ansys有限元法解题实例.docx
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ansys有限元法解题实例
Ansys有限元课程设计
问题一：
飞机机翼振动模态分析
机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。
机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。
机翼材料的常数为：
弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r =886 kg/m^3
一、操作步骤：
1.选取5个keypoint，A（0,0,0）为坐标原点，同时为翼型截面的尖点；
2.B（2，0，0）为下表面轮廓截面直线上一点，同时是样条曲线BCDE的起点;
3.D（1.9,0.45,0）为样曲线上一点；
4.C（2.3，0.2,0）为样条曲线曲率最大点，样条曲线的顶点；
5.E（1,0.25,0）与点A构成直线，斜率为0.25；
6.通过点A、B做直线和点B、C、D、E作样条曲线就构成了截面的形状。
沿Z方向拉伸，就得到机翼的实体模型；
7.创建截面如图：
机翼材料的常数为：
弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r =886 kg/m^3
8.定义网格密度并进行网格划分：
选择面单元PLANE42和体单元SOLID45进行划分网格求解。
面网格选择单元尺寸为0.00625，体网格划分时按单元数目控制网格划分，选择单元数目为10
9. 对模型施加约束，由于机翼一端固定在机身上所以在机翼截面的一端所有节点施加位移和旋转约束
二、有限元处理结果及分析：
机翼的各阶模态及相应的变形：
阶次
1
2
3
4
5
频率（Hz）
14.257
61.447
89.866
138.19
256.76
一阶振动模态图：
二阶振动模态图：
三阶振动模态图：
四阶振动模态图：
五阶振动模态图：
命令流：
/FILNAM, MODAL
/TITLE,Modal analysis of a modal airplane wing
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_STRUC,1
/UIS,MSGPOP,3
/PREP7
ET,1,PLANE42
ET,2,SOLID45
MP,EX,1,3800
12
MP,PRXY
1,0.3
MP,DENS,1,1.033E-3
K,1,
K,2,2
K,3,2.3,0.2
K,4,1.9,0.45
K,5,1,0.25
/TRIAD,OFF
/PNUM,KP,1
LSTR,1,2
LSTR,5,1
BSPLIN,2,3,4,5,,,-1,0,,-1,-0.25,,
AL,1,2,3
ESIZE,0.25
MSHKEY,0
MSHAPE,0,2D
AMESH,1
SA
VE
ESIZE,,10
TYPE,2
VEXT,1,,,0,0,10
/SOLU
ANTYPE,MODAL
MODOPT,SUBSP,5,,,,OFF
EQSLV
SPAR
MXPAND,5,,,,0.001
LUMPM,0
PSTRES,0
ESEL,U,TYPE,,1
NSEL,S,LOC,Z,0
D,ALL,ALL
ALLSEL,ALL
SOLVE
/POST1
SET,LIST
SET,FIRST
PLDI,,
ANMODE,10,0.5,,0
FINISH
13
/EXIT,ALL
问题二：
内六角扳手静力分析
内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。
截面宽：
10mm，正六边形边长为5. 8 mm；
形状：
正六边形
杆长：
7.5cm 手柄长：
20cm
倒角半径：
1cm
弹性模量：
2. 07×1011Pa
向下的面力：
20N
斜向上的面力：
100N
许用应力：
200MPa
一、建立模型：
1.选择分析模型：
Main Menu|Preference -Preference of GUI Filtering-Structural
2.定义单元类型：
选用8节点实体单元，Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete-
Element Types-Add-Library of Element Types
3.定义材料属性：
4.建立几何模型：
六角形截面：
输入三个路径关键点：
A（0,0,0），B（0，0,-0.2），C（0，-0.075，-0.2），生成点后将点点相连，做出基本路径框架，之后进行倒角，生成实体模型：
