工程結(jié)構(gòu)仿真課程設(shè)計

課程設(shè)計說明書工程結(jié)構(gòu)仿真課程設(shè)計學(xué)院（部）：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2015年01月11日目錄1前言 21.1有限元軟件的功能和特點(diǎn) 21.2課程設(shè)計的目的和要求 22平面桁架問題分析 32.1理論分析 32.2有限元分析 72.2.1有限元模型的建立 72.2.2結(jié)果與分析 82.3本章小結(jié) 103實體模型分析 113.1模型材料與幾何參數(shù) 113.2有限元模型的建立 113.3結(jié)果與分析 134心得體會 155參考文獻(xiàn) 171前言有限元法（finiteelementmethod）是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法。在科學(xué)計算領(lǐng)域中，常常需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解析解一般很難得到，使用有限元法將微分方程離散化后，可以編制程序，使用計算機(jī)輔助求解。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以它廣泛地應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中（這類場與泛函的極值問題有著緊密的聯(lián)系）。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如CREO,NASTRAN,ALOGOR,I－DEAS,AutoCAD等，ANSYS軟件借助有限元法求解出比較精確的解析解。1.1有限元軟件的功能和特點(diǎn)有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=RayleighRitz法+分片函數(shù)”，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的RayleighRitz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。現(xiàn)代有限元軟件與CAD軟件的無縫集成，擁有更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力，而且由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題并且由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解，還有隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，程序面向用戶的開放性加大。能夠求解結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題、結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題、結(jié)構(gòu)非線性問題和動力學(xué)分析等。1.2課程設(shè)計的目的和要求課程設(shè)計有兩個問題，第一個是桁架的靜力學(xué)分析，第二個是顯示器支座的分析。要得出有限元方法的解，并和理論解對比分析，驗證所得解的有效性。要求采用有限元軟件ANSYS求解，學(xué)習(xí)了解有限元法的理論和掌握ANSYS的實際操作，并且判定結(jié)果的有效性。2平面桁架問題分析平面桁架在各種工程結(jié)構(gòu)中，是一種廣泛使用的特殊剛體系，是一些短而直的鋼桿彼此以端部連接而成的幾何不變的結(jié)構(gòu)。當(dāng)剛桿之間的連接能近似的看為鉸鏈約束，這種桿系結(jié)構(gòu)稱為桁架。其中（1）所有結(jié)點(diǎn)都是無摩擦的理想鉸；（2）各桿的軸線都是直線并通過鉸的中心；（3）荷載和支座反力都作用在結(jié)點(diǎn)上。桁架中所有桿件均為二力桿所組成的幾何不變體，故計算方法有（1）結(jié)點(diǎn)法：截取桁架的一個結(jié)點(diǎn)為脫離體計算桁架內(nèi)力的方法；（2）截面法：用適當(dāng)?shù)慕孛?，截取桁架的一部分為脫離體，利用平面任意力系的平衡條件進(jìn)行求解；（3）聯(lián)合法：在解決一些復(fù)雜的桁架時，僅僅使用結(jié)點(diǎn)法或截面法往往不能解決結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，這是需要將這兩種方法進(jìn)行聯(lián)合。如圖2-1所示桁架，求各個桁架的軸力，載荷和各桿長度在圖中已經(jīng)給出，桿的截面積為16cm2，泊松比v=0.25，彈性模量E=2.06Gpa。圖2-1桁架總圖2.1理論分析(1)支座反力以整體為分析對象，先求支座反力。 (2-1)(2)用截面法求解內(nèi)力同時截斷8、9、10三桿，如圖2-2。圖2-28、9、10桿截斷面受力圖 (2-2)同時截斷4、5、6三桿，如圖2-3。圖2-34、5、6桿截斷面受力圖 (2-3)（3）用節(jié)點(diǎn)法求內(nèi)力對于1節(jié)點(diǎn)，如圖2-4。圖2-4節(jié)點(diǎn)1受力圖 (2-4)同理，對于右半跨：同時截斷12、13、14三桿，如圖2-5。圖2-512、13、14桿截斷面受力圖 (2-5)同時截斷16、17、18三桿，如圖2-6。圖2-616、17、18桿截斷面受力圖 (2-6)對于12節(jié)點(diǎn)，如圖2-7。圖2-7節(jié)點(diǎn)12受力圖 (2-7)對于3、7、11、15、19桿軸力，采用節(jié)點(diǎn)法易得： (2-8)則整理可以得出各桿軸力及支座反力，見表2-1。表2-1各桿軸力及支座反力值F1=6.62KNF2=-7.49KNF3=0F4=6.62KNF5=-0.83KNF6=-6.17KNF7=0.37KNF8=5.88KNF9=-1.54KNF10=-4.71KNF11=0F12=3.50KNF13=1.54KNF14=-4.71KNF15=-0.36KNF16=2.79KNF17=0.79KNF18=-3.67KNF19=0F20=2.79KNF21=-3.16KNR1=4.52KNR12=1.48KN2.2有限元分析2.2.1有限元模型的建立1.