現(xiàn)代有限元仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、現(xiàn)代有限元仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心目 錄實(shí)驗(yàn)一 結(jié)構(gòu)梁的有限元分析1實(shí)驗(yàn)二 薄板圓孔的有限元分析6實(shí)驗(yàn)三 受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析15實(shí)驗(yàn)四 壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析18實(shí)驗(yàn)五 聯(lián)軸器的有限元分析實(shí)驗(yàn)21實(shí)驗(yàn)六 軸承座的有限元建模與分析32實(shí)驗(yàn)七 流體分析38實(shí)驗(yàn)八 瞬態(tài)熱分析43現(xiàn)代有限元仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 結(jié)構(gòu)梁的有限元分析一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解ANSYS在有限元分析中的作用；2. 理解ANSYS的工作機(jī)理；3. 掌握ANSYS的建模及分析方法；4. 掌握梁結(jié)構(gòu)的有限元分析方法。二 實(shí)驗(yàn)原理1. 有限元建模的基本原則建模時(shí)需要考慮兩條基本原

2、則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是控制模型的規(guī)模。在保證精度的前提下，減小模型規(guī)模是必要的，它可在有限的條件下使有限元計(jì)算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當(dāng)增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以比較兩種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，如果相差較大，可以繼續(xù)增加單元數(shù)量。如果結(jié)果變化不大，則可以停止增加。 在劃分網(wǎng)格特別是在應(yīng)力精度要求很高的區(qū)域時(shí)盡量劃分比較規(guī)則的網(wǎng)格形狀。一般情況下，使單元形狀為正多邊形（等邊三角形或正方形）和正多面體。（2） 控制規(guī)模原則模型規(guī)模是指模型的大小，直觀上可用節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)來(lái)衡量。 可以通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量來(lái)控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)

3、的影響。 在估計(jì)模型規(guī)模時(shí)，除了考慮節(jié)點(diǎn)的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)。2. 有限元建模的一般步驟不同問(wèn)題的有限元建模過(guò)程和內(nèi)容不完全相同，在具體實(shí)施分析之前，首先弄清分析對(duì)象的幾何形狀、約束特點(diǎn)和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計(jì)算結(jié)果的大致規(guī)律、精度要求、模型規(guī)模大小等情況，以確定合理的建模策略和分析方案。3. 形狀處理方法幾何模型對(duì)分網(wǎng)過(guò)程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時(shí)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)處理是必要的。（1） 降維處理：對(duì)某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)計(jì)算，把三維問(wèn)題簡(jiǎn)化或近似為二維問(wèn)題來(lái)處理。（2） 細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對(duì)尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非

4、高應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺(tái)等，可以簡(jiǎn)化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當(dāng)有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時(shí)受力的卻是某些相對(duì)很小的局部，結(jié)構(gòu)只是在局部發(fā)生變形，應(yīng)力也分布在局部區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以從整個(gè)結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進(jìn)行分析。（4） 對(duì)稱性的利用：當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件具有某種對(duì)稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對(duì)稱分布時(shí)，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計(jì)算。4. 單元類型單元類型的選擇應(yīng)根據(jù)分析類型、形狀特征、計(jì)算數(shù)據(jù)特點(diǎn)、精度要求和計(jì)算條件等因素綜合考慮。在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，不同的結(jié)構(gòu)類型需要相應(yīng)的單元進(jìn)行離散。因此單元通常是按結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類的，即根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇相應(yīng)單元。5. 單元特性單元特性定義

5、了單元內(nèi)部數(shù)據(jù)，包括材料數(shù)據(jù)、截面數(shù)據(jù)等。（1） 材料特性材料特性用于定義分析對(duì)象的材料在力學(xué)、熱學(xué)等方面的性能，如彈性模量E、泊松比、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等。（2） 物理特性物理特性用于定義單元物理參數(shù)或輔助幾何特征，在ANSYS中稱為實(shí)常數(shù)。（3） 截面特性桿、梁這類一維單元需要定義其截面特性。桿件結(jié)構(gòu)只承受拉壓，其截面特性只有截面積。梁結(jié)構(gòu)可以承受拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)，其截面特性包括截面積、主慣矩、極慣矩等截面性質(zhì)。（4） 單元相關(guān)幾何數(shù)據(jù)某些單元具有一些相關(guān)幾何數(shù)據(jù)，以對(duì)單元作進(jìn)一步說(shuō)明。6. 網(wǎng)格劃分原則（1） 網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格數(shù)量的多少主要影響以下兩個(gè)因素。 結(jié)果精度網(wǎng)格數(shù)量增加，結(jié)