5.进行网格划分：
选择2mm为单元尺度，网格划分方式为Sweep
6.定义边界条件和载荷：
位移边界条件为将扳手杆部的底面边界上节点的全部位移固定：
首先将在扳手手柄的端部施加100N的面力，将100N的面力分解到3个节点上，为第一步；在扳手手柄的端部再施加20N的向下的面力，为第二步。
模拟扳手在使用中的状态。
二、求解：
利用载荷步求解，并查看结果：
1.第一步载荷等效应力分布
2.第二步载荷等效应力分布：
3.结果分析：
材料的许用应力为200MPa。
而在此给定尺寸下，结构的最大等效应力达到了249MPa，不符合要求的，需要对其结构进行大规模的优化，使其承载符合需用应力的要求。
三、优化设计（只采用第一步载荷）：
不改变荷载和六角截面尺寸。
在这一前提下，可以缩短手柄长度。
由局部放大图知，最大应力出现在拐角处。
在荷载不变的情况下，可通过缩短手柄以减小扭矩的方法来降低局部应力。
将手柄长度由20cm依次减为19cm、18cm、17cm，其他尺寸均不变，进行模拟。
计算得到的最大应力均在200以上。
减至16cm时，最大应力降低到了199MPa。
问题三：
冷却栅管的稳态热分析
确定一个冷却栅管的温度场分布及位移和应力分布。
一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体，管外流体为空气。
冷却栅材料为不锈钢，特性如下：
导热系数：
25.96 W/m℃
弹性模量：
1.93×109 MPa
热膨胀系数：
1.62×10-5 /℃
泊松比：
0.3
边界条件：
（1）管内：
压力：
6.89 MPa 流体温度：
250 ℃ 对流系数249.23 W/m2℃
（2）管外：
空气温度39℃ 对流系数：
62.3 W/m2℃ 假定冷却栅管无限长，根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b。
其上下边界承受边界约束，管内部承受均布压力。
一、操作步骤：
1.定义文件名和工作标题：
2.定义单元类型和材料属性
选择材料ThermalSolid和Quad8node77
EX=1.93e11PRXY=0.3
3.建立几何模型并划分单元
建立几何模型
面相加
面分解
划分映射网络
对A7划分网格：
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>Byconners，弹出一个拾取框，拾取编号为A7的面，单击OK，接着拾取编号为5，14，9，10的关键点，单击OK。
4.施加载荷并求解
在线上施加对流载荷：
GUI:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Convection>OnLines，弹出一个拾取框，拾取编号为L2，L6，L13，L11的线，单击OK按钮，弹出【ApplyCONVonLines】对话框，在Filmcoefficient文本框中输入62.3，在Bulktemperature文本框中输入39，单击Apply按钮。
拾取编号为L9和L8的线，单击OK按钮，在Filmcoefficient文本框中输入249.23，在Bulktemperature文本框中输入250，单击OK按钮。
5.后处理
A、生成温度云图
B、热流量分布云图
C、热梯度分布云图
命令流
keyopt,1,3,1!
mp,kxx,1,1.25!
k,1,5!
k,2,6
k,3,12
k,4,12,0.25
k,5,6,0.25
k,6,6,1
k,7,5,1
k,8,5,0.25
a,1,2,5,8
a,2,3,4,5
a,8,5,6,7
esize,0.125!
amesh,all!
eplot
finish
/solu!
nsel,s,loc,x,5!
sf,all,conv,1,450!
nsel,s,loc,x,6,12!
nsel,r,loc,y,0.25,1
nsel,a,loc,x,12
sf,all,conv,0.25,70!
nsel,all
/pse,conv,hcoef,1
nplot
solve!
PIPE_FIN.rth
finish
/post1
plnsol,temp!
finish
/prep7 !
etchg,tts!
plane42
keyopt,1,3,1!
mp,ex,1,28e6!
mp,nuxy,1,0.3!
mp,alpx,1,0.9e-5!
finish
/solu!
nsel,s,loc,y,0!
nsel,a,loc,y,1
dsym,symm,y!
nsel,s,loc,x,5!
sf,all,pres,1000!
nsel,all
/pbc,all,1
/psf,pres,,1
nplot
tref,70!
ldread,temp,,,,,,rth!