單元類型、幾何特性及材料特性定義(1)定義單元類型點(diǎn)擊主菜單中的Preference→ElementType→Add/Edit/Delete，彈出對話框，點(diǎn)擊對話框中的Add…按鈕，又彈出一對話框，選中該對話框中的Link和3Dfinitstn180選項，點(diǎn)擊OK，關(guān)閉對話框。(2)定義幾何特性定義實常數(shù)：點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete，彈出對話框，點(diǎn)擊Add…按鈕，上步定義的LINK180單元出現(xiàn)于該對話框中，點(diǎn)擊OK，彈出下一級對話框，在AREA一欄桿件的截面積1600，點(diǎn)擊OK，點(diǎn)擊Close，關(guān)閉所示對話框。(3)定義材料特性點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,彈出對話框，逐級雙擊右框中Structural→Linear→Elastic→Isotropic前圖標(biāo)，彈出下一級對話框，在彈性模量文本框中輸入：2.06E5，在泊松比文本框中輸入：0.25，點(diǎn)擊OK返回上一級對話框，并點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕。2.衍架分析模型的建立(1)生成節(jié)點(diǎn)圖2-1所示衍架中共有12個節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)根據(jù)已知條件容易求出如下：1（0，0，0），2（2850，0，0），3（2850，1515，0），4（5850,0，0），5（5850，2480，0），6（8850，0，0）,7（8850，2800，0），8（11850，0，0），9（11850，2480，0），10（14850,0，0），11（14850，1515，0），12（17700，0，0）。點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS,彈出對話框。在Nodenumber一欄中輸入節(jié)點(diǎn)號1，點(diǎn)擊Apply按鈕，同理將2-12點(diǎn)的坐標(biāo)輸入，以生成其余11個節(jié)點(diǎn)。此時，在顯示窗口上顯示所生成的12個節(jié)點(diǎn)的位置。(2)生成單元點(diǎn)擊主菜單中Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes，彈出節(jié)點(diǎn)選擇對話框。依次點(diǎn)選節(jié)點(diǎn)1、2，點(diǎn)擊Apply按鈕，既可生成①單元。同理，可生成其余20個單元。3.施加載荷(1)施加位移約束點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→Solution→Define→Loads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes，彈出節(jié)點(diǎn)選擇對話框，點(diǎn)擊Apply按鈕，彈出對話框，選擇1結(jié)點(diǎn)，選擇右上列表框中的AllDOF，并點(diǎn)擊Apply按鈕。然后選擇2結(jié)點(diǎn)，選擇右上列表框中的UY，并點(diǎn)擊OK按鈕。(2)施加集中力載荷點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→Solution→Define→Loads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes，彈出對話框，在Directionofforce/mom一項中選擇：FY，在Force/Momentvalue一項中輸入-1000，然后點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對話框。同理在可施加其余三個力-2000、-2000、-1000。4.開始求解點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→Solution→Solve→CurrentLS，點(diǎn)擊OK按鈕，開始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口提示用戶已完成求解，點(diǎn)擊Close按鈕關(guān)閉對話框即可。2.2.2結(jié)果與分析1．顯示變形圖點(diǎn)擊主菜單中的GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape，彈出對話框。選中Def+undeformed選項，并點(diǎn)擊OK按鈕，即可顯示桁架結(jié)構(gòu)變形前后的結(jié)果，如圖2-8所示。圖2-8模型變形圖2.查看單元內(nèi)力點(diǎn)擊主菜單中的GeneralPostroc→ListResults→ElementSolution，彈出StructuralForce對話框。導(dǎo)出數(shù)據(jù)處理后所得，見表2-2。表2-2ANSYS結(jié)果與理論解比較軸力FxFyANSYS軸力解理論值F16616N06616N6.62KNF2-6616N3516.9N-7492.7N-7.49KNF30000F46616N06616N6.62KNF5-739.37N-373.38N-828.3N-0.83KNF6-5876.7N-1890.3N-6160.8N-6.17KNF70373.38N373.38N0.37KNF85876.7N05876.7N5.88KNF9-1189.2N983.05N-1542.9N-1.54KNF10-4687.5N-500N-4714.1N-4.7KNF1100.89338E-11N00F123498.3N03498.3N3.50KNF131189.2N983.05N1542.9N1.54KNF14-4687.5N500N-4714.1N-4.71KNF150-357.76N-357.76N-0.36KNF162789.9N02789.9N2.79KNF17708.43N357.76N793.64N0.79KNF18-3498.3N1125.3N-3674.8N-3.67KNF190000F202789.9N02789.9N2.79KNF21-2789.9N1483.1N-3159.6N-3.16KN查詢支座反力為： (2-9)2.3本章小結(jié)通過一系列的理論運(yùn)算以及軟件的分析得到的兩種結(jié)果的對比，理論答案和ANSYS模擬結(jié)果基本相同。