現(xiàn)代有限元仿真技術(shù)實驗指導(dǎo)書

1、現(xiàn)代有限元仿真技術(shù)實驗指導(dǎo)書電子科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心目 錄實驗一 結(jié)構(gòu)梁的有限元分析1實驗二 薄板圓孔的有限元分析6實驗三 受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析15實驗四 壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析18實驗五 聯(lián)軸器的有限元分析實驗21實驗六 軸承座的有限元建模與分析32實驗七 流體分析38實驗八 瞬態(tài)熱分析43現(xiàn)代有限元仿真技術(shù)實驗實驗一 結(jié)構(gòu)梁的有限元分析一 實驗?zāi)康?. 了解ANSYS在有限元分析中的作用；2. 理解ANSYS的工作機理；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 實驗原理1. 有限元建模的基本原則建模時需要考慮兩條基本原

2、則：一是保證計算結(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算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實際計算時，可以比較兩種網(wǎng)格的計算結(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)點數(shù)和單元數(shù)來衡量。 可以通過控制節(jié)點和單元數(shù)量來控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點和單元編號

3、的影響。 在估計模型規(guī)模時，除了考慮節(jié)點的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點的自由度數(shù)。2. 有限元建模的一般步驟不同問題的有限元建模過程和內(nèi)容不完全相同，在具體實施分析之前，首先弄清分析對象的幾何形狀、約束特點和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計算結(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分網(wǎng)過程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時，對原有結(jié)構(gòu)進行適當處理是必要的。（1） 降維處理：對某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問題或軸對稱問題來計算，把三維問題簡化或近似為二維問題來處理。（2） 細節(jié)簡化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非

4、高應(yīng)力區(qū)的細節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺等，可以簡化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時受力的卻是某些相對很小的局部，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，可以從整個結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進行分析。（4） 對稱性的利用：當結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件具有某種對稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對稱分布時，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計算。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、計算數(shù)據(jù)特點、精度要求和計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)的單元進行離散。因此單元通常是按結(jié)構(gòu)類型進行分類的，即根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點選擇相應(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)，以對單元作進一步說明。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因素。 結(jié)果精度網(wǎng)格數(shù)量增加，結(jié)

6、果精度一般會隨之提高，但當網(wǎng)格數(shù)量太大時，數(shù)值計算的累積誤差反而會降低計算精度。 計算規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量增加，將會增加計算時間。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)濟性，在實際計算時應(yīng)權(quán)衡兩個因素綜合考慮。（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?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算精度，但高階單元的節(jié)點較多，使用時也應(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)格各邊和各個內(nèi)角相差不

7、大，網(wǎng)格表面不過分扭曲，邊角點位于邊界等分點附近，則這類網(wǎng)格的質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分之后，應(yīng)進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，并對質(zhì)量差的網(wǎng)格（特別是重要部位的網(wǎng)格）進行修正。（5） 網(wǎng)格分界面和分界點劃分網(wǎng)格時，結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點應(yīng)劃分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點。7. 網(wǎng)格劃分方法（1） 半自動分網(wǎng)方法由分析人員確定節(jié)點位置和形成單元，分網(wǎng)過程在計算機屏幕上通過人機交互方式進行。在分網(wǎng)時可不必考慮生成順序，可以任意控制節(jié)點位置和單元形狀，劃分的網(wǎng)格容易滿足給定的要求。（2） 自動分網(wǎng)方法對于形狀復(fù)雜的空間曲面或?qū)嶓w，自動分網(wǎng)降低了網(wǎng)格劃分難度，大大提高了建模效率。自動分網(wǎng)時需要選擇單元類型、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，然后選擇進行分網(wǎng)的幾何模型，之后整個分網(wǎng)過程由計算機自動完成。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定義。邊界條件的類型很多，不同分析問題需要定義相應(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)建實體模型，通過網(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，然后按照節(jié)點的順序構(gòu)造單元。由節(jié)點生成單元的前提條件： 必須先定義節(jié)點及該單元所需的最少節(jié)點數(shù)，再由節(jié)點構(gòu)建單元。比如該單元是四邊形

