吉林大学有限元分析课实验报告

有限元方法B实验报告与作业班级：411210班姓名：林亮基学号：41121010学院：机械学院吉林大学机械科学与工程学院41121010林亮基目录TOC\o"1-3"\h\z\u280实验1：杆系结构有限元静力学分析 页实验1：杆系结构有限元静力学分析实验目的：通过本实验掌握杆系结构有限元静力学分析GUI操作，并熟悉相应的APDL命令流。问题描述：上图所示为订书钉，尺寸见图中标注。材料弹性模量为E=2.1×105MPa，泊松比为0.3，横截面积尺寸为宽B=0.64mm，高H=0.402mm。当订书钉被压入纸张时，约需要120N的载荷，载荷均匀分布在订书钉上部。就以下两种情况进行有限元分析：1）钉入时A、B为铰支；2）钉入时A、B为固支。实验思路：1）由于结构和谁都处于平面内，且结构和受力相对于订书钉中心轴对称，所以可采用对称的平面梁模型，即选取1/2模型进行分析，在此考虑了在梁模型中的倒角对结构变形和受力的情况影响；2）单元类型选择BEAM188；（在ANSYS14.0里只能选这个了）3）根据坐标生成关键点，由关键点连成线，生成直线倒角，再对几何模型（线）进行（一维）网格划分。实验步骤：选择单元类型在ANSYS界面内，执行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，添加一个element；选择Structural>Beam>2node188，点击OK确定。定义截面属性Sections>Beam>CommonSections在弹出的对话框中输入截面尺寸（B=0.402，H=0.64）此处一度遇到困难，因为14.0版本中的Beam188无需定义实常数。定义材料参数在ANSYS界面中执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic在这里必须指出的是，指导书上全都说明要双击打开，实际上是单击即可。生成几何模型Step1生成三个关键点MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS依次输入三个点的坐标：（6.32,0,0）、（6.32,6.1,0）、（0,6.1,0），每输入一个点的坐标后点Apply，输入最后一个坐标点Apply后点Cancel。Step2生成两条线段MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>lines>lines>InActiveCoord分别用Pick选择点1和2，再选择点2和点3，点击OKStep3建立线1和线2之间的倒角MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>lines>lineFillet>Pick分别单击线1和线2>OKFilletradius中输入0.5，在Numbertoassign中输入6，点击OK5、划分单元Step1设置所有的线上划分单元的个数MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>lines>Alllines在No.ofelementdivisions中输入4，点击OK。Step2划分单元MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>lines点击Pickall，点击OK6、施加约束和均布力Step1施加均布力UtilityMenu>Select>Entities>lines>ByLocation>Ycoordinates输入6.1，点击OKUtilityMenu>Select>Entities>Elements>Attachedto>lines点击OKMainmenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnBeams点击Pickall，输入-120/(6.32-0.5)/2，点击OKStep2对关键点3施加X方向约束和相对于Z方向的旋转约束UtilityMenu>Select>EverythingPreprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints选择关键点3，选择UX和ROTZ，点击OKStep3对关键点1施加固定边界条件Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints选择关键点1，选择AllDOF，点击OK7、分析计算Mainmenu>Solution>Solve>CurrentLS点击OK8、结果的一般显示对线单元按实体效果进行显示UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape>ESHAPEON>在SCALE输入0.5，点击OK显示完整的有限元模型，UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SymmetryExpansion>Periodic/CycleSymmetryExpansion选择ReflectaboutYZ点击OK效果如图所示：对计算结果进行云图显示，这里用的是X-ComponentofDisplacement，如下图所示：轴力图和剪力图如下：实验2：基于APDL命令流方式的杆系结构有限元静力学分析问题描述一座小型铁路桥由横截面积均为3250mm2的钢制杆件组成。一辆货车停在桥上，其载荷施加在桥梁两侧的桁架上，单侧桁架如上图所示，等效载荷为F1和F2，材料弹性模量为E=2.1×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.8×105kg/m3。