有限元課程報告

1、有限元工程應(yīng)用課程報告告班 級： 16車服 姓 名： zhangsan 學 號： 88888888 指導教師： 陳劉定 學年學期：2016-2017學年第二學期課題一、托架體的結(jié)構(gòu)分析一、理論基礎(chǔ)：1.1、結(jié)構(gòu)靜力學分析概述結(jié)構(gòu)靜力學是結(jié)構(gòu)力學的一個分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。分析用于確定加載結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和反力等。1.2、靜力分析方程靜力分析方程為Kx=F。式中，【k】為剛度矩陣：【x】為位移矢量：【F】為靜力載荷。假設(shè)材料為線彈性，結(jié)構(gòu)小變 形，則【k】為常量矩陣且必須是連續(xù)的，【f】為靜態(tài)加載到模型上的力，該力不隨時間變化，不包

2、括慣性影響因素（質(zhì)量、阻尼等)。線性分析包括兩個方面的含義：首先是材料為線性，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性，變形是可恢復的；若結(jié)構(gòu)為小位移或小應(yīng)變等其他情況，結(jié)構(gòu)剛性不因變形而變化。當載荷變化加快時，變化周期遠小于結(jié)構(gòu)的自振周期，其動力響應(yīng)很大，可作為動載荷處理：反之，則作為靜載荷處理。1.3、工程數(shù)據(jù)在線性結(jié)構(gòu)靜力學分析中，材料屬性必須輸入彈性模量和泊松比。如果施加了慣性載荷，必須輸入材料的密度，如果施加了溫度載荷，還必須輸入材料的線膨脹系數(shù)。1.4、幾何模型在靜力結(jié)構(gòu)分析中幾何模型類型包括實體、面體、線體和點質(zhì)量4種，需注意的是：實體中有相應(yīng)程序默認單位、面體中需先確定其厚度、線體中支持截面及其偏置

3、等。1.5、幾何體構(gòu)造構(gòu)造幾何用于將結(jié)果映射到路徑或表面上，使用路徑可以在指定的空間曲線上獲得需要的結(jié)果，并以表面形式構(gòu)造幾何，顯示切平面的結(jié)果。1.6、分析設(shè)置結(jié)構(gòu)靜力學分析中對簡單線性行為無須設(shè)置，對復雜分析則需要設(shè)置：步長控制：用于指定求解步數(shù)和時間。求解控制：用于選擇求解器類型。重啟動控制：用于設(shè)置靜力中的多個重啟動點，用于后續(xù)的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析及線性屈曲分析。此外還包括對非線性控制、線性輸出控制、分析數(shù)據(jù)管理等。二、托架體的結(jié)構(gòu)分析2.1、實例解析通過一個簡單的固定托架體來分析在端面施加1000N的集中力作用時的變形和應(yīng)力分布以及安全系數(shù)。2.2、思路分析本例為實體零件靜力學分析，為了

4、簡化模型創(chuàng)建過程，采用軟件構(gòu)建模型，然后導入到Workbench中進行分析，通過Stress Tool來獲得安全系數(shù)。2.3、具體分析過程步驟（1）啟 動 Workbench 并 建 立 分 析 項 目。如圖3.1。圖.3.1 建立分析項目（2）設(shè)置分析單位，【MEtric （kg,mm,s.】。（3）幾何體模型導入，單位mm單位設(shè)置,并生成幾何體模型。如圖3.3。圖.3.3 生成幾何模型（4）關(guān)閉Design Modeler,選擇合適路徑并保存文件。如圖3.4。圖.3.4 保存文件（5）添加材料庫，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。如圖3.5。圖.3.5 添加材料庫（6）雙擊項目B中B4欄：model，添加模

