實(shí)驗(yàn)五壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析

1、目錄第一章 有限元方法實(shí)驗(yàn) 1實(shí)驗(yàn)一有限元軟件的基本使用 1實(shí)驗(yàn)二一個(gè)懸臂梁的基本分析 5實(shí)驗(yàn)三平面結(jié)構(gòu)的靜力分析 12實(shí)驗(yàn)四結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析 22實(shí)驗(yàn)五壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析 28實(shí)驗(yàn)六平板的有限元建模與變形分析 30第二章 常用優(yōu)化算法程序及示例 32實(shí)驗(yàn)一進(jìn)退法 32實(shí)驗(yàn)二黃金分割法 36實(shí)驗(yàn)三二次插值法 40實(shí)驗(yàn)四共軛方向法（ Powell 法） 44實(shí)驗(yàn)五變尺度法 52實(shí)驗(yàn)六約束隨機(jī)方向法 62實(shí)驗(yàn)七復(fù)合形法 69第三章 基于 MathCAD 的齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 80參考文獻(xiàn) 87現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第一章 有限元方法實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 有限元軟件的基本使用、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?初步掌握有限

2、元軟件的基本使用方法 了解軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基本功能 了解用戶界面掌握基本操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本配置 實(shí)驗(yàn)采用有限元分析軟件 ANSYS/ED版本微機(jī)安裝 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系統(tǒng)。至少需要 200 兆硬 盤(pán)，16MB內(nèi)存。 17”以上顯示器，顯示分辨率為 1024X768。實(shí)驗(yàn)步驟1、啟動(dòng) ANSYS程序單擊“開(kāi)始”按鈕，選擇 “ 程 序 ”， 選 擇ANSYS/ED5.X單擊“ Interactive ”進(jìn) 入 ANSYS交互式操作程 序，出現(xiàn)初始窗口如圖。選擇 ANSYS產(chǎn)品選擇 ANSYS的工作目錄， ANSYS所有生成的文件都 寫(xiě)入此目錄下。選

3、擇圖形顯示方式 , 如配 置 3D 顯卡，則選擇 3D。 設(shè)定初始工作文件名，缺 省為上次運(yùn)行的文件名， 第一次為 file ?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)設(shè)定 ANSYS工作空間及數(shù)據(jù)庫(kù)大小。選擇 Run 運(yùn)行 ANSY。S2、ANSYS用戶界面ANSYS軟件提供友好的交互式的圖形用戶界面（ GUI），通過(guò) GUI可以方便 訪問(wèn)程序的各種功能、命令、 聯(lián)機(jī)文檔和參考資料，并可以一步一步的完 成整個(gè)分析，使 ANSYS易學(xué)易用。ANSYS提供四種方法輸入命令菜單對(duì)話框 工具桿 直接輸入命令A(yù)NSYS有 7 個(gè)菜單窗口，如圖，功能如表表 1.1 ：菜單窗口窗口名稱(chēng)應(yīng)用菜單包含文件管理、選擇、顯示控制、

4、參數(shù)設(shè)置等功能。主菜單包含 ANSYS的主要功能，分為前處理、求解、后處理等。輸入顯示提示信息，輸入 ANSYS命令，所有輸入命令在此顯示。注意：多數(shù)命令需要帶符合命令格式的參數(shù)。輸出顯示軟件的文本輸出，通常在其他窗口后面。圖形顯示由 ANSYS創(chuàng)建或傳遞到 ANSYS的圖形。工具條將常用的命令制成工具條，方便調(diào)用。對(duì)話框用于完成操作或設(shè)定參數(shù)進(jìn)行選取的窗口， 提示輸入數(shù)據(jù)或 作出決定。3、ANSYS基本操作ANSYS通過(guò)一些基本操作和選擇具有不同功能的處理器模塊來(lái)完成一個(gè)分 析任務(wù)。 ANSYS主菜單提供了完成一個(gè)工程分析所必須的處理器模塊，它包 括一個(gè)前處理器、一個(gè)求解器、兩個(gè)后處理器和其

5、他輔助處理器等。 ANSYS 常用的處理器及其功能、操作命令如表。表 1.2 ： ANSYS常用的處理器處理器名稱(chēng)功能GUI命令前處理器建立有限元模型Main menuPreprocessor/Prep7求解器加載及求解Main menuSolution/Solu通用后處理 器顯示特定載荷步的結(jié)果Main menuGeneralPostproc/Post1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)時(shí)間歷程處 理器顯示連續(xù)載荷步的結(jié)果Main menuTimehistPostproc/Post26優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)初始設(shè)計(jì)Main menuDesign Opt/OptAUX12產(chǎn)生熱分析輻射 矩陣Main menuRad

6、iationMatrix/AUX12運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)分析需要的 CPU時(shí)間及硬盤(pán) 空間等。Main menuRunTime Status/RunstANSYS使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)所有的模型數(shù)據(jù)和結(jié)果， 模型數(shù)據(jù)包括 實(shí)體模型、有限元模型、 材料特性等通過(guò)前處理器寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)， 載荷和求解 結(jié)果通過(guò)求解器寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)， 后處理結(jié)果通過(guò)后處理器寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)， 數(shù)據(jù)一 寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以被其他的處理器調(diào)用。 ANSYS運(yùn)行過(guò)程中以文件的形式保 存數(shù)據(jù)，文件格式為文本文件和二進(jìn)制文件格式，常見(jiàn)文件如下：表 1.3 ： ANSYS常見(jiàn)文件類(lèi)型文件擴(kuò)展名文件格式含義DB二進(jìn)制生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件EMAT二進(jìn)制生成單元