ANSYS比手動計算簡便許多，省去了在同一類問題中反復(fù)運(yùn)算的麻煩，但ANSYS建模中的小誤差會導(dǎo)致結(jié)果與理論結(jié)果不盡相同，位移函數(shù)的假設(shè)合理與否，將直接影響有限元法分析的計算精度、效率和可靠性。所以各有利弊，理論知識復(fù)雜繁瑣但是精確，軟件分析簡單明了但有時建模繁瑣。但是，對于比較簡單的桁架，使用ANSYS求解，就顯得繁瑣復(fù)雜，而且ANSYS對于初學(xué)者操作并不方便，所以對于簡單桁架建議使用理論求解，對于復(fù)雜的桁架，就使用ANSYS求解。3實體模型分析3.1模型材料與幾何參數(shù)隨著電腦顯示屏的更新?lián)Q代，顯示屏支座多種多樣，因此在顯示屏的支座設(shè)計上為工廠帶來了不小的麻煩，為節(jié)約成本又要簡約美觀更要有足夠的承擔(dān)負(fù)荷的能力，從而設(shè)計一個好的支座成了一個新設(shè)計問題。網(wǎng)吧臺式電腦顯示器的支座簡單普遍，其下部為一基座，上面立柱。為了模擬簡單，對模型進(jìn)行必要簡化，使用長方體代替變截面長方體，材料為復(fù)合材材，密度為1.5g/cm3，泊松比為0.25，彈性模量為50GPa，電腦重量為60N，如圖3-1。圖3-1電腦支座3.2有限元模型的建立1.單元類型、幾何特性及材料特性定義（1）定義單元類型點(diǎn)擊主菜單中的Preference→ElementType→Add/Edit/Delete，彈出對話框，點(diǎn)擊對話框中的Add…按鈕，又彈出一對話框，選中該對話框中的solid和20node186選項，點(diǎn)擊OK，關(guān)閉對話框。（2）定義材料特性點(diǎn)擊主菜單中的Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,彈出對話框，逐級雙擊右框中Structural→Linear→Elastic→Isotropic前圖標(biāo)，彈出下一級對話框，在彈性模量文本框中輸入：5e4，在泊松比文本框中輸入：0.25，在密度文本框中輸入:1.5，點(diǎn)擊OK返回上一級對話框，并點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕。2.支座模型的建立（1）生成基座在操作窗口依次點(diǎn)擊MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimensions，依次輸入四個模型坐標(biāo)即X1-X2，Y1-Y2：（0,160），（0,80），點(diǎn)擊“OK”即可。各角做半徑為10的倒角，然后在Z方向拉伸厚度為10。（2）生成懸臂MainMenu:Preprocessor→Modeling→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimensions。依次輸入四個模型坐標(biāo)即X1-X2，Y1-Y2：（50,110），（50,70），點(diǎn)擊“OK”即可創(chuàng)建一個長為60，寬為20的矩形，然后拉在Z方向伸合50。并兩個實體，即為支座模型。如圖3-2。圖3-2ANSYS模型圖3.網(wǎng)格劃分在ANSYS軟件操作界面上依次點(diǎn)擊MainMemu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，這時彈出MeshTool對話框，點(diǎn)擊SizeControls區(qū)域中的Volume的set按鈕，然后點(diǎn)OK。按下Mesh按鈕，這時彈出對話框，點(diǎn)擊Pickall按鈕，為所有實體劃分網(wǎng)格。4.施加約束位移Preprocessor→Loads→Defineloads→Apply→Structural→Displacement→OnAreas，彈出的對話框，點(diǎn)擊底面，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出對話框，選擇右上表框中的ALLDOF，并點(diǎn)擊OK，即可完成對底面的位移約束，相當(dāng)于固定端。5.施加載荷點(diǎn)擊主菜單的Preprocessor→Loads→Defineloads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes，選擇受力面中點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，在彈出的對話框中選擇Z，大小為60。6.施加重力載荷點(diǎn)擊主菜單的Preprocessor→Loads→Defineloads→Apply→Structural→Inertia→Gravity，在彈出的對話框的ACELY中輸入：9.8，其他保留缺省設(shè)置，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對話框。7.求解點(diǎn)擊主菜單的Solution→Solve→CurrentLS，在彈出的對話框中點(diǎn)擊OK按鈕，開始進(jìn)行分析求解。分析完成后，又彈出一信息窗口提示用戶已經(jīng)完成求解，點(diǎn)擊CLOSE就關(guān)閉對話框即可。至于在求解時產(chǎn)生的STATUSCommand窗口，點(diǎn)擊File→Close關(guān)閉即可。3.3結(jié)果與分析點(diǎn)擊主菜單的Preprocessor→GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape→Def+undeformed，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對話框，顯示變形圖。圖3-3模型整體變形圖點(diǎn)擊主菜單的Preprocessor→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu→DOFSolution→Displacementvectorsum，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對話框，顯示位移云圖。