5、型材料屬性，設(shè)置相應(yīng)單位和模型參數(shù)。如圖3.6。圖.3.6 添加模型材料屬性（7）劃分網(wǎng)格并添加尺寸控制【3mm】，并生成最終效果。如圖3.7.1和圖3.7.2。圖3.7.1 添加尺寸控制圖.3.7 生成最終效果（8）施加載荷與邊界條件，選擇圖中四個圓柱面，如圖3.8。圖3.8 施加載荷（9）施加力，1000N，注意方向，方向向左。如圖3.9。圖3.9 施加力（10）添加求解變形，添加應(yīng)力求解項。如圖3.10。圖3.10 添加求解變形（11）求解并顯示分析結(jié)果，變形云圖和應(yīng)力云圖。如圖3.11.1和圖3.11.2。圖3.11.1 變形云圖圖3.11.2 應(yīng)力云圖（12）添加stress too

6、l，并求解，如圖3.12。圖3.12 添加stress tool（13）創(chuàng)建坐標系，如圖3.13。圖3.13 創(chuàng)建坐標系（14）創(chuàng)建表面，如圖3.14。圖3.14 創(chuàng)建表面（15）映射表面，如圖3.15。圖3.15 映射表面（16）顯示表面結(jié)果，如圖3.16。圖3.16 顯示表面結(jié)果（17）保存并退出。三、結(jié)果分析1、變形： 0.042073 max。 0 min。2、應(yīng)力： 84.964 max。 0.1988 min。3、安全系數(shù)：15 max。 2.4363 min。4、表面應(yīng)力分布： 55.35 max。 0.29068 min。課題二、籃圈的疲勞分析一、理論基礎(chǔ)1.1、疲勞分析基礎(chǔ)當

7、材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復變化的載荷作用后，在應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞。這種在交變載荷持續(xù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，叫做疲勞破壞。應(yīng)力波動的每個周期都會或多或少損壞物體，在循環(huán)一定數(shù)量的周期之后，物體會變得越來越衰弱以致最終破壞。絕大多數(shù)機器零件都是在交變載荷下工作，這些零部件疲勞失效是主要的破壞形式。1.2、疲勞失效的3個階段：（l）階段1材料中形成一處或多處裂紋，材料的任何位置都可能形成裂紋，但通常發(fā)生的位置是邊界面，因為這里有更高的應(yīng)力波動。裂紋產(chǎn)生的原因很多，材料細微結(jié)構(gòu)的缺陷以及加工或處理引起的表面刮擦都是其中的原因。（2）階段2部

8、分或所有裂紋因繼續(xù)應(yīng)用載荷而增大。（3）階段3設(shè)計為容忍所應(yīng)用載荷的能力繼續(xù)惡化，直到失效發(fā)生。1.3、加強模型表面由于模型的表面暴露在各種不同環(huán)境中（濕氣等），通常也是應(yīng)力最高的部位，這些部位也是最容易形成并開始擴展的地方，因此加強模型表面可以延長模型在疲勞下的壽命。對疲勞工具的添加，無論在求解之前還是之后，都沒有關(guān)系，因為疲勞計算并不依賴應(yīng)力分析計算。盡管疲勞與循環(huán)或重復載荷有關(guān)，但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析，而不是諧分析。在ANSYS Workbench左側(cè)工具箱中的（Analysis Systems)下的（Static Structural)上按住鼠標左鍵，拖動到項目管理區(qū)，即可創(chuàng)建

9、靜力學分析項目。按照分析項目從上到下的順序執(zhí)行靜力分析，最后插入疲勞工具即可獲得分析結(jié)果。在疲勞分析中需要注意的是：山于有線性靜力分析，所以需要用到楊氏模量和泊松比：如果有慣性伐荷，則需要輸入質(zhì)量密度：如果有熱載荷，則需要輸入熱膨脹系數(shù)和抄傳導率；如果使用應(yīng)力匯具結(jié)果（stress Tool result），那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù)，而且這個數(shù)據(jù)也是用于平均應(yīng)力修正理論疲勞分析。二、疲勞分析（1）高、低疲勞周期根據(jù)應(yīng)力幅度和預(yù)期的導致破壞所需的循環(huán)次數(shù)，可將疲勞分為以下兩類：1）高周疲勞：交變應(yīng)力的大小適中，在材料中幾乎不產(chǎn)生或只產(chǎn)生很小的塑性變形。2）低周疲勞：低周疲勞在循環(huán)次數(shù)相對較低時

