实验五坝体的有限元建模与应力应变分析

1、目录第一章 有限元方法实验 1实验一有限元软件的基本使用 1实验二一个悬臂梁的基本分析 5实验三平面结构的静力分析 12实验四结构瞬态分析 22实验五坝体的有限元建模与应力应变分析 28实验六平板的有限元建模与变形分析 30第二章 常用优化算法程序及示例 32实验一进退法 32实验二黄金分割法 36实验三二次插值法 40实验四共轭方向法（ Powell 法） 44实验五变尺度法 52实验六约束随机方向法 62实验七复合形法 69第三章 基于 MathCAD 的齿轮减速器的优化设计 80参考文献 87现代设计方法实验指导书第一章 有限元方法实验实验一 有限元软件的基本使用、实验目的 初步掌握有限

2、元软件的基本使用方法 了解软件进行结构分析的基本功能 了解用户界面掌握基本操作、实验设备的基本配置 实验采用有限元分析软件 ANSYS/ED版本微机安装 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系统。至少需要 200 兆硬 盘，16MB内存。 17”以上显示器，显示分辨率为 1024X768。实验步骤1、启动 ANSYS程序单击“开始”按钮，选择 “ 程 序 ”， 选 择ANSYS/ED5.X单击“ Interactive ”进 入 ANSYS交互式操作程 序，出现初始窗口如图。选择 ANSYS产品选择 ANSYS的工作目录， ANSYS所有生成的文件都 写入此目录下。选

3、择图形显示方式 , 如配 置 3D 显卡，则选择 3D。 设定初始工作文件名，缺 省为上次运行的文件名， 第一次为 file 。现代设计方法实验指导书设定 ANSYS工作空间及数据库大小。选择 Run 运行 ANSY。S2、ANSYS用户界面ANSYS软件提供友好的交互式的图形用户界面（ GUI），通过 GUI可以方便 访问程序的各种功能、命令、 联机文档和参考资料，并可以一步一步的完 成整个分析，使 ANSYS易学易用。ANSYS提供四种方法输入命令菜单对话框 工具杆 直接输入命令ANSYS有 7 个菜单窗口，如图，功能如表表 1.1 ：菜单窗口窗口名称应用菜单包含文件管理、选择、显示控制、

4、参数设置等功能。主菜单包含 ANSYS的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。输入显示提示信息，输入 ANSYS命令，所有输入命令在此显示。注意：多数命令需要带符合命令格式的参数。输出显示软件的文本输出，通常在其他窗口后面。图形显示由 ANSYS创建或传递到 ANSYS的图形。工具条将常用的命令制成工具条，方便调用。对话框用于完成操作或设定参数进行选取的窗口， 提示输入数据或 作出决定。3、ANSYS基本操作ANSYS通过一些基本操作和选择具有不同功能的处理器模块来完成一个分 析任务。 ANSYS主菜单提供了完成一个工程分析所必须的处理器模块，它包 括一个前处理器、一个求解器、两个后处理器和其

5、他辅助处理器等。 ANSYS 常用的处理器及其功能、操作命令如表。表 1.2 ： ANSYS常用的处理器处理器名称功能GUI命令前处理器建立有限元模型Main menuPreprocessor/Prep7求解器加载及求解Main menuSolution/Solu通用后处理 器显示特定载荷步的结果Main menuGeneralPostproc/Post1现代设计方法实验指导书时间历程处 理器显示连续载荷步的结果Main menuTimehistPostproc/Post26优化设计改进初始设计Main menuDesign Opt/OptAUX12产生热分析辐射 矩阵Main menuRad

6、iationMatrix/AUX12运行状态预测分析需要的 CPU时间及硬盘 空间等。Main menuRunTime Status/RunstANSYS使用统一的集中式数据库存储所有的模型数据和结果， 模型数据包括 实体模型、有限元模型、 材料特性等通过前处理器写入数据库， 载荷和求解 结果通过求解器写入数据库， 后处理结果通过后处理器写入数据库， 数据一 写入数据库，可以被其他的处理器调用。 ANSYS运行过程中以文件的形式保 存数据，文件格式为文本文件和二进制文件格式，常见文件如下：表 1.3 ： ANSYS常见文件类型文件扩展名文件格式含义DB二进制生成数据库文件EMAT二进制生成单元