使计算位置R处由载荷作用而沿着水平方向移动的距离以及支反力。同时，分析各节点的位移和单元应力实验思路由于并不熟悉命令流操作，所以我先按照实验指导上的操作步骤完成了有限元分析，再查看命令流文件，并且把命令流复制移植了一次，试验其是否能达到效果。实验步骤由于GUI操作的步骤在其他实验中已经尝试，故在此不再重复赘述，直接展示分析结果图：变形图如下：位移云图如下：轴力图如下：实验3：实体建模实验目的：通过本实验熟悉ANSYS界面、空间、基本建模操作、布尔运算。实验模型图实验思路按照实验指导书的指导，先建立长方体、圆柱等基本图形，再进行布尔运算减去多余部分，而且考虑到模型是对称结构，所以先建一半的模型，然后通过镜像获得整个模型。实验步骤创建模型Step1生成长方体MainMenu:Preprocessor>Create>Block>ByDimensions在对话框中输入X1=0，X2=3，Y1=1，Y2=1，Z1=0，Z2=3Step2平移并旋转工作平面UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements把工作平面的坐标原点移动到（2.25，1.25,0.75），并旋转90°Step3创建圆柱体MainMenu:Preprocessor>Create>Cylinder>SolidCylinder创建一个半径为0.375,、高度为-1.5的圆柱体再通过Copy菜单复制一个圆柱体Step4利用布尔操作减去圆柱体MainMenu:Preprocessor>Modeling>Operate>Boolean>Subtract>Volume操作完成后将工作坐标移动到原始坐标Step5创建支撑部分（长方体）MainMenu:Preprocessor>Create>Block>By2corners&Z长方体的尺寸为1.5*1.75*0.75完成操作后将工作坐标原点偏移到刚创建的长方体的左上角。在平面视图拾取点可能会拾取不正确，转换为立体视图拾取就一目了然了。Step6创建轴瓦支架的上部MainMenu:Preprocessor>Modeling>Create>Cylinder>PartialCylinderStep7在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作做准备MainMenu:Preprocessor>Modeling>Create>Cylinder>SolidCylinderStep8用布尔操作减去两个圆柱体，生成轴承孔执行MainMenu:Preprocessor>Modeling>Operate>Boolean>Subtract>VolumeStep9合并重合的关键点Step10创建一个关键点，并利用该点与另外两点生成一个三角形平面这一步需要用到CreateKeypoints、CreateArea等操作Step11将三角形平面拉伸成实体MainMenu:Preprocessor>Modeling>Operate>ExtrudeStep12通过镜像操作生成完整模型MainMenu:Preprocessor>Modeling>Reflect效果如图所示（通过Numbering开启了体的标号，颜色效果比较好看）2、定义单元类型和材料属性Step1定义单元类型执行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete在14.0版本中，选择的是Solid>Tet>10node187单元。熟悉了14.0的单元种类之后，要找到合适的类型替代指导书给出的单元也没以前那么难了。Step2定义材料属性为了定义材料的属性，在ANSYS界面中执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic弹性模量输入30e6，泊松比输入0.3。指导书没有给出泊松比，在老师的指导下选用了0.3划分网格打开meshingtool，将智能网格划分器设置为on，将滑动条滑到“6”，指导书给出的是“8”，但为了获得更好的效果，以及出于对电脑运算速度的信心，我设置为6，后来发现网格其实还是比较大的。确认各项为Volume、Free、Tet，单击Mesh>pickall划分网格，效果如图：保存文件（为实验6做准备）实验4：平面结构有限元静力学分析一、问题描述如图所示，这是一个简单的，单一载荷的角支架结构静力分析。在左上的销孔的圆周施加约束（通过焊接），施加一个均布载荷作用于右下销孔的底部。这个问题的目的是展示典型的ANSYS有限元分析方法。采用的是美国常用单位制。已知条件角支架的尺寸如上图所示。支架采用A36钢，杨氏弹性模量是30*106，泊松比是0.27实验思路该分析将问题假设为平面应力。由于与它的x和y维度相比，支架在z方向上薄（0.5英寸厚），并且由于压力载荷作用在X-Y平面，所以这个假设可行。根据实验指导，我的方法是使用实体建模生成二维模型，再使用单元和节点自动划分网格。（ANSYS中的另一个选择是直接创建节点和单元。）实验步骤总结实验过程可以概括为以下7个步骤：建立几何体定义材料属性定义单元类型划分网格施加约束和载荷获得求解结果显示结果实验步骤1、建立几何体Step1:生成矩形MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions输入X1=0，X2=6，Y1=-1，Y2=1点击Apply完成第一个矩形的创建。继续输入X1=4，X2=6，Y1=-1，Y2=-3点击OK完成第二个矩形的创建。Step2:移动工作平面并建立第一个圆UtilityMenu>WorkPlane>WPSettings，点击Polar，点击GridandTriad，在snapincrement输入0.1.