6、果精度一般會(huì)隨之提高，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量太大時(shí)，數(shù)值計(jì)算的累積誤差反而會(huì)降低計(jì)算精度。 計(jì)算規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量增加，將會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。并不是網(wǎng)格分得越多越好，應(yīng)該考慮網(wǎng)格增加的經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因素綜合考慮。（2） 網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指結(jié)構(gòu)不同部位采用不同大小的網(wǎng)格，又稱相對(duì)網(wǎng)格密度。應(yīng)力集中區(qū)域采用較密集的網(wǎng)格，而在其它非應(yīng)力集中區(qū)域，則采用較稀疏的網(wǎng)格。采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可保持相當(dāng)?shù)木龋挚墒咕W(wǎng)格數(shù)量減小。（3） 單元階次采用高階單元可以提高計(jì)算精度，但高階單元的節(jié)點(diǎn)較多，使用時(shí)也應(yīng)權(quán)衡精度和規(guī)模綜合考慮。（4） 網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。網(wǎng)格各邊和各個(gè)內(nèi)角相差不

7、大，網(wǎng)格表面不過(guò)分扭曲，邊角點(diǎn)位于邊界等分點(diǎn)附近，則這類網(wǎng)格的質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分之后，應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，并對(duì)質(zhì)量差的網(wǎng)格（特別是重要部位的網(wǎng)格）進(jìn)行修正。（5） 網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)劃分網(wǎng)格時(shí)，結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)劃分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點(diǎn)。7. 網(wǎng)格劃分方法（1） 半自動(dòng)分網(wǎng)方法由分析人員確定節(jié)點(diǎn)位置和形成單元，分網(wǎng)過(guò)程在計(jì)算機(jī)屏幕上通過(guò)人機(jī)交互方式進(jìn)行。在分網(wǎng)時(shí)可不必考慮生成順序，可以任意控制節(jié)點(diǎn)位置和單元形狀，劃分的網(wǎng)格容易滿足給定的要求。（2） 自動(dòng)分網(wǎng)方法對(duì)于形狀復(fù)雜的空間曲面或?qū)嶓w，自動(dòng)分網(wǎng)降低了網(wǎng)格劃分難度，大大提高了建模效率。自動(dòng)分網(wǎng)時(shí)需要選擇單元類型、網(wǎng)格形狀（如三角形或

8、四邊形）和單元階次，并確定網(wǎng)格尺寸，然后選擇進(jìn)行分網(wǎng)的幾何模型，之后整個(gè)分網(wǎng)過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。8. 邊界條件的建立分析結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)或外界的關(guān)系用載荷、位移約束等邊界條件來(lái)定義。邊界條件的類型很多，不同分析問(wèn)題需要定義相應(yīng)的邊界條件。在結(jié)構(gòu)分析中，邊界條件主要包括位移約束和載荷條件，載荷條件包括：集中載荷、分布載荷、體積力及溫度載荷。9. ANSYS中有限元模型的建立方法（1） 創(chuàng)建實(shí)體模型，通過(guò)網(wǎng)格化生成有限元模型（2） 直接生成有限元模型：首先定義好節(jié)點(diǎn)，然后按照節(jié)點(diǎn)的順序構(gòu)造單元。由節(jié)點(diǎn)生成單元的前提條件： 必須先定義節(jié)點(diǎn)及該單元所需的最少節(jié)點(diǎn)數(shù)，再由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建單元。比如該單元是四邊形

9、單元，則須先定義好4個(gè)節(jié)點(diǎn)才行。 必須指定合適的單元屬性，包括單元類型、單元實(shí)常數(shù)及材料屬性等。適合于比較簡(jiǎn)單的模型，比如本實(shí)驗(yàn)中的梁結(jié)構(gòu)三 實(shí)驗(yàn)器材裝有ANSYS軟件的計(jì)算機(jī) 1臺(tái)四 實(shí)驗(yàn)步驟梁的有限元建模與變形分析要求選擇不同形狀的截面分別進(jìn)行計(jì)算。 圖 1-1 梁的計(jì)算分析模型梁截面分別采用以下三種截面（單位：m）：1.1 進(jìn)入 ANSYS程序 ANSYS Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: beamRun1.2 設(shè)置計(jì)算類型ANSYS MainMenu: Preferenc

