數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

武漢理工大學(xué)材料成型數(shù)值模擬”課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書使用班級：成型1003-05

2013年04月為杜絕抄襲，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析討論的內(nèi)容雷同者，將被認(rèn)定為抄襲：抄襲者和被抄襲者，都須重做實(shí)驗(yàn)，并參加答辯。否則，實(shí)驗(yàn)成績?yōu)椴患案駥?shí)驗(yàn)報(bào)告按學(xué)校規(guī)定格式完成，實(shí)驗(yàn)報(bào)告盡量雙面打印，否則太厚。分析討論應(yīng)包括：（1）對比理論精確解，對模擬計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行分析討論（可參考“提示”）。用ANSYS計(jì)算時(shí)，還可改變劃分的單元數(shù)等對結(jié)果的精度進(jìn)行討論。（2）學(xué)習(xí)用ANSYS軟件分析有限元問題的體會。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)一：工字懸臂梁的有限元分析 2實(shí)驗(yàn)二：矩形梁的有限元分析 4實(shí)驗(yàn)三：受內(nèi)壓作用球體的有限元分析 6實(shí)驗(yàn)四：受熱作用的厚壁圓筒的有限元分析 8實(shí)驗(yàn)一：工字懸臂梁的有限元分析一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?） 了解用ansys進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析的基本過程。2） 將ansys結(jié)果與手算結(jié)果進(jìn)行比較。二） 基本原理和方法有限元法是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法。離散后的單元和單元之間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有場變量（位移、應(yīng)力、溫度等）都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對于每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得在子域內(nèi)部、子域分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程都組裝起來，就得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程組。求解方程組，就可以得到方程的近似解。有限元剛度分析法的步驟：1）建立幾何模型；2）對幾何模型進(jìn)行離散化處理；3）將單元節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量；4）選擇位移模式；5）確定單元應(yīng)變與位移、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系；6）根據(jù)虛功原理建立單元中節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系；7）根據(jù)作用力等效原則將每個(gè)單元所受的載荷移置到該單元的節(jié)點(diǎn)上；8）將各單元的剛度方程疊加，組裝成整體剛度方程；9）根據(jù)邊界條件修改剛度方程，消除剛體位移；10）求解整體剛度方程，得到節(jié)點(diǎn)位移；11）根據(jù)相應(yīng)方程求解應(yīng)力和應(yīng)變；12）利用計(jì)算機(jī)圖形方式，將計(jì)算結(jié)果以變形網(wǎng)格、等值線、彩色云圖、動畫等方式進(jìn)行顯示與分析。從應(yīng)用角度看（如用ansys分析軟件），整個(gè)過程可分為：?前處理：步驟1）、2）?加載求解：步驟7）、9）、10）、11）?后處理：步驟12）其余為軟件自動進(jìn)行。三） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容P=4000lbL=72inI=833in4E=29E6psi,泊松比=0.3橫截面積(A)=28.2in2H=12.71in求解P作用在Point處的變形，并將數(shù)值解與用彈性梁理論計(jì)算的解析解進(jìn)行對比:（提示：根據(jù)彈性梁理論，Point處的變形:Point=(PL=(PL3)/(3EI)=0.0206in.)y四）上機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟（參考）進(jìn)入ansys:開始f程序—ANSYSfUtilityMenu:File—ChangeDirectoryintoyours—ChangeJobname:beamO設(shè)置計(jì)算類型：MainMenu:PreferencesfselectStructuralfOK選擇單元類型：MainMenu:Prepocessor—ElementType—Add/Edit/Delete—Add—selectBeam2Delastic3—OK—Close定義實(shí)常數(shù)：MainMenu:Prepocessor—RealConstans—Add/Edit/Delete—Add—AREA:28.2,IZZ:833,HIGHT:12.71—OK—Close定義材料參數(shù)：MainMenu:Prepocessor—MaterialProps—MaterialModels—Structural—Linear—Elastic—Isotropic—EX:29e6,PRXY:0.3—OK生成幾何模型：MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Keypoints—InActiveCS—依次輸入兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)1(0,0)和2(72,0)—OK. MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Lines—Lines—StraightLine—Pick1和2兩點(diǎn)，連接成線—OK。