有限元大作业开孔平板静力分析.docx
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有限元大作业开孔平板静力分析
课程编号
051304
《结构有限元方法与应用》
大作业报告
实验名称:
开孔平板静力分析
学院_宇航学院_
专 业___飞行器设计___
姓名__李东芳_____
学号___**********___
联系电话___***********__
年月日
摘要
有限元方法可以把杆件结构力学中的位移法推广到求解连续体介质力学问题，它之所以能获得成功在于从结构力学推导的刚度矩阵容易被接受，同时这种方法所包含的大量数值运算可以友由发展起来的数字计算机来完成。
用于有限元前后处理的软件有很多种，其中功能较为强大的是ABAQUS,它可以对工程中的各种线性与非线性问题进行分析计算。
本文中的算例就是用ABAQS软件对一种较为简单的结构，即开孔平板进行静力分析。
并从网格形状和尺寸两个方面对结果进行对比。
关键词：
有限元方法，ABAQUS,开孔平板
目录
实验名称：
开孔平板静力分析1
1.简介1
2、静力分析算例介绍1
2.1问题定义1
2.2有限元软件分析步骤1
2.3对比9
3.总结：
13
致谢14
参考文献15
《结构有限元方法与应用》报告
——实验名称：
开孔平板静力分析
1.简介
ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。
ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究。
由于ABAQUS强大的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，它在各国的工业和研究中得到了广泛的应用，在大量的高科技产品开发中发挥着巨大的作用。
ABAQUS的分析功能有很多，最基本的就是静态应力/位移分析，包括线性、材料非线性、几何非线性、结构断裂分析等[1]。
2、静力分析算例介绍
2.1问题定义
图2.1开孔平板示意图
如图2.1所示开孔平板，单位均为m，厚度0.02m。
材料为钢，杨氏模量209e9Pa，泊松比0.3，屈服极限为245MPa。
底部固支，顶部受竖直向下均布载荷1.5e6Pa。
试分析该结构的应力、应变分布，并确定最危险部位，判断是否屈服。
2.2有限元软件分析步骤
在算例中，使用ABAQUS软件进行有限元前后处理。
图2.2是ABAQUS界面。
图2.2ABAQUS界面
2.2.1建立几何模型
（1）创建部件。
点击左侧工具区中的（createpart）,弹出CreatePart对话框，在Name后面输入Plate01,将ModelingSpace（模型所在空间）设为2Dplanar（二维平面），其余参数不需改变。
点击Continue。
（2）绘制圆弧
ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，选择绘图工具箱中的圆工具，在窗口底部的提示区输入x,y坐标”0,0”作为圆心，然后输入x,y坐标”0.1,0”作为圆上一点，完成了中间圆孔的绘制。
按照相同的方法完成左边圆孔和右边圆孔的绘制。
（3）绘制直线。
选择绘图工具箱中的画线工具，依次在窗口底部的提示区中输入坐标（0.5,0.2）,（-0.5,0.2）,（-0.5,-0.2）,（0.5,-0.2）完成四边形的绘制。
在视图区中点击鼠标中键来结束画线操作，完成如图2.3所示的二维模型。
再次点击鼠标中键来退出画线工具，最后再点击鼠标中键来退出绘图环境。
得到如图2.4所示完成后的部件。
最后保存模型。
图2.3二维模型
图2.4完成后的部件
2.2.2创建材料和截面属性
在窗口左上角Module模块列表中选择Property（特性）功能模块，然后定义材料。
（1）创建材料点击左侧工具区中的（CreateMaterial），弹出EditMaterial对话框。
在Name（材料名称）后面输入Steel，点击对话框中的Mechanical（力学特性），Elasticity，Elastic。
在数据表中设置Young’sModule为2.09e11，Poisson’sRatio为0.3，其余参数不变。
点击OK。
（2）创建截面属性
点击左侧工具区中的（CreateSection），弹出CreateSection对话框，保持其余默认参数不变点击Continue。
在弹出的EditSection对话框中，设置Planestress/strainthickness为0.02.保持其余默认参数不变，点击OK。
（3）给部件赋予截面属性。
点击左侧工具区中的（AssignSection），点击视图区中的平板模型，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的实体边界，在视图区中点击鼠标中键，弹出EditSectionAssignment对话框，点击OK。
2.2.3定义装配件
整个分析模型时一个装配件，前面在Part功能模块中创建的各个部件将在Assembly功能模块中装配起来。
具体操作方法是：
在窗口左上角的Module列表中选择Assembly（装配）功能模块。
点击左侧工具区中的（InstancePart），在弹出的CreateInstance对话框中，前面创建的部件Platel自动被选中，默认参数为InstanceType:
Dependent（meshonpart），点击OK.
