有限元分析课程设计.docx
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有限元分析课程设计
学号：
201040110125
湖北理工学院
课程设计
题目
有限元分析课程设计
教学院
机电工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
班级
10本机制一班
姓名
高翔
指导教师
陶晶周华祥
2013
年
11
月
22
日
目录
一、设计说明书............................................................................................
二、前言.........................................................................................................
1.ANSYS简介...............................................................
2、课程设计的性质、目的.............................
三、创建3D有限元模型..............................................................................
1.用ansys创建模型...............................................................................
2.结构、材料、单元类型及参数，进行网格划分…………………..
四、加载、求解、结果后处理…………………………………………….
1.添加约束……………………………………………………………….
2.施加载荷……………………………………………………………….
3.结果后处理…………………………………………………………….
五、高级建模技术……………………………………………………………
六、分析结果评价……………………………………………………………
七、设计小结…………………………………………………………………..
八、参考文献…………………………………………………………………
一、设计说明书
2012～2013学年第一学期
《机械有限元分析》课程设计任务书
设计名称
机械有限元分析课程设计
班级
机械设计制造及其自动化2010
（1）
地点
K1-310
一、课程设计目的
课程目的和任务旨在使学生了解有限元分析的基本方法，通过使用计算机计算工程力学中的若干问题，进一步加深工程力学课程中的基本概念和基本理论，培养学生解决一些简单的工程实际问题的能力，为学生在今后的机械课程设计和毕业设计中对机械构件进行力学分析打下扎实的基础。
二、课程设计内容
1．ANSYS有限元分析软件简介、功能概览和分析案例；
2．ANSYS图形用户界面及基本操作方法；
3．创建3D有限元模型
4．加载、求解、结果后处理
5．高级建模技术
6．分析结果评价
任务
组别
设计参数
尺寸
载荷
尺寸
载荷
尺寸
载荷
尺寸
载荷
尺寸
载荷
1/8
a=φ30b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ31b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=2.6MPa
a=φ33b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ34b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
2/9
a=φ32b=φ6
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ7
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=2.7MPa
a=φ32b=φ9
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ31b=φ10
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
3/10
a=φ32b=φ8
c=6
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=7
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=2.8MPa
a=φ32b=φ8
c=9
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ31b=φ8
c=10
d=25
e=12
P=3MPa
4/11
a=φ32b=φ8
c=8
d=23
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=24
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=2.9MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=26
e=12
P=3MPa
a=φ31b=φ8
c=8
d=27
e=12
P=3MPa
5/12
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=10
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=11
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=3.0MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=13
P=3MPa
a=φ31b=φ8
c=8
d=25
e=14
P=3MPa
6/13
a=φ30b=φ6
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ31b=φ7
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=8
d=25
e=12
P=3.1MPa
a=φ33b=φ9
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
a=φ34b=φ10
c=8
d=25
e=12
P=3MPa
7/14
a=φ32b=φ8
c=6
d=23
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=7
d=24
P=3MPa
a=φ32b=φ8
c=9
d=26
P=3.2MPa
a=φ32b=φ8
c=10
d=27
P=3MPa
a=φ31b=φ10
c=10
d=25
P=3MPa
考虑的是当活塞处于上顶点时，活塞顶部所受的压力P为3MPa,活塞销孔与活塞销作用起支撑作用。
附：
设计计算说明书内容
0、封面（题目、班级、姓名、学号、指导老师、时间）
1、目录（标题、页次）2、设计任务书（装订原发的设计任务书）
3、前言（题目分析、设计方案的拟订等）
4、创建3D有限元模型5、加载、求解、结果后处理
6、高级建模技术7、分析结果评价
