有限元分析及應(yīng)用報(bào)告4

本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！有限元分析及應(yīng)用報(bào)告題目：教室課桌有限元分析姓名：XXXX學(xué)號(hào)：XXX班級(jí)：機(jī)械XXX學(xué)院:機(jī)械學(xué)院指導(dǎo)老師：XXXXX二零一五年一月一．問題概述下圖所示可以展示大部分高校課桌結(jié)構(gòu)。即基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)鋼制支架用地腳螺栓固定在地面上，然后將膠合木平板用螺栓連接在鋼制支架上。在本報(bào)告中，將對(duì)膠合木板和鋼制支架做有限元分析。假定250kg的重量施加在在該課桌表面上，分析木板和鋼架的本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！變形和應(yīng)力，并進(jìn)行校核。鋼材的彈性模量為 2.1× Pa，泊松比為 0.3；腹面木膠合板彈性模量 1.1× Pa，泊松比為 0.45。在設(shè)計(jì)中均假定材料為各向同性材料。二．問題分析在日常生活中，課桌受力主要為桌面受到垂直方向的壓力，所以桌面可以使用殼單元進(jìn)行分析，而鋼制支架則主要受到由桌面?zhèn)鬟f的彎矩產(chǎn)生變形，因此可以用梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析。 所以根據(jù)課桌的結(jié)構(gòu)和其受力特點(diǎn)，實(shí)體課桌結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧蜌卧慕M合， 所以首先將課桌簡(jiǎn)化為由梁?jiǎn)卧?beam189和殼單元shell63構(gòu)建的模型。在有限元模型中，當(dāng) shell單元和beam單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)重合時(shí)，該節(jié)點(diǎn)能夠起到傳遞力的作用，所以利用這一特點(diǎn)能將 shell單元和beam單元連接起來進(jìn)行分析簡(jiǎn)化得到的課桌形狀尺寸如下圖：本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！圖2-1簡(jiǎn)化課桌形狀尺寸示意圖三．有限元建模1．設(shè)置計(jì)算類型由問題分析可知本問題屬于平面靜應(yīng)力問題，所以選擇preferences為structure。2．單元類型選定由問題分析可知，本例需要使用梁?jiǎn)卧?beam189，殼單元shell63。所以在elementtype中添加這兩科單元。3．材料參數(shù)支架的材料鋼，則其材料參數(shù)：彈性模量 E=2.1e11，泊松比為=0.3，在軟件中定義為材料1。桌面的材料為膠合木板，則取彈性模量1.1×Pa，泊松比為本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！σ=0.45，在軟件中定義為材料 2。4．定義實(shí)常數(shù)和 sections在realconstants中定義shell單元的厚度為0.03mm。在sections中的beam→commonsections設(shè)置梁?jiǎn)卧慕孛嫘螤詈统叽?，如圖3-1所示。圖3-1 梁?jiǎn)卧孛嫘螤畛叽?，單位?m5．幾何建模按照前述所的尺寸利用 ansys的modeling依次建立keypoint：1(-0.1,0,0),2(0,0,0),3(1,0,0),4(0,0.5,0),5(0,0.6,0) ，6(-0.2,0.6,0)，7(-0.3,0.6,0）,8(-0.1,0,-1),9(0,0,-1),10(1，0,-1),11(0,0.5,-1),12(0,0.6,-1)，13(-0.2,0.6,-1)，14(-0.3,0.6,-1），createLINES依次連接各個(gè)keypoint即可創(chuàng)建所有直線。createAREAS創(chuàng)建兩個(gè)面（劃分為兩個(gè)面是為了在一個(gè)面加均勻載荷pressure=2500N/0.1）。6．網(wǎng)格劃分首先使用meshattribute 選擇作為支架的 line，設(shè)置其為材質(zhì)鋼NO2，單元beam189，截面形狀NO1。其次選擇兩個(gè)area，設(shè)置其材質(zhì)為木板NO2,單元shell63，實(shí)常數(shù)No1。劃分網(wǎng)格時(shí)，先拾取beam各條邊進(jìn)行SizeControl，和地面連接的四條邊設(shè)定NDIV為5；垂直的兩條長(zhǎng)邊NDIV為15，兩條短邊為本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！10，支撐桌面的兩條邊 NDIV為10，加強(qiáng)筋的兩條邊 NDIV為15，三條最長(zhǎng)的1m邊NDIV為20。再選meshtool 的type為line，則即可將上述的邊line 劃分為單元。再次點(diǎn)擊 meshtool 選擇兩個(gè)平面，選擇quad和mapped即可完成網(wǎng)格劃分。