7、矩陣文件ERR文本生成運(yùn)行錯(cuò)誤和警告的信息文件FULL二進(jìn)制集成整體剛度矩陣和質(zhì)量矩陣GRPH二進(jìn)制生成新的圖形文件LOG文本生成命令流歷程文件MODE二進(jìn)制生成模態(tài)矩陣OUT文本生成輸出文件RST二進(jìn)制生成結(jié)構(gòu)分析和耦合場(chǎng)分析的結(jié)果文件TRI二進(jìn)制生成三角化剛度矩陣ANSYS的文件操作：保存文件以當(dāng)前 工作名保存，GUI 方式： Utility MenuFileSave as jobname.db換名保存， GUI 方式： Utility MenuFileSave as, 彈出的對(duì)話框 中輸入文件名?；謴?fù)數(shù)據(jù)庫(kù)文件恢復(fù)當(dāng)前工作名數(shù)據(jù)庫(kù)文件， GUI 方式：Utility MenuFileRe

8、sume 恢復(fù)其他數(shù)據(jù)庫(kù)文件， GUI方式： Utility MenuFileResume from 清楚當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)， GUI方式： Utility MenuFileClear&start new現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)讀如命令流文件， GUI方式： Utility MenuFileRead input from4、使用 ANSYS幫助系統(tǒng)ANSYS的幫助系統(tǒng)包括所有命令解釋和分析指南。 幫助系統(tǒng)可以通過(guò)三種方 式進(jìn)入。應(yīng)用菜單中選取在 ANSYS程序組選取 StartProgramesANSYS5xHelp system 在任何對(duì)話框中選取 Help5、退出 ANSYS三種方式退出 ANSY：

9、S 菜單方式 : Utility MenuFileExit 工具欄: 單擊 QUIT按鈕 命令方式：輸入窗口輸入” /EXIT ”四、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求記錄 ANSYS軟件的使用過(guò)程現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)二 一個(gè)懸臂梁的基本分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼邢拊浖瓿梢粋€(gè)分析問(wèn)題的基本過(guò)程。 獨(dú)立完成一個(gè)懸臂梁的基本分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本配置a) 實(shí)驗(yàn)采用有限元分析軟件 ANSYS/ED版本b) 微機(jī)安裝 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系統(tǒng)。至少需要 200 兆硬 盤(pán)， 16MB內(nèi)存。 17”以上顯示器，顯示分辨率為 1024X768。實(shí)驗(yàn)步驟 不同的問(wèn)題有不同的分析方法，對(duì)多數(shù)

10、問(wèn)題而言，分析問(wèn)題的基本步驟是相同 的。一個(gè)典型的分析過(guò)程可以表示如下：建立有限元模型施加載荷及邊界條件并求解檢驗(yàn)分析結(jié)果1. 建立有限元模型 完成一個(gè)有限元分析需要把一個(gè)物理模型轉(zhuǎn)化成一個(gè)合理的由節(jié)點(diǎn)和單元表達(dá) 的數(shù)學(xué)模型。在 ANSYS前處理模塊中，可以完成模型的建立，該模型由節(jié)點(diǎn)、 單元及其它物理特征構(gòu)成。其主要過(guò)程如下：1) 定義工作名稱(chēng)2) 定義標(biāo)題名稱(chēng)3) 設(shè)定單位4) 定義單元類(lèi)型5) 單元實(shí)常數(shù)6) 定義材料屬性7) 創(chuàng)建有限元分析模型該過(guò)程及有關(guān)說(shuō)明如表：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)表 2.1 ：建立有限元模型過(guò)程步驟操作方式說(shuō)明定義工 作名稱(chēng)GUI:Utility MenuFil

11、eChange jobname工作名是分析過(guò)程中所有生成文件的 主名。只對(duì)在使用該命令后打開(kāi)的文 件有效，對(duì)使用該命令前打開(kāi)的文件， 如 jobname.log,jobname.err 無(wú)效定義標(biāo) 題名稱(chēng)GUI: Utility MenuFileChange title所有的圖形顯示及求解輸出中包含定義的分析標(biāo)題設(shè)定單 位命令： /units除了磁場(chǎng)外，可以使用任意單位制， 輸入數(shù)據(jù)要采用一致單位。定義單 元類(lèi)型GUI:Main MenuPreprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete單元類(lèi)型決定單元的自由度數(shù)及適用 于 2D或 3D空間等屬性。單元實(shí)常數(shù)GUI

12、: Main MenuPreprocessorReal Constants單元實(shí)常數(shù)與單元類(lèi)型的特性有關(guān)， 用于補(bǔ)充必要幾何信息和計(jì)算參數(shù)。定義材 料屬性GUI:Main MenuPreprocessorMaterial Props材料特性可以是線性或非線形，各向 同性或各向異性等，可以直接輸入材 料數(shù)據(jù)或從材料庫(kù)文件調(diào)入。創(chuàng)建有 限元分 析模型GUI:Main MenuPreprocessorModeling or MeshingModeling 區(qū)域的命令用于構(gòu)建幾何 模型和直接生成有限元模型 ,Meshing 區(qū)域中的命令用于網(wǎng)格剖分。2. 施加載荷及邊界條件并求解ANSYS的加載和求解