8、设计小结（设计体会、本次设计的优缺点及改进意见等）
9、参考资料（资料的编号[]，作者，书名，出版单位和出版年、月）
三、进度安排
第11周周一学习ANSYS图形用户界面和分析的基本步骤；
周二创建有限元模型；
周三加载_求解_后处理；
周四使用多媒体课件，理论教学与上机练习；
周五上机练习分析，设计计算，及辅导；
第12周周一教师布置题目和内容；
周二学生查阅收集相关资料进行计算；
周三结果分析汇总；
周四编写课程设计说明书；课程设计总结；
周五答辩
四、基本要求
1.了解有限元分析的基本原理和方法；
2.熟悉有限元分析软件（ANSYS）的图形用户界面和菜单；
3.能熟练创建二维和三维有限元分析模型；
4.会使用指定的单元对有限元分析模型进行网格划分，也能对一些简单的有限元分析模型选择合适的单元进行网格划分；
5.能熟练使用工程力学的知识来确定模型的约束条件和受力的类型；
6.会使用有限元分析软件对有限元分析模型进行计算；
7.能熟练掌握有限元分析后处理过程，并对计算结果作出正确的评价；
8.掌握使用有限元分析方法对机械构件进行优化设计的过程；
车辆与交通教研室
2013-11-7
二、前言
1.ANSYS简介
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
。
2、课程设计的性质、目的
有限元分析课程设计是一门技术基础综合课程，是较全面的工程师基本能力训练。
学院安排我们为期两周的课程设计课程目的和任务旨在让我们了解有限元分析的基本方法，通过使用计算机计算工程力学中的若干问题，进一步加深工程力学课程中的基本概念和基本理论，培养我们解决一些简单的工程实际问题的能力，为我们在今后的机械课程设计和毕业设计中对机械构件进行力学分析打下扎实的基础。
这次课程设计我们的主要任务是完成课程设计题目的方案分析与设计;完成装配图、零件图设计，编写设计计算说明书。
要求我们了解有限元分析的基本原理和方法；熟悉有限元分析软件（ANSYS）的图形用户界面和菜单；能熟练创建二维和三维有限元分析模型；会使用指定的单元对有限元分析模型进行网格划分，也能对一些简单的有限元分析模型选择合适的单元进行网格划分；能熟练使用工程力学的知识来确定模型的约束条件和受力的类型；会使用有限元分析软件对有限元分析模型进行计算；能熟练掌握有限元分析后处理过程，并对计算结果作出正确的评价；掌握使用有限元分析方法对机械构件进行优化设计的过程；
三、创建3D有限元模型
1.用ansys创建模型
一.创建3D有限元模型
生成模型的步骤:
1.确定分析目标及模型的基本形式，选择合适的单元类型，并考虑适当的网格密度。
2.进去前处理。
3.建立工作平面。
4.激活适当的坐标系。
5.自顶向下生成实体。
6.用布尔运算适当的连接各个独立的实体模型域。
7.生成单元属性表，设置单元属性。
2.结构、材料，单元类型及参数设定，进行网格划分
1.材料特性应理想条件，即：
满足完全弹性假定，连续性假定，均匀性假定，各向同性假定的理想弹性体。
所以，选择弹性模量为
泊松比选择u。
2.定义材料特性
1．选择Preprocessor下的MaterialProps→MaterialModels。
2．在材料定义窗口内选择：
Structural→Linear→Elastic→Isotropic。
即为线性的，弹性的，均布的。
3．在EX后的文本框内输入数值作为弹性模量。
4.设定材料密度density
四、加载、求解、结果后处理
二.加载、求解、结果后处理
（一）、分有限元网格
1、选择单元类型：
执行MainMenu>Preprocessor>Elementtype>Add/Edit/Delete命令，弹出ElementType对话框。
单击Add..按钮，弹出LibraryofElementType对话框。
分别选择”StructuralSolid”和”Tet10node92”选项，单击OK按钮，单击Close按钮，完成单元类型选择。
2、设置单元尺寸：
执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Size命令，弹出GlobalElementSizes对话框。
在Elementedgelength文本框中输入”5”，单击OK按钮。
采用自由网格划分方式生成有限元网格：
执行Mainenu>preprocessor>meshing>Mesh>volumes>free命令,弹出一个拾取框。
单击pickall按钮，生成有限元分析模型。
3.施加载荷
施加约束条件：
执行MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>Onlines命令，弹出一个拾取框。
拾取圆孔的4个曲面，单击OK按钮，选择”UX”选项，单击OK按钮。
单击Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>Onlines命令，弹出一个拾取框。
拾取顶面，单击OK按钮。
在LoadPRESvalue文本框中输入“2.9”OK按钮，完成载荷施加生成结果。
三、求解
执行Menu>Solution>Solution>Solve>CurrentLS命令，弹出一个提示框。
游览后执行File>Close命令，单击OK按钮开始求解运算。
在出现一个Solutionisdone对话框时单击Close按钮完成求解运算。
四.结果后处理
1、显示变形形状：
执行MainMenu>Generalposproc>plotResults>Deformedshape命令，选择“Def+undeformed”单选按钮，单击OK按钮，变形结果如下所示：
2、列出节点结果：
执行MainMenu>Generalpostproc>listResullts>NodalSolution命令，在弹出的列表框中选择Stress和vonMisesStress选项单击OK按钮。
得到节点信息：
POST1NODALSTRESSLISTING*****
PowerGraphicsIsCurrentlyEnabled
NODALRESULTSAREFORMATERIAL1
NODES1S2S3SINTSEQV
77185.65460.44334-4.19059.84518.5310
77191.41550.31306-0.764992.18051.8884
77203.3823-0.26638-4.27277.65506.6318
77213.5426-0.26699-4.43617.97876.9121
77227.09190.53789-5.298612.39110.737
MINIMUMVALUES
NODE6539179014271515
VALUE-5.0856-8.9234-27.9820.35353E-010.31032E-01
MAXIMUMVALUES
NODE14556206625714341434
VALUE12.9265.91872.876725.48123.899
五、高级建模技术
有限元法（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元建模的准则
有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求,建立合适的,能模拟实际结构的有限元模型.在连续体离散化及用有限个参数表征无限个形态自由度过程中不可避免的引入了近似.为使分析结果有足够的精度,所建立的有限元模型必须在能量上与原连续系统等价.具体应满足下述准则:
1）有限元模型应满足平衡条件.
