有限元课程设计0001.docx

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有限元课程设计0001

有限元课程设计

0.前言

目前，几乎所有高校的力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等理工科专业，都为高年级本科生开设了《有限元方法》基础课程，为研究生开设了《非线性有限元方法》学位课程。

学生在学习完有限元课程之后，还必须熟练掌握相关有限元软件的使用，才能将有限元基本理论有效地应用到实际工程问题分析中去。

为此，部分有条件的高校也开设了有限元软件应用课程（课程名称可能会因学校及专业的不同而有所差异，但都是以讲解有限元软件ANSYS或其他软件为主）。

哈尔滨工业大学航天学院工程力学专业20世纪90年代末即开设了该类课程《应用软件工程--ANSYS》，作者从2003年开始接手讲授该门课程。

虽然市面上的ANSYS书籍很多，但却难以找出一本非常适合做教材的书籍，因此作者参考多本书籍自主编写了校内讲稿。

经过6年多的试用，目前已基本成型，现将多年的校内讲稿和心得体会完善成书，以期与开设该类课程的兄弟院校分享、共勉，同时也供从事相关科研与工程项目的人员参考阅读。

　　ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。

作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准，目前几乎所有的CAD/CAE/CAM软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。

ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本，目前最新的版本为12.0。

　　本书以ANSYS12.0版本为依据，以WindowsNT为操作平台，将结构有限元分析的基本理论与ANSYS实践操作紧密结合，通过大量精心筛选的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面和命令流两种方式向读者全面介绍了ANSYS结构有限元分析方法。

1.问题阐述

外伸梁上均布载荷的集中度为q=3kN/m，集中力偶矩Me=3kN·m列出剪力方程和弯矩方程，并绘制剪力图。

长度l=8m；宽度b=2m；厚度h=0.5m

弹性模量=2.06e11材料力学Ι（刘鸿文第四版）P121

用材料力学计算所得剪力和弯矩图如下：

图2-1剪力图

图2-2弯矩图

2.有限元分析

2.1.梁的参数设定

长度l=8m；

宽度b=2m；

厚度h=0.5m

2.2.材料参数

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2.06e11泊松比选择u=0.2

2.3.单元选择

由于梁只受均布载荷和弯矩，所以我们择2维的单元。

BEAM3单元，运用于2维问题，具有拉，压，弯特性，在每个节点上有3个自由度X,Y方向位移以及绕z轴的旋转。

选择BEAM单元家族中的2Delastic3类型。

即为二维梁单元。

根据梁的几何参数，所以参数定义为：

AREA=1，IZZ=0.020833,HEIGHT=0.5。

2.4.梁的边界条件

在节点A处梁受X,Y两个方向的约束；节点B受只受Y方向的约束。

2.5.梁所受的载荷

CD之间作用着均布载荷q=3kN/m，在节点D处作用着集中力偶Me=3kN·m，方向为顺时针方向，所以为负值。

2.6.ANSYS软件应用说明

由以上分析可知，在X＝2ｍ处，有一个X和Y方向的约束，在0到6ｍ的梁上作用着大小为3KN/m均布载荷，而x=6m处还作用着一个力偶Me=3kN·m.X=8m处有一个固定端，只限制Y方向上位移。

集中力载荷的作用点一般分布在载荷强度的突变点，分布载荷与自由边界的分界点，支承点等都应该取为节点。

所以将X=0,X=2,X=6,X=8设置为节点，节点均布，将梁划分为16个单元，17个节点。

3.交互式的求解过程

3.1创建梁的各个节点

1．给梁的各参数赋值:

UtilityMenu：

Parameters→ScalarParameters界面，在Selection下输入梁高H=0.5按下Accept；输入梁宽B=2→Accept；梁长L=8→Accept；计算梁的横截面积AREA=B*H→Accept；计算梁的截面惯性矩IZZ=B*H*H*H/12→Accept；然后定义载荷：

弯矩M=-3000→Accept；均布载荷Q=3000→Accept；→Close.

