有限元课程设计(10页).doc

-有限元课程设计-第 6 页成 绩 评 定 表学生姓名张伟班级学号1001011435专 业机械设计制造及其自动化课程设计题目平面梁结构的静力学分析评语组长签字：成绩日期 20 13 年 12 月 1 日课程设计任务书学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化学生姓名张伟班级学号 1001011435课程设计题目平面梁结构的静力学分析实践教学要求与任务:一、1.平面连杆的静力学分析； 2.超静定桁架的有限元计算、温度应力的有限元计算和环的温度应力的有限元计算；3.平面梁结构的内力计算； 4.空间梁的静力学分析； 5.压力容器的静力学分析；6.机翼模型的模态分析；7.压杆稳定临界载荷计算；8.过盈配合与拔销接触分析；9.轮子的静力学分析；10.轴承座的有限元分析。二、通过调研，在工厂、企业或科研单位进行工程实践的基础上，或结合老师的科研课题，针对具体工程实例，应用ANSYS软件进行有限元分析计算。也可参考材料力学、弹性力学或机械设计中的问题或习题，如有限元ANSYS上机练习指南附录中的题目进行分析计算.工作计划与进度安排:一、学习CAE软件ANSYS（28学时） 第1次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习1； 第2次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习2； 第3次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习3、4； 第4次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习5、6、7； 第5次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习8； 第6次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习9； 第7次上机（4学时）：作有限元ANSYS上机练习指南中练习10。二、自拟题目上机。（第8次上机，4学时） 注：该部分练习需要上机4学时，如果课内上机时间不够，学生可利用课后业 余时间完成。课程实训说明书撰写不占用课内时间，由学生自行安排时间完成。指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日 目录一、 前言2二、 平面梁结构的静力学分析31. 问题阐述32. 物理参数与几何参数3三、 交互式的求解过程31. 创建节点32. 定义单元类型和材料特性63. 创建单元74. 施加约束和载荷85. 求解106. 后处理117. 退出程序15参考文献15一、 前言 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。  有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。   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=Rayleigh Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。有限元法将函数定义在简单几何形状的单元域上，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。随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。二、 平面梁结构的静力学分析1. 问题阐述一钢架结构如图所示，对该梁进行分析，画出弯矩图和剪力图。 (刘鸿文编材料力学上册第128页)2. 物理参数与几何参数其中，。其中梁宽B=0.05m，梁高H=0.05m。弹性模量取，泊松比取。三、 交互式的求解过程1. 创建节点1.1创建梁的各个节点 创建力学模型上的A，B，C，D，E和F各点处的节点。1 给梁的各参数赋值: Utility Menu：ParametersScalar Parameters界面，在Selection下输入梁高H=0.05按下Accept；输入梁宽5Accept；梁长L=4Accept；计算梁的横截面积AREA=Accept；计算梁的截面惯性矩IZZ=0521Accept；然后定义载荷：集中力F=-20000Accept；均布载荷Q= 30000Accept；Close.2 Main Menu：PreprocessorModelingCreateNodeIn Active CS。3 在创建节点窗口内，输入节点号1，并输入0，0，0作为节点1的X，Y，Z坐标值。4 按下该窗口内的Apply按钮。5 输入节点号3，并在X，Y，Z后的编辑框内输入1，0，0作为节点的坐标值。6 按下该窗口内的Apply按钮。7 输入节点号7，并在X，Y，Z后的编辑框内输入3，0，0作为节点7的坐标值。8 按下该窗口内的Apply按钮。9 输入节点号9，并在X，Y，Z后的编辑框内输入4，0，0作为节点9的坐标值。10. 按下该窗口内的Apply按钮。11. 按下OK按钮。1.1.2 创建力学模型上的AB，BC，CD，DE和EF线段上的各个节点。1 Main Menu：PreprocessorModelingCreateNodeFill between Nds。2 在图形窗口内，用鼠标选择节点1和3。3 按下Fill between Nds窗口内的Apply按钮。4 按下Create Nodes Between 2 Nodes 窗口内的Apply按钮，完成在节点1到节点3之间节点的填充。5 重复上面的步骤完成节点3和7之间，7和9之间的节点填充。1.2显示各个节点1 Utility Menu：Numberings2 将Node numbers项设置为on.3 Utility Menu：PlotNodes4 Utility Menu：ListNodes5 对出现的窗口不做任何操作，按下OK按钮。6 浏览节点信息后，关闭该信息窗口。2. 定义单元类型和材料特性2.1 定义单元类型及关键字1. Main Menu：PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete2. 按下Element Type窗口内的Add按钮。3. 在单元类型库中，选择左侧列表中的BEAM单元家族，及右侧列表中2 node 188类型。4. 按下OK按钮完成选择。5. 选择Element Types 目录下的options 按钮。6. 在K3后选择Quadradic选项，在K4后选Include Both选项。7. 按下OK按钮完成选择。8. 按下Close按钮关闭Element Type窗口。定义材料特性1. Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMaterial Models。2. 在材料定义窗口内选择：StructuralLinearElasticIsotropic。3. 在EX后的文本框内输入数值作为弹性模量。4. 在PRXY后的文本框内输入数值作为泊松比。5. 按下OK按钮完成定义。2.3 定义梁横截面的几何参数1. Main Menu：PreprocessorSectionsBeamCommon Section。2. 在Sub-Type 后选择矩形作为梁的横截面积。3. Offset To 后选择Centroid。4. 在B后输入参数0.05；在H后输入参数0.05。5. 按下OK按钮完成定义。3. 创建单元3.1 创建单元1. Main Menu：PreprocessorCreateElementsAuto-NumberedThru Nodes。2. 在图形窗口内，用鼠标点选节点1和2。3. 按下按下OK按钮完成单元1的定义。4. Main Menu：PreprocessorModelingCopyElementsAuto-Numbered。用光标选择单元1，然后点Apply。5. 在ITIME后的编辑框内输入8（包括被复制的单元1）作为要复制的单元总数。6. 按下OK按钮完成单元2到单元8定义。