13、由求解器完成，在求解器中需要完成以下幾步。 定義分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)施加載荷設(shè)定載荷步選項(xiàng)求解1) . 定義分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)在 ANSYS程序中，可以進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)、瞬態(tài)、譜、特征值失穩(wěn)和 子結(jié)構(gòu)等類(lèi)型的分析?？梢愿鶕?jù)載荷條件和計(jì)算的響應(yīng)選擇分析類(lèi)型。針對(duì)不同的分析類(lèi)型， 分析選項(xiàng)提供了許多具體的選擇項(xiàng)。 如：求解器選項(xiàng)、 應(yīng)力硬化選項(xiàng)和非線性選項(xiàng)等。定義分析類(lèi)型： GUI方式： Main MenuSolutionNew Analysis 選擇相應(yīng)的分析選項(xiàng)命令： GUI 方式： Main MenuSolutionAnalysis options現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)注意：在第一次求解

14、后， 不能改變分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)。 模型中使用的單元 類(lèi)型隱含了分析的學(xué)科類(lèi)型(結(jié)構(gòu)、熱、磁場(chǎng)等) 。2) . 施加載荷：載荷包括邊界條件和作用載荷， 邊界條件一般有約束、 邊界場(chǎng)參數(shù)等， ANSYS 中載荷大致可以分為自由度約束、 集中載荷、分布載荷、 體積載荷、慣性載 荷、耦合場(chǎng)載荷六種。這些載荷大部分可以直接施加到關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體 等幾何元素構(gòu)成的實(shí)體模型或由點(diǎn)和單元構(gòu)成的有限元模型上。施加載荷： GUI方式： Main MenuSolutionApply3) . 設(shè)定載荷步選項(xiàng)： 載荷步選項(xiàng)是用于有關(guān)載荷步的選項(xiàng)，如載荷步、子步、時(shí)間等。 ANSYS程序中，能夠得到一個(gè)確定解的載荷配

15、置，稱(chēng)之為一個(gè)載荷步。如： 對(duì)于同時(shí)承受重力和壓力的結(jié)構(gòu)物， 作為線性靜力問(wèn)題處理時(shí)， 可以同時(shí)施 加重力和壓力載荷， 作為一個(gè)載荷步求解。 也可以把重力載荷作為第一個(gè)載 荷步，壓力載荷作為第二個(gè)載荷步， 最后將兩個(gè)解進(jìn)行疊加。 對(duì)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué) 問(wèn)題，一個(gè)載荷歷程可以分成不同的載荷步可以得到不同階段的結(jié)果。 此外一個(gè)載荷步分為多個(gè)子步， 每個(gè)子步代表一個(gè)步長(zhǎng)， 同時(shí)子步也稱(chēng)為時(shí) 間步，代表一段時(shí)間。 在瞬態(tài)分析和非線性分析中， 使用子步用來(lái)提高分析 精度和幫助收斂。ANSYS程序在瞬態(tài)分析中，時(shí)間代表實(shí)際時(shí)間，在靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析中，時(shí)間 作為計(jì)數(shù)器表示載荷步和子步。根據(jù)不同的分析類(lèi)型，載荷步選項(xiàng)可

16、有可無(wú)。設(shè)定載荷步選項(xiàng)， GUI 方 式： Main MenuSolutionTime/Frequence4) . 求解ANSYS使用求解命令從數(shù)據(jù)庫(kù)中得到模型和載荷信息， 計(jì)算結(jié)果， 將結(jié)果寫(xiě) 入結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫(kù)文件。對(duì)當(dāng)前的載荷步求解，使用 GUI方式： Main MenuSolutionCurrent LS 對(duì)多個(gè)的載荷步求解， 使用 GUI方式：Main MenuSolutionFrom LS file5) . 分析結(jié)果對(duì)完成的計(jì)算， ANSYS提供兩個(gè)后處理器查看結(jié)果，一個(gè)是通用后處理器 POST，1 另一個(gè)是時(shí)間歷程后處理器 POST26POST1用于查看整體或部分模型在某一個(gè)子步

17、的結(jié)果，可以得到等值線顯 示、變形形狀、 以及檢查和解釋分析結(jié)果的列表顯示， 同時(shí)提供誤差估計(jì)等 其它功能。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)/post1 命令的使用 GUI方式： Main MenuGeneral Postproc 用于查看模型的特定點(diǎn)在整個(gè)或部分時(shí)間歷程的結(jié)果。 可以得到結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì) 時(shí)間或頻率的關(guān)系的圖形曲線和列表。同時(shí)提供數(shù)學(xué)運(yùn)算等其它功能。/post26 命令的使用 GUI方式： Main MenuTimehist Postproc 四、使用 ANSYS軟件完成一個(gè)基本分析根據(jù)以上的基本分析過(guò)程，下面完成一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁分析示例。1、問(wèn)題說(shuō)明：一個(gè)懸臂梁，一端固定， 另一端受到集中

18、載荷 f 的作用，計(jì)算最大應(yīng)力和位 移。材料為 A3 鋼。截面的幾何尺寸見(jiàn)圖 2.1 。相關(guān)的材料常數(shù)和其它輸入圖 2.1: 幾何尺寸b數(shù)據(jù)如下：材料常數(shù)：彈性模量 EX=2e11pa 幾何尺寸： l=100m, b=1m, h=2m 載荷： f=100n 2、分析方案：這是一個(gè)簡(jiǎn)單的靜力問(wèn)題。 有限元模型采用二維彈性梁?jiǎn)卧?beam3，需要輸 入的實(shí)常數(shù)為 Area=bh；慣性矩 Izz=bh 3/12 確定。梁固定端約束全部自由度， 另一端施加集中載荷 f 。求解步驟： 第一步、定義工作名稱(chēng)1、在 ANSYS啟動(dòng)時(shí)選擇 Interactive2、在隨后的設(shè)置中指定 Jobname 為 ex