10、es select Structural OK1.3 選擇單元類型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Beam 2 node 188 OK (back to Element Types window) Close (the Element Type window)1.4 定義材料參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2

11、.1e11, PRXY:0.3 OK1.5 定義截面ANSYS Main Menu: Preprocessor Sections Beam Common Sectns 分別定義矩形截面、圓截面和工字形截面：矩形截面:ID=1,B=0.1，H=0.15 Apply 圓截面：ID=2,R=0.1 Apply 工字形截面：ID=3,w1=0.1，w2=0.1，w3=0.2，t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007 OK1.6 生成幾何模型生成特征點(diǎn)ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS

12、依次輸入三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：input:1(0,0),2(10,0),3(5,1) OK生成梁ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines linesStraight lines 連接兩個(gè)特征點(diǎn)，1(0,0),2(10,0) OK1.7 網(wǎng)格劃分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked lines OK 選擇: SECT:1（根據(jù)所計(jì)算的梁的截面選擇編號(hào)）；Pick OrientationKeypoint(s):YES拾?。?#特征點(diǎn)(5,1) OKMesh To

13、ol Size Controls) lines:Set Pick All(in Picking Menu) input NDIV:5 OK (back to Mesh Toolwindow) Mesh Pick All (in Picking Menu) Close (the Mesh Toolwindow)1.8 模型施加約束最左端節(jié)點(diǎn)加約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes pick the node at (0,0) OK select UX,UY,UZ,ROTX OK

14、最右端節(jié)點(diǎn)加約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes pick the node at (10,0) OK selectUY,UZ,ROTX OK施加 y方向的載荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Beams Pick All VALI:100000 OK1.9 分析計(jì)算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close

15、 thesolve Current Load Step window) OK1.10 結(jié)果顯示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results DeformedShape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window) Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, UY, Def + Undeformed ,Rotation, ROTZ ,Def + UndeformedOK1.11 退出系統(tǒng)ANSYS Utility Menu: File

16、 Exit Save EverythingOK五 實(shí)驗(yàn)要求 對(duì)比分析結(jié)果與實(shí)際情況，得出相應(yīng)結(jié)論。六 注意事項(xiàng)1. 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，要注意工作文件名與工作標(biāo)題名的易辨認(rèn)性，這樣可以避免在繁多的文件中到不到所需文件的尷尬；2. ANSYS中沒(méi)有“撤銷”步選項(xiàng)，所以在進(jìn)行有限元建模過(guò)程中，要養(yǎng)成分步保存數(shù)據(jù)的習(xí)慣；3. 簡(jiǎn)單模型在ANSYS中建模，復(fù)雜模型用其他專業(yè)建模軟件建模，可以提高建模效率。七 實(shí)驗(yàn)報(bào)告按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實(shí)驗(yàn)二 薄板圓孔的有限元分析一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 進(jìn)一步掌握有限元的分析方法；2. 加深對(duì)有限元在結(jié)構(gòu)靜力分析中的應(yīng)

17、用的理解；3. 熟悉ANSYS的操作界面；4. 掌握對(duì)稱平面結(jié)構(gòu)的有限元分析方法。二 實(shí)驗(yàn)原理1. 實(shí)體建模ANSYS具有與大多數(shù)CAD/CAE軟件的接口，可直接導(dǎo)入各種實(shí)體和有限元模型。同時(shí)，ANSYS軟件還提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下法與自底向上法。 自頂向下法：利用圓、矩形、球、棱柱、圓柱、塊等（稱為基元）高級(jí)圖元，通過(guò)布爾運(yùn)算直接構(gòu)造幾何模型。 自底向上法：通過(guò)低級(jí)圖元逐級(jí)向上構(gòu)造高級(jí)圖元，最終形成所需模型，即首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，依次連接關(guān)鍵點(diǎn)生成相應(yīng)的線，通過(guò)線生成面和體。2. 有限元建模的基本原則建模時(shí)需要考慮兩條基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是控制模型的規(guī)模。在保證精度的前

