工程结构仿真课程设计

课程设计说明书工程结构仿真课程设计学院（部）：专业班级：学生姓名：指导教师：2015年01月11日目录1前言 21.1有限元软件的功能和特点 21.2课程设计的目的和要求 22平面桁架问题分析 32.1理论分析 32.2有限元分析 72.2.1有限元模型的建立 72.2.2结果与分析 82.3本章小结 103实体模型分析 113.1模型材料与几何参数 113.2有限元模型的建立 113.3结果与分析 134心得体会 155参考文献 171前言有限元法（finiteelementmethod）是一种高效能、常用的数值计算方法。在科学计算领域中，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。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，如CREO,NASTRAN,ALOGOR,I－DEAS,AutoCAD等，ANSYS软件借助有限元法求解出比较精确的解析解。1.1有限元软件的功能和特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=RayleighRitz法+分片函数”，即有限元法是RayleighRitz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的RayleighRitz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。现代有限元软件与CAD软件的无缝集成，拥有更为强大的网格处理能力，而且由求解线性问题发展到求解非线性问题并且由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解，还有随着计算机技术的发展，程序面向用户的开放性加大。能够求解结构静力学问题、结构动力学问题、结构非线性问题和动力学分析等。1.2课程设计的目的和要求课程设计有两个问题，第一个是桁架的静力学分析，第二个是显示器支座的分析。要得出有限元方法的解，并和理论解对比分析，验证所得解的有效性。要求采用有限元软件ANSYS求解，学习了解有限元法的理论和掌握ANSYS的实际操作，并且判定结果的有效性。2平面桁架问题分析平面桁架在各种工程结构中，是一种广泛使用的特殊刚体系，是一些短而直的钢杆彼此以端部连接而成的几何不变的结构。当刚杆之间的连接能近似的看为铰链约束，这种杆系结构称为桁架。其中（1）所有结点都是无摩擦的理想铰；（2）各杆的轴线都是直线并通过铰的中心；（3）荷载和支座反力都作用在结点上。桁架中所有杆件均为二力杆所组成的几何不变体，故计算方法有（1）结点法：截取桁架的一个结点为脱离体计算桁架内力的方法；（2）截面法：用适当的截面，截取桁架的一部分为脱离体，利用平面任意力系的平衡条件进行求解；（3）联合法：在解决一些复杂的桁架时，仅仅使用结点法或截面法往往不能解决结构的内力，这是需要将这两种方法进行联合。如图2-1所示桁架，求各个桁架的轴力，载荷和各杆长度在图中已经给出，杆的截面积为16cm2，泊松比v=0.25，弹性模量E=2.06Gpa。图2-1桁架总图2.1理论分析(1)支座反力以整体为分析对象，先求支座反力。 (2-1)(2)用截面法求解内力同时截断8、9、10三杆，如图2-2。图2-28、9、10杆截断面受力图 (2-2)同时截断4、5、6三杆，如图2-3。图2-34、5、6杆截断面受力图 (2-3)（3）用节点法求内力对于1节点，如图2-4。图2-4节点1受力图 (2-4)同理，对于右半跨：同时截断12、13、14三杆，如图2-5。图2-512、13、14杆截断面受力图 (2-5)同时截断16、17、18三杆，如图2-6。图2-616、17、18杆截断面受力图 (2-6)对于12节点，如图2-7。图2-7节点12受力图 (2-7)对于3、7、11、15、19杆轴力，采用节点法易得： (2-8)则整理可以得出各杆轴力及支座反力，见表2-1。表2-1各杆轴力及支座反力值F1=6.62KNF2=-7.49KNF3=0F4=6.62KNF5=-0.83KNF6=-6.17KNF7=0.37KNF8=5.88KNF9=-1.54KNF10=-4.71KNF11=0F12=3.50KNF13=1.54KNF14=-4.71KNF15=-0.36KNF16=2.79KNF17=0.79KNF18=-3.67KNF19=0F20=2.79KNF21=-3.16KNR1=4.52KNR12=1.48KN2.2有限元分析2.2.1有限元模型的建立1.单元类型、几何特性及材料特性定义(1)定义单元类型点击主菜单中的Preference→ElementType→Add/Edit/Delete，弹出对话框，点击对话框中的Add…按钮，又弹出一对话框，选中该对话框中的Link和3Dfinitstn180选项，点击OK，关闭对话框。(2)定义几何特性定义实常数：点击主菜单中的Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete，弹出对话框，点击Add…按钮，上步定义的LINK180单元出现于该对话框中，点击OK，弹出下一级对话框，在AREA一栏杆件的截面积1600，点击OK，点击Close，关闭所示对话框。(3)定义材料特性点击主菜单中的Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,弹出对话框，逐级双击右框中Structural→Linear→Elastic→Isotropic前图标，弹出下一级对话框，在弹性模量文本框中输入：2.06E5，在泊松比文本框中输入：0.25，点击OK返回上一级对话框，并点击关闭按钮。2.衍架分析模型的建立(1)生成节点图2-1所示衍架中共有12个节点，其坐标根据已知条件容易求出如下：1（0，0，0），2（2850，0，0），3（2850，1515，0），4（5850,0，0），5（5850，2480，0），6（8850，0，0）,7（8850，2800，0），8（11850，0，0），9（11850，2480，0），10（14850,0，0），11（14850，1515，0），12（17700，0，0）。