下圖3-2所示為劃分網(wǎng)格后的情況。圖3-2課桌有限元網(wǎng)格模型6．定義約束和載荷約束定義在連接地面的兩個(gè)腳的部位，選擇兩個(gè)腳的四個(gè) node，約束其所有的自由度，相當(dāng)于在實(shí)際中用四個(gè)螺栓將課桌固定在地面上。校核要求為給課桌施加 2500N的力，分析校核支架和桌面的變形和應(yīng)力。再本例中，將其均勻作用在課桌外側(cè)的一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)，矩形面積為1×0.1=0.1m2，所以應(yīng)該施加在外側(cè) area的pressure應(yīng)為25000pa。四．計(jì)算求解在劃分網(wǎng)格施加載荷和約束后，點(diǎn)擊 solution 的solve即可進(jìn)行計(jì)算求解，結(jié)果分析時(shí)主要關(guān)注最大位移、最大應(yīng)力及其位置，應(yīng)力分析采用等效應(yīng)力 vonmisesstress 。有斜撐的情況下分析圖4-1受載變形圖圖4-2受載變形云圖，最大位移0.032m圖4-3受載等效應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力為9.4Mpa圖4-4最大應(yīng)力位于斜撐支點(diǎn)部位無斜撐的情況本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！圖4-5受載變形圖圖4-6受載變形云圖，最大位移0.036m圖4-7受載等效應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力為28Mpa圖4-4最大應(yīng)力位于支架直角處將以上兩組分析結(jié)果整理成數(shù)據(jù)表有無斜撐單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大位移(m)最大應(yīng)力MPa有斜撐4405730.0329.8無斜撐4205350.03628三．結(jié)果分析由以上各圖和數(shù)據(jù)表可知，（1）在分析中施加的載荷為 250kg，相當(dāng)于四五個(gè)人同時(shí)坐在一米長(zhǎng)的課桌上，在課桌日常使用中處于極限載荷狀況。在載荷作用下，支架和木板主要受到彎曲拉伸， 所以需要校校核其抗拉強(qiáng)度。普通鋼材的抗拉強(qiáng)度為 200Mpa以上，取鋼材的抗拉強(qiáng)度為200Mpa；查閱資料得知，15mm厚膠合木材順紋抗拉強(qiáng)度為30MPa，本例的木板選用為30mm，所以取本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！抗拉強(qiáng)度為50Mpa。由分析結(jié)果可知，在有斜撐的情況下課桌的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材和木板的抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)合理；在無斜撐的情況下，最大應(yīng)力與木材的抗拉強(qiáng)度相比較為接近，所以此結(jié)構(gòu)不可取。（2）最大應(yīng)力主要分布在拐角的地方，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的尖銳部位使用適當(dāng)?shù)膱A角過渡能減小最大應(yīng)力。（3）由兩組不同結(jié)構(gòu)分析的的結(jié)果可知，在合適的地方添加支撐梁能有效減小應(yīng)力和變形，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。四．結(jié)論和體會(huì)學(xué)會(huì)將實(shí)際的零件或裝配圖簡(jiǎn)化成為桿梁板殼等簡(jiǎn)單單元進(jìn)行分析，而不用建立復(fù)雜的三維模型。學(xué)會(huì)將一個(gè)模型中不同材料不同單元類型的部分連接起來，能相互傳遞位移和力，在本例中就使兩種材料的梁和殼單元相互連接傳遞力，實(shí)現(xiàn)方法只需在劃分網(wǎng)格時(shí)使兩者的公共部分劃分的節(jié)點(diǎn)重合即可，ansys在進(jìn)行求解分析時(shí)自動(dòng)將兩者連接在一起分析。在進(jìn)行零件或裝配體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用ansys等有限元分析軟件對(duì)零件進(jìn)行分析優(yōu)化，往往能使設(shè)計(jì)的零件結(jié)構(gòu)輕量化且能有更好的使用性能。在本課程中僅僅使用ansys進(jìn)行了簡(jiǎn)單的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，而本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！ansys對(duì)其他很多領(lǐng)域的問題均有強(qiáng)大的分析設(shè)計(jì)能力， 因此，理解有限元的基本思想，熟練掌握一個(gè)有限元分析軟件，對(duì)于今后的工作學(xué)習(xí)將有重大的幫助。