18、提下，減小模型規(guī)模是必要的，它可在有限的條件下使有限元計(jì)算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當(dāng)增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以比較兩種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，如果相差較大，可以繼續(xù)增加單元數(shù)量。如果結(jié)果變化不大，則可以停止增加。 在劃分網(wǎng)格特別是在應(yīng)力精度要求很高的區(qū)域時(shí)盡量劃分比較規(guī)則的網(wǎng)格形狀。一般情況下，使單元形狀為正多邊形（等邊三角形或正方形）和正多面體。（2） 控制規(guī)模原則模型規(guī)模是指模型的大小，直觀上可用節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)來(lái)衡量。 可以通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量來(lái)控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)的影響。 在估計(jì)模型規(guī)模時(shí)，除了考慮節(jié)點(diǎn)的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)

19、的自由度數(shù)。3. 有限元建模的一般步驟不同問(wèn)題的有限元建模過(guò)程和內(nèi)容不完全相同，在具體實(shí)施分析之前，首先弄清分析對(duì)象的幾何形狀、約束特點(diǎn)和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計(jì)算結(jié)果的大致規(guī)律、精度要求、模型規(guī)模大小等情況，以確定合理的建模策略和分析方案。4. 形狀處理方法幾何模型對(duì)分網(wǎng)過(guò)程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時(shí)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)處理是必要的。（1） 降維處理：對(duì)某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)計(jì)算，把三維問(wèn)題簡(jiǎn)化或近似為二維問(wèn)題來(lái)處理。（2） 細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對(duì)尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺(tái)等，可以簡(jiǎn)化處理

20、。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當(dāng)有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時(shí)受力的卻是某些相對(duì)很小的局部，結(jié)構(gòu)只是在局部發(fā)生變形，應(yīng)力也分布在局部區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以從整個(gè)結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進(jìn)行分析。（4） 對(duì)稱性的利用：當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件具有某種對(duì)稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對(duì)稱分布時(shí)，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計(jì)算。三 實(shí)驗(yàn)器材裝有ANSYS軟件的計(jì)算機(jī) 1臺(tái)四 實(shí)驗(yàn)步驟一個(gè)承受單向拉伸的無(wú)限大板，在其中心位置有一個(gè)小圓孔。材料屬性：彈性模量 E=2×1011Pa泊松比=0.3拉伸載荷：P=1000Pa幾何參數(shù)：平板厚度t=0.1m。單元類型：Structural Solid Quad 8node 821. 定

21、義工作文件名和工作標(biāo)題（1） 定義工作文件名Utility Menu>File>Change Jobname，輸入文件名，選擇【New log and error files】復(fù)選框，單擊OK按鈕。（2） 定義工作標(biāo)題Utility Menu>File>Change Title，輸入工作標(biāo)題，單擊OK。（3） 重新顯示Utility Menu>Plot>Replot（4） 關(guān)閉三角坐標(biāo)符號(hào)Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Options，彈出【W(wǎng)indows Options】對(duì)話框，

22、在【Location of triad】下拉列表框中選擇“Not Shown”選項(xiàng)，單擊OK。2. 定義單元類型和材料屬性（1） 選擇單元類型Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，彈出【Element Types】對(duì)話框。單擊Add按鈕，彈出如圖所示的【Library of Element Types】對(duì)話框。選擇“Structural Solid”和“Quad 8node 183”選項(xiàng)，單擊OK按鈕，然后單擊Close按鈕。（2） 設(shè)置材料屬性Main Menu>Preprocessor>Mate

23、rial Props>Material Models，彈出【Define Material Models Behavior】窗口。雙擊如圖示【Material Model Available】列表框的“Structural/Linear/Elastic/Isotropic”選項(xiàng)，彈出【Linear Isotropic Material Properties for Material Number 1】。在【EX】和【PRXY】文本框中分別輸入“2e11”及“0.3”。單擊OK按鈕，然后執(zhí)行Material>Exit，完成材料屬性的設(shè)置。（3） 保存數(shù)據(jù)單擊ANSYS Toolbar

24、中的SAVE_DB按鈕。3. 創(chuàng)建幾何模型（1） 生成一個(gè)矩形面Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，彈出【Create Rectangle by Dimensions】對(duì)話框。如圖所示輸入數(shù)據(jù)，單擊OK按鈕，在圖形窗口中顯示一個(gè)矩形。（2） 生成一個(gè)圓孔Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle，彈出如圖所示的【Solid Circula

