模块化净水设备梁板结构有限元分析毕设论文.docx
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模块化净水设备梁板结构有限元分析毕设论文
济南大学泉城学院
毕业论文
题目模块化净水设备梁板结构
有限元分析
专业机械设计制造及其自动化
班级机设07Q3
学生邱兵
学号20073006080
指导教师冯德振
二〇一一年五月三十日
摘要
有限元分析能够解决复杂的工程分析及计算问题，而且能为开发新产品提供最佳优化方案。
有限元分析的基本概念是化繁为简，用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
本论文则以ANSYS软件为例分析并探讨了建立有限元分析模型时单元类型的选择，从而为新产品的设计提供参考。
论文中用到了有限元分析软件ANSYS，其中使用该软件对梁板结构进行了实体建模及有限元分析，软件不仅能够对所建立的实体模型以图形的形式整体直观的显示出来，也可以只对其中某个部分进行分散分析。
除了图形显示，还可以给出各元素的位移及受力大小，这对于实际工程问题的分析设计拥有较强的辅助作用。
论文中简要介绍了有限元分析理论和ANSYS软件在结构强度分析方面的应用，体现了其在辅助设计领域的重要作用。
同时对模块化净水设备的梁板结构强度进行了计算分析，得出的结果与理论解答大体一致，从而验证了有限元分析理论的准确性。
关键词：
ANSYS；有限元分析法；结构强度；净水设备
ABSTRACT
Thefiniteelementanalysisnotonlycansolvecomplexproblemsinengineeringanalysisandcalculations,butalsoforthedevelopmentofnewproductstoprovidethebestoptimalsolution.Thebasicconceptofthefiniteelementanalysisisasimpleproblemsolvingcomplexproblemsafterinstead.ThispaperwhichtakesANSYSastheexampleisdiscussedwhentheestablishmentfiniteelementmodelisbuiltandprovidethereferencesfornewproductdesign.
PaperusesfiniteelementanalysissoftwareANSYS,whichusesthesoftwareontheslabstructureofthesolidmodelingandfiniteelementanalysis,thesoftwarecannotonlycreateasolidmodeloftheformtotheoverallintuitivegraphicaldisplay,butalsocanonlybedistributedonapartofthem.Inadditiontographicaldisplay,youcanalsogiveeachelementthesizeofthedisplacementandstress,whichforpracticalengineeringanalysisanddesignwithastrongsupportingrole.
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字典
PaperbrieflyintroducesthetheoryandANSYSfiniteelementanalysissoftwareintheapplicationofstructuralstrengthanalysis,reflectingitsimportantroleinthefieldaideddesign.Meanwhile,modularwaterpurificationequipmentBeamintensityiscalculatedandanalyzed,theresultbroadlyconsistentwiththetheoreticalsolution,whichverifiestheaccuracyoffiniteelementanalysistheory.
Keywords：
ANSYS；FiniteElementAnalysis；Structuralstrength；Waterpurificationequipment
目录
摘要……………………………………………………………………..…….….………….
ABSTRACT…………….……………………..………………………………………..….
1绪论与简介……….…………………………………………….………….……………..1
1.1有限元法论述………………………………………………………………1
1.2ANSYS简介...........................……….......…………….………….………..3
1.2.1CAE技术及应用…………………………………………………………3
1.2.2ANSYS发展及应用………………………………………………………3
1.2.3ANSYS的基本组成………………………………………………………4
2结构分析中常用单元的特性及定义……………………………………………………5
2.1结构静力学常用单元简介………………………………………………………..5
2.1.1单元的定义………………………………………………………………5
2.1.2单元简要介绍……………………………………………………………6
2.2建模过程中对单元特性的定义…………………………….…………………..8
2.2.1两种建模方法…………………………………………………………….8.
