华科大有限元分析题及大作业题答案船海专业DOC.docx
《华科大有限元分析题及大作业题答案船海专业DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华科大有限元分析题及大作业题答案船海专业DOC.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
华科大有限元分析题及大作业题答案船海专业DOC
姓名：
学号：
班级：
有限元分析及应用作业报告
一、问题描述
图示无限长刚性地基上的三角形大坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常应变单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析，并对以下几种计算方案进行比较：
1）分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算；
2）分别采用不同数量的三节点常应变单元计算；
3）当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算。
二、几何建模与分析
图1-2力学模型
由于大坝长度>>横截面尺寸，且横截面沿长度方向保持不变，因此可将大坝看作无限长的实体模型，满足平面应变问题的几何条件；对截面进行受力分析，作用于大坝上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力，满足平面应变问题的载荷条件。
因此该问题属于平面应变问题，大坝所受的载荷为面载荷，分布情况及方向如图1-2所示，建立几何模型，进行求解。
假设大坝的材料为钢，则其材料参数：
弹性模量E=2.1e11，泊松比σ=0.3
三、第1问的有限元建模
本题将分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算。
1）设置计算类型：
两者因几何条件和载荷条件均满足平面应变问题，故均取Preferences为Structural
2）选择单元类型：
三节点常应变单元选择的类型是PLANE42（Quad4node42），该单元属于是四节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为三节点单元；六节点三角形单元选择的类型是PLANE183（Quad8node183），该单元属于是八节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为六节点单元。
因研究的问题为平面应变问题，故对Elementbehavior（K3）设置为planestrain。
3）定义材料参数
4）生成几何模
a.生成特征点
b.生成坝体截面
5）网格化分：
划分网格时，拾取所有线段设定inputNDIV为10，选择网格划分方式为Tri+Mapped，最后得到200个单元。
6）模型施加约束：
约束采用的是对底面BC全约束。
大坝所受载荷形式为Pressure，作用在AB面上，分析时施加在LAB上，方向水平向右，载荷大小沿LAB由小到大均匀分布（见图1-2）。
以B为坐标原点，BA方向为纵轴y，则沿着y方向的受力大小可表示为：
（1）
其中ρ为水的密度，取g为9.8m/s2，可知Pmax为98000N，Pmin为0。
施加载荷时只需对LAB插入预先设置的载荷函数
（1）即可。
网格划分及约束受载情况如图1-3（a）和1-4（a）所示。
7）分析计算
8）结果显示
四、计算结果及结果分析
4.1计算结果
（1）三节点常应变单元（4node42）
图1-3（a）常应变三节点单元的网格划分及约束受载图
图1-3（b）常应变三节点单元的位移分布图
图1-3（c）常应变三节点单元的应力分布图
（2）六节点三角形单元
图1-4（a）六节点三角形单元网格划分及约束受载图
图1-4（b）六节点三角形单元的变形分布图
图1-4（c）六节点三角形单元的应力分布图
根据以上位移和应力图，可以得出常应变三节点单元和六节点三角形单元的最小最大位移应力如表1-1所示。
表1-1计算数据表
单元类型
最小位移（mm）
最大位移（mm）
最小应力（Pa）
最大应力（Pa）