19、ample, 單擊 Run按鈕，進(jìn)入 ANSYS 圖形界面。第二步、定義標(biāo)題名稱(chēng)1、選擇菜單 Utility MenuFileChange title2、在彈出的對(duì)話框中輸入 beam，單擊“ ok”。第三步、定義單位1、輸入窗口中輸入 /units,si 回車(chē)。（ 表示采用國(guó)際單位制，該步驟可以省 略）。第四步、選擇單元類(lèi)型現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1、選擇菜單 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete ， 出現(xiàn) Element Type 對(duì)話框。2、單擊 Add，Library of element types對(duì)話框出現(xiàn)，在左邊的滾動(dòng)列表

20、框點(diǎn)擊 structure beam ，在右邊的滾動(dòng)列表框點(diǎn)擊“ 2D elastic 3 ，即 beam3單元，單擊“ ok ”。第五步、定義單元實(shí)常數(shù)1、選擇菜單 Main MenuPreprocessorReal constants.2、單擊 Add，選中 beam3單元，單擊“ ok”。3、第一個(gè)輸入框中的數(shù)字是實(shí)常數(shù)的編號(hào)，選擇默認(rèn)值1。4、在彈出的對(duì)話框輸入面積 Area=2；慣性矩 Izz=8/12 ，高度 h=2，單擊“ ok” 確定。第六步、定義材料屬性1、選擇菜單 Main MenupreprocessorMaterial PropsConstant-Isotropic2、

21、彈出輸入框中的數(shù)字是材料屬性的編號(hào)，選擇默認(rèn)值 1，單擊“ ok”。3、彈出輸入框中輸入材料屬性，彈性模型 EX=2e11, 單擊“ ok”。 接著建立有限元模型， 建立有限元分析模型可以采用先建立幾何模型， 再進(jìn) 行網(wǎng)格剖分的方式，也可以直接建立節(jié)點(diǎn)和單元。這里采用第二種方式。 第七步、生成節(jié)點(diǎn)1、選擇菜單 Main MenuPreprocessorsCreateNodesIn Active cs, 在彈 出的對(duì)話框輸入 node=1,x=0,y=0,z=0 ，單擊“ apply “2、彈出的對(duì)話框輸入 node=11,x=100,y=0,z=0 ，單擊“ ok“3、選擇菜單 Main Me

22、nuPreprocessorsCreateNodesFill between nds, 出現(xiàn)點(diǎn)取對(duì)話框，用鼠標(biāo)點(diǎn)取節(jié)點(diǎn) 1 和 11，單擊“ok“, 彈出的對(duì)話框單擊 “ok“，圖形窗口出現(xiàn) 11 個(gè)節(jié)點(diǎn)如圖 2.2。圖 2.2: 生成節(jié)點(diǎn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第八步、生成單元1、選擇菜單 Main MenuPreprocessorsCreateElmentsAuto numbered -thru nodes, 出現(xiàn)點(diǎn)取對(duì)話框，用鼠標(biāo)點(diǎn)取節(jié)點(diǎn) 1 和 2，單擊“ ok“, 生成 一個(gè) beam3單元。2、選擇菜單 Main MenuPreprocessorsCopyElmentsAuto nu

23、mbered, 出 現(xiàn)點(diǎn)取對(duì)話框，用鼠標(biāo)點(diǎn)取單元1，單擊“ ok“, 彈出的對(duì)話框輸入ITIME=10,NINC=1, 單擊“ ok“，圖形窗口出現(xiàn) 11 個(gè)單元。第九步、保存數(shù)據(jù)庫(kù)文件選擇菜單 Utility MenuSave as ，保存對(duì)話框中輸入 example.db 。 第十步、定義分析類(lèi)型和選項(xiàng)選 擇 菜 單 Main MenuSolutionNew Analysis, 彈 出 窗 口 中 選 擇 “Static ”，單擊“ ok“, 表示選擇一個(gè)靜態(tài)分析。第十一步、施加位移約束1、選擇菜單 Main MenuSolutionLoadsApplyDisplacementsOn no

24、des, 出現(xiàn)點(diǎn)取對(duì)話框，用鼠標(biāo)點(diǎn)取節(jié)點(diǎn) 1，單擊“ ok“。2、彈出的對(duì)話框選擇 LAB2=ALL DOF, 單擊“ ok“. 第十二步、施加集中載荷1、選擇菜單 Main MenuSolutionLoadsApplyForce/Momentson nodes, 出現(xiàn)點(diǎn)取對(duì)話框，用鼠標(biāo)點(diǎn)取節(jié)點(diǎn) 11，單擊“ ok“。2、彈出的對(duì)話框選擇 LAB=FY,VALUE=100,單 擊“ ok“. 第十三步、求解1、選擇菜單 Main MenuSolutionCurrent LS. 2、出現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)信息窗口，顯示求解的相關(guān)信息，瀏覽后關(guān)閉窗口。3、單擊“ ok“，開(kāi)始求解，對(duì)于這個(gè)靜態(tài)問(wèn)題，求解很快

25、結(jié)束。4、彈出求解完成信息框，單擊“ close “ . 第十四步、進(jìn)入后處理器檢驗(yàn)分析結(jié)果1、進(jìn)入通用后處理器，并讀入結(jié)果選擇菜單 Main MenuGeneral PostprocRead ResultsFirst set 2、繪制變形圖，顯示 Y 方向的位移10現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)選擇菜單 Main MenuGeneral PostprocPlot resultsNodal Solu，在彈出對(duì)話框中選擇 COMP中左邊滾動(dòng)框選擇“ DOF Solution ”, 右邊 滾動(dòng)框選擇“ Translation UY ”,單擊“ ok“.3、列表顯示節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)力選擇 菜單 Main Men