9、單元，則須先定義好4個節(jié)點才行。 必須指定合適的單元屬性，包括單元類型、單元實常數(shù)及材料屬性等。適合于比較簡單的模型，比如本實驗中的梁結(jié)構(gòu)三 實驗器材裝有ANSYS軟件的計算機 1臺四 實驗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行計算。 圖 1-1 梁的計算分析模型梁截面分別采用以下三種截面（單位：m）：1.1 進入 ANSYS程序 ANSYS Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: beamRun1.2 設(shè)置計算類型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ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS

12、依次輸入三個點的坐標：input:1(0,0),2(10,0),3(5,1) OK生成梁ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines linesStraight lines 連接兩個特征點，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)所計算的梁的截面選擇編號）；Pick OrientationKeypoint(s):YES拾?。?#特征點(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 實驗要求 對比分析結(jié)果與實際情況，得出相應(yīng)結(jié)論。六 注意事項1. 在進行有限元分析時，要注意工作文件名與工作標題名的易辨認性，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中沒有“撤銷”步選項，所以在進行有限元建模過程中，要養(yǎng)成分步保存數(shù)據(jù)的習(xí)慣；3. 簡單模型在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 實驗報告按標準實驗報告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實驗二 薄板圓孔的有限元分析一 實驗?zāi)康?. 進一步掌握有限元的分析方法；2. 加深對有限元在結(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. 掌握對稱平面結(jié)構(gòu)的有限元分析方法。二 實驗原理1. 實體建模ANSYS具有與大多數(shù)CAD/CAE軟件的接口，可直接導(dǎo)入各種實體和有限元模型。同時，ANSYS軟件還提供了兩種實體建模方法：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）高級圖元，通過布爾運算直接構(gòu)造幾何模型。 自底向上法：通過低級圖元逐級向上構(gòu)造高級圖元，最終形成所需模型，即首先定義關(guān)鍵點，依次連接關(guān)鍵點生成相應(yīng)的線，通過線生成面和體。2. 有限元建模的基本原則建模時需要考慮兩條基本原則：一是保證計算結(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算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實際計算時，可以比較兩種網(wǎng)格的計算結(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)點數(shù)和單元數(shù)來衡量。 可以通過控制節(jié)點和單元數(shù)量來控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點和單元編號的影響。 在估計模型規(guī)模時，除了考慮節(jié)點的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點

19、的自由度數(shù)。3. 有限元建模的一般步驟不同問題的有限元建模過程和內(nèi)容不完全相同，在具體實施分析之前，首先弄清分析對象的幾何形狀、約束特點和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計算結(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分網(wǎng)過程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時，對原有結(jié)構(gòu)進行適當處理是必要的。（1） 降維處理：對某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問題或軸對稱問題來計算，把三維問題簡化或近似為二維問題來處理。（2） 細節(jié)簡化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺等，可以簡化處理

20、。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時受力的卻是某些相對很小的局部，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，可以從整個結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進行分析。（4） 對稱性的利用：當結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件具有某種對稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對稱分布時，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計算。三 實驗器材裝有ANSYS軟件的計算機 1臺四 實驗步驟一個承受單向拉伸的無限大板，在其中心位置有一個小圓孔。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） 定義工作標題Utility Menu>File>Change Title，輸入工作標題，單擊OK。（3） 重新顯示Utility Menu>Plot>Replot（4） 關(guān)閉三角坐標符號Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Options，彈出【W(wǎng)indows Options】對話框，

22、在【Location of triad】下拉列表框中選擇“Not Shown”選項，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】對話框。單擊Add按鈕，彈出如圖所示的【Library of Element Types】對話框。選擇“Structural Solid”和“Quad 8node 183”選項，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，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） 生成一個矩形面Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，彈出【Create Rectangle by Dimensions】對話框。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矩形。（2） 生成一個圓孔Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle，彈出如圖所示的【Solid Circula