2.MainMenu：

Preprocessor→Modeling→Create→Node→InActiveCS。

3.在创建节点窗口内，在NODE后的编辑框内输入节点号1，并在X，Y，Z后的编辑框内输入0，0，0作为节点1的坐标值。

4.按下该窗口内的Apply按钮。

5.输入节点号17，并在X，Y，Z后的编辑框内输入L，0，0作为节点17的坐值。

6.按下OK按钮。

7.MainMenu：

Preprocessor→-Modeling-Create→Node→FillbetweenNds。

8.在图形窗口内，用鼠标选择节点1和17。

9.按下FillbetweenNds窗口内的Apply按钮。

10.按下OK按钮，完成在节点1到节点17之间节点的填充。

2.显示各个节点

1．UtilityMenu：

Plotctrls→Numberings

2．将Nodenumbers项设置为On。

3．UtilityMenu：

Plot→Nodes

4．UtilityMenu：

List→Nodes

5．对出现的窗口不做任何操作，按下OK按钮。

6．浏览节点信息后，关闭该信息窗口。

3.2定义单元类型、材料特性和梁的横截面几何参数

1.定义单元类型

1．MainMenu：

Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete

2．按下ElementType窗口内的Add按钮。

3．在单元类型库中，选择左侧列表中的BEAM单元家族，及右侧列表中2Delastic3类型。

4．按下OK按钮完成选择。

5．按下Close按钮关闭ElementType窗口。

2.定义材料特性

1．MainMenu：

Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。

2．在材料定义窗口内选择：

Structural→Linear→Elastic→Isotropic。

3．在EX后的文本框内输入数值2.06e11作为弹性模量。

4．按下OK按钮完成定义。

3.定义梁的横截面几何参数

1．MainMenu：

Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。

2．按下RealConstants窗口内的Add按钮。

3．按下RealConstantsforElementType窗口内的OK按钮。

4．依次输入1,AREA,IZZ,H。

5．按下OK按钮完成定义。

6．按下RealConstants窗口内的Close按钮。

3.3创建单元

1.创建单元

1．MainMenu：

Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→ThruNodes。

2．在图形窗口内，用鼠标点选节点1和2。

3．按下按下OK按钮完成单元1的定义。

4．MainMenu：

Preprocessor→Modeling→Copy→Elements→Auto-Numbered。

用光标选择单元1，然后点Apply。

5．在ITIME后的编辑框内输入16（包括被复制的单元1）作为要复制的单元总数。

6．按下OK按钮完成单元2到单元16的定义。

2.显示单元信息

1.UtilityMenu：

PlotCtrls→Numberings

2.在第一个下拉列表中，选择Elementsnumbers选项。

3.UtilityMenu：

Plot→Elements

4.UtilityMenu：

List→Elements→Nodes+Attributes

5.浏览单元信息后，关闭该窗口。

4.施加约束和载荷

4.1节点自由度约束

1．MainMenu：

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes。

2．用鼠标在图形窗口内选择节点5。

3．按下选择窗口内的Apply按钮。

4．选择自由度UX和UY，并在VALUE后为其输入数值0。

5．按下Apply按钮。

6．用鼠标在图形窗口内选择节点17。

7．按下选择窗口内的Apply按钮。

8．选择自由度UY，并在VALUE后为其输入数值0。

9．按下OK按钮。

4.2施加节点13处的弯矩m。

1．MainMenu：

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。

2．用鼠标在图形窗口内选择节点13。

3．按下选择窗口内的Apply按钮。

4．在第一个下拉列表中选择MZ，并在下面的文本框内输入其值M（逆时针为正方向）。

5．按下OK按钮。

4.3施加单元1到单元12上的的分布载荷q。

1．MainMenu：

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams。

2．用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元12。

3．按下选择窗口内的Apply按钮。

4．在LKEY后的文本框内输入数值1。

5．在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入Q，

6．按下OK按钮。

5.求解

5.1定义分析类型

1．MainMenu：

Solution→AnslysisType→NewAnalysis。

2．选中Static选项。

3．按下OK按钮。

5.2求解

1．MainMenu：

Solution→Solve→CurrentLs。

2．按下OK按钮关闭SolveCurrentLoadStep窗口。

3．按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。

4．浏览/STATUSCommand窗口内的信息后，将其关闭。

6.后处理

6.1绘制梁的Y方向变形图

1．MainMenu：

GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlotNodalSolu...

2．选择DOFSolution下的Y-Componentofdisplacement→在Undisplacedshapekey后选择Deformedshapewithundeformededge→OK

6.2建立单元结果表

1.创建单元表，计算节点弯矩。

1．MainMenu：

GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。

2．按下ElementTableData窗口内的Add按钮。

3．在Lab后的文本框内输入IMOMENT。

4．在左侧列表中选择Bysequencenum项。

5．右侧列表中选择SMICS，项。

6．在右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入6。

7．按下Apply按钮。

8.在Lab后的文本框内输入JMOMENT。

9.重复上面的步骤4和5。

10．右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入12。

11．按下OK按钮→Close。

2.创建单元表，计算节点剪力

1．MainMenu：

GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。

2．按下ElementTableData窗口内的Add按钮。

3．在Lab后的文本框内输入ISHEAR。

4．在左侧列表中选择Bysequencenum项。

5．右侧列表中选择SMICS，项。

6．右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入2。

7．按下Apply按钮。

8．在Lab后的文本框内输入JSHEAR。

9．重复上面的步骤4和5。

10．右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入8。

11．按下OK按钮→Close。

6.3结果显示

1.列出各节点弯矩和剪力

1．MainMenu：

GeneralPostproc→ListResults→ElemeTableData。

2．在ListElementTableData窗口内选择IMOMENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。

3．按下OK按钮并在浏览资料窗口内的信息后，将其关闭。

2.画剪力图

1．MainMenu：

GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElemRes

2．在第一个下拉列表中选择ISHEAR，在第二个下拉列表中选择JSHEAR。

3．按下ok按钮。

剪力图：

3.画弯矩图

1．MainMenu：

GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes

2．在第一个下拉列表中选择IMOMENT，在第二个下拉列表中选择JMOMENT。

3．按下OK按钮。

弯矩图：

7.退出程序

Toolbar：

Quit。

选择Quit-NoSave！

按下OK按钮。

心得体会

通过本次课程设计，我们不仅加深了对《现代机械设计方法》这门课程的基本知识的了解，更加了解的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。

通过对数学模型的实际优化，了解了优化方法在实际问题中的应用，也了解了各种方法的有点与缺点，对以后的学习工作奠定基础，使我们了解到理论与实际联系的重要性，增加了我们的学习兴趣，这次课程设计让我懂得很多有限元知识，对ANSYS软件更加深入的了解。

参考文献

[1]现代机械设计方法/倪洪启，古耀新主编。

﹣北京：

化学工业出版社，2008..2

[2]材料力学Ⅰ/刘鸿文主编.-4版.-北京：

高等教育出版社，2004.1（2008重印）

[3]C程序设计/谭浩强著.-3版:

北京：

清华大学出版社，2005（2007重印）

[4]孙靖民主编.现代机械设计方法.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2003