点击OK并且关闭对话框。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle拾取中心点:WPX=0，WPY=0，设置半径为1Step3:移动工作平面并且创建第二个圆UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoints拾取矩形左下角的关键点和右下角关键点，点击OK关闭拾取菜单。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle在此拾取中心点:WPX=0，WPY=0，设置半径为1Step4:用布尔操作合并面积MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas点击PickAllStep5:创建圆角UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering勾选linenumbering，点击OK确认改变控制，关闭对话框。UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane(toggleoff)MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>LineFillet选取L17和L8，在选取菜单中点击OK完成选取，在radius（半径）中输入0.4，点击OKUtilityMenu>Plot>Lines显示线Step6为圆角创建面积.MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines选取线L4,L5,和L1，点击OKUtilityMenu>Plot>Areas显示面积Step7:再次使用布尔操作合并面积MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>AreasStep8:创建第一个销孔UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlaneMainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle输入圆心:WPX=0WPY=0设置半径为0.4完成创建Step9:移动工作平面并创建第二个销孔先移动坐标平面，然后仿照第一个孔的步骤完成第二个销孔的创建Step10:使用布尔操作减去销孔MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas选取大平面作为减去的母体，点击OK，选取两个销孔作为减去的部分点击OKStep11:完成模型的创建并保存文件如图所示：2、定义材料属性 MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels单击打开Structural,Linear,Elastic,Isotropic.在弹性模量EX输入30e6.在泊松比PRXY输入0.273、定义单元类型MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete选择solid8-nodequad183.点击\o"1.2.10.ElementOptions"Options，在elementbehavior选择planestresswiththicknessoption点击OK关闭对话框定义实常数MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete在\o"PLANE82"PLANE183点击OK输入.5到THK.点击OK关闭对话框 4、划分网格MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool设置GlobalSize.输入0.5.选择AreaMeshing.点击Mesh.Pickall 完成网格的划分 如图所示：5、施加约束和载荷Step1:施加约束UtilityMenu>Plot>LinesMainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines依次选取左孔圆周的线L10,L9,L11,L12在选择菜单中点击OK选择AllDOF.点击OKStep2:施加载荷MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines拾取L6，点击Apply.在VALUE输入50，在optionalvalue输入500.点击Apply.拾取L7，点击Apply.在VALUE输入500，在optionalvalue输入50点击OK.Step3：保存文件6、获得求解结果MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS点击OK开始求解，求解结束后关闭对话框显示结果Step1：通过后处理查看结果.MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSetStep2:绘制变形形状MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape选择Def+undeformed.如图所示：Step3:绘制VonMises等效应力MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu选择Stress，点击vonMises(SEQV).点击OK.