有限元分析及應(yīng)用報告-利用ANSYS軟件對三角形大壩有限元分析

ANSYSANSYS18/18有限元分析及應(yīng)用報告題目：利用ANSYS軟件對三角形大壩有限元分析姓名：xxx學號：xxx班級：機械xxx學院:機械學院指導(dǎo)老師：xxx二零一五年一月問題概述圖示無限長剛性地基上的三角形大壩，受齊頂?shù)乃畨毫ψ饔?，試用三?jié)點常應(yīng)變單元和六節(jié)點三角形單元對壩體進行有限元分析，并對以下幾種計算方案進行比較：分別采用相同單元數(shù)目的三節(jié)點常應(yīng)變單元和六節(jié)點三角形單元計算；分別采用不同數(shù)量的三節(jié)點常應(yīng)變單元計算；當選常應(yīng)變?nèi)菃卧獣r，分別采用不同劃分方案計算求解問題分析由題目所給條件可知，該大壩為無限長度，即大壩長度遠大于橫截面尺寸，且橫截面尺寸沿長度方向不變；作用于大壩的載荷平行于橫截面且沿大壩長度方向均勻分布，所以該問題屬于平面應(yīng)變問題。因此在利用ansys軟件建模分析時可以只分析其一個截面，即能得出大壩體內(nèi)各處的應(yīng)變和應(yīng)力分布狀況。有限元建模1．設(shè)置計算類型由問題分析可知本問題屬于平面應(yīng)變問題，所以選擇preferences為structure。2．單元類型選定由題目可知需要分別使用三節(jié)點常應(yīng)變單元和六節(jié)點三角形單元進行有限運分析。三節(jié)點常應(yīng)變單元選擇的類型是PLANE42（Quad

4node42），該單元屬于是四節(jié)點單元類型，在網(wǎng)格劃分時可以對節(jié)點數(shù)目控制使其蛻化為三節(jié)點單元；六節(jié)點三角形單元選擇的類型是PLANE183（Quad

8node183），該單元屬于是八節(jié)點單元類型，在網(wǎng)格劃分時可以對節(jié)點數(shù)目控制使其蛻化為六節(jié)點單元。因研究的問題為平面應(yīng)變問題，設(shè)置option選項中的Element

behavior（K3）設(shè)置為plane

strain。3．材料參數(shù)大壩常用材料混凝土的彈性模量為14~29×109N/m2，本題選為20×109N/m2，泊松比為0.10~0.18，本題選為4．幾何建模按照題目所給尺寸利用ansys的modeling依次建立keypoint：1(0,0),2(6,0),3(0,10)，createLINES依次連接三個keypoint即可建立三條線，createAREAS依次選擇三條線即建立了所需的三角形截面。5．網(wǎng)格劃分 劃分網(wǎng)格時，拾取豎直和水平直角邊進行SizeControl，設(shè)定NDIV為15；拾取斜邊，設(shè)定NDIV為20，選擇網(wǎng)格劃分方式為Tri和Mapped。下圖3-1、3-2分別為meshattribute設(shè)置為plane183和plane42的有限元網(wǎng)格模型。圖3-1plane183網(wǎng)格，600個單元,1261個節(jié)點數(shù)圖3-2plane42網(wǎng)格，600個單元,331個節(jié)點數(shù)6．定義約束和載荷 題目條件為位于剛性地基上的大壩，所以約束為水平直角邊全約束，設(shè)置約束方法為點擊displayment拾取水平直角邊ALLDOF全約束。 大壩左邊直角邊受到均勻變化的水壓，壓強公式為P=ρgh=98000-9800*{Y} 在ansys的parameter中定義該載荷函數(shù)P，在pressure選項中選擇existingtable施加該載荷P即可。計算求解在劃分網(wǎng)格施加載荷和約束后，點擊solution的solve即可進行計算求解，結(jié)果分析時主要關(guān)注最大位移、最大應(yīng)力及其位置，由于材料為混凝土，應(yīng)力云圖采用第一強度應(yīng)力。三節(jié)點常應(yīng)變單元結(jié)果（600單元）圖4-1三節(jié)點單元模型節(jié)點位移圖，最大位移0.212mm圖4-2六節(jié)點單元模型節(jié)點位移云圖，最大位移0.212mm圖4-3第一強度應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力在直角部位為0.44MPa六節(jié)點三角形單元結(jié)果（600單元）圖4-4六節(jié)點單元模型節(jié)點位移圖，最大位移0.219mm4-5六節(jié)點單元模型節(jié)點位移云圖，最大位移0.219mm4-6第一強度應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力在直角部位為0.67MPa常應(yīng)變?nèi)?jié)點單元結(jié)果（20886個單元）改變sizecontrol中的elementeaglelength為0.1，增加單元數(shù)進行分析。圖4-7三節(jié)點單元模型節(jié)點位移圖，最大位移0.219mm圖4-8三節(jié)點單元模型節(jié)點位移云圖，最大位移0.219mm圖4-9第一強度應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力0.77MPa4.將以上三組分析結(jié)果數(shù)據(jù)整理為如下表格：不同單元類型、單元個數(shù)結(jié)果數(shù)據(jù)表單元類型單元數(shù)節(jié)點數(shù)最大位移(mm)最大應(yīng)力MPa常應(yīng)變?nèi)?jié)點單元6003310.2120.44六節(jié)點三角形單元60012610.2190.67常應(yīng)變?nèi)?jié)點單元20886106210.2190.775選擇不同的劃分方案比較在初始幾何模型上再建立三個keypoint:4(3,0),5(3,5),6(0，5),分別連接六個點形成題目所示的兩種劃分方案，在mesh的sizecontrol中將NDVI設(shè)置為1，即可得到所建幾何模型對應(yīng)的網(wǎng)格。約束為1、4、2三個keypoint全約束DOF，施加載荷同樣使用載荷函數(shù)。下面是分析結(jié)果圖：1）：網(wǎng)格劃分方案一圖4-10受載變形圖，最大位移0.076mm圖4-11位移云圖，最大位移為0.076mm圖4-12第一強度應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力0.14MPa2）網(wǎng)格劃分方案二圖4-13受載變形圖，最大位移為0.086mm圖4-14位移云圖，最大位移為0.086mm圖4-15第一強度應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力0.06MPa將以上數(shù)據(jù)整理為表格得：網(wǎng)格劃分方案最大位移(mm)最大應(yīng)力(MPa)方案一0.0760.14方案二0.0860.06結(jié)果分析由以上各圖和數(shù)據(jù)表可知，采用三節(jié)點和六節(jié)點的三角形單元分析計算：

