旋转厚壁圆筒有限元分析

旋转厚壁圆筒有限元分析题目要求5、受内压力的旋转厚壁圆筒，设厚壁筒长为120mm，内径为100mm，外径为200mm，两端自由，承受内压p=120MPa，并以角速度ω=209rad/s绕中心轴旋转。材料弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-9T/mm3。⑴绘出径向位移云图。⑵绘出环向应力云图。⑶绘出等效应力（vonmisesstress）云图。⑷调取变形、应力动画文件。要求：由于结构对称，取1/8圆筒模型作为分析对象，采用8结点六面体单元。题目分析1、壁厚0.1m圆筒，属于轴对称问题；取1/8圆筒模型作为分析对象，采用8结点六面体单元(Solid45单元)。2、约束：两端自由，承受内压p=120MPa（1.2e8Pa），并以角速度ω=209rad/s绕中心轴旋转；3、材料性质：材料弹性模量E=200GPa（2e11Pa），泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-9T/mm3（7.8e3kg/m3）。实验步骤及计算1、设置工作目录，定义文件名和标题用户定义文件夹《ANSYS张海鑫725》,定义Jobname—cylinder，单击run如图1所示。图1设置工作目录对话框及文件名设置图形用户界面类型选择MainMenu>Preference,显示图形用户界面过滤对话框，此问题属于结构分析类型，应选择Structural选项，并且应用h方法结构分析，选择h-Method,点击“OK”，如图2所示。图2设置图形用户界面类型选择单元类型此题在进行有限元分析时，题目要求采用8结点六面体单元。(1)选择MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete,弹出【ElementTypes】对话框图3，单击【add…】按钮。图3“单元类型”对话框(2)在左边的列表框中选择“solid”，右边选择“Brick8node45”，如图4所示。单击【OK】按钮，返回【ElementTypes】对话框。图4“单元类型库”对话框(3)单击【Options…】按钮，弹出图5所示的【SOLID45elementtypeoptions】对话框，对单元进行设置，使其可用于计算平面应变问题,单击【OK】按钮。图5单元选项设置对话框(4)单击【ElementTypes】中的【Close】按钮，关闭“单元类型”的对话框。4、定义材料属性及参数依次选择MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，弹出【DefineMaterialModelBehavior】对话框，如图6所示。图6“定义材料属性”对话框依次双击Structural→Linear→Elastic→Isotropic，展开属性的树形结构，弹出材料的弹性模量EX和泊松比PRXY定义的对话框，在对画框中填入如图7所示的数据。单击【OK】按钮关闭对话框，返回到【DefineMaterialModelBehavior】。图7“定义材料弹性模量和泊松比”的对话框双击Density，输入材料密度，如图8所示。单击【OK】按钮关闭对话框，返回到【DefineMaterialModelBehavior】。点击关闭【DefineMaterialModelBehavior】对话框。图8“定义材料密度”对话框5、建立圆筒实体有限元模型（1）生成45度的圆环面依次选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→PartialAnnulus→依次输入圆环面的圆心、内径R1、启始角θ1、外径R2、终止角θ2、→OK。如图9所示。图9“定义1/8圆环截面”对话框生成如图10所示的圆环截面。图10“生成的圆环截面”（2）拉伸成三维物体依次选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→ByXYZOffset→选择圆环面→OK。如图11所示。图11“选择圆环面”输入Z向偏移量0.12，如图12所示。图12“输入Z向偏移量”单击【OK】按钮确认退出对话框，在图形区域将显示如图13所示1/8圆筒模型。图13“1/8圆筒模型”6、对实体划分网格（1）依次选择MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，弹出【MeshTool】对话框图14所示，在ElementAttributes的下拉菜单中选中Volumes,然后单击【Set】按钮，弹出体积拾取对话框，选中创建的圆筒实体模型如图15所示。图14MeshTool对话框图15体积拾取单击【OK】按钮，弹出如图16所示的体积属性对话框。在MATMaterialsnumber后的下拉菜单中选中1，在TYPEElementtypenumber后的下拉菜单中选中1SOLID45。图16体积属性对话框然后单击【OK】按钮，结束设定，关闭对话框。（2）单击MeshTool对话框中SizeControl区域的Lines后面的【Set】按钮，弹出拾取线的对话框，选中圆筒的母线后，如图17所示。单击【Apply】按钮，弹出线上单元尺寸控制对话框，如图18所示。在NDIVNo.Ofelementdivision后面的文本框中输入30（表示在高度方向上，划分的层数为30）。图17母线选取图18单元尺寸控制对话框单击【OK】按钮，关闭单元尺寸控制对话框。单击MeshTool对话框中SizeControl区域的Lines后面的【Set】按钮，弹出拾取线的对话框，选中圆筒的径向直线后，如图19所示。单击【Apply】按钮，弹出线上单元尺寸控制对话框，如图20所示。在NDIVNo.Ofelementdivision后面的文本框中输入20（表示在厚度方向上，划分的层数为20）。图19厚度径向直线选择图20单元尺寸控制对话框单击【OK】按钮，关闭单元尺寸控制对话框。（4）单击MeshTool对话框中SizeControl区域的Lines后面的【Set】按钮，弹出拾取线的对话框，选中圆筒内外圆周上圆弧，如图21所示。