应力如图如图所示： Step4：绘制位移云图MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu选择DOFSolution选择Displacementvectorsum点击OK位移云图如图所示：实验5：平面结构有限元静力学分析问题描述：如图所示，本实验需要完成的是一个简单的边角支架的建模和静力分析。该支架厚度为20mm，左边两孔受约束固定，右边大孔受力的作用。该支架所用的材料是E=200GPa，泊松比0.25的A36钢。实验步骤：1、建立模型Step1建立一个矩形MainMenu->Preprocessor->Modeling->Create->Areas->Rectangle->By2Corners.输入如下数据：parametercircle2circle3WPX00WPY2080radius2020WPX=0，WPY=0，Width=80，Height=100Step2再建立一个圆形，选择SolidCircle并输入以下数据WPX=80，WPY=50，Radius=50用同样的方法建立左边两个小圆，具体数据输入如右边表格所示：Step3再建立一个矩形，输入如下参数：WPX=-20，WPY=20，Width=20，Height=60Step4进行布尔操作Preprocessor->Operate->Booleans->Add->Areas.拾取所有已经建立的面积点击OK完成布尔运算Step5建圆孔Preprocessor->Modeling->Create->Areas->Circle->SolidCircle.三个圆孔的参数如下表所示：parametercircle1circle2circle3WPX8000WPY502080radius301010Step6进行布尔操作减去孔的面积Preprocessor->Modeling->Operate->Booleans->Subtract->Areas.拾取整个模型作为被减去的面积，点击OK确认拾取三个需要减去的圆孔，点击OK确认最终模型如图所示：2、定义单元类型和材料属性Mainmenu->Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete...选择solidquad8node183单元然后点击Options按钮，在K3选择Planestrsw/thk.点击OK确认Mainmenu->Preprocessor->RealConstants->Add在THK处输入20，即厚度为20Mainmenu->Preprocessor->MaterialProps->Constant->Isotropic点击OK定义弹性模量EX=200000（指导书上提示这个数值可能有问题，我试了之后发现是可以的）泊松比PRXY=0.3点击OK确认新版的其他材料属性的输入位置和指导书上的旧版不同Mainmenu->Preprocessor->MaterialProps->Constant->Density输入DENS=7.854e-6Mainmenu->Preprocessor->MaterialProps->Constant->Emissivity输入EMIS=1Mainmenu->Preprocessor->MaterialProps->Constant->ShearModulus输入GXY=80000划分网格Mainmenu->Preprocessor->Meshing->SizeControl输入Size=5Mainmenu->Preprocessor->Meshing->Mesh->Areas.Pickall4、施加约束和载荷MainMenu>Solution>Loads>Apply>Structural>Displacement.Utilitymenu>Plot>Nodes.把视图放大到能看清楚节点Loads->Apply->Structural->Displacement->Onnodes拾取时使用circle选框拾取小孔内第一圈所有节点选取点后点击OK在对话框中选择AllDOF，在VALUE键入0用同样的方法约束另一个孔施加载荷Loads->Apply->Force/Moment->OnNodes.选择右边大孔底部中间的店点击OK.在Y方向输入-1000.5、求解UtilityMenu->Plot->ElementMainmenu->Solution->Solve->CurrentLS点击OK进行求解6、显示结果变形图如图所示：应力云图如图所示：位移云图如图所示：实验6：空间结构有限元静力学分析问题描述：在实验3建模基础上，对此空间结构进行约束、加载、求解，实现静力学有限元分析。实验步骤（续实验三的步骤）施加约束MainMenu>Solution>Loads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C>OnAreas拾取四个孔的八个柱面，在这里学会了一个技巧，就是按住鼠标左键可以改变选择的对象施加ALLDOF约束然后再约束底部MainMenu>Solution>Loads>Apply>Structural>Displacement>Onlines拾取底部矩形的边线，选择UY施加载荷MainMenu>Solution>Loads>Apply>Structural>Displacement>Pressure>Onareas拾取小圆环面，施加1000N的力用同样方法对轴承孔下半部分施加5000N的压力求解Mainmenu->Solution->Solve->CurrentLS显示结果变形图如下：应力云图如下：位移云图如下：作业1杆系结构有限元分析一、问题描述：2个杆件的材料参数均为E=10×106N/cm2，截面积均为A=1.5cm2。