点击主菜单中的Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS,弹出对话框。在Nodenumber一栏中输入节点号1，点击Apply按钮，同理将2-12点的坐标输入，以生成其余11个节点。此时，在显示窗口上显示所生成的12个节点的位置。(2)生成单元点击主菜单中Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes，弹出节点选择对话框。依次点选节点1、2，点击Apply按钮，既可生成①单元。同理，可生成其余20个单元。3.施加载荷(1)施加位移约束点击主菜单中的Preprocessor→Solution→Define→Loads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes，弹出节点选择对话框，点击Apply按钮，弹出对话框，选择1结点，选择右上列表框中的AllDOF，并点击Apply按钮。然后选择2结点，选择右上列表框中的UY，并点击OK按钮。(2)施加集中力载荷点击主菜单中的Preprocessor→Solution→Define→Loads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes，弹出对话框，在Directionofforce/mom一项中选择：FY，在Force/Momentvalue一项中输入-1000，然后点击OK按钮关闭对话框。同理在可施加其余三个力-2000、-2000、-1000。4.开始求解点击主菜单中的Preprocessor→Solution→Solve→CurrentLS，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。2.2.2结果与分析1．显示变形图点击主菜单中的GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape，弹出对话框。选中Def+undeformed选项，并点击OK按钮，即可显示桁架结构变形前后的结果，如图2-8所示。图2-8模型变形图2.查看单元内力点击主菜单中的GeneralPostroc→ListResults→ElementSolution，弹出StructuralForce对话框。导出数据处理后所得，见表2-2。表2-2ANSYS结果与理论解比较轴力FxFyANSYS轴力解理论值F16616N06616N6.62KNF2-6616N3516.9N-7492.7N-7.49KNF30000F46616N06616N6.62KNF5-739.37N-373.38N-828.3N-0.83KNF6-5876.7N-1890.3N-6160.8N-6.17KNF70373.38N373.38N0.37KNF85876.7N05876.7N5.88KNF9-1189.2N983.05N-1542.9N-1.54KNF10-4687.5N-500N-4714.1N-4.7KNF1100.89338E-11N00F123498.3N03498.3N3.50KNF131189.2N983.05N1542.9N1.54KNF14-4687.5N500N-4714.1N-4.71KNF150-357.76N-357.76N-0.36KNF162789.9N02789.9N2.79KNF17708.43N357.76N793.64N0.79KNF18-3498.3N1125.3N-3674.8N-3.67KNF190000F202789.9N02789.9N2.79KNF21-2789.9N1483.1N-3159.6N-3.16KN查询支座反力为： (2-9)2.3本章小结通过一系列的理论运算以及软件的分析得到的两种结果的对比，理论答案和ANSYS模拟结果基本相同。ANSYS比手动计算简便许多，省去了在同一类问题中反复运算的麻烦，但ANSYS建模中的小误差会导致结果与理论结果不尽相同，位移函数的假设合理与否，将直接影响有限元法分析的计算精度、效率和可靠性。所以各有利弊，理论知识复杂繁琐但是精确，软件分析简单明了但有时建模繁琐。但是，对于比较简单的桁架，使用ANSYS求解，就显得繁琐复杂，而且ANSYS对于初学者操作并不方便，所以对于简单桁架建议使用理论求解，对于复杂的桁架，就使用ANSYS求解。3实体模型分析3.1模型材料与几何参数随着电脑显示屏的更新换代，显示屏支座多种多样，因此在显示屏的支座设计上为工厂带来了不小的麻烦，为节约成本又要简约美观更要有足够的承担负荷的能力，从而设计一个好的支座成了一个新设计问题。网吧台式电脑显示器的支座简单普遍，其下部为一基座，上面立柱。为了模拟简单，对模型进行必要简化，使用长方体代替变截面长方体，材料为复合材材，密度为1.5g/cm³，泊松比为0.25，弹性模量为50GPa，电脑重量为60N，如图3-1。图3-1电脑支座3.2有限元模型的建立1.单元类型、几何特性及材料特性定义（1）定义单元类型点击主菜单中的Preference→ElementType→Add/Edit/Delete，弹出对话框，点击对话框中的Add…按钮，又弹出一对话框，选中该对话框中的solid和20node186选项，点击OK，关闭对话框。（2）定义材料特性点击主菜单中的Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,弹出对话框，逐级双击右框中Structural→Linear→Elastic→Isotropic前图标，弹出下一级对话框，在弹性模量文本框中输入：5e4，在泊松比文本框中输入：0.25，在密度文本框中输入:1.5，点击OK返回上一级对话框，并点击关闭按钮。2.支座模型的建立（1）生成基座在操作窗口依次点击MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimensions，依次输入四个模型坐标即X1-X2，Y1-Y2：（0,160），（0,80），点击“OK”即可。