26、uGeneral PostprocList ResultsElement Solution ，在彈出對(duì)話框中選擇 ITEM中左邊滾動(dòng)框選擇 “By Sequence Number”,右邊滾動(dòng)框選擇“ NMISC,1 ”,單擊“ ok“.4、列表顯示反作用力選擇菜單 Main MenuGeneral PostprocList resultsReaction Solu ， 在彈出對(duì)話框中選擇 Struct Force FY ”,單擊“ ok“.比較結(jié)果結(jié)果顯示梁自由端出現(xiàn)最大位移， 固定端出現(xiàn)最大應(yīng)力和理論解保持一致。 用 ANSYS軟件計(jì)算的結(jié)果和理論解的比較見(jiàn)表 2.2 。表 2.2: 比較結(jié)

27、果理論值ansys比率Y方向位移0.250e-30.250e-31軸向應(yīng)、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、記錄 ansys 軟件進(jìn)行分析的基本過(guò)程 參考示例，改變參數(shù)如下：材料常數(shù)：彈性模量 EX=2e11Pa 幾何尺寸： l=1000m, b=1m, h=2m 載荷： f=500N2、完成分析，記錄計(jì)算過(guò)程和應(yīng)力、位移的結(jié)果，并存盤(pán)保存。11現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)三 平面結(jié)構(gòu)的靜力分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼邢拊浖M(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析方法。掌握建立 2D 有限元模型。掌握結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析求解過(guò)程。掌握結(jié)果后處理方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本配置實(shí)驗(yàn)采用有限元分析軟件 ANSYS/ED版本微機(jī)安

28、裝 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系統(tǒng)。至少需要 200 兆硬 盤(pán)， 16MB內(nèi)存。 17”以上顯示器，顯示分辨率為 1024X768。三、實(shí)驗(yàn)步驟靜力分析計(jì)算在固定不變載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，不考慮慣性和阻尼的影響， 靜力分析可以是線性或非線性的，結(jié)構(gòu)線性靜力分析過(guò)程可以表示如下：建立有限元模型施加載荷及邊界條件求解。結(jié)果評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)分析1、建立有限元模型現(xiàn)今幾乎所有的有限元分析模型都用實(shí)體模型建模，類(lèi)似于CAD，ANSYS以數(shù)學(xué)方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，用于在里面填充節(jié)點(diǎn)和單元，還可以在幾何模型邊界 上方便地施加載荷。但是，幾何實(shí)體模型并不參與與有限元分析。所以施

29、加在幾何 實(shí)體邊界上的載荷或結(jié)束必須最終傳遞到有限元模型上， （節(jié)點(diǎn)或單元上）進(jìn)行求解， 由幾何模型創(chuàng)建有限元模型的過(guò)程叫作網(wǎng)格劃分（ Meshing）2、工作平面工作平面（ WP）是一個(gè)可移動(dòng)的參考平面， Utility MenuWorkPlane3、2-D 體素體素是指預(yù)先定義好的，具有共同形狀的面或狀創(chuàng)建 2D 體素： Main MenuPreprocessorModeling-Create4、布爾操作：12現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)是指幾何圖元進(jìn)行組合計(jì)算。 ANSYS的 布爾操作包括 Add,Subtract,Intersect, Divide,Glue , 以及 Overlap ，它們

30、不僅適用于簡(jiǎn)單的體素中的圖元， 也適用于從 CAD 系統(tǒng)傳入的復(fù)雜幾何模型。使用布爾操作： Main MenuPreprocessorModeling-Create5、單元屬性，材料屬性，定義單元類(lèi)型，定義實(shí)常數(shù)，網(wǎng)格劃分，模型修正6、求解7、后處理四、結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析問(wèn)題描述這是一個(gè)單載荷步的結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析的例子， 一塊帶銷(xiāo)孔的角鐵如圖所示， 其左 上端的銷(xiāo)孔四周被全部結(jié)束住 （焊接），右下端銷(xiāo)孔下半周受壓力作用， 并假定為平 面壓力狀態(tài)。通過(guò)這個(gè)例子使大家了解典型的 ANSYS分析過(guò)程，包括建模，劃分網(wǎng) 絡(luò)，施加結(jié)束與載荷，求解，后處理等。問(wèn)題詳細(xì)說(shuō)明角鐵的幾何尺寸如圖 3.1 所示，材料為 A

31、3 鋼，相關(guān)的材料常數(shù)如下：楊氏模 量： =2e11 psi ，泊松比 =0.27解題步驟第一步：指定 jobname（ 可選） 有兩種方法來(lái)指定 jobname：13現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)在 ANSYS啟動(dòng)時(shí)選擇 Interactive , 在 ANSYS啟動(dòng)設(shè)置中直接指定 jobname，在 ANSYS系 統(tǒng)中選取菜單 Utility Menu :File Change Title在彈出的對(duì)話框中輸入 jobname第二步：指定分析標(biāo)題（可選）1 選取菜單 Utility MenuChange Title2 在彈出的對(duì)話框中輸入“ Comer Bracket ” 第三步：設(shè)置分析范疇1、選

32、取菜單 Main MenuProference2、單擊 Structure 選項(xiàng)，使之為選中，然后單擊 OK。第四步: 定義單元類(lèi)型1、選取菜單 Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,出現(xiàn)Element Type 對(duì)話框。2、單擊 ADD，Library of Element Types對(duì)話框出現(xiàn)。3、在左邊的滾動(dòng)列表框中點(diǎn)擊“ Structural Solid ”。4、在右邊的滾動(dòng)列表框中點(diǎn)擊“ Quad 8node 82 ”，即四邊形八節(jié)點(diǎn)平面單元 （ PLANE8）2，單擊 OK。5在 Library of element T

