西南石油大学CAE大作业.docx
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西南石油大学CAE大作业
1.画出梁的剪力图和弯矩图
53
某工字梁材料弹性模量2.1X10MPa,v=0.3,密度7850kg/m,其结构尺寸及其
受力见图1所示。
用有限元法进行力学分析。
要求：
1.用APDL编程序，程序内标注拼音字母姓名和学号。
2.优化工字梁的横截面尺寸，保证梁的最大变形小于1mm，梁的重量控制在5t左右
3.验算Ansys获取梁的重量与精确计算的重量的准确性
4.获取A、C点反力？
画出剪力图、弯矩图？
5.获取最大转角、最大弯矩位置及其大小？
6.梁上最大应力、最大位移分析及其位置？
7.获取梁横截面上的VonMises、变形分布云图。
图1梁的有限元力学模型
（b）梁截面尺寸
5/2,0.05/2,0.05!
优化数据
1.1APDL程序
fini
/clear
/filnam,Beam188_exe
/PLOPTS,DEFA!
数值标示放图形窗口右
边，不是放底部
/prep7
!
et,1,beam188,,,2
mp,ex,1,2.1e11
mp,nuxy,1,0.3
!
SECTYPE,1,BEAM,I,,2
SECOFFSET,CENT
SECDATA,0.759,0.759,0.915,0.05,0.05,0.0
4!
原始数据
!
SECDATA,0.759/2,0.759/2,0.915/1.2,0.0
k,1,
k,2,2
k,3,10
k,4,12
k,10,0,1
!
L,1,2
L,2,3
L,3,4
!
esize,0.2
!
Iatt,1,,1,,10,,1
!
Imesh,all
!
/eshape,1
/solu
DK,1,,,,0,UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,,
DK,3,,,,0,UY,UZ,ROTX,ROTY,,,
lsel,s,,,2,3,1
esll,s
sfbeam,all,1,pres,20e3
FK,4,FY,-20e3
FK,2,MZ,160e3
alls
!
solve
!
/post1
!
/CONT,1,8,AUTO
!
ETABLE,Fzi,SMISC,5
ETABLE,fzj,SMISC,18
ETABLE,Mzi,SMISC,2
ETABLE,mzj,SMISC,15
SMULT,Fzi,FZI,,-0.001,1,!
剪力单位,
kN
SMULT,Fzj,FZJ,,-0.001,1,
!
PLLS,FZI,FZJ,1,0
!
SMULT,Mzi,MZI,,-0.001,1,!
弯矩单位，
kN.m
SMULT,Mzj,MZJ,,-0.001,1,
!
PLLS,MZI,MZJ,1,0
!
ESORT,ETAB,Mzi,1,0!
按照单元
表Mzi的大小排序
*GET,Mzimax,SORT,0,MAX!
通过
Mzmax得到最大值
*GET,Mzimin,SORT,0,Min!
通过
Mzmin得到最小值
!
ESORT,ETAB,Mzj,1,0!
按照单元
表Mzi的大小排序
*GET,Mzjmax,SORT,0,MAX!
通过
Mzmax得到最大值
*GET,Mzjmin,SORT,0,Min!
通过
Mzmin得到最小值
!
*GET,S_MAX,SECR,ALL,S,EQV,MAX!
整个梁上的最大Von_Mises应力Beam188/eof
*get,nnmax,node,,count
*get,nemax,elem,,num,max!
最大单
元数
*get,nemin,elem,,num,min
!
*do,i,1,nemax,1
*get,vs,secr,i,s,eqv,max
*if,vs,eq,S_MAX,then
Ne_Smax=i!
整个梁上的最大应力
Beam188对应的单元编号
*endif
*enddo
!
ALLSEL
NSORT,U,SUM,0,0,ALL
*GET,Umax_Num,SORT,0,IMAX
最大位移节点编号
*GET,Umax_U,NODE,Umax_Num,U,SUM
!
最大位移
NSORT,ROT,Z,0,0,AII
*GET,Rot_Num,SORT,0,IMAX!
最
大转角节点编号
*GET,RotzMax,NODE,rot_Num,ROT,Z!
最大转角
!
!
**
!
获取总重量
density=7850!
kg/mA3
!
ETABLE,evol,VOLU,
SSUM
*GET,vtot,SSUM,,ITEM,EVOL
weight=Density*（vtot）/1000!
梁重量（t）
N1=node（kx
（1）,ky
（1）,kz
（1））!
A节点
N3=node（kx（3）,ky（3）,kz（3））!