7、矩阵文件ERR文本生成运行错误和警告的信息文件FULL二进制集成整体刚度矩阵和质量矩阵GRPH二进制生成新的图形文件LOG文本生成命令流历程文件MODE二进制生成模态矩阵OUT文本生成输出文件RST二进制生成结构分析和耦合场分析的结果文件TRI二进制生成三角化刚度矩阵ANSYS的文件操作：保存文件以当前 工作名保存，GUI 方式： Utility MenuFileSave as jobname.db换名保存， GUI 方式： Utility MenuFileSave as, 弹出的对话框 中输入文件名。恢复数据库文件恢复当前工作名数据库文件， GUI 方式：Utility MenuFileRe

8、sume 恢复其他数据库文件， GUI方式： Utility MenuFileResume from 清楚当前数据库， GUI方式： Utility MenuFileClear&start new现代设计方法实验指导书读如命令流文件， GUI方式： Utility MenuFileRead input from4、使用 ANSYS帮助系统ANSYS的帮助系统包括所有命令解释和分析指南。 帮助系统可以通过三种方 式进入。应用菜单中选取在 ANSYS程序组选取 StartProgramesANSYS5xHelp system 在任何对话框中选取 Help5、退出 ANSYS三种方式退出 ANSY：

9、S 菜单方式 : Utility MenuFileExit 工具栏: 单击 QUIT按钮 命令方式：输入窗口输入” /EXIT ”四、 实验报告要求记录 ANSYS软件的使用过程现代设计方法实验指导书实验二 一个悬臂梁的基本分析实验目的掌握有限元软件完成一个分析问题的基本过程。 独立完成一个悬臂梁的基本分析实验设备的基本配置a) 实验采用有限元分析软件 ANSYS/ED版本b) 微机安装 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系统。至少需要 200 兆硬 盘， 16MB内存。 17”以上显示器，显示分辨率为 1024X768。实验步骤 不同的问题有不同的分析方法，对多数

10、问题而言，分析问题的基本步骤是相同 的。一个典型的分析过程可以表示如下：建立有限元模型施加载荷及边界条件并求解检验分析结果1. 建立有限元模型 完成一个有限元分析需要把一个物理模型转化成一个合理的由节点和单元表达 的数学模型。在 ANSYS前处理模块中，可以完成模型的建立，该模型由节点、 单元及其它物理特征构成。其主要过程如下：1) 定义工作名称2) 定义标题名称3) 设定单位4) 定义单元类型5) 单元实常数6) 定义材料属性7) 创建有限元分析模型该过程及有关说明如表：现代设计方法实验指导书表 2.1 ：建立有限元模型过程步骤操作方式说明定义工 作名称GUI:Utility MenuFil

11、eChange jobname工作名是分析过程中所有生成文件的 主名。只对在使用该命令后打开的文 件有效，对使用该命令前打开的文件， 如 jobname.log,jobname.err 无效定义标 题名称GUI: Utility MenuFileChange title所有的图形显示及求解输出中包含定义的分析标题设定单 位命令： /units除了磁场外，可以使用任意单位制， 输入数据要采用一致单位。定义单 元类型GUI:Main MenuPreprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete单元类型决定单元的自由度数及适用 于 2D或 3D空间等属性。单元实常数GUI

12、: Main MenuPreprocessorReal Constants单元实常数与单元类型的特性有关， 用于补充必要几何信息和计算参数。定义材 料属性GUI:Main MenuPreprocessorMaterial Props材料特性可以是线性或非线形，各向 同性或各向异性等，可以直接输入材 料数据或从材料库文件调入。创建有 限元分 析模型GUI:Main MenuPreprocessorModeling or MeshingModeling 区域的命令用于构建几何 模型和直接生成有限元模型 ,Meshing 区域中的命令用于网格剖分。2. 施加载荷及边界条件并求解ANSYS的加载和求解

13、由求解器完成，在求解器中需要完成以下几步。 定义分析类型和分析选项施加载荷设定载荷步选项求解1) . 定义分析类型和分析选项在 ANSYS程序中，可以进行静态、模态、谐响应、瞬态、谱、特征值失稳和 子结构等类型的分析。可以根据载荷条件和计算的响应选择分析类型。针对不同的分析类型， 分析选项提供了许多具体的选择项。 如：求解器选项、 应力硬化选项和非线性选项等。定义分析类型： GUI方式： Main MenuSolutionNew Analysis 选择相应的分析选项命令： GUI 方式： Main MenuSolutionAnalysis options现代设计方法实验指导书注意：在第一次求解

