有限元分析实验报告.doc

1、有限元分析实验报告一、实验基本要求根据实验指导书的要求能够独立的使用ANSYS软件操作并在计算机上运行，学会判断结果及结构的分析，学会建立机械优化设计的数学模型，合理选用优化方法，独立的解决机械优化设计的实际问题。二、实验目的1. 加深对机械优化设计方法的理解2. 掌握几种常用的最优化设计方法3. 能够熟练使用ANSYS软件操作，培养学生解决案例的能力4. 培养学生灵活运用优化设计方法解决机械工程中的具体实例三、实验软件及设备计算机一台、一种应用软件如ANSYS四、实验内容实验报告例题实训1衍架的结构静力分析图2-2所示为由9个杆件组成的衍架结构，两端分别在1，4点用铰链支承，3点受到一个方向

2、向下的力Fy ,衍架的尺寸已在图中标出，单位： m。试计算各杆件的受力。图2-2 衍架结构简图其他已知参数如下: 弹性模量（也称扬式模量）E=206GPa；泊松比=0.3；作用力Fy =-1000N；杆件的横截面积A=0.125m2.一、 ANSYS8.0的启动与设置图2-4 Preference参数设置对话框1启动。点击：开始所有程序 ANSYS8.0 ANSYS，即可进入ANSYS图形用户主界面。2功能设置。电击主菜单中的“Preference”菜单，弹出“参数设置”对话框，选中“Structural”复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2-4所示。本步骤的目的是为了仅使用该软件的结

3、构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。3系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS，SI”，然后回车即可。（注：SI表示国际公制单位）二 单元类型，几何特性及材料特性定义1定义单元类型。2定义几何特性。3定义材料特性。三 衍架分析模型的建立1生成节点。图2-2所示衍架中共有6个节点，其坐标根据已知条件容易求出如下：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 生成单元格。四、施加载荷1施加位移约束。2施加集中力载荷。图2-14 生成单元

4、显示五、开始求解图2-17 求解对话框点击主菜单中的“SolutionSolveCurrent LS”,弹出对话框（图2-17），点击“OK”按钮，开始进行分析求解。分析完成后，又弹出一信息窗口（图2-18）提示用户已完成求解，点击“Close”按钮关闭对话框即可。至于在求解时产生的STATUS Command窗口，点击“FileClose”关闭即可。六、分析结果显示图2-19 显示变形图设置图2-3 用户主界面1显示变形图。点击主菜单中的“General PostprocPlot ResultsDeformed Shape”,弹出对话框如图2-19所示。选中“Def + undeformed

5、”选项，并点击“OK”按钮，即可显示本实训桁架结构变形前后的结果，如图2-20所示。图2-21 变形动画参数设置图2-20 用户主界面2显示变形动画。点击应用菜单（Utility Menu）中的Plot Ctrls AnimateDeformed Shape,弹出对话框如图2-21所示。选中Def+undeformed”选项，并在“Time delay”文本框中输入：0.1,然后点击“OK”按钮，即可显示本实训桁架结构的变性动画。由于集中力FY作用在3节点上，因此，3节点产生的位移最大。图2-22是动画片、显示桁架受力变形的过程，右边窗口是动画显示的控制窗口，可以暂停，也可以拖动显示进度条。图

6、2-23 显示支反力参数设置对话框图2-22 动画仿真控制对话框3列举支反力计算结果。点击主菜单中的“General PostprocList Results Reaction Solu”，弹出对话框如图2-23所示。接受缺省设置，点击“OK”按钮关闭对话框，并弹出一列表窗口，显示了两铰链点（1、4节点）所受的支反力情况，如图2-24所示。4.列举各杆件的轴向力计算结果。点击主菜单中的“General PostprocList Result Element Solution”，弹出对话框如图2-25所示，在中间列表框中移动滚动条至最后，选择“By Sequence num”选项，右上列表框中选