25、r Area】對(duì)話框。分別在【W(wǎng)P X】、【W(wǎng)P Y】和【Radius】文本框中輸入“0”、“0”、“5”。單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下左圖所示。（3） 執(zhí)行面相減操作Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas，彈出一個(gè)拾取框。拾取編號(hào)為A1的面，單擊OK按鈕。然后拾取編號(hào)為A2的圓面，單擊OK按鈕。生成結(jié)果如下右圖所示。（4）保存幾何模型 單擊ANSYS Toolbar中的SAVE_DB按鈕。4.生成有限元網(wǎng)格 （1）設(shè)置網(wǎng)格的尺寸大小Main Menu>Preproc

26、essor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global>Size，彈出GlobalElement Sizes對(duì)話框。在Element edge length文本框中輸入“0.5"，單擊Ok按鈕。 （2）采用白由網(wǎng)格劃分單元MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free，彈出一個(gè)拾取框。拾取編號(hào)為A3的面，單擊OK按鈕，生成的網(wǎng)格如下圖所示。（3）保存結(jié)果 單擊工具欄中的SAVE_ DB按鈕。5.施加載荷并求解（1）施加約束條件Main Menu>

27、;Solution>Define Loads>Apply>Structrual>Displacement>On Lines，彈出一個(gè)拾取框。拾取編號(hào)為L(zhǎng)10和L9的線，單擊OK按鈕，彈出【Apply U，ROT on Lines】對(duì)話框。選擇“UX”，選擇，單擊OK按鈕。 (2)施加載荷Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structrual>Pressure>On Lines，彈出一個(gè)拾取框。拾取編號(hào)為L(zhǎng)2的線，單擊OK按鈕，彈出如圖【Apply PRES on lines】對(duì)話框。在【

28、Load PRES value】文本框中輸入“-1000"，單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下圖。（3）求解Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)提示框。瀏覽后執(zhí)行File>Close，單擊【OK按鈕開(kāi)始求解運(yùn)算。出現(xiàn)一個(gè)【Solution is done】對(duì)話框時(shí)單擊Close按鈕完成求解運(yùn)算。（4）保存分析結(jié)果Utility Menu>File>Save as，彈出Save as對(duì)話框。輸入“EXERCISE2"，單擊OK按鈕。6.瀏覽計(jì)算結(jié)果（1）顯示變形形狀Main Menu>General

29、 Postproc>Plot Results>Deformed Shape，彈出Plot Deformed Shape對(duì)話框。選擇Def+undeformed'，單選按鈕，單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下圖所示。（2）列出節(jié)點(diǎn)的列表結(jié)果Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution，彈出List Nodal Solution對(duì)話框。在Item to be listed列表框中選擇“Stress”選項(xiàng)和“von Mises stress”選項(xiàng)，單擊OK按鈕。每個(gè)單元角節(jié)點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量將以列表方式顯示，

30、如下右圖所示。執(zhí)行File>Save as，可將其作為一個(gè)文本文件保存。（1）瀏覽節(jié)點(diǎn)上的Von Mises應(yīng)力值Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框。在Item to be contoured列表框中分別選擇“stress”和“von Mises stress"選項(xiàng)，單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下圖所示。7.以擴(kuò)展方式顯示計(jì)算結(jié)果 (1)設(shè)置擴(kuò)展模式(鏡像)Utility Menu>P1otCtr

31、ls>Style>Symmetry Expansion>Periodic/Cyclic Symmetry Expansion，彈出Periodic/Cyclic Symmetry Expansion對(duì)話框。選中“Reflect about YZ”單選按鈕，單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下第二幅圖所示。（1）以等值線方式顯示Utility Menu>P1otCtrls>Device Options，彈出Device Options對(duì)話框。選擇Vector mode (wireframe)復(fù)選框，單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下圖所示。五 實(shí)驗(yàn)要求 對(duì)比分析結(jié)果與實(shí)際情況，得出相

32、應(yīng)結(jié)論。六 注意事項(xiàng)1.在進(jìn)行有限元分析時(shí)，注意對(duì)稱性的利用，可以簡(jiǎn)化分析過(guò)程； 2.幾何模型的建立與單元屬性的設(shè)定沒(méi)有嚴(yán)格意義上的先后順序之分；3.比較通過(guò)分網(wǎng)創(chuàng)建有限元模型與直接創(chuàng)建有限元模型之間的不同。七 實(shí)驗(yàn)報(bào)告按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實(shí)驗(yàn)三 受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉并掌握ANSYS軟件的使用方法；2.掌握如何利用ANSYS進(jìn)行有限元建模及分析；3.了解受內(nèi)壓作用的球體的受力。二 實(shí)驗(yàn)原理1. 實(shí)體建模ANSYS具有與大多數(shù)CAD/CAE軟件的接口，可直接導(dǎo)入各種實(shí)體和有限元模型。同時(shí)，ANSYS軟件還提