33、ypes 對(duì)話框中點(diǎn)擊 Options ,在Options 對(duì)話框的 Element Behavior 選項(xiàng)中選 Plane stress with thickness。6、關(guān)閉 Library of element Types對(duì)話框。第五步：定義實(shí)常數(shù)1、選取菜單 Main MenuPreprocessorReal Constants.2、點(diǎn)擊 ADD，選中 plane82 ，點(diǎn)“ OK”3、點(diǎn)擊 Help 可獲取關(guān)于單元 plane82 的幫助4、選 File Exit 退出幫助系統(tǒng)5、在第一個(gè)輸入框的數(shù)字是該實(shí)常數(shù)集的編號(hào)，接受默認(rèn)值16、在 THK中輸入 0.013 ，即板的厚度，關(guān)閉

34、所有對(duì)話框 第六步：定義材料常數(shù)1、選取菜單 Main MenuPreprocessorMaterial Props Constant-Isotropic2、點(diǎn) OK，進(jìn)下一個(gè)對(duì)話框14現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)3、在 EX處輸入 2e114、在 NUXY處輸入 .275、OK，關(guān)閉材料常數(shù)定義對(duì)話框 接下去的第七步到第十八步為建立幾何模型， 在這兒用到了畫(huà)矩形、 圓，倒角， 布爾運(yùn)算以及工作平面等第七步：畫(huà)矩形ANSYS的 建模采用兩種方法：自頂向下和自底向上。比較好的方法是，將一個(gè) 欲分析的模型分解成若干個(gè) ANSYS的 基本圖元，如平面圖形有：矩形，圓等，再通 過(guò)某種布爾運(yùn)算形成整個(gè)模型，針

35、對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)模型是由矩形和圓 組成，如圖所示下面從畫(huà)矩形開(kāi)始1 、選取總體坐標(biāo)原點(diǎn)( global origin )ANSYS分 析與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)，但是為了便于建模， ANSYS提 供了一個(gè)總體坐標(biāo)系， 我們要做的是把模型的哪一點(diǎn)作為原點(diǎn)，在這里，我們?nèi)∽笊辖卿N(xiāo)孔的圓心為原點(diǎn)2、選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling -CreateDimensions3、在對(duì)應(yīng)的輸入框中鍵入 X1=0 X2=0.015 Y1=-0.0025 Y2=0.00254、點(diǎn) APPLY 產(chǎn)生第一個(gè)矩形5、在輸入框中鍵入 X1=0.010 X2=0.015 Y1=-0.0025

36、 Y2=-0.00756、點(diǎn) OK形成第二個(gè)矩形 第八步：改變繪圖控制上面我們建立了兩個(gè)矩形的面， 他們以相同的顏色顯示， 如何來(lái)區(qū)分不同的面 呢？ ANSYS可 以用編號(hào)或顏色來(lái)區(qū)分。方法是1、選菜單 Utility MenuPlotCtrlsNumbering2、點(diǎn)擊 Area numbers 選項(xiàng)使之為 ON3、點(diǎn)擊 OK，關(guān)閉對(duì)話框， 自動(dòng)重畫(huà)繪圖區(qū)域， 可以看到兩個(gè)面編號(hào)分別為 A1，A2，并以不同的顏色顯示第九步：保存數(shù)據(jù)庫(kù)文件在使用 ANSYS程 序時(shí)，經(jīng)常保存數(shù)據(jù)是一個(gè)很好的習(xí)慣，操作很簡(jiǎn)單，選 Toolbar SAVE_DB，保存的目的是為減少由于誤操作而造成的重復(fù)工作量，因

37、為， ANSYS的恢復(fù)操作能恢復(fù)到最后一次保存的狀態(tài)第十步：將工作平面變?yōu)闃O坐標(biāo)，產(chǎn)生第一個(gè)圓15現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)接下來(lái)是建立兩個(gè)半圓， 我們實(shí)際上是畫(huà)兩個(gè)實(shí)心的圓， 然后，通過(guò)波爾“加” 運(yùn)算，把圓和矩形合并起來(lái)1、選菜單 Utility MenuPlotCtrlsPan ,Zoom ,Rotate2、點(diǎn)取小圓點(diǎn)，把圖形縮小 ZOOM OUT3、選菜單 Utility MenuWork Plane Display Working Plane (toggle on )4、選菜單 Utility MenuWorkPlane WP Settings5、選中 Polar ,Grid and T

38、riad6、在 Snap inc 中輸入 17、OK，關(guān)閉對(duì)話框8、選取菜單 Main MenuPreprocessor Modeling -CreateArea-Circle Solid Circle9、在 WPX和 WPY中輸入 010 在 Radius 中輸入 1，OK 第十一步：移動(dòng)工作平面1、選菜單 Utility MenuWorkPlaneOffset WP toKeypoints2、分別點(diǎn)取矩形 A2 的左下角和右下角3、選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling -CreateArea -Circle Solid Circle4、在 WPX和 WPY中

39、輸入 05、在 Radius 中輸入 1，OK6、Toolbar:SAVE_DB 第十二步 面的合并1、選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling-OperateBooleans-Add Areas2、點(diǎn) pick all, 對(duì)所有面合并3、Toolbar:SAVE_DB 第十三步：產(chǎn)生倒角1、選菜單 Utility MenuPlotctrlsNumbering2、選中 Line Numbering16現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)3、OK，關(guān)閉對(duì)話框，自動(dòng)重畫(huà)繪圖區(qū)，出現(xiàn)線段編號(hào)4、選菜單 Utility MenuWorkplaneDisplay Working Plane