7、择“SMISC”选项，右下文本框中输入“SMISC，1”，点击“OK”按钮关闭对话框，并弹出一列表窗口，显示了9个杆单元所受的轴向力，如图2-26所示，此外，还给出了最大、最小力及其图2-22 动画仿真控制对话况框发生位置。图2-24 显示支反力列表实训2三维实体结构的分析图2-28（a）所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸如图2-28（b）所示，其中，。试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的清况下对其进行结构静力分析。其他已知参数如下：弹性模量（也称杨式模量） E= 206GPa；泊松比； 材料密度；重力加速度；作用力Fy作用于梁的上表面沿长度方向中线处，为分布力，其大小Fy

8、=-5000N 一、ASSYS8.0的启动与设置二、单元类型、几何特性及材料特性定义图2-30 材料特性对话框图2-29 单元类型对话框1定义单元类型。图2-31 材料特性参数对话框2定义材料特性。点击主菜单中的 “PreprocessorMaterial Props Material Models”，弹出窗口如图2-30所示，逐级双击右框中“Structural Linear Elastic Isotropic”前图标，弹出下一级对话框，在“弹性模量”（EX）文本框中输入：2.06e11，在“泊松比”（PRXY）文本框中输入：0.3，如图2-31所示，点击“OK”按钮，回到上一级对话框，然后

9、，双击右框中的“Density”选项，在弹出对话框的“DENS”一栏中输入材料密度：7800，点击“OK”按钮关闭对话框。最后，点击图2-31所示窗口右上角“关闭”该窗口。三、工字钢三维实体模型的建立1生成关键点。图2-32 节点生成参数输入对话框图2-33 生成直线显示2生成直线。点击主菜单中的“PreprocessorModelingCreate Lines LinesStraightLine”，弹出关键点选择对话框，依次点选关键点1、2，点击“Apply”按钮，即可生成第一条直线。同理，分别点击2、3；3、4；4、5；5、6；6、7；7、8；8、9；9、10；10、11；11、12；12

10、、1可生成其余11条直线。生成后的组成工字钢梁横截面的直线如图2-33所示。图2-34 面选择对话框3生成平面。点击主菜单中的“PreprocessorModelingCreate AreasArbitraryBy Lines”，弹出“直线选择”对话框，依次点选112直线，点击“OK”按钮关闭对话框，即可生成工字钢的横截面。4生成三维实体。点击主菜单中的“PreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Normal”，弹出平面选择对话框2-34，点选上一步骤生成的平面，点击“OK”按钮。之后弹出另一对话框2-35，在“DIST”一栏中输入：1（工字钢梁

11、的长度），其他保留缺省设置，点击OK按钮关闭对话框，即可生成工字钢梁的三维实体模型。如图2-36所示。图2-35 平面拉伸成体的参数设置五、网络划分图2-38 划分网格后的工字钢梁模型图2-36 工字钢梁三维实体模型1设定单元大小。点击主菜单中的“PreprocessorMeshingMeshTool”,弹出对话框，在“Size Control”标签中的Global一栏点击Set按钮，弹出 “网格尺寸设置”对话框，在SIZE一栏中输入：0.02，其他保留缺省设置，点击OK按钮关闭对话框。2接着上一步，在2-37的划分网格的对话框中，选中单选框“Hex”和“Sweep”，其他保留缺省设置，然后点

12、击“Sweep”按钮，弹出体选择对话框，点选2-36中的工字钢梁实体，并点击OK按钮，即可完成对整个实体结构的网格划分，其结果如2-38所示。五、施加载荷1施加位移约束。（1）选择施力节点。点击应用菜单中的“SelectEntities.”，弹出对话框如图2-73所示，在第一个列表框中选择“Nodes”选项，第二个列表框中选择“By Location”选项，选中“Zcoordinates”单选框，并在“Min,Max”参数的文本框中输入：0.5（表示选择工字钢梁沿的中间横截面上的所有节点），其他参数保留缺省设置，点击“Apply”按钮完成选择。点击“Plot”按钮，在显示窗口上显示出工字钢梁中