33、供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下法與自底向上法。 自頂向下法：利用圓、矩形、球、棱柱、圓柱、塊等（稱為基元）高級(jí)圖元，通過(guò)布爾運(yùn)算直接構(gòu)造幾何模型。 自底向上法：通過(guò)低級(jí)圖元逐級(jí)向上構(gòu)造高級(jí)圖元，最終形成所需模型，即首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，依次連接關(guān)鍵點(diǎn)生成相應(yīng)的線，通過(guò)線生成面和體。2. 有限元建模的基本原則建模時(shí)需要考慮兩條基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是控制模型的規(guī)模。在保證精度的前提下，減小模型規(guī)模是必要的，它可在有限的條件下使有限元計(jì)算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當(dāng)增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以比較兩種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，如果相差較大，可以繼續(xù)增加單元數(shù)量

34、。如果結(jié)果變化不大，則可以停止增加。 在劃分網(wǎng)格特別是在應(yīng)力精度要求很高的區(qū)域時(shí)盡量劃分比較規(guī)則的網(wǎng)格形狀。一般情況下，使單元形狀為正多邊形（等邊三角形或正方形）和正多面體。（2） 控制規(guī)模原則模型規(guī)模是指模型的大小，直觀上可用節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)來(lái)衡量。 可以通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量來(lái)控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)的影響。 在估計(jì)模型規(guī)模時(shí)，除了考慮節(jié)點(diǎn)的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)。3. 有限元建模的一般步驟不同問(wèn)題的有限元建模過(guò)程和內(nèi)容不完全相同，在具體實(shí)施分析之前，首先弄清分析對(duì)象的幾何形狀、約束特點(diǎn)和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計(jì)算結(jié)果的大致規(guī)律、精度要求、模型規(guī)模

35、大小等情況，以確定合理的建模策略和分析方案。4. 形狀處理方法幾何模型對(duì)分網(wǎng)過(guò)程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時(shí)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)處理是必要的。（1） 降維處理：對(duì)某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)計(jì)算，把三維問(wèn)題簡(jiǎn)化或近似為二維問(wèn)題來(lái)處理。（2） 細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對(duì)尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺(tái)等，可以簡(jiǎn)化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當(dāng)有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時(shí)受力的卻是某些相對(duì)很小的局部，結(jié)構(gòu)只是在局部發(fā)生變形，應(yīng)力也分布在局部區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以從整個(gè)結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進(jìn)行分析。（4） 對(duì)稱性的利用：當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀和邊

36、界條件具有某種對(duì)稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對(duì)稱分布時(shí)，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計(jì)算。圖4-1 受均勻內(nèi)壓的球體計(jì)算分析模型（截面圖）三 實(shí)驗(yàn)器材裝有裝有ANSYS分析軟件的計(jì)算機(jī) 1臺(tái)四 實(shí)驗(yàn)步驟1 進(jìn)入 ANSYS程序 ANSYS Interactive change the working directory intoyours input Initial jobname: sphereRun2 設(shè)置計(jì)算類型ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK3 選擇單元類型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element

37、TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 182 OK (back to Element Types window) Options select K3: Axisymmetric OKClose (the Element Type window)4 定義材料參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OK5 生成幾何模型生成特征點(diǎn)ANS

38、YS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次輸入四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：input:1(0.3,0),2(0.5,0),3(0,0.5),4(0,0.3) OK生成球體截面ANSYS 命令菜單欄: Work Plane>Change Active CS to>Global SphericalANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines In ActiveCoord 依次連接1,2,3,4 點(diǎn)OK Preprocessor Modeling Cr

39、eate Areas Arbitrary By Lines 依次拾取四條邊OK ANSYS 命令菜單欄: Work Plane>Change Active CS to>Global Cartesian6 網(wǎng)格劃分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls)lines: Set 拾取兩條直邊:OKinput NDIV: 10 Apply拾取兩條曲邊:OKinput NDIV: 20 OK (back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape:Quad, Mapp

40、ed Mesh Pick All (in Picking Menu) Close( the Mesh Toolwindow)7 模型施加約束給水平直邊施加約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 拾取水平邊：Lab2: UY OK，給豎直邊施加約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 拾取豎直邊OK給內(nèi)弧施加徑向的分布載荷ANSYS