25、r Area】對話框。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，彈出一個拾取框。拾取編號為A1的面，單擊OK按鈕。然后拾取編號為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，彈出一個拾取框。拾取編號為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，彈出一個拾取框。拾取編號為L10和L9的線，單擊OK按鈕，彈出【Apply U，ROT on Lines】對話框。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，彈出一個拾取框。拾取編號為L2的線，單擊OK按鈕，彈出如圖【Apply PRES on lines】對話框。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，彈出一個提示框。瀏覽后執(zhí)行File>Close，單擊【OK按鈕開始求解運算。出現(xiàn)一個【Solution is done】對話框時單擊Close按鈕完成求解運算。（4）保存分析結(jié)果Utility Menu>File>Save as，彈出Save as對話框。輸入“EXERCISE2"，單擊OK按鈕。6.瀏覽計算結(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)點的列表結(jié)果Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution，彈出List Nodal Solution對話框。在Item to be listed列表框中選擇“Stress”選項和“von Mises stress”選項，單擊OK按鈕。每個單元角節(jié)點的6個應(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，可將其作為一個文本文件保存。（1）瀏覽節(jié)點上的Von Mises應(yīng)力值Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對話框。在Item to be contoured列表框中分別選擇“stress”和“von Mises stress"選項，單擊OK按鈕，生成結(jié)果如下圖所示。7.以擴展方式顯示計算結(jié)果 (1)設(shè)置擴展模式(鏡像)Utility Menu>P1otCtr

31、ls>Style>Symmetry Expansion>Periodic/Cyclic Symmetry Expansion，彈出Periodic/Cyclic Symmetry Expansion對話框。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 實驗要求 對比分析結(jié)果與實際情況，得出相

32、應(yīng)結(jié)論。六 注意事項1.在進行有限元分析時，注意對稱性的利用，可以簡化分析過程； 2.幾何模型的建立與單元屬性的設(shè)定沒有嚴格意義上的先后順序之分；3.比較通過分網(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 實驗報告按標準實驗報告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實驗三 受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析一 實驗?zāi)康?.熟悉并掌握ANSYS軟件的使用方法；2.掌握如何利用ANSYS進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 實驗原理1. 實體建模ANSYS具有與大多數(shù)CAD/CAE軟件的接口，可直接導(dǎo)入各種實體和有限元模型。同時，ANSYS軟件還提

33、供了兩種實體建模方法：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）高級圖元，通過布爾運算直接構(gòu)造幾何模型。 自底向上法：通過低級圖元逐級向上構(gòu)造高級圖元，最終形成所需模型，即首先定義關(guān)鍵點，依次連接關(guān)鍵點生成相應(yīng)的線，通過線生成面和體。2. 有限元建模的基本原則建模時需要考慮兩條基本原則：一是保證計算結(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算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實際計算時，可以比較兩種網(wǎng)格的計算結(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)點數(shù)和單元數(shù)來衡量。 可以通過控制節(jié)點和單元數(shù)量來控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點和單元編號的影響。 在估計模型規(guī)模時，除了考慮節(jié)點的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點的自由度數(shù)。3. 有限元建模的一般步驟不同問題的有限元建模過程和內(nèi)容不完全相同，在具體實施分析之前，首先弄清分析對象的幾何形狀、約束特點和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計算結(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分網(wǎng)過程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時，對原有結(jié)構(gòu)進行適當處理是必要的。（1） 降維處理：對某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問題或軸對稱問題來計算，把三維問題簡化或近似為二維問題來處理。（2） 細節(jié)簡化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺等，可以簡化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時受力的卻是某些相對很小的局部，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，可以從整個結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進行分析。（4） 對稱性的利用：當結(jié)構(gòu)形狀和邊

36、界條件具有某種對稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對稱分布時，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計算。圖4-1 受均勻內(nèi)壓的球體計算分析模型（截面圖）三 實驗器材裝有裝有ANSYS分析軟件的計算機 1臺四 實驗步驟1 進入 ANSYS程序 ANSYS Interactive change the working directory intoyours input Initial jobname: sphereRun2 設(shè)置計算類型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ANS