C节点
*get,Fay,NODE,N1,RF,Fy!
提取
A节点y方向支座反力
*get,Fcy,NODE,N3,RF,Fy!
提取
C节点y方向支座反力
!
Fay=fay/1000!
关键点A的反力，
kN
Fcy=fcy/1000!
关键点C的反力，
kN
Mz_max=Mzimax
*if,Mzjmax,GE,Mzimax,then
Mz_max=Mzjmax!
最大弯矩，
kN.m
*endif
!
Mz_min=Mzimin
*if,Mzjmin,LE,Mzimin,then
Mz_min=Mzjmin!
最小弯矩,
kN.m
*endif
vs=
NEMIN=
!
S_MAX=nint（1000*S_MAX*（1e-6））/1000!
最大应力MPa
Umax_U=nint（1000*Umax_U*1000）/100
0!
最大位移，mm
RotzMax=RotzMax*180/3.14
!
最大转角，度
!
-（删掉不用的变量）
Mzimax=
Mzimin=
Mzjmax=
Mzjmin=
1.2结果分析
图1.1剪力图
图1.2弯矩图
百血-04
_5-E-J.
.：
_泊-」
.471E-07
»7BfiEi4n
.5431*07
12HE
图1.3梁的Vn-Mises应力图
.4281-15
J48S-05
.1Sj£-04
«fNK*44
.U4E-D4
*5211-04
图1.4位移云图
1.2.1优化工字梁的横截面尺寸，保证梁的最大变形小于
1mm，梁的重量控制在5t左右
优化前工字梁的横截面尺寸：
W1二0.759，W2=0.759，W3=0.915，
t1=0.05，t2=0.05，t3=0.04。
此时：
梁的最大变形为1.302mm，梁的重量为10.22t。
优化后工字梁的横截面尺寸：
W仁0.759/4，W2=0.759/4，W3=0.99/1，
t1=0.05/2，t2=0.05/2，t3=0.05。
此时：
梁的最大变形为0.923mm，梁的重量
为5.32t（注：
后面计算所用梁的参数仍采用优化前的数据）。
1.2.2验算Ansys获取梁的重量与精确计算的重量的准确性
梁重
Ansys计算（t）
实际值（t）
误差
优化前
10.2207
10.2207
0
优化后
5.32
5.32
0
误差基本上为0,说明Ansys计算结果精度高
123获取A、C点反力
表5-1反力
节点
A
C
Fx
0
0
Fy
72
148
124剪力图、弯矩图
图5-5剪力图
图5-6弯矩图
1.2.5最大转角、最大弯矩位置及其大小
表5-2转角与弯矩
名称
位置
大小
最大转角
节点57
1.48e-2度
取大弯矩
B点
144KN.M
1.2.6梁上最大应力
、最大位移分析
表5-3应力与位移
名称
大小
最大应力
0
最大位移
0.391mm
1.2.7获取梁横截面上的VonMises、变形分布云图
.019»0S
.1WB+01
.431ttC7
756E*O?
atiEtO'
图5-8变形分布云图
2、带孔眼钢板结构的应力及其变形
有一带孔眼钢板结构尺寸及其力学模型见图2所示，其厚度为25mm，材
料弹性模量为2.1E5MPa，泊松比为0.3，材料屈服应力650MPa
1）P=30MPa,求孔眼内壁％的值（用路径曲线分析），钢板内x、y、xy以及
VonMises的应力场分布，形成Word文件分析报告。
2）钢板开始屈服时P极限载荷为多少？
钢板內最大VonMises应力发生在什么
位置？
孔眼内壁附近的位移变化以及各种应力变化等值线云图，形成分析报
要求
1.用APDL编程序，程序内标注拼音字母姓名和学号。
2.结果要求Word文件分析报告。
3.报告中曲线用Excell生成。
APDL程序语言
Finish
ET,1,PLANE42
MSHAPE,0,2D
/clear
MPTEMP,,,,,,,,
MSHKEY,0
/filnam,homework2
MPTEMP,1,0
AMESH,3
a=150
!
mm
MPDATA,EX,1,,ex
!
/eof
b=150
MPDATA,PRXY,1,,ux
/SOL
r=13
RECTNG,0,a,0,b,
DL,10,,SYMM
h=25
CYL4,,,r
DL,9,,SYMM,
Ex=2.1e5
!
MPa
ASBA,1,2
SFL,2,PRES,p,
ux=0.3
LESIZE,10,,,20,0.2,,,,1
SOLVE
p=30
!