(Saveas:beam0geom.db)網(wǎng)格劃分：MainMenu:Prepocessor—Meshing—MeshAttributes—Pickedlines—Pick1—OK—OK. MainMenu:Prepocessor—Meshing—MeshTool—SizeControls:Lines:Set—1—NDIV:5—OK.Backto“MeshTooF'WindowsfMeshfPick Close(Saveas:beam0mesh.db)施加約束、載荷：MainMenu:Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Displacement—OnNodes—Pick1—AllDOF—OK.MainMenu:Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Force/Moment—OnNodes—Pick2—FY,ConstantValue,VALUE:-4000—OK.分析計(jì)算：MainMenu:Solution—Solve—CurrentLS—OK—Close顯示結(jié)果：MainMenu:GeneralPostproc—PlotResult—DeformedShape—Def+Undeformed—OK.(這里顯示的是變形量)改變背景：UtilityMenu:PlotCtrlsfStyle^ColorsfReverseVideo對顯示結(jié)果進(jìn)行存儲：UtilityMenu:PlotCtrls—CaptureImage—File—Saveas:beam0根據(jù)需要，重復(fù)步驟10)、12)對其它物理量進(jìn)行顯示、存儲。例如顯示y方向節(jié)點(diǎn)位移量：MainMenu:GeneralPostproc—PlotResult—ContourPlot—NodalSolu—DOFSolu—Y-ComponentDisplacement—Deformedshapewithundeformedmodel—OK退出系統(tǒng)：UtilityMenu:File—Exit—SaveEverything—OK實(shí)驗(yàn)二：矩形梁的有限元分析一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）熟悉用ansys進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析的基本過程。2）熟悉ansys圖形用戶界面。二）基本原理和方法有限元法是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法。離散后的單元和單元之間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有場變量（位移、應(yīng)力、溫度等）都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對于每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得在子域內(nèi)部、子域分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程都組裝起來，就得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程組。求解方程組，就可以得到方程的近似解。有限元剛度分析法的步驟：1）建立幾何模型；2）對幾何模型進(jìn)行離散化處理；3）將單元節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量；4）選擇位移模式；5）確定單元應(yīng)變與位移、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系；6）根據(jù)虛功原理建立單元中節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系；7）根據(jù)作用力等效原則將每個(gè)單元所受的載荷移置到該單元的節(jié)點(diǎn)上；8）將各單元的剛度方程疊加，組裝成整體剛度方程；9）根據(jù)邊界條件修改剛度方程，消除剛體位移；10）求解整體剛度方程，得到節(jié)點(diǎn)位移；11）根據(jù)相應(yīng)方程求解應(yīng)力和應(yīng)變；12）利用計(jì)算機(jī)圖形方式，將計(jì)算結(jié)果以變形網(wǎng)格、等值線、彩色云圖、動畫等方式進(jìn)行顯示與分析。從應(yīng)用角度看（如用ansys分析軟件），整個(gè)過程可分為：?前處理：步驟1）、2）?加載求解：步驟7）、9）、10）、11）?后處理：步驟12）其余為軟件自動進(jìn)行。三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容計(jì)算分析模型如圖所示5ql4 60ql4（提示：根據(jù)彈性梁理論梁的最大撓度在其中間：w=384EI=佶）四）上機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟（參考）進(jìn)入ansys：開始f程序—ANSYS—UtilityMenu:File—ChangeDirectoryintoyours—ChangeJobname:beam設(shè)置計(jì)算類型：MainMenu:Preferences—selectStructural—OK選擇單元類型：MainMenu:PrepocessorfElementType^Add/Edit/Delete^AddfselectBeam3D2node18—OKfClose定義截面：MainMenu:PrepocessorfSectionsfBeamfCommonSectionsfSubType:(矩形),B:0.1,H:0.15fOK定義材料參數(shù)：MainMenu:PrepocessorfMaterialPropsfMaterialModelsfStructuralfLinearfElasticfIsotropicfEX:2.1e11,PRXY:0.3fOK生成幾何模型：MainMenu:PrepocessorfModelingfCreatefKeypointsfInActiveCSf依次輸入三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)1(0,0)、2(10,0)和3(5,1)—OK?MainMenu:PrepocessorfModelingfCreatefLinesfLinesfStraightLinefPick1和2兩點(diǎn)，連接成線fOK。