38、YS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次輸入四個點的坐標：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 實驗要求 記錄實驗過程、完成建模并對實驗所得數(shù)據(jù)進行分析，完成實驗報告。六 注意事項1.在進行有限元分析時，注意對稱性的利用，可以簡化分析過程； 2.幾何模型的建立與單元屬性的設(shè)定沒有嚴格意義上的先后順序之分；3.比較通過分網(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 實驗報告按標準實驗報告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實驗四 壩體的有限元建模與應(yīng)力應(yīng)變分析一 實驗?zāi)康?.熟悉并掌握ANSYS軟件的使用方法；2.掌握如何利用ANSYS進行有限元建模；3.掌握如何利用ANSY進行應(yīng)力應(yīng)變分析。二 實驗原理1. 有限元建模的基本原則建模時需要考慮兩條基本原則：一是保證計算結(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算更好、更快地完成。（1） 保證精度原則 適當增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實際計算時，可以比較兩種網(wǎng)格的計算結(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)點數(shù)和單元數(shù)來衡量。 可以通過控制節(jié)點和單元數(shù)量來控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點和單元編號的影響。 在估計模型規(guī)模時，除了考慮節(jié)點的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點的自由度數(shù)。2. 有限元建模的一般步驟不同問題的有限元建模過程和內(nèi)容不完全相同，在具體實施分析之前，首先弄清分析對象的幾何形狀、約束特點和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計算結(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分網(wǎng)過程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時，對原有結(jié)構(gòu)進行適當處理是必要的。（1） 降維處理：對某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問題或軸對稱問題來計算，把三維問題簡化或近似為二維問題來處理。（2） 細節(jié)簡化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺等，可以簡化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時受力的卻是某些相對很小的局部，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，可以從整個結(jié)構(gòu)中劃分出一部分進行分析。（4

46、） 對稱性的利用：當結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件具有某種對稱性，應(yīng)力和變形呈相應(yīng)的對稱分布時，可以只取出結(jié)構(gòu)的一半計算。4.實驗問題描述計算分析模型如圖所示, 習(xí)題文件名: dam。圖5-1 壩體的計算分析模型三 實驗器材安裝有ANSYS 軟件的計算機 1臺四 實驗步驟1 進入 ANSYS程序 ANSYS Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: damRun2 設(shè)置計算類型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ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次輸入四個點的坐標：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 依次連接四個特征點，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,寫入所施加的載荷函數(shù)：1000*X；3) File>Save(文件擴展名：func) 返回：ParametersFunctions Read from file：將需要的.func文件打開，任給一個參數(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 實驗要求 完成壩體的建模和相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的分析，并對所得數(shù)據(jù)進行整理分析，完成實驗報告。六 注意事項1.在進行有限元分析時，注意對稱性的利用，可以簡化分析過程； 2.幾何模型的建立與

53、單元屬性的設(shè)定沒有嚴格意義上的先后順序之分；3.比較通過分網(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 實驗報告按標準實驗報告格式，并包括如下內(nèi)容：1. 幾何模型的貼圖2. 分析結(jié)果的貼圖實驗五 聯(lián)軸器的有限元分析實驗一 實驗?zāi)康?. 掌握有限元的三維模型建模方法；2. 比較不同實體模型分網(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 實驗原理1. 有限元建模的基本原則建模時需要考慮兩條基本原則：一是保證計算結(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算更好、更快地完成。（1） 保

54、證精度原則 適當增加單元數(shù)量，即劃分比較密集的網(wǎng)格。實際計算時，可以比較兩種網(wǎng)格的計算結(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)點數(shù)和單元數(shù)來衡量。 可以通過控制節(jié)點和單元數(shù)量來控制模型規(guī)模。此外，模型規(guī)模還受節(jié)點和單元編號的影響。 在估計模型規(guī)模時，除了考慮節(jié)點的多少外，還應(yīng)考慮節(jié)點的自由度數(shù)。2. 有限元建模的一般步驟不同問題的有限元建模過程和內(nèi)容不完全相同，在具體

55、實施分析之前，首先弄清分析對象的幾何形狀、約束特點和載荷規(guī)律，以明確結(jié)構(gòu)型式、分析類型、計算結(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分網(wǎng)過程、網(wǎng)格形式和網(wǎng)格數(shù)量都有直接影響。幾何建模時，對原有結(jié)構(gòu)進行適當處理是必要的。（1） 降維處理：對某些結(jié)構(gòu)作近似處理，按平面問題或軸對稱問題來計算，把三維問題簡化或近似為二維問題來處理。（2） 細節(jié)簡化：結(jié)構(gòu)中存在的一些相對尺寸很小、處于結(jié)構(gòu)的非高應(yīng)力區(qū)的細節(jié)，如倒圓、倒角、退刀槽、加工凸臺等，可以簡化處理。（3） 局部結(jié)構(gòu)的利用：當有些結(jié)構(gòu)尺寸很大，但受力或同時受力的卻是某些相對很小的局部