14、后， 不能改变分析类型和分析选项。 模型中使用的单元 类型隐含了分析的学科类型(结构、热、磁场等) 。2) . 施加载荷：载荷包括边界条件和作用载荷， 边界条件一般有约束、 边界场参数等， ANSYS 中载荷大致可以分为自由度约束、 集中载荷、分布载荷、 体积载荷、惯性载 荷、耦合场载荷六种。这些载荷大部分可以直接施加到关键点、线、面、体 等几何元素构成的实体模型或由点和单元构成的有限元模型上。施加载荷： GUI方式： Main MenuSolutionApply3) . 设定载荷步选项： 载荷步选项是用于有关载荷步的选项，如载荷步、子步、时间等。 ANSYS程序中，能够得到一个确定解的载荷配

15、置，称之为一个载荷步。如： 对于同时承受重力和压力的结构物， 作为线性静力问题处理时， 可以同时施 加重力和压力载荷， 作为一个载荷步求解。 也可以把重力载荷作为第一个载 荷步，压力载荷作为第二个载荷步， 最后将两个解进行叠加。 对瞬态动力学 问题，一个载荷历程可以分成不同的载荷步可以得到不同阶段的结果。 此外一个载荷步分为多个子步， 每个子步代表一个步长， 同时子步也称为时 间步，代表一段时间。 在瞬态分析和非线性分析中， 使用子步用来提高分析 精度和帮助收敛。ANSYS程序在瞬态分析中，时间代表实际时间，在静态和稳态分析中，时间 作为计数器表示载荷步和子步。根据不同的分析类型，载荷步选项可

16、有可无。设定载荷步选项， GUI 方 式： Main MenuSolutionTime/Frequence4) . 求解ANSYS使用求解命令从数据库中得到模型和载荷信息， 计算结果， 将结果写 入结果文件和数据库文件。对当前的载荷步求解，使用 GUI方式： Main MenuSolutionCurrent LS 对多个的载荷步求解， 使用 GUI方式：Main MenuSolutionFrom LS file5) . 分析结果对完成的计算， ANSYS提供两个后处理器查看结果，一个是通用后处理器 POST，1 另一个是时间历程后处理器 POST26POST1用于查看整体或部分模型在某一个子步

17、的结果，可以得到等值线显 示、变形形状、 以及检查和解释分析结果的列表显示， 同时提供误差估计等 其它功能。现代设计方法实验指导书/post1 命令的使用 GUI方式： Main MenuGeneral Postproc 用于查看模型的特定点在整个或部分时间历程的结果。 可以得到结果数据对 时间或频率的关系的图形曲线和列表。同时提供数学运算等其它功能。/post26 命令的使用 GUI方式： Main MenuTimehist Postproc 四、使用 ANSYS软件完成一个基本分析根据以上的基本分析过程，下面完成一个简单的悬臂梁分析示例。1、问题说明：一个悬臂梁，一端固定， 另一端受到集中

18、载荷 f 的作用，计算最大应力和位 移。材料为 A3 钢。截面的几何尺寸见图 2.1 。相关的材料常数和其它输入图 2.1: 几何尺寸b数据如下：材料常数：弹性模量 EX=2e11pa 几何尺寸： l=100m, b=1m, h=2m 载荷： f=100n 2、分析方案：这是一个简单的静力问题。 有限元模型采用二维弹性梁单元 beam3，需要输 入的实常数为 Area=bh；惯性矩 Izz=bh 3/12 确定。梁固定端约束全部自由度， 另一端施加集中载荷 f 。求解步骤： 第一步、定义工作名称1、在 ANSYS启动时选择 Interactive2、在随后的设置中指定 Jobname 为 ex

19、ample, 单击 Run按钮，进入 ANSYS 图形界面。第二步、定义标题名称1、选择菜单 Utility MenuFileChange title2、在弹出的对话框中输入 beam，单击“ ok”。第三步、定义单位1、输入窗口中输入 /units,si 回车。（ 表示采用国际单位制，该步骤可以省 略）。第四步、选择单元类型现代设计方法实验指导书1、选择菜单 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete ， 出现 Element Type 对话框。2、单击 Add，Library of element types对话框出现，在左边的滚动列表