节点3承受Fx3=500N和Fy3=300N的载荷。对结构进行有限元静力分析，手动推导计算过程，求解节点位移、各支反力、各单元应力。实验步骤：定义单元类型，MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete选择Link180在RealConstant里定义截面面积A=1.5cm2=1.5*10-4m2在materialmodel里定义材料参数，弹性模量E=10*106N/cm2=1011Pa4、运用在其他实验中学到的建立Keypoints的方法建立三个关键点MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS单位换算后，坐标分别为（0,0,0），（0,0.4,0）（0.4,0.4.0）5、利用上一步所建立的三个关键点建立两条直线，代表杆1和杆26、划分网格MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>lines>Alllines。在对话框中的No.ofelementdivisions处输入1，然后在点击Mesh划分单元7、对铰点1和2施加约束MainMenu>Solution>Loads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes选择AllDOF施加载荷MainMenu>Solution>Loads>Apply->Force/Moment->OnNodes施加X方向500N，Y方向300N的力如图所示：求解Mainmenu->Solution->Solve->CurrentLS查看结果在查看结果之前先进行UnitMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape操作，输入0.5，即以0.5的比例显示实际杆件然后进行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape变形图如下：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolution位移云图如下：作业2平面问题有限元分析一、问题描述：见教材P84习题5-1（b）。基于ANSYS软件进行有限元静力学分析，计算结构最大位移和最大应力。要求给出相应前处理、求解和后处理的关键步骤、图片和结果。建模思路：我认为本题的建模难点在于用布尔操作做出带圆角的矩形孔，采用的方法是建立多个图形拼凑出带圆角的矩形的轮廓，再用布尔操作减去。单元类型和材料属性参考的是书本的例题。三、实验步骤：定义单元类型，MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete选择8node183，在options里选择K3的Planestrsw/thk设置材料属性：MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，EX输入2.1e11,PRXY输入0.3定义实常数，在RealConstants里的THK输入0.01建立模型：Step1创建矩形MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By2Corners输入：WPX=0，WPY=0，Width=8，Height=8重复上述步骤，创建中心小矩形，原点为（3，3），宽2，高2Step2以中心小矩形的顶点创建四个圆，可先创建一个，再复制三个MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle输入圆心为（3,3），半径为1通过COPY的命令，沿Y方向偏移2复制一个圆形，再选择两个圆形，沿X方向偏移2完成四个圆形的创建Step3创建四个矩形：步骤与Step1相似，以其中一个圆的圆心为原点，创建一个1*2的矩形，再复制沿坐标轴对称的另一个。再以另一个圆心为原点，创建一个同样大小的矩形，继续复制，完成四个矩形的创建。Step4进行布尔操作，减去step2、3创建的面积MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas划分网格Mainmenu->Preprocessor->Meshing->SizeCntrls>ManualSize>Area>AllAreas在Size中输入0.05，然后运行Mesh>Areas>Free划分网格施加约束MainMenu>Solution>Loads>Apply>Structural>Displacement>Onnodes，选择长方形底边的顶点，选择AllDOF，点击OK完成，重复步骤选择施加另一个点的约束施加载荷Loads->Apply->Force/Moment->OnNodes.拾取矩形上边的中点，施加5000N向下的力求解Mainmenu->Solution->Solve->CurrentLS结果显示MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape变形图如下：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolution应力云图如下：位移云图如下：作业3空间问题有限元分析一、问题描述：见教材P107习题7-1。基于ANSYS软件进行有限元静力学分析，计算结构最大位移和最大应力。要求给出相应前处理、求解和后处理的关键步骤、图片和结果建模思路本题的建模思路是先通过一系列布尔操作建立一个平面图形，再将其旋转拉伸成体，在旋转时发现了一个问题，不能与轴线交叉，所以我又把图形减去了