2.2.2单元特性定义………………………………….…………………………...8
3设计任务计算……………………………………………………………………………8
3.1设计概况及参数…………………………………………………………………8
3.1.1设计概况…………………………………………………………………8
3.1.2设计参数…………………………………………………………………9
3.2主梁设计计算……………………………………………………………………9
4ANSYS实体建模及有限元分析………………………………………………………10
4.1利用ANSYS对主梁进行建模…………………………………………………10
4.1.1主梁加一根加强梁时模型建立…………………………………………10
4.1.2一根加强梁模型结果分析………………………………………………13
4.1.3三根加强梁模型的建立及其结果分析…………………………………15
4.2板结构模型建立及有限元分析………………………………………………18
5结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...22
参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….24
致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….25
1绪论与简介
1.1有限元法论述
1.1.1有限元法简介
有限元法作为计算力学中的一种重要方法，在20世纪中期便被应用于应用数学、计算科学以及现代力学，但那时还只是徘徊在相互渗透并且整合使用的边缘科学阶段。
在最初有限元法应用于工程科学分析的时候，它被用于解决力学、电磁学等问题，同时也可以模拟热学等物理问题。
传统的解析方法不能够求解结构形状以及边界条件统统不规则的疑难问题，这时，有限元法便能够体现出它的应用优势来，从而有效的解决这类问题。
其基本思想就是想把所要研究的对象所在的求解域离散开来，成为一组有限个数并且按规律联系在一起的组合，正因为单元不仅可以拥有不同形状，而且能够按不同方式进行连结组合，所以可以用它来模拟各种形状的求解域，再通过力学分析和整体的分析将单元依次求解便能够解决复杂问题了。
简而言之，有限元基本思路就是化整为零。
1.1.2有限元法基本思想
有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替复杂的问题后再求解。
它将求解域看成是由许多成为是有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推到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[1]。
1.1.3有限元设计方法
（1）划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号。
（2）选定所需要的直角坐标系，并将有关信息填写并输入到程序之中。
（3）上机对已经编号的程序开始进行计算，同时对上一步输入的信息进行进一步的加工计算。
（4）对计算成果进行整理、分析，并能用表格或图线示出所需的位移和应力变化。
事实上，当划分的区域已经足够小了，每个区域的变形以及应力总是向趋于简单的方向过渡，于是计算出来的结果也就能够越来越接近真实解。
理论上说，当单元的数目分的足够多了，有限单元能够向问题的精确解收缩，但是同时计算量也相应的增大了不少。
因此在实际工作时要在计算量及精度的选择上找出平衡点。
在有限元法分析中，相邻的两个小区域是通过边界上结点连结起来的，我们能用一个普通插值函数去分析各个小区域的变形以及应力，在求解过程中，便只要计算出结点处的应力变形，而非结点处的应力变形就通过函数插值求得，于是可以说有限元法并不能将区域中任意点的应力变形求解出来[2]。
有限元程序在大多数的情况下都以结点的位移为基本变量，需要先求出结点位移，然后计算小单元应力，这种方法称为位移法。
有限元发本质上是一种微分方程的数值求解方法，正因为认识到了它，70年代之后有限元法的应用领域便不再是固体力学了，而是扩展到了其它需要求解微分方程的流体力学、电磁学、热学、声学等物理学科。