10、發(fā)生，循環(huán)次數(shù)不超過104次，低周疲勞常常伴隨材料的塑性變形，故又稱為應(yīng)變疲勞。（2）疲勞強度：在給定周期數(shù)下，疲勞失效發(fā)生時的應(yīng)力。（3）交變載荷類型當交變載荷引起的機械結(jié)構(gòu)最大和最小應(yīng)力水平均恒定時，稱為恒定振幅載荷。（4）應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力重復出現(xiàn)一次稱為一個應(yīng)力循環(huán)，重復出現(xiàn)的次數(shù)稱為循環(huán)數(shù)：完成一個應(yīng)力循環(huán)所需要的時間稱為一個周期。三、疲勞工具利用疲勞工具科計算云圖結(jié)果或曲線結(jié)果等疲勞結(jié)果。（1）疲勞強度因子是指構(gòu)件實際受力極限狀態(tài)與構(gòu)件充分受力極限狀態(tài)的應(yīng)力之比。常見的疲勞強度因子在考慮表面光潔度的情況下可從機械設(shè)計手冊上查得。（2）Loading Type用于定義交替應(yīng)力類型。（3）Z

11、ero-Based（基于零）：交替應(yīng)力等于參考靜態(tài)算例中相應(yīng)的應(yīng)力值的一半乘以比例因子。（4）Fully Reverse（完全反轉(zhuǎn)）：交替應(yīng)力等于參考靜態(tài)研究中相應(yīng)的應(yīng)力值乘以之例因子，應(yīng)力各分量的最大和最小值大小相等，方向相反。（5）Ratio（載荷比率）：交替應(yīng)力正、負方向上等于參考靜態(tài)研究中相應(yīng)的應(yīng)力乘以比例因子。四、籃圈的實例分析4.1、實例說明本例中通過籃圈來分析端部表面作用0-1000N載荷，背面固定在籃板上時，籃圈在經(jīng)受10000次這樣載荷周期的疲勞壽命。4.2、分析思路本例在采用靜力學分析的基礎(chǔ)上，以添加疲勞工具的方式來進行籃圈疲勞分析，疲勞工具添加在靜力學求解之后。因為疲勞分

12、析需要s-N曲線數(shù)據(jù)，因此在工程數(shù)據(jù)中手工添加分析材料的S曲線。4.3、具體分析過程（1）啟動workbench，進入用戶界面。（2）分析單位設(shè)置【Metric,(kg,mm,s.)】命令。（3）創(chuàng)建分析項目：幾何體、靜力分析。如圖3。圖3 創(chuàng)建分析項目（4）導入幾何模型。（5）單位設(shè)置：mm,并生成模型。如圖5。圖5 生成模型（6）添加材料-usersteel如圖6.1，創(chuàng)建彈性屬性如圖6.2，創(chuàng)建抗拉強度如圖6.3，添加S-N屬性如圖6.4，輸入壽命參數(shù)。圖6.1 添加材料-usersteel圖6.2 創(chuàng)建彈性屬性圖6.3 創(chuàng)建抗拉強度圖6.4 添加S-N屬性（7）添加材料屬性，如圖7。圖

13、7 添加材料屬性（8）劃分網(wǎng)格，設(shè)置尺寸15mm，并生成網(wǎng)格，如圖8.1和圖8.2。 圖8.1 設(shè)置尺寸 圖8.2 生成網(wǎng)格（9）施加載荷與邊界條件如圖9.1，施加力的分量:-1000N.如圖9.2。 圖9.1 施加載荷 圖9.2 施加力的分量（10）添加變形及應(yīng)力求解。如圖10。圖10 添加變形及應(yīng)力求解（11）求解并顯示分析結(jié)果，變形云圖，如圖11.1。應(yīng)力云圖。如圖11.2。圖11.1 變形云圖圖11.2 應(yīng)力云圖（12）插入疲勞工具如圖12.1，求解壽命，求解損傷，求解安全系數(shù)如圖12.2。圖12.1 插入疲勞工具圖12.2 添加壽命、損傷、安全系數(shù)求解項（13）求解疲勞分析并顯示分析結(jié)果如圖13.1、圖13.