MPa
LESIZE,5,,,10,,,,,1
FINISH
/PREP7
LESIZE,9,,,20,0.2,,,,1
LESIZE,2,,,20,,,,,1
LESIZE,3,,,20,,,,,1
（MPa）
3E6A~9LZ41Z34S7&9
333333-3
999399sig
3MN二■昌
图2.11/4钢板X方向所受应力ox
路径距离（mr）
O
2
ooooO
24680----
*SX
图2.2P=30MPa时孔眼附近x的路径曲线
当P=30MPa时，钢板的受力图：
（Tx（MPa）
--S9.313
=.583479
-89.313
-79・325
-69.336
-59・3理吕
-49・3S夕
-39.371
-29・3駝
-19.394
-9.405
SB3479
图2.3X方向所受应力
--11,971
=2©-964
-11.971
-7.423
Y<674
1.674
6.222
ID.771
15.319
19.867
24.416
2B,964
图2.4钢板Y方向所受应力
（MPa）
-21.66
-2.3Z
■344627
3.009
S■673
8■338
11■002
13■667
16■331
18■996
21.66
图2.5钢板所受剪切应力Ty
应力（
吕H吕吕
MPa）
-8.071
^36・51©
8,071
1百.787
2S・5043吩■茗畫
42・936
51・£53
£□・369
69・□吕牙
77.80'i
・E18
图2.6VonMises应力云图
欲使钢板屈服，最大应力必须达到材料的屈服极限，因分析是在弹性范围内，应力的变化服从线形分布，预测P为225.5Mpa。
P=225.5Mpa带入程序，进入ANSYS运行分析得钢板的VonMises应力分
布云图：
应力（MPa）
5HN*60.666
SBX=653.325
5O.66C
126.104
191.703
257.219
322.737
3Q8.255
453.772
519.29
5&4.803
630.325
图2.7VonMises应力云图（P=225.5Mpa）
位移
mm）
01^501
014501.031467
.043^32xO6539B-062363.099329
・116294,13326・15022S・16719
图2.8钢板开始屈服时位移变化（XY方向）
（Tx（MPa）
-二吕吕
=-671・殆8
=4.366
-671・：
33曰
-671・33S
-600
-S00
--SQQ
-300
-200
-100
4.386
图2.9钢板开始屈服时X方向所受应力
—
c
—
（Ty（MPa）
=-89=9B1
=211・713-139・9^2-69・9S1一4口
IO
60
110
16a
210
图2.10钢板开始屈服时Y方向所受应力
MN
SMN
SMX
Txy（MPa）
=-17.437
=162.811
-17■437
-IV.唱3*7
5
35
65
95
125
155
16Z.811
图2.11钢板开始屈服时所受剪切应力
EE.七・■
P
s6iB6
口520543210-/1\6^u--6123456_
图2.12钢板开始屈服时VonMises应力云图
3、管道层流和紊流CFD分析
二维管道层流和紊流CFD分析，其结构尺寸见图3所示（单位mm）。
流体
3
介质为空气，空气密度1.225kg/m，空气粘度1.7894e-05kg/m-s，出口压力
为0。
其中出口段长度L可以任意变化，问题：
1）当L=200mm时，层流模拟，模拟雷诺数为90的层流问题，入口速度为
0.025m/s。
分析二维管道内的速度场分布。
2）增加管道长度，即L=860mm时，紊流模拟，入口速度到1.27m/s，计算雷诺数大于4000时，用紊流模型求解，分析其速度场的变化和分布。
要求
1.直接在ICEM模块中建立实体模型，用结构化模块进行网格划分，边界层加密。
2.在ICEM中建立CFD模型的边界条件，并存入Fleunt模型数据格式。
3.将以上模型调入Ansys-Fluent模块中进行流体动力学分析。
4.分析速度场和压力场变化规律。
5.获取出口边界的速度变化曲线。
6.结果要求Word文件分析报告，报告中曲线用Excell生成。
外壁面
进口
/
过渡
i
5
6
内壁面，
出口
C
100
50
—H
L
nP
4、两块板间受压的O-形橡胶密封圈的接触分析
两块无摩擦板间受压的0-形橡胶密封圈的接触问题如图4所示，橡胶材料
参数：
C10=
=0.01055
!
橡胶材料参数
C10
C01=
=0.01408
!
橡胶材料参数
C01
NU1:
=0.49967
!
橡胶泊松比
DD=（1-2*NU1）/（C10+C01）
4.结果要求Word文件分析报告，
报告中曲线用Excell生成
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