专业课设,悬臂梁有限元分析

1、专业课程设计1 研究目的与问题阐述1.1 基本研究目的(1) 掌握ANSYS软件的基本几何形体构造、网格划分、边界条件施加等方法。(2) 熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。(3) 利用ANSYS软件对梁结构进行有限元计算。(4) 研究不同泊松比对同一位置应力的影响。1.2 基本问题提出图1.1 模型示意图如图1.1所示，当EX=3.01e6，F=5000N，悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端。 当悬臂梁的泊松比u为：0.2、0.25、0.3、0.35、0.4时，确定同一位置的应力分布，得出分布云图。二维模型，3*0.09m。2 软件的介绍与使用2.1 ANSYS 简介ANSYS程序是一个

2、功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，集体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动工功能一接利用ANSYS参数设计的扩展宏命令功能。ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，利用ANSYS的数据接口

3、，可精确的将在CAD系统下生成的集合数据传入ANSYS,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解。2.2 ANSYS软件的功能介绍ANSYS软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤：创建有限元模型；施加载荷进行求解；查看分析结果；在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块，分析求解模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限模型。

4、分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程。包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析（热-应力耦合、流-固耦合以及电-磁-热-应力耦合）等，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。下面对ANSYS软件的三种模块的功能进行简要介绍：1. 前处理模块ANSYS软件的

5、前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建模和网格划分。（1）参数定义ANSYS程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被建模型的材料进行参数定义。包括定义使用单位制，定义所有使用单元的类型，定义单元的实常数，定义材料的特性以及使用材料库文件等。（2）实体建模在实体建模过程中，ANSYS程序提供了两种方法：从高级到低级的建模与从低级到高级的建模。(3)网格划分ANSYS系统的网格划分功能十分强大，使用起来十分便捷。从使用选择的角度来讲，程序的网格划分可以分为系统智能划分和人工选择划分两种。从网格划分的功能来讲，则包括四种划分：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。2. 求解模块在此阶段，

6、用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。（1）定义分析类型和分析选项用户可以根据所施加载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。分析选项允许用户自定义分析类型。（2）载荷一般所谓的载荷应该包括边界条件（结束、支承或边界场的参数）和其他外部或内部作用载荷。在ANSYS程序中，载荷分为六类：DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷。（3）指定载荷步载荷步选项是用于改正载荷步的选项，如子步数、载荷步的结束时间和输出控制。根据所作分析的类型，载荷步选项可有可无。3.后处理模块ANSYS程序的后处理包含两个部分：通用后处理模块和时间历程后处理模块。（1）通用后处理模块通用

7、后处理模块可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步（时间步）的结果。可获得等值线显示、变型形状以及检查和解释分析的结果和列表。（2）时间历程后处理模块时间后处理模块可以用于查看模型的特定点在所有时间步内的结果。可获得结果数据对时间（或频率）的关系的图形曲线以及列表。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。3.研究方法及过程3.1研究方法一介绍(1) Utility MenuFileClear&Start New(2) Utility Me

8、nuFileChange Jobname（输入新的工作文件名为Cantilever）(3) Utility Menu File Change Title （输入Changing pressure on one point of a pole）(4) Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete（选择单元类型Structural-Solid-Quad 4node 42） (5) Main MenuPreprocessorMaterial propsMaterial ModelsStructural(机构）Linear(线性）Elastic(弹性

9、）Isotropic（各向同性）(6) Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimensions(7) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAttributesAll Areas(8) Main MenuPreprocessorMeshing SizeCntrlsSmartSizeBasic(9) Main MenuPreprocessorMeshing MeshAreaFree (10)Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis (11)Main Men

10、uSolutionDefine Load（定义载荷） Apply（加载）Structural（结构）Displacement（位移）On Lines（在线上）(13) Main MenuSolutionDefine Load（定义载荷） Apply（加载）Structural（结构）Force/Moment（力/力矩）On Keypoint （在关键点上） (14) Main Menu Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK(15) Main Menu General Postpr