常应变三节点单元
0
0.029
11468
348696
六节点三角形单元
0
0.0315
0.11988
538035
4.2结果分析
由以上各图和数据表可知，采用三节点和六节点的三角形单元分析计算：
（1）最大位移都发生在A点，即大坝顶端，最大应力发生在B点附近，即坝底和水的交界处，且整体应力和位移变化分布趋势相似，符合实际情况；
（2）结果显示三节点和六节点单元分析出来的最大应力值相差较大，原因可能是B点产生了虚假应力，造成了最大应力值的不准确性。
（3）根据结果显示，最小三节点和六节点单元分析出来的最小应力值相差极为悬殊，结合理论分析，实际上A点不承受载荷，最小应力接近于零，显然六节点三角形单元分析在这一点上更准确。
（4）六节点的应力范围较大，所以可判断在单元数目相同的前提下，节点数目越多，分析精度就越大；但是节点数目的增多会不可避免地带来计算工作量增加和计算效率降低的问题。
五、第2问的有限元建模及计算结果
此次分析选择的单元类型为常应变三节点单元。
选用三种不同单元数目情况进行比较分析。
具体做法如下：
有限元建模步骤与第1小题类似，只是在划分网格时，依次设置NDIV值为5,10，50，所获得的单元数目依次为23（图1-9（a））、80（图1-10（a））、1850（图1-11（a））；分别计算并得到位移变化图如图1-9（b）、1-10（b）、1-11（c）所示；分别计算并得到应力变化云图如图1-9（c）、1-10（c）、1-11（c）所示。
（1）NDIV取5时的常应变三节点单元（单元数23）
图1-9（a）NDIV为5的网格划分及约束受载图
图1-9（b）NDIV为5的位移分布图
图1-9（c）NDIV为5的应力分布图
（2）NDIV为10的常应变三节点单元（单元数80）
图1-10（a）NDIV为10的网格划分及约束受载图
图1-10（b）NDIV为10的位移分布图
图1-10（c）NDIV为10的应力分布图
（3）NDIV为50的常应变三节点单元（单元数1850）
图1-11（a）NDIV为50的网格划分及约束受载图
图1-11（b）NDIV为50的位移分布图
图1-11（c）NDIV为50的应力分布图
由以上不同单元数目的位移应力分布图可以看出，大坝截面所受位移和应力的变化趋势是相同的，最大应力都发生在坝底和水的交界点附近，最小应力发生在大坝顶端；最大变形位移也是发生在坝顶。
不同单元数目下计算的数据如表1-2所示。
表1-2不同单元数目下计算数据表
序号
NDIV
单元数
最大位移（mm）
最小应力（Pa）
最大应力（Pa）
1
5
23
0.022
31521
230283
2
10
80
0.0272
15760
336028
3
50
1850
0.0312
3152
604142
（4）结果分析
由以上分析结果可知：
（1）随着单元数目的增加，最大位移变化不大，应力变化范围逐步增大；
（2）随着单元数目的增加，即网格划分越密，分析的结果准确度将会提高；但是单元数目的增加和节点数目的增加都会造成计算量的增加和计算速度的下降的问题。
（3）对于本次计算结果，仍可能存在虚假应力，应力的准确值无法准确得出，只是网格划分越密，计算结果越精确。
所以减少虚假应力影响的措施之一就是增加单元的数目，提高网格划分的密度。
五、第3问的有限元建模及计算结果
由图1-1所示的划分方案可知，需采用手动划分网格：
首先创建6个节点，然后采用不同的方式连接节点创建单元，从而分别得到两种不同的网格划分方式，见下图1-12所示。
对底边的三个节点施加全约束；载荷建立方程式并创建table；其他的处理方式与第1小题相同。
图1-12方案一和二的划分方案图
有限元模型建立完成后进行求解，则可得到方案一和方案二的的位移图和应力图，如图1-13（a）、1-13（b）、1-14（a）、1-14（b）所示。
图1-13（a）方案一网格划分方式下的位移图
图1-13（b）方案一网格划分方式下的应力图
图1-14（a）方案二网格划分方式下的位移图
图1-14（b）方案二网格划分方式下的应力图
由以上两种方案的位移和应力图可得出的最大位移和最小最大应力如表1-3所示：
表1-3方案一和方案二计算数据表
最大位移（mm）
最小应力（Pa）
最大应力（Pa）
方案一
0.030
7880
