有限元实例分析

钢轨道静力分析一、问题描述如下图为一刚轨道，建立该刚轨道的三维实体模型，并对其进行结构静力分析。钢轨道结构示意图弹性模量〔也称杨式模量〕E=200GPa；泊松比；载荷F=5000N/m选择单元类型Solid45单元用于建立三维实体结构的有限元分析模型，本实例是研究平面应力问题，选用8节点的平面应力单元，每个节点具有X、Y、Z方向的三个移动自由度。具体操作如下：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete“StructuralSolid〞→“Brick8node45〞→ok单元类型库对话框三、设置材料属性材料特性对话框点击主菜单中的“Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels〞，弹出窗口如下图，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：2e11，在“泊松比〞〔PRXY〕文本框中输入：0.3材料特性对话框如下图，再点击“OK〞按钮关闭对话框。四、实体建模对于本实例的有限元模型，首先需要建立轨道截面几何模型，然后对其进行三维建造。具体的操作过程如下：1.创立关键点操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS轨道的横截面由8个关键点连线而成，其各点坐标分别为：1〔0,0,0〕、2〔25,0,0〕、3〔25,15,0〕、4〔17,15,0〕、5〔21,8,0〕、6〔4,8,0〕、7〔8,15,0〕、8〔0,15,0〕。点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS〞，弹出对话框。在“Keypointnumber〞一栏中输入关键点号1，在“XYZLocation〞一栏中输入关键点1的坐标〔-0.08，0，0〕，点击“Apply〞按钮，同理将2~8点的坐标输入，此时，在显示窗口上显示所生成的8个关键点的位置。2.由关键点生成线的操作：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCoord依次选择各点，即可生成直线。生成后的组成轨道横截面的直线如下图。生成面：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines〔逆时针选线〕，依次选择每条线，单击OK，即可生成平面图：生成三维实体点击主菜单中的“Preprocessor>Modeling>>Operate>Extrude>Areas>AlongNormal〞，弹出平面选择对话框，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，在“DIST〞一栏中输入：50〔轨道的长度〕，其他保存缺省设置，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：五、网络划分1．设定单元大小。考虑到实体的边长为4-50，所以网格尺寸设置为2。点击主菜单中的“Preprocessor>Meshing>MeshTool〞,弹出对话框，在“SizeControl〞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：2，其他保存缺省设置，点击OK按钮关闭对话框。2．接着上一步，在图的划分网格的对话框中，选中单项选择框“Mesh〞和“Volumes〞，其他保存缺省设置，然后点击“Mesh〞按钮，弹出体选择对话框，点选钢轨道实体，并点击OK按钮，即可完成对整个实体结构的网格划分，其结果所示。六、施加位移约束点击主菜单的“Preprecessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structuaral>Displacemengt>OnAreas〞，弹出面选择对话框，点击轨道的左端面，点击“OK〞按钮，弹出对话框，选择右上列表框中的“AllDOF〞，并点击“OK〞按钮，即可完成对左端面的位移约束，相当于梁的固定端。同理，对轨道的右端面进行固定端约束。七、施加外载荷点击主菜单中的“Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnAreas〞，弹出“选择〞对话框，点选受力的两个平面，单击OK按钮，弹出对话框。在【VALUELoadPRESvalue】文本框中输入压力值5000，单击OK按钮。八、求解点击主菜单中的“Solution>Solve>CurrentLS〞，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STATUSCommand窗口，点击“File>Close〞关闭即可。九、查看结果1．查看变形：点击主菜单中的“GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape，弹出【PlotDeformedShape】对话框，选择Def+undefedge〔显示变形后的结构和未变形轮廓线〕单项选择按钮，在图形窗口中显示出变形图及变形前的轮廓线，如下图：查看节点等效应力：选择MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu命令，翻开【ContourNodalSolutionData】等值线显示节点解数据对话框，单击Stree〔应力〕>vonMisesstree选项，选择Defshapeonly(仅显示变形后模型〕按钮,单击OK按钮，图形窗口中显示出等效应力分布图：显示变形动画：点击应用菜单(Utility>Menu)中的“PlotCtrls>Animate>DeformedResults...)点击“OK〞按钮关闭对话框，即可显示本轨道的变形动画〔见附件视频文件〕。十、解读后处理结果本实例主要是研究轨道的静态受力情况，采用的是一般的刚性材料，当然，由于本人经验缺乏以及资料有限，所以无论是模型的尺寸还是模型的材料、参数设计上可能存在一定的局限性。考虑到实际应用问题，所以将位移约束设置在轨道的两边，可能由于本次施加的载荷较大，所以模型的变形相对也比拟大。从等效应力的分布图可以看出，底座受力较小，应力主要集中在上局部的两个受力端，而应力最大处是受力面与约束面的接触处。从应力分析和形变分析来看本实例的网格设计精度合理，适合本例子。命令流/BATCH/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071811:14:4911/19/2021RESUME,'AP1008221','db','.'/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071811:14:4911/19/2021/PREP7!*VOFFST,1,50,,/DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FAST/ZOOM,1,RECT,0.126171,-0.0951754,0.0954618797553,-0.113596486069/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FAST/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST/REPLOT,RESIZEESIZE,1,0,ESIZE,1,0,SAVEMSHAPE,1,3DMSHKEY,0!*CM,_Y,VOLUVSEL,,,,1CM,_Y1,VOLUCHKMSH,'VOLU'CMSEL,S,_Y!*VMESH,_Y1!*CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2!*/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FASTFINISH!/EXIT,NOSAV/BATCH/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071811:26:1311/19/2021RESUME,'AP1008221','db','.'/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071811:26:1311/19/2021/REPLOT,RESIZE/PREP7ESIZE,2,0,MSHAPE,1,3DMSHKEY,0!*CM,_Y,VOLUVSEL,,,,1CM,_Y1,VOLUCHKMSH,'VOLU'CMSEL,S,_Y!*VMESH,_Y1!*CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2!*SAVE/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FAST/VIEW,1,1,2,3/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FASTFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,9!*/GODA,P51X,ALL,/UI,MESH,OFF/VIEW,1,,-1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,-1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,2,3/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FAST/ZOOM,1,RECT,0.246903,-0.112675,0.344905573347,-0.138802482032/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FAST/ZOOM,1,RECT,0.312238,-0.057154,0.52457724527,-0.0865474299732/DIST,1,1.08222638492,1/REP,FAST/DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST/FOC,1,0.3,,,1/REP,FAST/FOC,1,-0.3,,,1/REP,FAST/ANG,1,-30,XS,1/REP,FAST/REP,FAST/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST/ANG,1,-30,YS,1/REP,FASTFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,3!*/GODA,P51X,ALL,/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FASTFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,10FLST,2,2,5,ORDE,2FITEM,2,4FITEM,2,8!*/GODA,P51X,ALL,FINISH!/EXIT,NOSAV/BATCH/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071811:44:1911/19/2021RESUME,'AP1008221','db','.'/COM,ANSYSRELEASE10.0UP2005071811:44:1911/19/2021/REPLOT,RESIZE/PREP7FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,9!*/GODA,P51X,ALL,/ANG,1,-30,YS,1/REP,FASTFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,3!*/GODA,P51X,ALL,/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/ANG,1,-30,YS,1/REP,FAST/ANG,1,-30,YS,1/REP,FASTFLST,2,2,5,ORDE,2FITEM,2,3FITEM,2,9!*/GODA,P51X,ALL,/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FASTFINISH/SOLFLST,2,2,5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