20、框点击 structure beam ，在右边的滚动列表框点击“ 2D elastic 3 ，即 beam3单元，单击“ ok ”。第五步、定义单元实常数1、选择菜单 Main MenuPreprocessorReal constants.2、单击 Add，选中 beam3单元，单击“ ok”。3、第一个输入框中的数字是实常数的编号，选择默认值1。4、在弹出的对话框输入面积 Area=2；惯性矩 Izz=8/12 ，高度 h=2，单击“ ok” 确定。第六步、定义材料属性1、选择菜单 Main MenupreprocessorMaterial PropsConstant-Isotropic2、

21、弹出输入框中的数字是材料属性的编号，选择默认值 1，单击“ ok”。3、弹出输入框中输入材料属性，弹性模型 EX=2e11, 单击“ ok”。 接着建立有限元模型， 建立有限元分析模型可以采用先建立几何模型， 再进 行网格剖分的方式，也可以直接建立节点和单元。这里采用第二种方式。 第七步、生成节点1、选择菜单 Main MenuPreprocessorsCreateNodesIn Active cs, 在弹 出的对话框输入 node=1,x=0,y=0,z=0 ，单击“ apply “2、弹出的对话框输入 node=11,x=100,y=0,z=0 ，单击“ ok“3、选择菜单 Main Me

22、nuPreprocessorsCreateNodesFill between nds, 出现点取对话框，用鼠标点取节点 1 和 11，单击“ok“, 弹出的对话框单击 “ok“，图形窗口出现 11 个节点如图 2.2。图 2.2: 生成节点现代设计方法实验指导书第八步、生成单元1、选择菜单 Main MenuPreprocessorsCreateElmentsAuto numbered -thru nodes, 出现点取对话框，用鼠标点取节点 1 和 2，单击“ ok“, 生成 一个 beam3单元。2、选择菜单 Main MenuPreprocessorsCopyElmentsAuto nu

23、mbered, 出 现点取对话框，用鼠标点取单元1，单击“ ok“, 弹出的对话框输入ITIME=10,NINC=1, 单击“ ok“，图形窗口出现 11 个单元。第九步、保存数据库文件选择菜单 Utility MenuSave as ，保存对话框中输入 example.db 。 第十步、定义分析类型和选项选 择 菜 单 Main MenuSolutionNew Analysis, 弹 出 窗 口 中 选 择 “Static ”，单击“ ok“, 表示选择一个静态分析。第十一步、施加位移约束1、选择菜单 Main MenuSolutionLoadsApplyDisplacementsOn no

24、des, 出现点取对话框，用鼠标点取节点 1，单击“ ok“。2、弹出的对话框选择 LAB2=ALL DOF, 单击“ ok“. 第十二步、施加集中载荷1、选择菜单 Main MenuSolutionLoadsApplyForce/Momentson nodes, 出现点取对话框，用鼠标点取节点 11，单击“ ok“。2、弹出的对话框选择 LAB=FY,VALUE=100,单 击“ ok“. 第十三步、求解1、选择菜单 Main MenuSolutionCurrent LS. 2、出现一个状态信息窗口，显示求解的相关信息，浏览后关闭窗口。3、单击“ ok“，开始求解，对于这个静态问题，求解很快

25、结束。4、弹出求解完成信息框，单击“ close “ . 第十四步、进入后处理器检验分析结果1、进入通用后处理器，并读入结果选择菜单 Main MenuGeneral PostprocRead ResultsFirst set 2、绘制变形图，显示 Y 方向的位移10现代设计方法实验指导书选择菜单 Main MenuGeneral PostprocPlot resultsNodal Solu，在弹出对话框中选择 COMP中左边滚动框选择“ DOF Solution ”, 右边 滚动框选择“ Translation UY ”,单击“ ok“.3、列表显示节点的轴向应力选择 菜单 Main Men

26、uGeneral PostprocList ResultsElement Solution ，在弹出对话框中选择 ITEM中左边滚动框选择 “By Sequence Number”,右边滚动框选择“ NMISC,1 ”,单击“ ok“.4、列表显示反作用力选择菜单 Main MenuGeneral PostprocList resultsReaction Solu ， 在弹出对话框中选择 Struct Force FY ”,单击“ ok“.比较结果结果显示梁自由端出现最大位移， 固定端出现最大应力和理论解保持一致。 用 ANSYS软件计算的结果和理论解的比较见表 2.2 。表 2.2: 比较结