有限元法解决问题的过程概述如下：
步骤1：
离散并且对单元类型进行选取；
步骤2：
选择能够求解位移变量的函数；
步骤3：
定义求解问题的应变位移及应力和应变的联系；
步骤4：
推导出单元强度的矩阵以及函数方程；
步骤5：
将单元方程组合起来并得出总体性的方程，同时引进边界条件；
步骤6：
解广义位移即未知元素自由度；
步骤7：
将应变应力求解出来；
步骤8：
解释结果。
1.1.4有限元法的应用优势
解题能力强是有限元法的最显著优点，能够较精确的模拟出各种复杂的曲线或形面，还能将网格进行随意的划分，并且能够统一处理不同种类的边界条件，离散方程在形式上来说都是较规范的，这样一来便于编写串通使用的计算程序，在固体力学方程数值求解方面都能取得不小的成就。
即便如此，有限元发在应用于流体流动和传热问题时，方程的求解却遇到了阻碍，其原因就是这种方法只是对用加权余量法取得的离散方程近似于原数学微分方程。
在处理流动以及导热问题时，这类问题在守恒性、强对流等方面有明显的要求时候，有限元离散方程还不能对各项给出一个合理的说明，所以在计算中出现的误差也难以改善。
有限元法在工程问题分析中，其最主要的应用形式就是对于结构类型优化，其中包括了结构形状优化，结构强度优化分析，振动优化分析等。
有限元法已经拥有几十年的发展历史，在其间也解决了不少实际工程类问题，从中取得了巨大经济收入。
在有限元法出现之后，传统基于经验的结构设计也开始理性起来，设计的产品也尤为精细起来，而其中最为突出的是，产品设计过程中所需要使用样机试验的次数大大降低了，而产品可靠性反而提升了不少。
压力容器的结构形状优化，机床切削时的振动分析，汽车研制过程中各个方向碰撞的模拟，发动机设计过程中的减振降噪分析，新型武器研制过程中爆轰的模拟、弹头形状优化等，都是目前有限元法在工程中典型的应用。
经过半个世纪的发展和实际工程问题应用，有限元法越来越显著的成为相当有效的解决工程问题的仿真理论，优化了大量的实际工程问题，巨大的推动了工业技术的进步。
但是有限元法本身却并不是万能的分析法，也不能够用于所有工程问题的求解。
在工程中实际遇到的各类问题。
有限元发使用时也需要遵循以下条件：
制做样机费用高，实验在实现的难易程度上来说较高。
1.2ANSYS简介
1.2.1CAE技术及应用
企业要想在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须要始终不断保持产品的创新性。
CAD/CAM技术便是实现创新的关键手段，其中CAE技术是实现创新设计的最主要的技术保障。
CAE是一个涉及面广、集工程技术与多种学科于一体的综合性、知识密集型技术。
相应的CAE软件是包含了数值计算技术、计算机图形学、数据库、工程分析与仿真等在内的综合型软件系统。
CAE软件的价值在于:
在设计阶段,通过对产品和工程进行加工、性能和安全可靠性的模拟，可以尽早发现设计缺陷，并预测产品、工程的可靠性，为产品创新、工程施工提供技术保障。
CAE（ComputerAidedEngineering）就是使用计算机软件辅助求解复杂工程问题，例如产品结构强度的计算，刚度分析，结构稳定性分析，热传递分析，三维实体分析以及弹塑性等力学性能的分析，同时还能对结构性能进行优化设计分析。
CAE从上世纪60年代初到今天，发展了40年，在其间其理论和分析计算方法都从边缘科学逐渐发展并且日趋成熟，到如今已经成为工程实际问题分析和产品结构稳定性分析不可或缺的数值计算方法，同时它还能够帮助分析连续力学问题。
在新世纪初，计算机技术不断提高以及飞速发展更加速了CAE技术的成熟和运用，它的功能以及计算结果的精度都得到了极大的改善，各种通过CAE进行实体建模的新型产品不断产生，这个系统已经成为结构分析及优化的重要手段，同时它在计算机辅助4C系统中也成为了不可或缺的重要环节。
CAE系统，其核心的思想便是结构区域的离散化，通俗的讲就是把实际结构离散成有限个数的规则单元，并且将它们组合起来，这样以后再离散性分析实际结构的物理性能，从而能够得出满足工程精度要求的近似解，并用这个近似解来替代实体结构分析，这样以来，CAE系统就能解决很多实际工程问题尚待解决、但仅靠理论分析无法分析的复杂结构性难题。
