話框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，逐級雙擊右框中“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”前圖標(biāo)，彈出下一級對話框，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，回到上一級對話框，然后，雙擊右框中的“Density”選項(xiàng)，在彈出對話框的“DENS”一欄中輸入材料密度：7800，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對話框。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)輸入對話框圖2-32節(jié)點(diǎn)生成參數(shù)輸入對話框圖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”對話框，依次點(diǎn)選1~12直線，點(diǎn)擊“OK”按鈕關(guān)閉對話框，即可生成工字鋼的橫截面。圖2-34面選擇對話框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。之后彈出另一對話框2-35，在“DIST”一欄中輸入：1〔工字鋼梁的長度〕，其他保存缺省設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對話框，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)為活動節(jié)點(diǎn)〕單項(xiàng)選擇框，其他參數(shù)保存缺省設(shè)置〔參見圖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)對話框，在該對話框中的“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。圖2-37網(wǎng)格劃分對話框圖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)立的對象為活動對象〔如點(diǎn)、線、面、體、單元等〕，否那么求解會出錯。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)會自動利用密度等參數(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”，在彈出對話框中點(diǎn)擊“OK”按鈕，開始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口提示用戶已完成求解，點(diǎn)擊“Close”按鈕關(guān)閉對話框即可。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，通過在圖2-80所示對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”，彈出對話框如圖2-41所示，全部保存缺省設(shè)置，點(diǎn)擊