27、果理论值ansys比率Y方向位移0.250e-30.250e-31轴向应、 实验报告要求1、记录 ansys 软件进行分析的基本过程 参考示例，改变参数如下：材料常数：弹性模量 EX=2e11Pa 几何尺寸： l=1000m, b=1m, h=2m 载荷： f=500N2、完成分析，记录计算过程和应力、位移的结果，并存盘保存。11现代设计方法实验指导书实验三 平面结构的静力分析一、实验目的掌握有限元软件进行结构静态分析方法。掌握建立 2D 有限元模型。掌握结构静态分析求解过程。掌握结果后处理方法。二、实验设备的基本配置实验采用有限元分析软件 ANSYS/ED版本微机安

28、装 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系统。至少需要 200 兆硬 盘， 16MB内存。 17”以上显示器，显示分辨率为 1024X768。三、实验步骤静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，不考虑惯性和阻尼的影响， 静力分析可以是线性或非线性的，结构线性静力分析过程可以表示如下：建立有限元模型施加载荷及边界条件求解。结果评价和检验分析1、建立有限元模型现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模，类似于CAD，ANSYS以数学方式表达结构的几何形状，用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界 上方便地施加载荷。但是，几何实体模型并不参与与有限元分析。所以施

29、加在几何 实体边界上的载荷或结束必须最终传递到有限元模型上， （节点或单元上）进行求解， 由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分（ Meshing）2、工作平面工作平面（ WP）是一个可移动的参考平面， Utility MenuWorkPlane3、2-D 体素体素是指预先定义好的，具有共同形状的面或状创建 2D 体素： Main MenuPreprocessorModeling-Create4、布尔操作：12现代设计方法实验指导书是指几何图元进行组合计算。 ANSYS的 布尔操作包括 Add,Subtract,Intersect, Divide,Glue , 以及 Overlap ，它们

30、不仅适用于简单的体素中的图元， 也适用于从 CAD 系统传入的复杂几何模型。使用布尔操作： Main MenuPreprocessorModeling-Create5、单元属性，材料属性，定义单元类型，定义实常数，网格划分，模型修正6、求解7、后处理四、结构静态分析问题描述这是一个单载荷步的结构静态分析的例子， 一块带销孔的角铁如图所示， 其左 上端的销孔四周被全部结束住 （焊接），右下端销孔下半周受压力作用， 并假定为平 面压力状态。通过这个例子使大家了解典型的 ANSYS分析过程，包括建模，划分网 络，施加结束与载荷，求解，后处理等。问题详细说明角铁的几何尺寸如图 3.1 所示，材料为 A

31、3 钢，相关的材料常数如下：杨氏模 量： =2e11 psi ，泊松比 =0.27解题步骤第一步：指定 jobname（ 可选） 有两种方法来指定 jobname：13现代设计方法实验指导书在 ANSYS启动时选择 Interactive , 在 ANSYS启动设置中直接指定 jobname，在 ANSYS系 统中选取菜单 Utility Menu :File Change Title在弹出的对话框中输入 jobname第二步：指定分析标题（可选）1 选取菜单 Utility MenuChange Title2 在弹出的对话框中输入“ Comer Bracket ” 第三步：设置分析范畴1、选

32、取菜单 Main MenuProference2、单击 Structure 选项，使之为选中，然后单击 OK。第四步: 定义单元类型1、选取菜单 Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,出现Element Type 对话框。2、单击 ADD，Library of Element Types对话框出现。3、在左边的滚动列表框中点击“ Structural Solid ”。4、在右边的滚动列表框中点击“ Quad 8node 82 ”，即四边形八节点平面单元 （ PLANE8）2，单击 OK。5在 Library of element T

33、ypes 对话框中点击 Options ,在Options 对话框的 Element Behavior 选项中选 Plane stress with thickness。6、关闭 Library of element Types对话框。第五步：定义实常数1、选取菜单 Main MenuPreprocessorReal Constants.2、点击 ADD，选中 plane82 ，点“ OK”3、点击 Help 可获取关于单元 plane82 的帮助4、选 File Exit 退出帮助系统5、在第一个输入框的数字是该实常数集的编号，接受默认值16、在 THK中输入 0.013 ，即板的厚度，关闭