CAE分析的基本步骤就是将形状复杂的待求解问题的求解域离散成为有限的结构形状简易的单元，即将连续的整体简化成有限个单元组合而成的组合体，这两者是等效的。
然后通过连续体的离散，将求解连续体的变量（应变、位移变化、压力平衡等）问题变换成为求解有限个单元节点上变量问题。
经过以上步骤得到的方程是与一组代数方程，而不再是先前的描述实际连续体函数的方程组了，最后在进行求解，得到问题的近似解，这个近似解的近似程度主要取决于之前离散时分析采用的单元类型、元素量和对离散单元求解的插值函数。
1.2.2ANSYS发展及应用
1970年，ANSYS公司创建于美国。
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC机到工作站直至巨星计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。
今天该软件的使用更加便利，功能更加强大。
ANSYS的虚拟样机设计法，使用户免了使用物理样机时的昂贵费时。
分析整个产品的开发过程时（在一个连续的、互相协作的工程设计中），工作人员之间象一个团队一样互相协作。
ANSYS分析模拟工具支持多种工作平台，易于使用，并在不同种类不同结构平台上数据绝对兼容，提供了多耦场的分析功能。
同时该软件还提供了相应不断改进的系列功能选项，其中有结构强度的非线形分析和优化设计，接触问题有限元分析，物理电磁学有限元分析，流体力学有限元问题分析，大应变/大变形显示功能和用ANSYS参数设计语言的扩展命令等等功能。
以Motif作为其分析基础的菜单选项能让用户通过简易对话框、下拉菜单及其子菜单更方便的选择使用功能和输入数据，从而为用户使用ANSYS软件提供了指引。
1.2.3ANSYS的基本组成
ANSYS构架分为两层，一是起始层（BeginLevel），二是处理层（ProcessorLevel）。
这两层的相互联系就是需要通过起始层进入到不同处理器再开始输入命令。
处理器被当作分析问题所列步骤的组合命令。
处理器的主要功能就是接收相关类型分析任务的指令，定义问题类型、分析计算求解及检查结果也是分析问题所需步骤的组合命令。
软件主要包含了三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
其中第一部分给用户提供了实体建模和划分网格的菜单，用户能便捷的构造出需要的模型。
ANSYS软件前处理模块主要的内容可分为两部分：
实体建模&网格划分。
（1）前处理模块（GeneralPreprocessor,/PREP7）
它为用户提供了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，软件提供了100多种单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
1）建立有限元模型。
可以采用从上到下的方法：
实体建模，通过参数化、布尔运算及体素库获得模型。
或者采用下到上的方法：
即从输入有限元单元模型资料开始，如坐标资料、节点、单元内节点排列次序。
2）定义单元类型、实常数、材料特性。
3）多种网格划分工具，进行单元形态、求解精度检查及修正。
4）在几何模型或FE模型上加载：
点载荷、体载荷、分布载荷、函数载荷。
（2）分析计算模块（SolutionProcessor,SOLU）
1）选择求解类型。
2）进行求解选项设定。
（3）后处理模块（GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26）
可以将分析计算结果以彩色等值线显示、矢量显示、梯度显示、立体切片显示、粒子流迹显示、透明已经半透明显示等图形方式显示出来，也可以将计算结果以曲线、图表形式显示或输出。
如果对问题深入研究，还需要用到（TimeDomainPostprocessor,POST26）时域后处理器和最优化处理器（OptimizationProcessor,OPT）。
OPT用于处理最优化问题，定义目标函数，限制函数；POST26仅作用在动态结构问题分析之后，查看实际问题动态分析中与时间有关联的结果[4]。
在用ANSYS程序解决具体的实际问题时，有的步骤及其顺序是无关紧要的，视具体情况而定。
各处理器之间关系如下图所示：
图1.1ANSYS各处理器
2结构分析中常用单元的特性及定义