2.2.4设置分析步
在窗口坐上角的Module列表中选择Step（分析步）功能模块。
点击左侧工具区中的（CreateStep）。
在弹出的CreateStep对话框中，在Name后面输入ApplyLoad，其余参数保持默认值，点击Continue。
在弹出的EditStep对话框中，保持各参数的默认值，点击OK。
2.2.5定义边界条件和载荷
在窗口左上角的Module列表中选择Load功能模块，定义边界条件和载荷。
（1）施加载荷
点击左侧工具区中的（CreateLoad），在弹出CreateLoad对话框中，将TypesforSelectedStep设为Pressure，其余参数保持默认值，点击Continue。
点击平板的右侧边界线，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的线，在视图区中点击鼠标中键，在弹出的EditLoad对话框中，在Magnitude后面输入1.5e6，然后点击OK。
（2）定义平板底部的边界条件
点击左侧工具区中的（CreateBoundaryCondition），在弹出的对话框中，在Name后面输入Fix，将Step设为Initial，其余各项参数保持默认值，点击Continue。
窗口底部的提示区信息变为”Selectregionsfortheboundarycondition”，点击平板的左侧边界线，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的线，在视图区中点击鼠标中键。
在弹出的对话框中，选中ENCASTRE（U1=U2=U3=UR1=UR2=U
R3=0）然后点击OK。
视图区中的模型将如图2.5所示。
图2.5视图区中的模型
2.2.6划分网格
在窗口左上角的Module列表中选择Mesh（网格）功能模块，在窗口顶部的环境栏中把Object选项设为Part:
plate01，即为部件划分网格，而不是为整个装配件划分网格。
（1）设置边上的种子
在左侧工具区中选择（SeedEdge:
byNumber），点击平板左侧的边，在视图区中点击鼠标中键，在窗口底部的提示区中设置Numberofelementsalongtheedges：
30.再次在视图区中点击鼠标中键，这样在左侧边布上了30个网格种子。
用同样的方法在右侧边布上30个种子，在上下侧边上布上60个种子，在左右孔上布上30个种子，在中间孔上布上60个种子。
视图中的模型如图2.6所示。
图2.6边上布上种子以后的模型
（2）设置单元类型
点击左侧工具区中的（AssignElementType），弹出对话框，将GeometricOrder设为Quadratic，取消对Reducedintegration的选择，区域参数保持默认值，看到对话框中提示当前单元类型为CPS8（8节点双二次平面应力四边形单元），点击OK.
（3）划分网格
点击左侧工具区中的（MeshPartInstance），在视图区中点击鼠标中键，得到如图2.7所示的网格。
图2.7网格
2.2.7提交分析作业
（1）创建分析作业
点击左侧工具区中的（JobManger），弹出对话框，点击Create（创建新的作业），在Name后面输入Plate，点击Continue，弹出EditJob对话框，各参数保持默认值，点击OK。
（2）提交分析
在JobManager对话框中点击Submit。
看到对话框中的Status提示依次变为Submitted,Running和Completed，这表示对模型的分析已经成功完成。
点击此对话框中的Results，自动进入Visualization模块。
2.3.8后处理
看到窗口左上角的Module列表已自动变为Visualization功能模块，视图区中显示出模型未变形时的轮廓图。
（1）显示未变形图
点击左侧工具区中的（PlotUndeformedShape），显示出未变形时的网格模型。
如图2.8所示。
图2.8未变形时的网格模型
（2）显示变形图
图2.9变形后的网格模型
点击左侧工具区中的（PlotDeformedShape），显示出变形后的网格模型。
如图2.9所示。
查询得到最大位移是5.50656e-6m（5.50656e-3mm）。
（3）显示云纹图
点击左侧工具区中的（PlotContours）,显示出Mises应力的云纹图。
如图2.10所示。
看到最大应力发生的区域在3个孔的两侧，这些都是容易发生应力集中的地方。
经过查询得到最大应力值为5.35Mpa。
最大应力小于屈服极限245Mpa，因此不会发生屈服。
图2.10Mises应力云纹图
2.3对比
2.3.1改变单元数目
当把四条边上和三个圆孔上的种子数增加一倍时，网格数目也随之增加。
得到的变形图，位移云纹图和应力云纹图分别如图2.11，图2.12和图2.13所示。
看到最大的位移发生在板的长边中线附近。
最大的应力发生在三个孔的两侧区域，这些都是容易发生应力集中的区域。
计算得到最大位移是5.50733e-6m（5.50733e-3mm），最大应力5.36Mpa。
图2.11变形图
图2.12位移云纹图
图2.13应力云纹图
2.3.2改变单元的种类
当四条边和三个孔周围的种子数不变，但是单元类型改为三角形单元的时候。
得到的变形图、位移云纹图和应力云纹图分别如图2.14，图2.15和图2.16所示。
看到最大的位移发生在板的长边中线附近。
最大的应力发生在三个孔的两侧区域，这些都是容易发生应力集中的区域。
计算得到最大位移是5.50033e-6m（5.50033e-3mm），最大应力5.40654Mpa。
图2.14变形图
图2.15变形云纹图
图2.16应力云纹图
3.总结：
（1）当单元种类相同，单元数发生变化的时候，计算结果随之发生变化，单元数越多，结果越精确，当然计算量也越大。
（2）当单元数量大体相同，但是单元种类发生变化的时候，计算结果也随之改变，并且对于应力集中问题，使用二次单元可以提高应力结果的精度。
致谢
一个学期的《结构有限元方法与应用》马上就要结束了，自己不仅学到了有限元的基本的理论，同时也掌握了用有限元前后处理软件Abaqus的使用方法，为以后的深入学习打下了良好的基础。
感谢徐元铭教授的精彩授课。
李东芳
2012年5月21日
参考文献
[1]石亦平,周玉蓉.Abaqus有限元分析实例讲解[M].北京：
机械工业出版社，2006.
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