34、所有对话框 第六步：定义材料常数1、选取菜单 Main MenuPreprocessorMaterial Props Constant-Isotropic2、点 OK，进下一个对话框14现代设计方法实验指导书3、在 EX处输入 2e114、在 NUXY处输入 .275、OK，关闭材料常数定义对话框 接下去的第七步到第十八步为建立几何模型， 在这儿用到了画矩形、 圆，倒角， 布尔运算以及工作平面等第七步：画矩形ANSYS的 建模采用两种方法：自顶向下和自底向上。比较好的方法是，将一个 欲分析的模型分解成若干个 ANSYS的 基本图元，如平面图形有：矩形，圆等，再通 过某种布尔运算形成整个模型，针

35、对这个问题，可以发现，整个模型是由矩形和圆 组成，如图所示下面从画矩形开始1 、选取总体坐标原点( global origin )ANSYS分 析与坐标系无关，但是为了便于建模， ANSYS提 供了一个总体坐标系， 我们要做的是把模型的哪一点作为原点，在这里，我们取左上角销孔的圆心为原点2、选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling -CreateDimensions3、在对应的输入框中键入 X1=0 X2=0.015 Y1=-0.0025 Y2=0.00254、点 APPLY 产生第一个矩形5、在输入框中键入 X1=0.010 X2=0.015 Y1=-0.0025

36、 Y2=-0.00756、点 OK形成第二个矩形 第八步：改变绘图控制上面我们建立了两个矩形的面， 他们以相同的颜色显示， 如何来区分不同的面 呢？ ANSYS可 以用编号或颜色来区分。方法是1、选菜单 Utility MenuPlotCtrlsNumbering2、点击 Area numbers 选项使之为 ON3、点击 OK，关闭对话框， 自动重画绘图区域， 可以看到两个面编号分别为 A1，A2，并以不同的颜色显示第九步：保存数据库文件在使用 ANSYS程 序时，经常保存数据是一个很好的习惯，操作很简单，选 Toolbar SAVE_DB，保存的目的是为减少由于误操作而造成的重复工作量，因

37、为， ANSYS的恢复操作能恢复到最后一次保存的状态第十步：将工作平面变为极坐标，产生第一个圆15现代设计方法实验指导书接下来是建立两个半圆， 我们实际上是画两个实心的圆， 然后，通过波尔“加” 运算，把圆和矩形合并起来1、选菜单 Utility MenuPlotCtrlsPan ,Zoom ,Rotate2、点取小圆点，把图形缩小 ZOOM OUT3、选菜单 Utility MenuWork Plane Display Working Plane (toggle on )4、选菜单 Utility MenuWorkPlane WP Settings5、选中 Polar ,Grid and T

38、riad6、在 Snap inc 中输入 17、OK，关闭对话框8、选取菜单 Main MenuPreprocessor Modeling -CreateArea-Circle Solid Circle9、在 WPX和 WPY中输入 010 在 Radius 中输入 1，OK 第十一步：移动工作平面1、选菜单 Utility MenuWorkPlaneOffset WP toKeypoints2、分别点取矩形 A2 的左下角和右下角3、选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling -CreateArea -Circle Solid Circle4、在 WPX和 WPY中

39、输入 05、在 Radius 中输入 1，OK6、Toolbar:SAVE_DB 第十二步 面的合并1、选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling-OperateBooleans-Add Areas2、点 pick all, 对所有面合并3、Toolbar:SAVE_DB 第十三步：产生倒角1、选菜单 Utility MenuPlotctrlsNumbering2、选中 Line Numbering16现代设计方法实验指导书3、OK，关闭对话框，自动重画绘图区，出现线段编号4、选菜单 Utility MenuWorkplaneDisplay Working Plane

40、(toggle off).5、选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling-CreateLines-Line Fillet6、点取线段 17 和 87、OK，关闭拾取对话框8、在 Fillet Radius 中输入 0.019、OK，产生倒角弧线10、选菜单 Utility MenuPlotLines第十四步：产生倒角区域的面1、选菜单 Utility MenuPlotctrlsPan,Zoom,Rotate2、点击 Zoom按钮。3、移动鼠标到倒角区域，按左键，移动鼠标形成一个框，再按左键，此选中 框即为放大区域4、选取菜单 Main MenuPreprocessor