2.1结构静力学常用单元简介
2.1.1单元的定义
有限元模型的建立是将结构转换为多节点和单元相互连接，所以节点即为结构中的一个点的坐标，指定一个号码和坐标位置。
在ANSYS中所建立的对象（坐标系、节点、点、线、面、体积）都有编号。
当节点建立完成后，必须使用适当单元，将结构按照节点连接成单元，并完成其有限元模型。
单元选择的正确与否，将直接决定最后的分析结果。
ANSYS提供了一百二十多种不同性质类别的单元，而且其中每个单元都有各自不变的编号，比如LINK1指的就是一号单元、SOLID45指的就是45号单元。
通过单元前的名称就可以很方便的判断这个单元的适用范围和它的基本形状，实际分析中单元类别有1-D线单元、2-D平面单元以及3-D立体单元。
1-D线单元由两个点连接而成，2-D平面单元由三个点连成三角形或者是四个点连成的四边形，而3-D立体单元不仅可由八点连接成六面体，还能由四点连接成角锥体。
每个单元的用法以及使用注意事项都在ANSYS的帮助文档有详细说明，使用时只要点击HELP命令就能够查看了。
建立单元前必须先行定义使用者欲选择的单元型号、单元材料特性、单元几何特性等，为了程序的协调性一般在PREP7后，就定义单元型号和相关的资料，只要在建立单元前说明使用哪种单元即可。
2.1.2单元简要介绍
在ANSYS软件中，每一类单元都有其详细的用法说明。
这些说明包括了该类单元适合用于哪种问题结构分析、节点自由度、单元材料特性及几何特性、外力负载和输出分析结果等。
以下列举的就是实际问题结构分析中最常用的单元[5]：
（1）LIKI2-D杆件：
可以用于在不同的工程领域应用，例如桁架、杆件、弹簧等结构。
该元素为二维空间并承受轴向的拉力与压力，不考虑弯矩。
每个节点具有X和Y位移方向的两个自由度。
（2）BEAM2-D弹性梁：
单轴，承受拉力、压力及力矩的单元。
每个节点具有X与Y位移方向及Z轴角度位移3个自由度。
其他2-D梁有塑性梁及非对称斜度梁。
（3）LINK83-D杆件：
LINK8与LINK2具有相同的性质，仅占有的空间维数不同。
LINK8为三维空间承受单轴拉力或压力。
（4）PLANE422-D实体结构：
用于仿真类问题二维实体结构设计。
这个单元可用于平面或轴对称问题。
它由4节点组合，其中每一个节点都具有X、Y方向两个位移的自由度。
单元可具有塑性、弹性应变、塑性应变、应力强化、大变形以及大应变的性质。
表2.1结构静力学中常用的单元类型
类别
形状和特性
单元类型
杆
普通
双线性
LINK1,LINK8
LINK10
梁
普通
截面渐变
塑性
考虑剪切变形
BEAM3,BEAM4
BEAM54,BEAM44
BEAM23,BEAM24
BEAM188,BEAM189
管
普通
浸入
塑性
PIPE16,PIPE17,PIPE18
PIPE59
PIPE20,PIPE60
2-D实体
四边形
三角形
超弹性单元
粘弹性
大应变
谐单元
P单元
PLANE42,PLANE82,PLANE182
PLANE2
HYPER84,HYPER56,HYPER74
VISCO88
VISO106,VISO108
PLANE83,PPNAE25
PLANE145,PLANE146
3-D实体
块
四面体
层
各向异性
超弹性单元
粘弹性
大应变
P单元
SOLID45,SOLID95,SOLID73,SOLID185
SOLID92,SOLID72
SOLID46
SOLID65,SOLID64
HYPER86,HYPER58,HYPER158
VISO89
VISO107
SOLID147,SOLID148
壳
四边形
轴对称
层
剪切板
P单元
SHELL93,SHELL63,SHELL41,SHELL43,SHELL181
SHELL51,SHELL61
SHELL91,SHELL99
SHELL28
SHELL150
2.2建模过程中对单元特性的定义
2.2.1两种建模方法
由ANSYS软件建立的用节点以及元素组成的有限元实体模型跟实际机械结构的几何外型对比起来基本一致。
有限元实体建模分为直接法和间接法（也称实体模型SolidModeling），直接法就是
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