40、(toggle off).5、選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling-CreateLines-Line Fillet6、點(diǎn)取線段 17 和 87、OK，關(guān)閉拾取對(duì)話框8、在 Fillet Radius 中輸入 0.019、OK，產(chǎn)生倒角弧線10、選菜單 Utility MenuPlotLines第十四步：產(chǎn)生倒角區(qū)域的面1、選菜單 Utility MenuPlotctrlsPan,Zoom,Rotate2、點(diǎn)擊 Zoom按鈕。3、移動(dòng)鼠標(biāo)到倒角區(qū)域，按左鍵，移動(dòng)鼠標(biāo)形成一個(gè)框，再按左鍵，此選中 框即為放大區(qū)域4、選取菜單 Main MenuPreprocessor

41、Modeling-CreateArea-ArbitraryBy Lines5、點(diǎn)取圍成倒角區(qū)域的三條線 L4，L5和 L16、OK，產(chǎn)生倒角區(qū)域面7、在 Pan,Zoom,Rotate 對(duì)話框中點(diǎn) Fit ，使整個(gè)圖形正好顯示在顯示窗口內(nèi)8、選菜單 Utility MenuPlotAreas9、Toolbar:SAVE_DB第十五步：合并兩個(gè)面1. 選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling-OperateBooleans-AddAreas2、點(diǎn) pick all 對(duì)所有面合并3、Toolbar:SAVE_DB第十六步：產(chǎn)生第一個(gè)銷(xiāo)孔1、選菜單 Utility Men

42、uWorkplaneDisplay Working Plane(toggle on)2、選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling-CreateArea-CircleSolid Circle.17現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)3、在 WPX和 WPY中輸入 04、在 Radius 中輸入 0.01 ，OK 第十七步：移動(dòng)工作平面產(chǎn)生第二個(gè)銷(xiāo)孔1、選菜單 Utility MenuWorkplaneOffset WP toGolbal Origin2、選取菜單 Main MenuPreprocessorModeling-CreateArea-CircleSolid Circle.

43、3、在 WPX和 WPY中輸入 04、在 Radius 中輸入 0.01 ，OK5、選菜單 Utility MenuWorkplaneDisplay Working Plane(toggle off)6、選菜單 Utility MenuPlotReplot7、選菜單 Utility MenuPlotLines8、Toolbar:SAVE_DB 第十八步：用布爾“減”形成銷(xiāo)孔1. 選取菜單 Main MenuPreprocessingModeling-OperateBooleans-SubstractAreas2、點(diǎn)取大的面為基面，點(diǎn) APPLY3、點(diǎn)取兩銷(xiāo)孔處的小圓為被減去的面4、OK，形成兩

44、銷(xiāo)孔 至此，建模完成，接下去進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格前，先將建模的數(shù)據(jù)保存 的指定文件中，以備下次回到建模狀態(tài)，重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，第十九步：將數(shù)據(jù)存入 model.db 文件1、選菜單 Utility MenuSave as2、在保存對(duì)話框中輸入 model.db (擴(kuò)展名不要省略) 第二十步：網(wǎng)格劃分ANSYS程序的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是能自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如果你的網(wǎng)格密度不能確 定時(shí)，建議先采用此方法，不過(guò)，此方法一般會(huì)產(chǎn)生較多的網(wǎng)格，所以，如果你用 的是 ANSYS/ED版的話，此方法可能行不通， 這時(shí)，我們可以通過(guò)單元尺寸控制人為 控制網(wǎng)格密度，步驟如下：1、選取菜單 Main menuPre

45、processorMesh Tool18現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)2、點(diǎn)取 Global set3、在 SIZE 輸入框中輸入 0.014、選擇 Area Mesh5、點(diǎn) Mesh6、在拾取對(duì)話框中點(diǎn) pick all7、關(guān)閉 Meshtool ，完成網(wǎng)格劃分，接下去是求解過(guò)程，包括：施加約束，載 荷，指定分析類(lèi)型和相關(guān)選項(xiàng)等。圖 3.2 ：有限元模型 第二十一步：施加位移約束1、選菜單 Main MenuSolutionLoads-ApplyStructural DisplacementsOn Keypoints.2、點(diǎn)取左端銷(xiāo)孔上的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)3、OK，關(guān)閉拾取菜單，彈出 apply U,ROT

46、 on KPs 對(duì)話框4、選中 ALL DOF（限制所有自由度，即固定約束）5、在 Displacement Value 中輸入 0（如果此輸入框?yàn)榭?，缺省值?0）6、在 Expand DISP to nodes 選項(xiàng)點(diǎn)取成 YES ，表示將位移約束擴(kuò)展到節(jié)點(diǎn)7、OK，關(guān)閉對(duì)話框，產(chǎn)生約束第二十二步，施加壓力載荷 （1dyn=1e-5 N）1、選菜單 Main MenuSolutionLoads-ApplyStructural-Pressureonlines19現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)2、選取右端銷(xiāo)孔左下端的四分之一圓周3、點(diǎn) APPLY，彈出加壓對(duì)話框4、在 VALUI中輸入 50e-5/0