2）变形协调条件.
3）必须满足边界条件.
4）刚度等价原则.
5）认真选取单元,使之能很好的反映结构构件的传力特点,尤其是对主要受力构件应该做到尽可能的不失真.
6）应根据结构特点,应力分布情况,单元的性质,精度要求及其计算量的大小等仔细划分计算网络.
7）在几何上要尽可能地逼近真实的结构体,其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题.
8）仔细处理载荷模型,正确生成节点力,同时载荷的简化不应该跨越主要的受力构件.
9）质量的堆积应该满足质量质心,质心矩及其惯性矩等效要求.
10）超单元的划分尽可能单级化并使剩余结构最小.
2.边界条件的处理
对于基于唯一模式的有限元法,在结构的边界上必须严格满足已知的位移约束条件.例如,某些边界上的位移,转角等于零或者已知值,计算模型必须让它能实现这一点.对于自由边的条件可不予考虑.
3.连接条件的处理
一个复杂结构常常是由杆,梁,板,壳及二维体,三维体等多种形式的构件组成.由于杆,梁,板,壳及二维体,三维体之间的自由度个数不匹配,因此在梁和二维体,板壳和三维体的交接处,必须妥善加以处理,否则模型会失真,得不到正确的计算结果.
在复杂结构中,还能遇到各种各样其他的连接关系,只要将这些连接关系彻底弄清,就嫩提高写出相应的位移约束关系式,这些关系式我们称之为构件间复杂的连接条件,同时在计算中使程序严格满足这些条件.应当指出,在不少实用结构分析有限元分析有限元程序中,已为用户提供输入连接条件的借口,用户只需严格遵守用户使用规定,程序将自动处理自由度之间的用户所规定的位移约束条件.。
六、分析结果评价
结论：
1.可以看出在Y轴上有较大的应力集中。
2.最大变形量DMX=0.004941，
3.由于在此模型中有较多的不准确数据，所以要得到比较可靠的结果，前处理中的相关数据要准确。
4.最大应力SMX=25.798，最小应力在侧面上，最小应力值SMN=0.026811
七、设计小结
通过本次课程设计，了解了有限元法在实际问题中的应用，应用ANSYS软件进行有限元分析，能够精确的观察出模型各个微元部分所收的应力或者形变等等。
使我们意识到了有限元分析在现代机械设计中的强大功能与作用。
我们了解了有限元分析的基本原理和方法；熟悉了有限元分析软件（ANSYS）的图形用户界面和菜单；能熟练创建二维和三维有限元分析模型；会使用指定的单元对有限元分析模型进行网格划分，也能对一些简单的有限元分析模型选择合适的单元进行网格划分；能使用工程力学的知识来确定模型的约束条件和受力的类型；学会了使用有限元分析软件对有限元分析模型进行计算；初步掌握有限元分析后处理过程，并对计算结果作出正确的评价；初步学会并掌握使用有限元分析方法对机械构件进行优化设计的过程；
应用范围：
固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学
求解的情况：
杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性（线性和非线性）、弹塑性或塑性问题（包括静力和动力问题）。
能求解各类场分布问题（流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题），水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。
有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：
1）物体离散化
将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。
离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。
所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。
这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。
如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。
2）单元特性分析
A、选择位移模式
在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。
位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。
当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。
这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。
通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。
这种函数称为位移模式或位移函数，如y=其中是待定系数，是与坐标有关的某种函数。
B、分析单元的力学性质
根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。
此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。
C、计算等效节点力
物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。
但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。
因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。
3）单元组集
利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程
（1-1）
式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。
4）求解未知节点位移
解有限元方程式（1-1）得出位移。
这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。
通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析
八、参考文献
1.“有限元法概论”，龙驭球，人民教育出版社，1997年7月
2.“有限元法理论及应用基础教程”，宋天霞，2003年7月
3.“工程力学课程设计”讲义，上海理工大学力学教研室，张志忠、张丽芳、翁国华等编写2004年7月
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