41、Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取小圓弧；OK input VALUE:100e6 OK8 分析計(jì)算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close thesolve Current Load Step window) OK9 結(jié)果顯示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results DeformedShape select Def + Undeformed OK (back to Pl

42、ot Results window) Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, UX,UY, Def +Undeformed , Stress ,SX,SY,SZ,Def + UndeformedOK10 退出系統(tǒng)ANSYS Utility Menu: File Exit Save EverythingOK五 實(shí)驗(yàn)要求 記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程、完成建模并對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六 注意事項(xiàng)1.在進(jìn)行有限元分析時(shí)，注意對(duì)稱性的利用，可以簡(jiǎn)化分析過(guò)程； 2.幾何模型的建立與單元屬性的設(shè)定沒(méi)有嚴(yán)格意義上的先后順序之分；3.比較通過(guò)分網(wǎng)創(chuàng)建有限元模

43、型與直接創(chuàng)建有限元模型之間的不同。七 實(shí)驗(yàn)報(bào)告按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實(shí)驗(yàn)四 壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉并掌握ANSYS軟件的使用方法；2.掌握如何利用ANSYS進(jìn)行有限元建模；3.掌握如何利用ANSY進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。二 實(shí)驗(yàn)原理1. 有限元建模的基本原則建模時(shí)需要考慮兩條基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是控制模型的規(guī)模。在保證精度的前提下，減小模型規(guī)模是必要的，它可在有限的條件下使有限元計(jì)算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當(dāng)增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以比較兩種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，如

44、果相差較大，可以繼續(xù)增加單元數(shù)量。如果結(jié)果變化不大，則可以停止增加。 在劃分網(wǎng)格特別是在應(yīng)力精度要求很高的區(qū)域時(shí)盡量劃分比較規(guī)則的網(wǎng)格形狀。一般情況下，使單元形狀為正多邊形（等邊三角形或正方形）和正多面體。（2） 控制規(guī)模原則模型規(guī)模是指模型的大小，直觀上可用節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)來(lái)衡量。 可以通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量來(lái)控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)的影響。 在估計(jì)模型規(guī)模時(shí)，除了考慮節(jié)點(diǎn)的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)。2. 有限元建模的一般步驟不同問(wèn)題的有限元建模過(guò)程和內(nèi)容不完全相同，在具體實(shí)施分析之前，首先弄清分析對(duì)象的幾何形狀、約束特點(diǎn)和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計(jì)算結(jié)

45、果的大致規(guī)律、精度要求、模型規(guī)模大小等情況，以確定合理的建模策略和分析方案。3. 形狀處理方法幾何模型對(duì)分網(wǎng)過(guò)程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時(shí)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)處理是必要的。（1） 降維處理：對(duì)某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)計(jì)算，把三維問(wèn)題簡(jiǎn)化或近似為二維問(wèn)題來(lái)處理。（2） 細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對(duì)尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺(tái)等，可以簡(jiǎn)化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當(dāng)有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時(shí)受力的卻是某些相對(duì)很小的局部，結(jié)構(gòu)只是在局部發(fā)生變形，應(yīng)力也分布在局部區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以從整個(gè)結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進(jìn)行分析。（4

46、） 對(duì)稱性的利用：當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件具有某種對(duì)稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對(duì)稱分布時(shí)，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計(jì)算。4.實(shí)驗(yàn)問(wèn)題描述計(jì)算分析模型如圖所示, 習(xí)題文件名: dam。圖5-1 壩體的計(jì)算分析模型三 實(shí)驗(yàn)器材安裝有ANSYS 軟件的計(jì)算機(jī) 1臺(tái)四 實(shí)驗(yàn)步驟1 進(jìn)入 ANSYS程序 ANSYS Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: damRun2 設(shè)置計(jì)算類型ANSYS MainMenu: Preferences select Structural OK3 選擇單元類型ANSYS

47、Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 182 OK (back to Element Types window) Options select K3: Plane Strain OKClose (the Element Type window)4 定義材料參數(shù)ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1

48、e11, PRXY:0.3 OK5 生成幾何模型生成特征點(diǎn)ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次輸入四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：input:1(0,0),2(10,0),3(1,5),4(0.45,5) OK生成壩體截面ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPS 依次連接四個(gè)特征點(diǎn)，1(0,0),2(10,0),3(1,5),4(0.45,5)OK6 網(wǎng)格劃分ANSYS Main Menu: Prepr