（1）對于前三組分析，最大位移都發(fā)生在A點，即大壩頂端，最大應(yīng)力發(fā)生在B點附近，即壩底和水的交界處，且整體應(yīng)力和位移變化分布趨勢相似，符合實際情況；

（2）由前面三組分析分析比較可知，選擇同樣的單元數(shù)，六節(jié)點比三節(jié)點三角形單元網(wǎng)格模型結(jié)果更精確；在同一個單元類型的情況下，通過增加單元數(shù)能使結(jié)果更精確。（3）對于兩種網(wǎng)格劃分方案準確性比較，方案一的最大應(yīng)力大于方案二，更接近于精確值，且在應(yīng)力云圖中，方案二的最大應(yīng)力位于C點附近，明顯和實際情況不符，所以方案一更優(yōu)。另外不論是方案一還是方案二，和精確的解還是有較大的差異，所以單元數(shù)不應(yīng)太少，在允許的情況下應(yīng)該盡量增加單元數(shù)。結(jié)論和體會在解決一個實際工程應(yīng)用問題，問題分析和簡化是非常重要的一步，把次要的結(jié)構(gòu)簡化抹去，將空間問題在一定的條件下轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變問題，不僅使建模過程大大簡化，同時能減少計算機運算時間提高設(shè)計和校核效率。學會手工劃分網(wǎng)格，合適的控制網(wǎng)格尺寸能使分析的結(jié)果更加精確。手動調(diào)整單元數(shù)和單元類型進行分析比較，能幫助理解單元數(shù)和類型對分析結(jié)果的影響，對了解有限元思想和掌握有限元方法有重要幫助。附錄（操作步驟）1進入ANSYS2設(shè)置計算類型ANSYSMainMenu:Preferences→selectStructural→OK3選擇單元類型ANSYSMainMenu:Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete…→Add…1→selectPLANE42→APPLY→Add…2→selectPLANE183→OK→(backtoElementTypeswindow)→Close(theElementTypewindow)4定義材料參數(shù)ANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:2.9e10,PRXY:0.15→OK5建立幾何模型生成keypointANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次輸入三個點的坐標：input:1(0,0),2(6,0),3(0,10)→OK生成lineANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Lines→lines→Straightlines→分別連接三個特征點→OK生成areaANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Areas→bylines→分別連接三條線→OK6網(wǎng)格劃分ANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshAttributes→Pickedareas→OK→MAT[1],TYPE[1PLANE42]ANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool→(SizeControls)lines:Set→依次拾取兩條直角邊:OK→inputNDIV:15→Apply→拾取斜邊:OK→inputNDIV:20→OK→(backtothemeshtoolwindow)Mesh:Areas,Tri，Mapped→Mesh→PickAll(inPickingMenu)→Close(theMeshToolwindow)7模型施加約束和載荷給底邊施加全約束ANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onlines→pickthelines→OK→selectLab2:UX,UY→OK定義載荷函數(shù)Parameter→function→define/edit→下拉框選擇{Y}，輸入result=98000-9800*{Y}→saveParameter→function→readfromfile→打開save的文件→定義載荷為P給直角邊施加x方向的分布載荷PANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines→拾取斜邊；OK→在下拉列表框中，選擇：Existingtable→OK→選擇需要的載荷參數(shù)名P→OK8分析計算ANSYSMainMenu:Solution→Solve→CurrentLS→OK(toclosethesolveCurrentLoadStepwindow)→OK9結(jié)果顯示ANSYSMainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape…→select