圖3-4位移云圖點(diǎn)擊主菜單的Preprocessor→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu→Stress→vonMisesstress，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對話框，顯示等效應(yīng)力云圖。圖3-5等效應(yīng)力云圖4心得體會通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)ANSYS方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。這次課程設(shè)計終于順利完成了，雖然在設(shè)計中遇到了很多問題，但是在自己不懈努力下，終于解決了所以問題。在以后學(xué)習(xí)實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上披荊斬棘，而不是知難而退。在課程設(shè)計中，不僅培養(yǎng)了我獨(dú)立思考、動手操作的能力，在其它各種能力上也都有了提高。更重要的是，在ANSYS操作上，我學(xué)會了更多有效的方法。而這對以后畢業(yè)設(shè)計真的是受益匪淺。以后，不管有多苦，我想我都能化苦為樂，發(fā)掘有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情，踏實完成工作?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計，我感慨頗多，從理論到實踐，從思路到實施，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。桁架問題是結(jié)構(gòu)力學(xué)最常規(guī)的問題，此次課程設(shè)計回顧前期學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并計算出理論解，考察了我的計算能力和基礎(chǔ)是否扎實，然后又進(jìn)行ANSYS仿真模擬，和理論解對比，結(jié)果幾近相同。說明ANSYS的結(jié)果是非?？尚诺?。有限元法（finiteelementmethod）是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法。在科學(xué)計算領(lǐng)域中，常常需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解析解一般很難得到，使用有限元法將微分方程離散化后，可以編制程序，使用計算機(jī)輔助求解。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以它廣泛地應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中（這類場與泛函的極值問題有著緊密的聯(lián)系）。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如CREO,NASTRAN,ALOGOR,I－DEAS,AutoCAD等，ANSYS軟件借助有限元法求解出比較精確的解析解。ANSYS對于工科學(xué)生來說，是非常重要的，畢竟在以后的工作學(xué)習(xí)中會常常涉及。因此這次課程設(shè)計鍛煉了我對于ANSYS的實際操作能力。對我而言，即是對ANSYS軟件操作能力的檢驗，也是對我能力的鍛煉提升。此次設(shè)計也讓我明白了思路即是出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識。5參考文獻(xiàn)[1]王新敏，李義強(qiáng).《ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用》[M].北京：人民交通出版社，2001.[2]胡于進(jìn)，王璋奇.《有限元分析及應(yīng)用》[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.[3]趙經(jīng)文,王紅鈺.《結(jié)構(gòu)有限元分析（第2版）》[M].北京：科學(xué)出版社，2001.[4]包世華.《結(jié)構(gòu)力學(xué)》[M].北京：高等教育出版社,2002.[5]王瑁成.《有限單元法》[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.目錄TOC\o"1-2"\h\z第一章項目的意義和必要性 11.1項目名稱及承辦單位 11.2項目編制的依據(jù) 11.3肺寧系列產(chǎn)品的國內(nèi)外現(xiàn)狀 21.4產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度分析 31.5項目的市場分析 4第二章項目前期的技術(shù)基礎(chǔ) 82.1成果來源及知識產(chǎn)權(quán)情況，已完成的研發(fā)工作 82.3產(chǎn)品臨床試驗的安全性和有效性 8第三章建設(shè)方案 233.1建設(shè)規(guī)模 233.2建設(shè)內(nèi)容 233.3產(chǎn)品工藝技術(shù) 233.5產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 293.6土建工程 373.7主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 39第四章建設(shè)內(nèi)容、地點(diǎn) 414.1建設(shè)內(nèi)容及建設(shè)規(guī)模 414.2建設(shè)地點(diǎn) 414.3外部配套情況 44第五章環(huán)境保護(hù)、消防、節(jié)能 465.1環(huán)境保護(hù) 465.2消防 495.3節(jié)能 50第六章原材料供應(yīng)及外部配套條件落實情況 526.1主要原輔材料、燃料、動力消耗指標(biāo) 526.2公用工程 54第七章建設(shè)工期和進(jìn)度安排 567.1建設(shè)工期和進(jìn)度安排 567.2建設(shè)期管理 56第八章項目承擔(dān)單位或項目法人所有制性質(zhì)及概況 578.1項目承擔(dān)單位概況