49、ocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls)lines: Set 依次拾取兩條橫邊:OKinput NDIV: 15 Apply依次拾取兩條縱邊:OK input NDIV: 20 OK (back to the mesh tool window)Mesh: Areas,Shape: Quad, Mapped Mesh Pick All (in Picking Menu) Close( the Mesh Tool window)7 模型施加約束分別給下底邊和豎直的縱邊施加x和y方向的約束ANSYS Main Menu: Solution Define Loa

50、ds Apply Structural Displacement On lines pick the lines OK select Lab2:UX, UY OK給斜邊施加x方向的分布載荷ANSYS 命令菜單欄: Parameters Functions Define/Edit 1) 在下方的下拉列表框內(nèi)選擇x ,作為設(shè)置的變量；2) 在Result窗口中出現(xiàn)X,寫(xiě)入所施加的載荷函數(shù)：1000*X；3) File>Save(文件擴(kuò)展名：func) 返回：ParametersFunctions Read from file：將需要的.func文件打開(kāi)，任給一個(gè)參數(shù)名，它表示隨之將施加的載荷

51、OK ANSYS Main Menu: Solution Define LoadsApply Structural Pressure On Lines 拾取斜邊；OK 在下拉列表框中，選擇：Existing table OK 選擇需要的載荷參數(shù)名OK8 分析計(jì)算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK9 結(jié)果顯示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results DeformedShape select De

52、f + Undeformed OK (back to Plot Results window)Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, UX,UY, Def +Undeformed , Stress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedOK10 退出系統(tǒng)ANSYS Utility Menu: File Exit Save EverythingOK五 實(shí)驗(yàn)要求 完成壩體的建模和相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的分析，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六 注意事項(xiàng)1.在進(jìn)行有限元分析時(shí)，注意對(duì)稱性的利用，可以簡(jiǎn)化分析過(guò)程； 2.幾何模型的建立與

53、單元屬性的設(shè)定沒(méi)有嚴(yán)格意義上的先后順序之分；3.比較通過(guò)分網(wǎng)創(chuàng)建有限元模型與直接創(chuàng)建有限元模型之間的不同。七 實(shí)驗(yàn)報(bào)告按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實(shí)驗(yàn)五 聯(lián)軸器的有限元分析實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握有限元的三維模型建模方法；2. 比較不同實(shí)體模型分網(wǎng)方法的不同;3. 比較一維、二維以及三維有限元單元的不同；4. 掌握三維模型的有限元分析方法二 實(shí)驗(yàn)原理1. 有限元建模的基本原則建模時(shí)需要考慮兩條基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是控制模型的規(guī)模。在保證精度的前提下，減小模型規(guī)模是必要的，它可在有限的條件下使有限元計(jì)算更好、更快地完成。（1） 保

54、證精度原則 適當(dāng)增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以比較兩種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，如果相差較大，可以繼續(xù)增加單元數(shù)量。如果結(jié)果變化不大，則可以停止增加。 在劃分網(wǎng)格特別是在應(yīng)力精度要求很高的區(qū)域時(shí)盡量劃分比較規(guī)則的網(wǎng)格形狀。一般情況下，使單元形狀為正多邊形（等邊三角形或正方形）和正多面體。（2） 控制規(guī)模原則模型規(guī)模是指模型的大小，直觀上可用節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)來(lái)衡量。 可以通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量來(lái)控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)的影響。 在估計(jì)模型規(guī)模時(shí)，除了考慮節(jié)點(diǎn)的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)。2. 有限元建模的一般步驟不同問(wèn)題的有限元建模過(guò)程和內(nèi)容不完全相同，在具體

55、實(shí)施分析之前，首先弄清分析對(duì)象的幾何形狀、約束特點(diǎn)和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計(jì)算結(jié)果的大致規(guī)律、精度要求、模型規(guī)模大小等情況，以確定合理的建模策略和分析方案。3. 形狀處理方法幾何模型對(duì)分網(wǎng)過(guò)程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時(shí)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)處理是必要的。（1） 降維處理：對(duì)某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)計(jì)算，把三維問(wèn)題簡(jiǎn)化或近似為二維問(wèn)題來(lái)處理。（2） 細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對(duì)尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺(tái)等，可以簡(jiǎn)化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當(dāng)有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時(shí)受力的卻是某些相對(duì)很小的局部