(Saveas:beamgeom.db)網(wǎng)格劃分：MainMenu:PrepocessorfMeshingfMeshAttributesfPickedlinesfPick1fOKfPickOrientationKeypoint(s):YesfOKfPick3fOK.MainMenu:PrepocessorfMeshingfMeshToolfSizeControls:Lines:SetfPick1fNDIV:5fOK. Backto“MeshTool”WindowsfMeshf1fOKfClose(Saveas:beammesh.db)施加約束、載荷：MainMenu:SolutionfDefineLoadsfApplyfStructuralfDisplacementfOnNodesfPick1fUX,UY,UZ,ROTXfOK.MainMenu:SolutionfDefineLoadsfApplyfStructuralfDisplacementfOnNodesfPick2fUY,UZ,ROTXfOK. MainMenu:SolutionfDefineLoadsfApplyfStructuralfPressurefOnBeamsfPickall(inPickingMenu)fVALI:100000fOK.分析計(jì)算：MainMenu:SolutionfSolvefCurrentLSfOKfClose顯示結(jié)果：MainMenu:GeneralPostprocfPlotResultfDeformedShapefDef+UndeformedfOK. (這里顯示的是變形量)改變背景：UtilityMenu:PlotCtrlsfStylefColorsfReverseVideo對顯示結(jié)果進(jìn)行存儲：UtilityMenu:PlotCtrlsfCaptureImagefFilefSaveas:beam根據(jù)需要，重復(fù)步驟10)、12)對其它物理量進(jìn)行顯示、存儲。退出系統(tǒng)：UtilityMenu:FilefExitfSaveEverythingfOK實(shí)驗(yàn)三：受內(nèi)壓作用球體的有限元分析一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）熟悉用ansys進(jìn)行實(shí)體建模及結(jié)構(gòu)分析的基本過程。2）熟悉ansys圖形用戶界面。二）基本原理和方法有限元法是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法。離散后的單元和單元之間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有場變量（位移、應(yīng)力、溫度等）都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對于每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得在子域內(nèi)部、子域分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程都組裝起來，就得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程組。求解方程組，就可以得到方程的近似解。有限元剛度分析法的步驟：1）建立幾何模型；2）對幾何模型進(jìn)行離散化處理；3）將單元節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量；4）選擇位移模式；5）確定單元應(yīng)變與位移、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系；6）根據(jù)虛功原理建立單元中節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系；7）根據(jù)作用力等效原則將每個(gè)單元所受的載荷移置到該單元的節(jié)點(diǎn)上；8）將各單元的剛度方程疊加，組裝成整體剛度方程；9）根據(jù)邊界條件修改剛度方程，消除剛體位移；10）求解整體剛度方程，得到節(jié)點(diǎn)位移；11）根據(jù)相應(yīng)方程求解應(yīng)力和應(yīng)變；12）利用計(jì)算機(jī)圖形方式，將計(jì)算結(jié)果以變形網(wǎng)格、等值線、彩色云圖、動畫等方式進(jìn)行顯示與分析。從應(yīng)用角度看（如用ansys分析軟件），整個(gè)過程可分為：?前處理：步驟1）、2）?加載求解：步驟7）、9）、10）、11）?后處理：步驟12）其余為軟件自動進(jìn)行。三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受均勻內(nèi)壓的球體計(jì)算分析模型（截面圖）如圖所示：四）上機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟（參考）1）進(jìn)入ansys：開始—程序—ANSYSfUtilityMenu:File—ChangeDirectoryintoyoursfChangeJobname:sphere設(shè)置計(jì)算類型：MainMenu:Preference—selectStructural^-OK選擇單元類型：MainMenu:Prepocessor—ElementType^Add/Edit/Delete^AddfselectSolidQuad4node42—OK(backtoElementTypeWindows)—Options—SelectK3:Axisymmetric—OK—Close定義材料參數(shù)：MainMenu:Prepocessor—MaterialProps—MaterialModels—Structural—Linear—Elastic—Isotropic—EX:2.1e11,PRXY:0.3—OK生成幾何模型：MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Keypoints—InActiveCS—依次輸入四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)1(0?3,0)、2(0?5,0)、3(0,0?5)和4(0,0?3)—OK?UtilityMenu:WorkPlane—ChangeActiveCSto—GlobalSpherical. MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Lines—Lines—InActiveCoord—依次連接1,2點(diǎn)、2,3點(diǎn)、3,4點(diǎn)、4,1點(diǎn)—OK? MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Areas—Arbitrary—ByLines—Pickall(InPickingMenu)—OK。