440281
方案二
0.0128
7880
437575
由以上分析结果可知，由于方案一和二都只有四个单元，所以在计算应力和位移的时结果的准确度较低。
分析应力图可知，方案二得出的最大应力不在坝底和水的交界处，不符合实际情况，而方案一的最大应力所在位置符合实际情况，所以总体来说，方案一的分析结果优于方案二。
原因是方案一具有整体几何保形性的单元数目多于方案二的数目。
六、总结和建议
通过以上分析情况可以看出，如果要使分析结果较为精确，单元的类型选择要恰当。
由第
（1）小问计算结果可知，不同的单元类型会造成结果的不同，节点较多可以保证计算精度较高；由第
（2）小问的计算结果可知，划分网格时，单元数目也不能太少，单元数目的增加也可以提高计算的精度；但是对于实际工程而言，采用较多节点的单元反而会增加计算的工作量，影响工作效率和经济性。
因此在保证网格划分大小适当和均匀的前提下，使应力集中处划的密集些，这样也能得到较为精确的结果。
实验四
试题4：
图示为带方孔（边长为80mm）的悬臂梁，其上受部分均布载荷（p=10Kn/m）作用，试采用一种平面单元，对图示两种结构进行有限元分析，并就方孔的布置进行分析比较，如将方孔设计为圆孔，结果有何变化？
（板厚为1mm，材料为钢）
一、物理模型：
图示为带方孔（边长为80mm）的悬臂梁，其上受均布载荷（p=10Kn/m）的作用，试采用一种平面单元，对图示两种结构进行有限元分析比较，如将方孔设计为圆孔，结果有何变化？
（板厚为1mm,材料为钢）
（图略）
采用平面单元结构solid：
quad4nodes42结构
施加载荷：
线载荷于上边的一半长度处
施加约束：
左侧完全刚固，限制所有自由度
网格划分：
NDIV取10，默认smart划分
选择网格划分方式为Tri+free
竖方孔有限元模型
竖方孔位移云图
竖方孔应力云图
横方孔有限元模型
横方孔位移云图
横方孔应力云图
圆孔有限元模型
圆孔位移云图
圆孔应力云图
序号
最大位移（mm）
最小应力（Pa）
最大应力（Pa）
竖方孔
0.633
8.98e5
1.1e8
横方孔
0.635
8.28e5
9.05e7
圆孔
0.629
1.1e6
9.04e7
结果是较为精确的，也符合实际情况
在上述三种悬臂梁中，可以得到以下结论：
1、对于同种孔不同的开口位置：
横孔的最大位移大于竖向开孔，但其最小应力和最大应力均显著小于竖向开孔，说明横向开孔的应力集中现象相对较小，但刚度略差。
2、对于不同的开孔形状，圆孔在最大位移方面优于方孔，最小应力差于方孔，最大应力与横方孔持平，好于竖方孔。
所以横方孔或圆孔是我们在悬臂梁设计中应该采用的工艺措施。
加筋板建模
ANSYS作业
一、加筋板建模
加筋板的几何图形如图1所示。
图1加筋板的几何模型
四边简支的板，受到均布压力0.1Mpa的作用，求变形和应力。
要求：
使用shell63和beam188单元。
（1）两个计算模型：
无加筋板和加筋板（如图1）。
（2）取图：
两个计算模型的：
a、几何模型、有限元模型（把边界条件和加载显示出来）
b、加筋板把截面形状显示出来，即分别取图显示角钢
和T型材
的截面形状。
c、计算结果云图。
位移云图和应力云图。
（3）下结论。
加筋板几何模型
加筋板有限元模型
普通平板几何模型
普通平板有限元模型
T型材截面形状
T型材几何模型
L型材截面形状
L型材几何模型
加筋板位移云图
加筋板应力云图
普通板位移云图
普通板应力云图
数据对比表
最大位移（mm）
最大应力（Pa）
最小应力（Pa）
普通平板
1．5343
7.09e9
7.6e7
加筋板
0.168
1.45e9
2.08e6
有限元参数：
弹性模量：
2.1e11，泊松比：
0.3，NDIV为10，平板采用shell63单元，梁采用beam188单元。
模型施加约束：
四边简支，限制UX,UY,UZ三个方向自由度
模型施加载荷：
施加载荷于面上，均布载荷
选择网格划分方式为Tri+free
与实际相比，正确性良好，基本反映了真实的变形与应变情况。
结论：
可以看到，加筋板在减少变形以及减轻应力方面的巨大作用。
加筋板的最大位移和最小应力比普通平板少了一个数量级，最大应力也远小于普通平板。
因此在强度和刚度两方面指标上，加筋板远胜于普通平板。
升级会员 