13、间横截面上的所有节点。然后，在图2-73所示对话框中选中“Zcoordinates”单选框，在“Min,Max”参数文本框中输入：0.2（表示工字钢梁的上表面），选中“Reselect”（表示在现有活动节点即上述选择的中间横截面中，再选择y坐标等于0.2的节点为活动节点）单选框，其他参数保留缺省设置（参见图2-74），然后依次点击“Apply” 和“Plot”按钮，即可在显示窗口上显示出工字钢梁上表面沿长度方向中线处的一组节点，这组节点即为施力节点。图2-37 网格划分对话框（2）施加载荷。点击主菜单中的“PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructural

14、Force/MomentOn Loads”，弹出“节点选择”对话框（图2-75），点击“Pick All”按钮，即可选中（1）中所选择的这组需要施力的节点，之后弹出另一个对话框，在该对话框中的“Direction of force/mom”一项中选择：“FY,在Force/moment value”一项中输入：-5000（注：负号表示力的方向与Y的方向相反），其他保留缺省装置，如图2-76所示，然后点击“OK”按钮关闭对话框，这样，通过在该组节点上施加与Y向相反的作用力，就可以模拟该实训中所要求的分布力Fy =-5000N。图2-39 节点选择（3）恢复选择所有节点。在求解之前必须选择所有已创

15、建的对象为活动对象（如点、线、面、体、单元等），否则求解会出错。因此，点击应用菜单中的“SelectEverything”，即可完成该项工作。需要注意的是，此时显示窗口仅显示施力节点及作用力的方向箭头。若要显示整个工字钢梁的网络模型，可点击应用菜单中的“PlotElements”即可。3施加重力载荷。点击主菜单中的“PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravity”,在弹出对话框的“ACELY”一栏中输入：9.8（表示沿Y方向的重力加速度为9.8m/s，系统会自动利用密度等参数进行分析计算），其他保留缺省设置，点击“OK”关闭

16、对话框。六、求解图2-40 施加载荷时的参数设置点击主菜单中的“SolutionSolveCurrent LS”，在弹出对话框中点击“OK”按钮，开始进行分析求解。分析完成后，又弹出一信息窗口提示用户已完成求解，点击“Close”按钮关闭对话框即可。至于在求解时产生的STATUS Command窗口，点击“FileClose”关闭即可。七、分析结果图2-33 生成直线显示1绘制节点位移云图。点击主菜单中的“General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu”，弹出对话框，选中右上列表框“Translation”栏中的“UY”选项，其他保留缺省设

17、置。点击“OK”按钮，即可显示本实训工字钢梁各节点在重力和Fy作用下的位移云图，如图2-81所示。同理，通过在图2-80所示对话框中选择不同的选项，也可以绘制各节点的应力以及沿其他方向的云图。图2-41 节点位移显示设置2列举各节点的位移解。点击主菜单中的General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu”，弹出对话框如图2-41所示，全部保留缺省设置，点击“OK”按钮关闭对话框，并弹出一列表窗口，显示了该工字钢梁各节点的位移情况，显然，由于受力方向为y方向，因此，从窗口数据看出，各节点沿y的位移最大。3显示变形动画。点击应用菜单(Utilit

18、yMenu)中的“Plot CtrlsAnimateDeformed Results.)，在弹出的对话框中的“Time delay”文本框中输入：0.1，并选中右列表框中的“UY”选项，其他保留缺省设置，点击“OK”按钮关闭对话框，即可显示本实训工字钢梁的变形动画。由于分布力Fy作用于梁中间，可以看出Fy对梁的局部作用过程。图2-42 节点变形云图实训3使用UG进行优化设计1. 打开UG6.0.创建一实体2. 新建FEM和仿真3. 确定固定面，加载力。4. 选择材料5. 3D网络化6.求解7.后处理五、实验心得或体会 通过这次的优化实验，我能够更加熟练的操作ANSYS软件，对机械优化设计方法的基本理论和算法步骤的理解更加深刻，学会了几种常见的优化方法，自己独立操作的能力大大提高，能够初步解决一些基本的工程案例，了解了优化的一般的编写步骤，学会判断结果及程序的正确性，建立基本的数学模型，合理选用优化方法，但是在做实验报告中也存在一些问题，往往考虑模型时思考不够全面，熟练改正错误的能力还有待提高，这次的实验收获很大，了解到了优化方法在工程实例中有着重要的作用。