47、.013/0.025、點(diǎn) APPLY，選取右端銷(xiāo)孔右下端的四分之一圓周6、點(diǎn) APPLY，彈出加壓對(duì)話框7、在 VALUI中輸入 50e-5/0.013/0.028、OK第二十三步：求解1、選菜單 Main MenuSolutionCurrent LS.2、出現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)信息窗口，顯示求解相關(guān)信息，大致瀏覽后關(guān)閉該窗口3、點(diǎn) OK ，開(kāi)始求解，由于是靜態(tài)分析，求解過(guò)程很快，幾秒種就完成4、彈出求解結(jié)束信息框5、點(diǎn) Close第二十四步：后處理后處理用于檢查分析結(jié)果， ANSYS可 以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示和列表，下面針對(duì) 本算列介紹幾個(gè)后處理1、進(jìn)入通用后處理（ /POST1）并讀入結(jié)果選 Main

48、 MenuGeneral PostprocRead ResultsFirst set2、繪制變形圖選 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape選 Def+UndeformedOK3、繪制 Von Mises 應(yīng)力圖選 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour-nodal Solu20現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)在左邊列表框選 Stress.在右邊列表框選 Von Mises SEQVOK4、列表顯示反作用力選 Main MenuGeneral PostprocList ResultsReac

49、tion Solu在列表框中選 ALL ITEMSOK第二十五步：退出 ANSYS程序1、點(diǎn) TOOLBAR:QUI或T 選 FileExit2、選 Quitno Save3、OK ，即不保存數(shù)據(jù)退出五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)上述模型， 改變約束在下部圓孔， 內(nèi)壓力在上部圓孔， 均布且大小為 18MPA， 計(jì)算并分析應(yīng)力和位移結(jié)果。分析結(jié)果存盤(pán)，寫(xiě)電子文檔報(bào)告一份，報(bào)告中記錄詳 細(xì)操作過(guò)程及部分結(jié)果圖形。21現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)四 結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜に矐B(tài)分析過(guò)程完成瞬態(tài)分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本配置實(shí)驗(yàn)采用有限元分析軟件 ANSYS/ED版本微機(jī)安裝 Windows 98, Windo

50、ws NT4.0 以上的操作系統(tǒng)。至少需要 200 兆硬 盤(pán)， 16MB內(nèi)存。 17”以上顯示器，顯示分辨率為 1024X768。三、實(shí)驗(yàn)步驟瞬態(tài)(FULL)完全法分析板 - 梁結(jié)構(gòu)實(shí)例如圖 4.1 所示板- 梁結(jié)構(gòu)，板件上表面施加隨時(shí)間變化的均布?jí)毫?，?jì)算在下列 已知條件下結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)情況。全部采用 A3鋼材料，材料特性：楊氏模量 2e11N /m2， 泊松比 0.3 ，密度 7.8e3 Kg/m3 ,板殼： 厚度=0.02 m四條腿(梁)的幾何特性：截面面積 =2e-4 m2 ，慣性矩 =2e-8 m4 ，寬度=0.01 m ， 高度 =0.02 m圖 4.1: 質(zhì)量梁 - 板結(jié)構(gòu)及載荷

51、示意圖 壓力載荷與時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)下圖 4.2 所示。22現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)s）圖 4.2: 板上壓力 - 時(shí)間關(guān)系分析過(guò)程 第 1 步：設(shè)置分析標(biāo)題1. 選取菜單途徑 Utility MenuFileChange Title。2. 輸入“ The Transient Analysis of the structure”，然后單擊 OK。第 2 步：定義分析參數(shù)1. 選取菜單途徑 Utility MenuParametersScalar Parameters ，彈出 Scalar Parameters 窗口，在 Selection 輸入行輸入： width=1 ，單擊 Accept 。2.

52、 依次在 Selection 輸入行輸入： length=2 、high=-1 和 mass_hig=0.1 ，每次 單擊 Accept 。3. 單擊 Close ，關(guān)閉 Scalar Parameters 窗口。第 3 步：定義單元類(lèi)型（省略）第 4 步：定義單元實(shí)常數(shù)（省略）第 5 步：定義材料特性（省略）第 6 步：建立有限元分析模型（有限元網(wǎng)格模型，省略） 第 7 步：瞬態(tài)動(dòng)力分析1. 選取菜單途徑 Main MenuSolution-Analysis Type-New Analysis ，彈出 New Analysis 對(duì)話框。2. 選擇 Transient ，然后單擊 OK。3.

53、選 取 菜 單 途 徑 Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/Frequency Damping，彈出 Damping Specifications 窗口。23現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)4. 在 Mass matrix multiplier處輸入 5。單擊 OK。5. 選取菜單途徑 Main Menu Solution -Loads-Apply -Structural- DisplacementOn Nodes。彈出拾取（ Pick ）窗口，在有限元模型上點(diǎn)取節(jié)點(diǎn) 232、 242、252和 262，單擊 OK，彈出 Apply U,ROT on Nodes

54、對(duì)話框。6. 在 DOFSt o be constrained 滾動(dòng)框中，選種“ All DOF”（ 單擊一次使其高亮 度顯示，確保其它選項(xiàng)未被高亮度顯示） 。單擊 OK。7. 選取菜單途徑 Utility MenuSelectEverything 。8. 選 取 菜 單 途 徑 Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File ，彈出 Controls for Database and Results File Writing 窗口。9. 在 Item to be controlled 滾動(dòng)窗中選擇 All items

55、。單擊 OK。10. 選取菜單途徑 Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/Frequency Time Time Step ，彈出 Time Time Step Options 窗口。11. 在 Time at end of load step處輸入 1；在 Time step size 處輸入 0.2 ；在 Stepped or ramped B.C 處單擊 ramped；單擊 Automatic time stepping 為 on；在 Minimumt ime step size 處輸入 0.05 ；在 Maximumt ime step size