板结构有限元分析实例详解1.docx

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板结构有限元分析实例详解1

板结构有限元分析实例详解1：

带孔平板结构静力分析

本节介绍带孔平板结构静力分析问题，同时介绍布尔操作的基本用法。

8.3.1问题描述与分析

有孔的矩形平板，左侧边缘固定，长400mm，宽200mm，厚度为10mm，圆孔在板的正中心，半径为40mm，左侧全约束，右侧边缘均布应力1MPa，如图8.7所示。

求板的变形、位移及应力变化情况。

（材料的材料属性为：

弹性模量为300000MPa，剪切模量为0.31。

）

图8.7带孔的矩形平板

由于小孔处边缘不规则，本文采用PLANE82高阶平面单元进行分析。

8.3.2求解过程

8.3.2.1定义工作目录及文件名

启动ANSYSMechanicalAPDLProductLauncher窗口，如图8.8所示。

在License下拉选框中选择ANSYSMultiphysics产品，在WorkingDirectory输入栏中输入工作目录：

C:

\ANSYS12.0StructuralFiniteElementsAnalysisandPractice\Chapter8\8-1，在JobName一栏中输入工作文件名：

Chapter8-1。

以上参数设置完毕后，单击Run按钮运行ANSYS。

图8.8ANSYS设置窗口菜单

可以先在目标文件位置建立工作目录，然后单击Browse按钮选择工作目录；也可以通过单击Browse按钮选择工作文件名。

8.3.2.2定义单元类型和材料属性

选择MainMenu>Preferences命令，出现PreferencesforGUIFiltering对话框，如图8.9所示，在Individualdiscipline（s）toshowintheGUI中勾选Structural，过滤掉ANSYSGUI菜单中与结构分析无关的选项，单击OK按钮关闭该对话框。

图8.9PreferencesforGUIFiltering对话框

选择MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，出现ElementTypes对话框，如图8.10所示，单击Add按钮，出现LibraryofElementTypes对话框，在LibraryofElementTypes列表框中选择StructuralSolid中的Quad8node82单元，如图8.11所示，单击OK按钮关闭该对话框，单击ElementTypes对话框上的Options按钮，弹出PLANE82elementtypeoptions对话框，在ElementbehaviorK3项下拉菜单中选择PLANEstrsw/thk，如图8.12所示，单击OK按钮关闭该对话框，单击Close按钮关闭ElementTypes对话框。

图8.10ElementTypes对话框

图8.11LibraryofElementTypes对话框

图8.12PLANE82elementtypeoptions对话框

PLANE82是8节点的四边形单元，是平面4节点PLANE42的高阶形式，更适合有曲线边界的模型，对于本问题，我们需要有厚度的平面应力单元，所以选择了

PLANE82单元。

在PLANE82选项设置窗口中选择PLANEstrsw/thk使得我们可以设置板的厚度。

设置材料属性。

选择MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令，出现DefineMaterialModelsBehavior对话框，在MaterialModelsAvailable一栏中依次点击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，如图8.13所示，出现LinearIsotropicPropetiesforMaterialNumber1对话框，在EX输入栏中输入300000，在PRXY输入栏中输入0.31，如图8.14所示，单击OK按钮关闭该对话框。

在DefineMaterialModelsBehavior对话框上选择Material>Exit命令，关闭该对话框。

图8.13DefineMaterialModelsBehavior对话框

图8.14LinearIsotropicPropetiesforMaterialNumber1对话框

设置实常数。

选择MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete命令，出现RealConstants对话框，如图8.15所示，单击Add按钮，单击OK按钮，出现RealConstantSetNumber1,forPLANE82对话框，在ThicknessTHK输入栏中输入10，如图8.16所示，单击OK按钮关闭RealConstantSetNumber1,forPLANE82对话框，单击Close按钮关闭RealConstants对话框。

图8.15RealConstants对话框图8.16RealConstantSetNumber1,forPLANE82对话框

选择UtilityMenu>File>SaveasJobname.db命令，保存上述操作过程。

此操作为保存，也可通过鼠标单击

按钮或

按钮来实现。

8.3.2.3创建几何模型

不采取由点建面的方式，而是采用菜单操作方式直接创建矩形面。

菜单路径为MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Area>Rectangle>ByDimensions，弹出CreateRectanglebyDimensions对话框，输入矩形的相关参数，如图8.17所示。

单击OK按钮，将创建一个矩形，其左下角坐标为（0,0），右上角坐标为（400,200），如图8.18所示。

图8.17CreateRectanglebyDimensions对话框

图8.18创建矩形后的结果

创建圆。

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Area>Rectangle>ByDimensions命令，弹出SolidCircularArea对话框，输入圆的相关参数，如图8.19所示。