41、Modeling-CreateArea-ArbitraryBy Lines5、点取围成倒角区域的三条线 L4，L5和 L16、OK，产生倒角区域面7、在 Pan,Zoom,Rotate 对话框中点 Fit ，使整个图形正好显示在显示窗口内8、选菜单 Utility MenuPlotAreas9、Toolbar:SAVE_DB第十五步：合并两个面1. 选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling-OperateBooleans-AddAreas2、点 pick all 对所有面合并3、Toolbar:SAVE_DB第十六步：产生第一个销孔1、选菜单 Utility Men

42、uWorkplaneDisplay Working Plane(toggle on)2、选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling-CreateArea-CircleSolid Circle.17现代设计方法实验指导书3、在 WPX和 WPY中输入 04、在 Radius 中输入 0.01 ，OK 第十七步：移动工作平面产生第二个销孔1、选菜单 Utility MenuWorkplaneOffset WP toGolbal Origin2、选取菜单 Main MenuPreprocessorModeling-CreateArea-CircleSolid Circle.

43、3、在 WPX和 WPY中输入 04、在 Radius 中输入 0.01 ，OK5、选菜单 Utility MenuWorkplaneDisplay Working Plane(toggle off)6、选菜单 Utility MenuPlotReplot7、选菜单 Utility MenuPlotLines8、Toolbar:SAVE_DB 第十八步：用布尔“减”形成销孔1. 选取菜单 Main MenuPreprocessingModeling-OperateBooleans-SubstractAreas2、点取大的面为基面，点 APPLY3、点取两销孔处的小圆为被减去的面4、OK，形成两

44、销孔 至此，建模完成，接下去进行网格划分，在划分网格前，先将建模的数据保存 的指定文件中，以备下次回到建模状态，重新进行网格划分，第十九步：将数据存入 model.db 文件1、选菜单 Utility MenuSave as2、在保存对话框中输入 model.db (扩展名不要省略) 第二十步：网格划分ANSYS程序的一个最大优点是能自动进行网格划分，如果你的网格密度不能确 定时，建议先采用此方法，不过，此方法一般会产生较多的网格，所以，如果你用 的是 ANSYS/ED版的话，此方法可能行不通， 这时，我们可以通过单元尺寸控制人为 控制网格密度，步骤如下：1、选取菜单 Main menuPre

45、processorMesh Tool18现代设计方法实验指导书2、点取 Global set3、在 SIZE 输入框中输入 0.014、选择 Area Mesh5、点 Mesh6、在拾取对话框中点 pick all7、关闭 Meshtool ，完成网格划分，接下去是求解过程，包括：施加约束，载 荷，指定分析类型和相关选项等。图 3.2 ：有限元模型 第二十一步：施加位移约束1、选菜单 Main MenuSolutionLoads-ApplyStructural DisplacementsOn Keypoints.2、点取左端销孔上的四个关键点3、OK，关闭拾取菜单，弹出 apply U,ROT

46、 on KPs 对话框4、选中 ALL DOF（限制所有自由度，即固定约束）5、在 Displacement Value 中输入 0（如果此输入框为空，缺省值为 0）6、在 Expand DISP to nodes 选项点取成 YES ，表示将位移约束扩展到节点7、OK，关闭对话框，产生约束第二十二步，施加压力载荷 （1dyn=1e-5 N）1、选菜单 Main MenuSolutionLoads-ApplyStructural-Pressureonlines19现代设计方法实验指导书2、选取右端销孔左下端的四分之一圆周3、点 APPLY，弹出加压对话框4、在 VALUI中输入 50e-5/0

47、.013/0.025、点 APPLY，选取右端销孔右下端的四分之一圆周6、点 APPLY，弹出加压对话框7、在 VALUI中输入 50e-5/0.013/0.028、OK第二十三步：求解1、选菜单 Main MenuSolutionCurrent LS.2、出现一个状态信息窗口，显示求解相关信息，大致浏览后关闭该窗口3、点 OK ，开始求解，由于是静态分析，求解过程很快，几秒种就完成4、弹出求解结束信息框5、点 Close第二十四步：后处理后处理用于检查分析结果， ANSYS可 以对计算结果进行显示和列表，下面针对 本算列介绍几个后处理1、进入通用后处理（ /POST1）并读入结果选 Main