3.2 显示梁单元3维形状1. Utility Menu：PlotCtrlsNumberings2. 在第一个下拉列表中，选择Elements numbers选项。3. Utility Menu：PlotCtrlsStyleSize and Shape。4. Display of element 后设置为On，按下OK按钮。5. Utility Menu：PlotElements。4. 施加约束和载荷节点自由度约束1 Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn nodes.2 用鼠标在图形窗口内选择节点3。3 按下选择窗口内的OK按钮。4 选择自由度UX,UY,，并在VALUE后为其输入数值0。5 按下Apply按钮。6. 用鼠标在图形窗口内选择节点7。7. 按下选择窗口内的Apply按钮。8. 选择自由度UY，并在VALUE后为其输入数值0。9. 按下OK按钮。10. Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructural Displacement On nodes选择pick All按钮选择自由度UZ,ROTX,ROTY并在VALUE后为其输入数值0OK.4.2 施加载荷4施加节点5处的集中载荷F。1. Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/Moment On nodes。2. 用鼠标在图形窗口内选择节点5。3. 按下选择窗口内的Apply按钮。4. 在第一个下拉列表中选择FY，并在下面的文本框内输入其值-20000（向上为Y轴正方向）。5. 按下OK按钮。4.2.2 施加单元1到单元2，单元,7到单元8上的的分布载荷q。1. Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructural Pressure On Beams。2. 用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元2。3. 按下选择窗口内的Apply按钮。4. 在LKEY后的文本框内输入数值1。5. 在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入-30000，6. 按下OK按钮。7. Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructural Pressure On Beams。8. 用鼠标在图形窗口内选择单元7到单元8。9. 按下选择窗口内的Apply按钮。10. 在LKEY后的文本框内输入数值1。11. 在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入-30000，12. 按下OK按钮。5. 求解定义分析类型1. Main Menu：Solution Anslysis Type New Analysis。2. 选中Static选项。3. 按下OK按钮。5.2 求解1. Main Menu：Solution SolveCurrent Ls。2. 按下OK按钮关闭Solve Current Load Step窗口。3. 按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。4. 浏览/STATUS Command窗口内的信息后，将其关闭。6. 后处理6.1 绘制梁的位移云图和应力1. 绘制梁的Y方向位移云图：Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Nodal Solu. 选择DOF Solution下的Y-Component of displacement在Undisplaced shape key 后选择Deformed shape with undeformed edgeOK。2. 绘制弯曲应力云图：Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Nodal Solu. StressX-Component of stress 在Undisplaced shape key 后选择Deformed shape with undeformed edgeOK绘制剪应力云图：Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Nodal Solu. StressXY Shear stress 在Undisplaced shape key 后选择Deformed shape with undeformed edgeOK 6.2建立单元结果表创建单元表，计算节点弯矩。1. Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2. 按下Element Table Data窗口内的Add按钮。3. 在Lab后的文本框内输入IMOMENT。4. 在左侧列表中选择By sequence num项。5. 右侧列表中选择SMICS，项。6. 在右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入3。7. 按下Apply按钮。8. 在Lab后的文本框内输入JMOMENT。9. 重复上面的步骤4和5。10在右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入16。11按下OK按钮Close。创建单元表，计算节点剪力。1. Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2. 按下Element Table Data窗口内的Add按钮。3. 在Lab后的文本框内输入ISHEAR。4. 在左侧列表中选择By sequence num项。5. 右侧列表中选择SMICS，项。6. 右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入6。7. 按下Apply按钮。8. 在Lab后的文本框内输入JSHEAR。9. 重复上面的步骤4和5。10右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入19。11按下OK按钮Close。列出所有表格资料6列出资料1. Main Menu：General PostprocList ResultsEleme Table Data。2. 在List Element Table Data窗口内选择IMOMENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。3. 按下OK按钮并在浏览资料窗口内的信息后，将其关闭。6画剪力图1. Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Line Elem Res2. 在第一个下拉列表中选择ISHEAR，在第二个下拉列表中选择JSHEAR。3. 按下OK按钮。6画弯矩图1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 在第一个下拉列表中选择IMOMENT，在第二个下拉列表中选择JMOMENT。3 按下OK按钮。7. 退出程序1. Toolbar：QUIT。2. 选择Quit-No Save！3. 按下OK按钮。参考文献1 李黎明ANSYS有限元分析实用教程M北京：清华大学出版社。2  刘国庆，杨庆东ANSYS工程应用教程M北京：中国铁道出版社，2003. 3  李卫民.ANSYS工程结构实用案例分析M北京：化学工业出版社，2007. 4  ANSYS理论与应用M.北京：电子工业出版社，2008. 5  张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用M北京：机械工业出版社，2006. 6  张应迁，张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通M人民邮电出版社，23