五．附錄（操作步驟）進(jìn)入ANSYS設(shè)置計(jì)算類型ANSYSMainMenu:Preferences→selectStructural→OK選擇單元類型ANSYS Main Menu: Preprocessor → Element Type→Add/Edit/Delete?→Add?1→selectbeam189→apply→Add?2selectshell63→OK→(backtoElementTypeswindow)→option→K3selectplanestrain→OK→Close(theElementTypewindow)定義材料參數(shù)ANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:2.1e11,PRXY:0.3→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→file→newmodel→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:1.1e10,PRXY:0.45→OK5.設(shè)置實(shí)常數(shù)和sectionsNSYSMainMenu:Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delet→add→chooseshell63→ok→inputTK=0.03→OK本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！NSYSMain Menu: Preprocessor→sections→beam→commonsections→add→choosebeam189→choosesubtype中空矩形→input如圖3-1所示參數(shù)→OK6.建立幾何模型生成keypointANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次輸入點(diǎn)的坐標(biāo)：input:1(-0.1,0,0),2(0,0,0),3(1,0,0),4(0,0.5,0),5(0,0.6,0),6(-0.2,0.6,0),7(-0.3,0.6,0),8(-0.1,0,-1),9(0,0,-1),10(1,0,-1),11(0,0.5,-1),12(0,0.6,-1)，13(-0.2,0.6,-1),14(-0.3,0.6,-1),→OK生成直線straightlineANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Lines→lines→Straightlines→依次連接各點(diǎn)即可生成areaANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Areas→bylines→依次連接組成桌面的線，建立兩個(gè)平面→ OK7.網(wǎng)格劃分ANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshAttributes→Pickedlines→OK→MAT[1],TYPE[1beam63],section[1]→OKANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshAttributes→Pickedareas→OK→MAT[2],TYPE[2shell63],constant[1]→OK本文檔如對(duì)你有幫助，請(qǐng)幫忙下載支持！ANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool→(SizeControls)lines:Set→依次拾取6條最短水平邊:OK→inputNDIV:→apply→依次拾垂直的長(zhǎng)邊:OK→inputNDIV:15→apply→依次拾取三條水平的長(zhǎng)邊:OK→inputNDIV:20→apply→依次拾取剩下的邊:OK→inputNDIV:10→OK(backtothemeshtoolwindow)Meshtype:line，選擇組成支架的line劃分為梁?jiǎn)卧鶰esh→OK(backtothemeshtoolwindow)→Mesh:Areas,quad，Mapped→Mesh→Pick兩個(gè)area(inPickingMenu)→Close(theMeshToolwindow)8.模型施加約束和載荷ANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes→拾取桌腳的四個(gè) node→OK→select Lab2:ALLDOF→OKANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→Onareas→拾取兩個(gè)面；OK→輸入25000loadkey[2]→OK分析計(jì)算ANSYSMainMenu:Solution→Solve→CurrentLS→OK(toclosethesolveCurrentLoadStepwindow)→OK結(jié)果顯示ANSYSMainMenu:GeneralPostproc