UtilityMenu:WorkPlane—ChangeActiveCSto—GlobalCartesian,(Saveas:spheregeom?db)網(wǎng)格劃分：MainMenu:Prepocessor—Meshing—MeshTool—SizeControls:Lines:Set—Pick1和3(inPickingMenu)—NDIV:10—Apply—Pick2和4(inPickingMenu)—NDIV:20—OK—(BacktotheMeshtoolWindows)Mesh:Areas,Shape:Quad,Mapped—Mesh—Pickall(inPickingMenu)OK—Close(Saveas:spheremesh?db)施加約束、載荷：MainMenu:Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Displacement—OnLines—Pick1—Lab2:UY—OK? MainMenu:Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Displacement—SymmetryB?C—OnLines—Pick3—OK? MainMenu:Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Pressure—OnLines—Pick4—OK—inputVALUE:100e6—OK?分析計(jì)算：MainMenu:Solution—Solve—CurrentLS—OK—Close顯示結(jié)果：MainMenu:GeneralPostproc—PlotResult—DeformedShape—Def+Undeformed—OK?(這里顯示的是變形量)改變背景：UtilityMenu:PlotCtrls—Style—Colors—ReverseVideo對顯示結(jié)果進(jìn)行存儲：UtilityMenu:PlotCtrls—CaptureImage—File—Saveas:sphere根據(jù)需要，重復(fù)步驟9)、11)對其它物理量進(jìn)行顯示、存儲。退出系統(tǒng)：UtilityMenu:File—Exit—SaveEverything—OK實(shí)驗(yàn)四：受熱作用的厚壁圓筒的有限元分析一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）熟悉用ansys進(jìn)行實(shí)體建模及熱分析的基本過程。2）熟悉ansys圖形用戶界面。二）基本原理和方法有限元法是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法。離散后的單元和單元之間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有場變量（位移、應(yīng)力、溫度等）都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對于每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得在子域內(nèi)部、子域分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程都組裝起來，就得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程組。求解方程組，就可以得到方程的近似解。有限元剛度分析法的步驟：1）建立幾何模型；2）對幾何模型進(jìn)行離散化處理；3）將單元節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量；4）選擇位移模式；5）確定單元應(yīng)變與位移、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系；6）根據(jù)虛功原理建立單元中節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系；7）根據(jù)作用力等效原則將每個(gè)單元所受的載荷移置到該單元的節(jié)點(diǎn)上；8）將各單元的剛度方程疊加，組裝成整體剛度方程；9）根據(jù)邊界條件修改剛度方程，消除剛體位移；10）求解整體剛度方程，得到節(jié)點(diǎn)位移；11）根據(jù)相應(yīng)方程求解應(yīng)力和應(yīng)變；12）利用計(jì)算機(jī)圖形方式，將計(jì)算結(jié)果以變形網(wǎng)格、等值線、彩色云圖、動畫等方式進(jìn)行顯示與分析。從應(yīng)用角度看（如用ansys分析軟件），整個(gè)過程可分為：?前處理：步驟1）、2）?加載求解：步驟7）、9）、10）、11）?后處理：步驟12）其余為軟件自動進(jìn)行。三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受熱作用的厚壁圓筒計(jì)算分析模型（截面圖）如圖所示：Rl=0.3R2=0.5團(tuán)筒內(nèi)壁溫度：500TRl=0.3R2=0.5團(tuán)筒內(nèi)壁溫度：500T外壁溫度:1D代兩端自由且絕熱lnrr(提示：一維導(dǎo)熱圓筒壁的溫度分布：T=T+(T-T) 4 )1 2 1rln亠r1上機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟(參考)進(jìn)入ansys：開始f程序—ANSYS—UtilityMenu:File—ChangeDirectoryintoyours—ChangeJobname:cylinder設(shè)置計(jì)算類型：MainMenu:Preferences—selectThermal—OK選擇單元類型：MainMenu:Prepocessor—ElementType—Add/Edit/Delete—Add—selectThermalSolidQuad4node55—OK(backtoElementTypeWindows)—Options—SelectK3:Axisymmetric—OK—Close定義材料參數(shù)：MainMenu:Prepocessor—MaterialProps—MaterialModels—Thermal—Conductivity—Isotropic—KXX:7.5—OK生成幾何模型：MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Keypoints—InActiveCS—依次輸入四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)1(0?3,0)、2(0.5,0)、3(0?5,1)和4(0.3,1)—OK.MainMenu:Prepocessor—Modeling—Create—Areas—Arbitrar