单击【Apply】按钮，弹出线上单元尺寸控制对话框，如图22所示。在NDIVNo.Ofelementdivision后面的文本框中输入30（表示在圆筒内外圆周上圆弧划分的单元数为30）。图21圆弧选取图22单元尺寸控制对话框单击【OK】按钮，关闭单元尺寸控制对话框。（5）在MeshTool对话框中Mesh下的下拉菜单中选择Volumes，在划分网格方式中选择Hex/Wedge和Sweep，如图23所示。图23选择网格划分方式单击【Sweep】按钮后，选择圆筒实体（如图24）后，圆筒将被划分为如图25所示的有限元模型。图24选取实体模型图25划分网格后的有限元模型7、模型施加约束（1）将激活坐标系切换到总体柱坐标系下依次选UtilityMenu→WorkPlane→ChangeActiveCSto→GlobalCylindrical命令，将激活坐标系切换到总体柱坐标系下；依次选UtilityMenu→Select→everything；依次选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Move/Modify→RotateNodeCS→ToActiveCS命令，弹出节点选择的对话框，如图26所示；图26“节点选择”对话框单击【PickAll】按钮，选择所有节点，所有节点的节点坐标系都将被旋转到当前激活坐标系即总体柱坐标系下。（2）给侧面施加对称约束依次选择MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→SymmetryBC→OnAreas→拾取侧面：Apply→OK。过程如图27所示。图27选择约束表面结果如图28所示。图28表面约束结果给圆筒施加角速度依次选择MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Inertia→AngularVeloc→Global→OMEGZGlobalCartesianZ-comp输入209→OK。过程如图29所示。图29定义角速度对话框（4）给内弧面施加径向的分布载荷依次选择MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→拾取内弧面，如图30所示。图30选取承载面单击【OK】按钮→inputVALUE:1.2e8→OK。如图31所示。图31定义载荷大小对话框结果如图32所示。图32施加载荷结果8、分析计算依次选择MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS，弹出一个确认对话框和状态列表，要求查看列出的求解选项，确认后单击【OK】按钮，开始求解。如图33所示。图33确认对话框及状态列表由于划分网格较密，计算精度高，计算量较大，所以计算时间会稍长。求解完后弹出图34所示对话框，单击【Close】。图34求解结束9、查看结果依次选择MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape…→selectDef+Undeformed→OK(backtoPlotResultswindow)，过程如图35所示，结果如图36所示。图35图36（1）绘出径向位移云图依次选择MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu…→select:DOFsolution,X-Componentofdisplacement,Def+Undeformed→OK。过程如图37所示，结果如图38所示。图37图38绘出环向应力云图依次选择MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu…→select:Stress,Y-Componentofstress,Def+Undeformed→OK。过程如图39所示，结果如图40所示。图39图40绘出等效应力云图依次选择MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu…→select:Stress,vonMisesstress,Def+Undeformed→OK。过程如图41所示，结果如图42所示。图41图42调取变形、应力动画文件1、调取变形动画文件从功能菜单中选择PlotCtrls→Animate→DeformedResults→No.offrametocreate帧数输入10；Timedelay(seconds)延迟时间输入0.5；选择Dofsolution→TranslationgUX→OK。如图43所示。图43将计算结果生成动画对话框选定计算结果后，点击OK创建动画，随后自动播放以创建出的动画，同时弹出一个播放动画的控制面板，如图44所示。图44播放动画的控制面板保存已创建出来的动画视频。选择功能菜单中PlotCtrls→Animate→SaveAnimation...,选择保存路径，如图45所示，将视频保存为AVI格式的文件。图45选择保存路径对话框2、调取环向应力动画文件从功能菜单中选择PlotCtrls→Animate→DeformedResults→No.offrametocreate帧数输入10；Timedelay(seconds)延迟时间输入0.5；选择Stress→Y-directionSY→OK。如图46所示。图46将计算结果生成动画对话框选定计算结果后，点击OK创建动画，随后自动播放以创建出的动画，同时弹出一个播放动画的控制面板，如图47所示。图47播放动画的控制面板保存已创建出来的动画视频。选择功能菜单中PlotCtrls→Animate→SaveAnimation...,选择保存路径，如图48所示，将视频保存为AVI格式的文件。图48选择保存路径对话框3、调取等效应力动画文件从功能菜单中选择PlotCtrls→Animate→DeformedResults→No.offrametocreate帧数输入10；Timedelay(seconds)延迟时间输入0.5；选择Stress→vonMisesSEQV→OK。如图49所示。图49将计