PIPE_FIN.rth
/pbc,all,0
/psf,pres,,0
/pbf,temp,,1
eplot
solve!
finish
/post1,plnsol,s,eqv!
finish
问题四、均匀直杆的模态分析
一根长度为L的等截面直杆，一端固定，一端自由。
己知杆材料的弹性模量E=2×
N/
护，密度p=7800kg/
，杆长L=0.1m.要求计算直杆纵向振动的固有频率。
根据振动学理论，假设直杆均匀伸缩，如图8-1所示等截面直杆纵向振动第i阶固有频率为
=
rad/s（i=1,2…）
将角频率
转化为周频率f，并将已知参数代入，可得
=
=
=
=12659（2i-1）Hz
计算出直杆的前5阶频率
阶次
1
2
3
4
5
频率（Hz）
12659
37978
63296
88615
113933
一、操作步骤：
1.改变工作名：
UtilityMenu-File-ChangeJobname-在"[/FILNAM]"文本框中输入EXAMPLE8,单击“OK"
2.创建单元类型：
MainM--Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete-Add-在右侧列表中选择"Brick20node186"-在右侧列表中选择"Brick20node186"-OK-单击对话框的“Close"
3.定义材料属性
MainMenu-Preprocessor--MaterialProps-MaterialModels-在右侧列表中依次双击"Structural","Linear","Elastic","Isotropic"-在"EX"文本框中输入2e11（弹性模量）-在"PRXY"文本框中输入0.3（泊松比）-单击"OK"-再双击右侧列表中"Structural"下"Density"-在"DENS"文本框中输入7800（密度）-单击"OK"
4.创建块
MainMenu-Preprocessor–Modeling-Create-Volumes-Block–ByDimension-在"X1,X2"文本框中输入0,0.01，在"Y1,Y2"文本框中输入0，0.01，在"Z1,Z2"文本框中输入0，0,1,-单击"OK"
5.分单元
MainMenu-Preprocessor-Meshing-MeshTool-单击''Size.Controls''，区域中"Lines"后"Set"-弹出拾取窗口，任意拾取块x轴和y轴方向的边各一条（短边）-单击OK-在"NDIV"文本框中输入3-单击"Apply"-再次弹出拾取窗口，拾取块z轴方向的边（长边）-单击"OK"-在"NDIV"文木框中输入15-单击"OK"-在Mesh区域，选择单元形状为"Hex"（六面体），选择划分单元的方法为"Mapped"（映射）单击Mesh按钮-单击"OK"
6.施加约束
MainMenu--Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-OnAreas-拾取z=0的平面-单击"OK"-在列表中选择"UZ",单击"Apply"-拾取y=0的平面，单击"OK"-在列表中选择"UY"，单击"Apply"-拾取x=0的平面，单击"OK"-在列表中选择"UX"，单击"OK"
7.指定分析类型
MainMenu-Solution-AnalysisType-NewAnalysis-选择"TypeofAnalysis"为"Modal",单击"OK"
8指定分析选项
MainMenu-Solution-AnalysisType-AnalysisOptions-在"No.ofmodestoextract"文本框中输入5，单击“OK"-弹出"BlockLanczosMethod",单击"OK"
9指定要扩展的模态数
MainMenu-Solution-LoadStepOpts-Expansionpass-SingleExpand-Expandmodes-在"NMODE"文本框中输入5，单击"OK"
10求解
MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS。
单击“SolveCurrentLoadStep”
对话框的“OK”-出现“Solutionisdone!
”提示时，求解结束
11.列表固有频率
MainMe-GeneralPostproc-ResultsSummary-列表中显示了模型的前5阶频率-查看完毕后，关闭该窗口
命令流
/CLEAR
/FILNAME,EXAMPLE8
/PREP7
ET,1,SOLID186
MP,EX,1,2E11
MP,PRXY1,0.3
MP,DENS,1,7800
BLOCK,0,0.01,0,0.01,0,0.1
LESIZE,1,,,3
LESIZE.2,,,3
LESIZE,9,,,15
MSHAPE,O
MSHKEY,1
VMESH,1
FINISH
/SOLU
ANTYPE,MODAL
MODOPT,LANB,5
MXPAND,5
DA,1,UZ
DA,3,UY
DA,5,UX
SOLVE
SAVE
FINISH
/POST1
SET，LIST
SET,FIRST
/VIEW,1,-1
/REPLOT
PLDI
ANMODE,10,0.5,,0
SET,NEXT
PLDI
ANMODE,10,0.5,,0
FINISH
升级会员 