11、oc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (16) Main MenuGeneral PostprocPlot Results（绘制结果）Contour Plot（绘制等值图）Nodal Solu（节点解）Nodal Solution（节点解）Elastic Strain（弹性应变）Y-Component of elastic strain（弹性应变Y分量）(17) Main Menu General Postproc Query Results Subgrid Solu 选择Stress X-Component of

12、stress OK 在应力分布图中，选择一固定节点，点OK即可测出相应Y方向上应力。3.2研究方法二介绍3.2.1过滤菜单（1) Main Menu: Preferences select Structural OK图3.1 过滤菜单3.3.2 实体建模(1) 建立方位点Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入4个点的坐标：input:1(0,0,0)Apply 2(3000,0,0)Apply 3(3000,90,0) Apply 4(0,90,0) OK注：在实体建模中，建立四个方位点，首先建立点

13、1，如图3.2所示，然后选用Apply应用，再依次输入点2、3、4方位。图3.2 建立方位点(2) 由4个关键点组成面Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPs 依次拾取4个点OK注：在拾取关键点是要按顺序依次拾取，拾取完点击OK即可3.3.3 划分网格(1) 定义单元类型 Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (返回到the Element Types window)

14、Optionsselelt K3: Plane Strsw/thk Close (the Element Type window)此处选用Solid Quad 4node 42。图 3.3 选择单元类型图 3.4（2) 定义实常数Main Menu: Preprocessor Real Constants Add select Type 1 OKinput THK:90 OK Close (the Real Constants Window)注：定义悬臂梁的厚度，即在THK框中输入90（mm）,如图3.5所示图 3.5 定义悬臂梁厚度(3) 定义材料（弹性模量，泊松比）Main Menu: P

15、reprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:3.01e6, PRXY:0.2 OK 注：定义材料弹性模量及泊松比，EX为弹性模量，PRXY为泊松比，在第一次定义时在PRXY框中输入0.2，以后同理，依次输入0.25、0.3、0.35、0.4，如图3.6所示。图 3.6 定义弹性模量 泊松比(4) 指定单元属性ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool Element Attributes （select） Glo

16、bal Set OK 注：指定单元属性，依次点Set,Ok即可，如图3.7所示。图 3.7制定单元属性（5) 网格密度设置Mesh Tool Size Controls select Lines Set 拾取长边的两条线OK input NDIV:6 Apply 拾取短边的两条线OK input NDIV:2 OK 分别等份划分长和宽注：划分长，6等分;划分短，2等分。(6) 网格划分Mesh Tool Mesh : select Areas Shape:QuadFree Mesh Pick All Close( the Mesh Tool window)注：释放网格(7) 显示单元与节点编号

17、Utility Menu：PlotctrlsNumbering 选项NODE Node numbers为On 在Elem/Attrib numbering选择Element numbers OK3.3.3求解过程（1）施加边界条件和加载力1）给节点1、10施加x和y方向的约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 拾取节点1、10 OK select Lab2:ALL OFF OK注：悬臂梁固定一端，选择左端为固定端。图 3.8固定悬臂梁左端2）给节点8施加y方向载荷Main M

18、enu: Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 拾取节点8OK Lab: FY, Value: -5e3OK 注：给悬臂梁右端施加方向向下，大小为5000N的力。图 3.9 悬臂梁右端施加力(2) 定义分析类型并求解1）定义分析类型Main Menu: Preprocessor Solution Analysis Type New AnalysisStatic 2) 求解Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load

19、 Step window) OK注：求解过程点击OK即可，每次变量的改变都必须都要求一次解。3.3.4 后处理（1）读取求解出的结果：显示结果如图3.10所示Main Menu：General PostprocList ResultsNodal SolutionNodal Solution选择Stress Y-Component of stressOK 图 3.10 求解结果(2) 结构的变形图 Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK将在软件主界面显示结构变形图。Main Menu：General PostprocPlot Results（绘制结果）Contour Plot（绘制等值图）Nodal Solu（节点解）（节点解）Elastic Strain（弹性应变）Y-Comp