单击OK按钮，将创建一个圆，圆心坐标为（200,100），半径为40。

图8.19SolidCircularArea对话框

利用布尔操作中的减操作从矩形中减去圆。

选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas命令，弹出SubtractAreas拾取框，如图8.20所示，用鼠标选取基本面矩形（尽量选择边上），单击Apply按钮，再用鼠标选择被减的面圆形，单击SubtractAreas窗口上的OK按钮，减操作完成，生成ANSYS图形结果如图8.21所示。

图8.20SubtractAreas拾取框图8.21减操作完成后图形显示结果

至此，我们已经完成了带孔矩形板几何模型的建立，选择UtilityMenu>File>SaveasJobname.db命令，保存上述操作过程。

8.3.2.4划分网格

选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Areas>AllAreas命令，弹出ElementSizesonAllSelectedAreas对话框，如图8.22所示，指定网格边长为5。

至于5是否合适，可以根据划分网格大小和计算结果是否收敛而继续调整。

图8.22ElementSizesonAllSelectedAreas对话框

划分网格。

选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free命令，弹出MeshAeras拾取对话框，如图8.23所示，选择需要划分网格的面，对其进行网格划分，结果如图8.24所示。

图8.23MeshAreas拾取框图8.24网格划分后的结果

至此，我们已经完成了带孔矩形板有限元模型的划分，选择UtilityMenu>File>SaveasJobname.db命令，保存上述操作过程。

8.3.2.5加载求解

对平板的左侧边缘进行固定约束。

选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines命令，出现ApplyU,ROTonLines拾取菜单，如图8.25所示，用鼠标拾取最左侧的边，单击Apply按钮，出现ApplyU,ROTonLines对话框，在Lab2DOFstobeconstrained列表框中选择ALLDOF，如图8.26所示，单击OK按钮关闭该对话框。

图8.25ApplyU,ROTonLines拾取菜单图8.26ApplyU,ROTonLines对话框

选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>Onlines命令，出现ApplyPressureonLines拾取菜单，如图8.27所示，用鼠标最右侧线，单击Apply按钮，弹出ApplyPressureonLines对话框，在VALUEALoadPRESvalue一栏中输入-1，如图8.28所示，单击OK按钮关闭该对话框。

ANSYS窗口显示施加约束荷载后的结果如图8.29所示。

图8.27ApplyPressureonLines拾取菜单图8.28ApplyPressureonLines对话框

图8.29施加约束荷载后的结果

因为均布压力的指向为背离平板，所以压力值为负，表示边缘受拉

选择MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis命令，出现NewAnalysis对话框，选择分析类型为Static，如图8.30所示，单击OK按钮关闭该对话框。

图8.30NewAnalysis对话框

选择MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS命令，出现SolveCurrentLoadStep对话框，如图8.31所示，单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。

图8.31SolveCurrentLoadStep对话框

求解结束时，出现Note对话框，如图8.32所示，单击Colse按钮关闭该对话框。

图8.32Note对话框

选择UtilityMenu>File>SaveasJobname.db命令，保存上述操作过程。

至此，加载及求解过程结束，下面开始查看和分析结果。

8.3.2.6查看求解结果

选择MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape命令，出现PlotDeformedShape对话框，在KUNDItemstobeplotted选项中选择Def+undeformed选项，如图8.33所示，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示变形后的几何形状和未变形的几何形状，如图8.34所示。

图8.33PlotDeformedShape对话框

图8.34变形后的几何形状和未变形形状显示

选择MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu命令，出现ListReactionSolution对话框，在LabItemtobelisted列表框中选择AllstrucforceF，如图8.35所示，单击OK按钮，出现支座节点反作用力结果列表，如图8.36所示。

图8.35ListReactionSolution对话框

图8.36支座节点反作用力结果列表

选择MainMenu>Generalpostproc>Plotresults>Contourplot>NodalSolu命令，弹出ContourNodalSolutionData对话框，然后选择窗口中DOFsolution选项下的Displacementvectorsum，如图8.37所示，得出结构的总体位移云图，如图8.38所示。

图8.37ContourNodalSolutionData对话框

图8.38结构的总体位移云图

选择MainMenu>GeneralPostproc>Plotresults>Contourplot>NodalSolu命令，弹出ContourNodalSolutionData窗口，选择Stress下的vonMisesstress，如图8.39所示，单击OK按钮，得到Mises等效应力云图，如图8.40所示。

图8.39ContourNodalSolutionData对话框

图8.40结构的Mises等效应力云图

列表显示vonMises等效应力，以查看特定节点的结果。

选择MainMenu>GeneralPostproc>Listresults>NodalSolution命令，弹出ContourNodalSolutionData对话框，选择Stress下的vonMisesstress，单击OK按钮，得到Mises等效应力云图列表结果，如图8.41所示。

图8.41节点应力列表结果

选择UtilityMenu>File>Exit命令，出现ExitfromANSYS对话框，选择SaveEverything选项，如图8.42所示，单击OK按钮，关闭ANSYS。

图8.42ExitfromANSYS对话框

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