各角做半径为10的倒角，然后在Z方向拉伸厚度为10。（2）生成悬臂MainMenu:Preprocessor→Modeling→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimensions。依次输入四个模型坐标即X1-X2，Y1-Y2：（50,110），（50,70），点击“OK”即可创建一个长为60，宽为20的矩形，然后拉在Z方向伸合50。并两个实体，即为支座模型。如图3-2。图3-2ANSYS模型图3.网格划分在ANSYS软件操作界面上依次点击MainMemu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，这时弹出MeshTool对话框，点击SizeControls区域中的Volume的set按钮，然后点OK。按下Mesh按钮，这时弹出对话框，点击Pickall按钮，为所有实体划分网格。4.施加约束位移Preprocessor→Loads→Defineloads→Apply→Structural→Displacement→OnAreas，弹出的对话框，点击底面，点击OK按钮，弹出对话框，选择右上表框中的ALLDOF，并点击OK，即可完成对底面的位移约束，相当于固定端。5.施加载荷点击主菜单的Preprocessor→Loads→Defineloads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes，选择受力面中点节点，在弹出的对话框中选择Z，大小为60。6.施加重力载荷点击主菜单的Preprocessor→Loads→Defineloads→Apply→Structural→Inertia→Gravity，在弹出的对话框的ACELY中输入：9.8，其他保留缺省设置，点击OK关闭对话框。7.求解点击主菜单的Solution→Solve→CurrentLS，在弹出的对话框中点击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经完成求解，点击CLOSE就关闭对话框即可。至于在求解时产生的STATUSCommand窗口，点击File→Close关闭即可。3.3结果与分析点击主菜单的Preprocessor→GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape→Def+undeformed，点击OK关闭对话框，显示变形图。图3-3模型整体变形图点击主菜单的Preprocessor→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu→DOFSolution→Displacementvectorsum，点击OK关闭对话框，显示位移云图。图3-4位移云图点击主菜单的Preprocessor→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu→Stress→vonMisesstress，点击OK关闭对话框，显示等效应力云图。图3-5等效应力云图4心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关ANSYS方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，虽然在设计中遇到了很多问题，但是在自己不懈努力下，终于解决了所以问题。在以后学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上披荆斩棘，而不是知难而退。在课程设计中，不仅培养了我独立思考、动手操作的能力，在其它各种能力上也都有了提高。更重要的是，在ANSYS操作上，我学会了更多有效的方法。而这对以后毕业设计真的是受益匪浅。以后，不管有多苦，我想我都能化苦为乐，发掘有趣的事情，发现其中珍贵的事情，踏实完成工作。回顾起此课程设计，我感慨颇多，从理论到实践，从思路到实施，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。桁架问题是结构力学最常规的问题，此次课程设计回顾前期学习的内容，并计算出理论解，考察了我的计算能力和基础是否扎实，然后又进行ANSYS仿真模拟，和理论解对比，结果几近相同。说明ANSYS的结果是非常可信的。有限元法（finiteelementmethod）是一种高效能、常用的数值计算方法。在科学计算领域中，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。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，如CREO,NASTRAN,ALOGOR,I－DEAS,AutoCAD等，ANSYS软件借助有限元法求解出比较精确的解析解。ANSYS对于工科学生来说，是非常重要的，毕竟在以后的工作学习中会常常涉及。因此这次课程设计锻炼了我对于ANSYS的实际操作能力。对我而言，即是对ANSYS软件操作能力的检验，也是对我能力的锻炼提升。此次设计也让我明白了思路即是出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。5参考文献[1]王新敏，李义强.《ANSYS结构分析单元与应用》[M].北京：人民交通出版社，2001.[2]胡于进，王璋奇.《有限元分析及应用》[M].北京：清华大学出版社，2009.[3]赵经文,王红钰.《结构有限元分析（第2版）》[M].北京：科学出版社，2001.[4]包世华.《结构力学》[M].北京：高等教育出版社,2002.[5]王瑁成.《有限单元法》[M].北京：清华大学出版社，2002.基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用HYPERLINK"/detail.ht