48、 MenuGeneral PostprocRead ResultsFirst set2、绘制变形图选 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape选 Def+UndeformedOK3、绘制 Von Mises 应力图选 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour-nodal Solu20现代设计方法实验指导书在左边列表框选 Stress.在右边列表框选 Von Mises SEQVOK4、列表显示反作用力选 Main MenuGeneral PostprocList ResultsReac

49、tion Solu在列表框中选 ALL ITEMSOK第二十五步：退出 ANSYS程序1、点 TOOLBAR:QUI或T 选 FileExit2、选 Quitno Save3、OK ，即不保存数据退出五、实验报告对上述模型， 改变约束在下部圆孔， 内压力在上部圆孔， 均布且大小为 18MPA， 计算并分析应力和位移结果。分析结果存盘，写电子文档报告一份，报告中记录详 细操作过程及部分结果图形。21现代设计方法实验指导书实验四 结构瞬态分析一、实验目的熟悉瞬态分析过程完成瞬态分析实验报告二、实验设备的基本配置实验采用有限元分析软件 ANSYS/ED版本微机安装 Windows 98, Windo

50、ws NT4.0 以上的操作系统。至少需要 200 兆硬 盘， 16MB内存。 17”以上显示器，显示分辨率为 1024X768。三、实验步骤瞬态(FULL)完全法分析板 - 梁结构实例如图 4.1 所示板- 梁结构，板件上表面施加随时间变化的均布压力，计算在下列 已知条件下结构的瞬态响应情况。全部采用 A3钢材料，材料特性：杨氏模量 2e11N /m2， 泊松比 0.3 ，密度 7.8e3 Kg/m3 ,板壳： 厚度=0.02 m四条腿(梁)的几何特性：截面面积 =2e-4 m2 ，惯性矩 =2e-8 m4 ，宽度=0.01 m ， 高度 =0.02 m图 4.1: 质量梁 - 板结构及载荷

51、示意图 压力载荷与时间的关系曲线见下图 4.2 所示。22现代设计方法实验指导书s）图 4.2: 板上压力 - 时间关系分析过程 第 1 步：设置分析标题1. 选取菜单途径 Utility MenuFileChange Title。2. 输入“ The Transient Analysis of the structure”，然后单击 OK。第 2 步：定义分析参数1. 选取菜单途径 Utility MenuParametersScalar Parameters ，弹出 Scalar Parameters 窗口，在 Selection 输入行输入： width=1 ，单击 Accept 。2.

52、 依次在 Selection 输入行输入： length=2 、high=-1 和 mass_hig=0.1 ，每次 单击 Accept 。3. 单击 Close ，关闭 Scalar Parameters 窗口。第 3 步：定义单元类型（省略）第 4 步：定义单元实常数（省略）第 5 步：定义材料特性（省略）第 6 步：建立有限元分析模型（有限元网格模型，省略） 第 7 步：瞬态动力分析1. 选取菜单途径 Main MenuSolution-Analysis Type-New Analysis ，弹出 New Analysis 对话框。2. 选择 Transient ，然后单击 OK。3.

53、选 取 菜 单 途 径 Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/Frequency Damping，弹出 Damping Specifications 窗口。23现代设计方法实验指导书4. 在 Mass matrix multiplier处输入 5。单击 OK。5. 选取菜单途径 Main Menu Solution -Loads-Apply -Structural- DisplacementOn Nodes。弹出拾取（ Pick ）窗口，在有限元模型上点取节点 232、 242、252和 262，单击 OK，弹出 Apply U,ROT on Nodes

54、对话框。6. 在 DOFSt o be constrained 滚动框中，选种“ All DOF”（ 单击一次使其高亮 度显示，确保其它选项未被高亮度显示） 。单击 OK。7. 选取菜单途径 Utility MenuSelectEverything 。8. 选 取 菜 单 途 径 Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File ，弹出 Controls for Database and Results File Writing 窗口。9. 在 Item to be controlled 滚动窗中选择 All items

55、。单击 OK。10. 选取菜单途径 Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/Frequency Time Time Step ，弹出 Time Time Step Options 窗口。11. 在 Time at end of load step处输入 1；在 Time step size 处输入 0.2 ；在 Stepped or ramped B.C 处单击 ramped；单击 Automatic time stepping 为 on；在 Minimumt ime step size 处输入 0.05 ；在 Maximumt ime step size