有限元实验指导书1.docx

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有限元实验指导书1

实验一：

平面桁架静力分析

一、实验课题

Belgium桁架如图所示，共有11个结点和19个单元，其中上弦杆1～6的横截面积为A1=3cm2，下弦杆7～11的横截面积为A2=2cm2，中间斜撑杆12～19的横截面积为A3=1cm2，已知材料的弹性模量E=200GPa，载荷F=50kN，P=10kN，跨度l=1.2m，高度h=0.6m，试对其进行静力分析。

二、实验要求

1掌握杆单元的定义方法；

2掌握桁架模型的建立方法；

3掌握边界条件的处理方法；

4掌握集中载荷的施加方法；

5熟悉杆单元的输出结果和查询方法。

三、实验步骤：

Ⅰ进入ANSYS

点击【程序】→【ANSYS5.4】→【RunInteractiveNow】

Ⅱ建立有限元模型

1输入标题

（1）点击【File】→【ChangeTitle】；

（2）输入标题“BelgiumTrussStaticAnalysis”；

（3）点击【OK】按钮。

2选择分析类型

（1）点击【MainMenu】→【Preferences】；

（2）选择structural复选框，然后点击【OK】按钮。

3确定单元类型

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【ElementType】→【Add/Edit/Delete】；

（2）点击【Add】，选择structurallink族中2-Dspar（LINK1）单元，点击【OK】，再击【Close】关闭对话框。

4定义实常数（截面积）

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【RealConstants】；

（2）先点击【Add】，再点击【OK】；

（3）输入实常数号1，截面积3E-4，再点击【Apply】；

（4）输入实常数号2，截面积2E-4，再点击【Apply】；

（5）输入实常数号3，截面积1E-4，再点击【OK】及【Close】。

5定义材料性质

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【MaterialProps】→【Constant-Isotropic】；

（2）点击【OK】；

（3）输入弹性模量EX为200E+9，然后点击【OK】。

6输入节点坐标

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【ModelingCreate】→【Nodes】→【InActiveCS】；

（2）输入节点号1，及其坐标0,0，然后点击【Apply】；

（3）输入节点号2，及其坐标0.20,0.20，然后点击【Apply】；

（4）输入节点号3，及其坐标0.24,0，然后点击【Apply】；

……

（5）输入节点号11，及其坐标1.20,0，然后点击【OK】；

7定义杆单元

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【ElemAttributes】；

（2）输入实常数号1，然后点击【OK】；

（3）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【AutoNumbered】→【ThruNodes】；

（4）点取节点1和2生成单元1，然后点击【Apply】；

点取节点2和4生成单元2，然后点击【Apply】；

点取节点4和6生成单元3，然后点击【Apply】；

点取节点6和8生成单元4，然后点击【Apply】；

点取节点8和10生成单元5，然后点击【Apply】；

点取节点10和11生成单元6，然后点击【OK】。

（5）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【ElemAttributes】；

（6）输入实常数号2，然后点击【OK】；

（7）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【AutoNumbered】→【ThruNodes】；

（8）点取节点1和3生成单元7，然后点击【Apply】；

点取节点3和5生成单元8，然后点击【Apply】；

点取节点5和7生成单元9，然后点击【Apply】；

点取节点7和9生成单元10，然后点击【Apply】；

点取节点9和11生成单元11，然后点击【OK】。

（9）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【ElemAttributes】；

（10）输入实常数号3，然后点击【OK】；

（11）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【AutoNumbered】→【ThruNodes】；

（12）点取节点2和3生成单元12，然后点击【Apply】；

点取节点3和4生成单元13，然后点击【Apply】；

点取节点4和5生成单元14，然后点击【Apply】；

点取节点5和6生成单元15，然后点击【Apply】；

点取节点6和7生成单元16，然后点击【Apply】。

点取节点7和8生成单元17，然后点击【Apply】；

点取节点8和9生成单元18，然后点击【Apply】；

点取节点9和10生成单元19，然后点击【OK】。

8显示单元属性号

（1）点击【PlotCtrls】→【Numbering】；

（2）打开Nodenumbers复选框；

（3）在Elem/Attribnumbering选择框选Realconstnum，然后点击【OK】；

（4）点击【Plot】→【Elements】；

Ⅲ求解

1定义约束

（1）点击【MainMenu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Displacement】→【OnNodes】；

（2）点取节点1和节点11再在拾取窗中点击【OK】；

（3）选择ALLDOF，再点击【OK】。

2施加载荷

（1）点击【MainMenu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Force/Moment】→【OnNodes】；

（2）拾取节点6，再在拾取窗中点击【OK】；

（3）在Directionofforce/mom框中选FY，在Force/momValue框中输入载荷值

-50000然后点击【OK】。

（4）点击【MainMenu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Force/Moment】→【OnNodes】；

（5）拾取节点3和9，再在拾取窗中点击【OK】；

（6）在Directionofforce/mom框中选FY，在Force/momValue框中输入载荷值-10000然后点击【OK】。

3求解

（1）点击【MainMenu】→【Solution】→【Solve】→【CurrentLS】；

（2）浏览显示的信息，点击【OK】后开始求解；

（3）点击【Close】关闭information框，然后再关闭文本框。

Ⅳ后处理

1画变形图

（1）点击【MainMenu】→【GeneralPostproc】→【PlotResults】→【DeformedShade】；

（2）选取Del+undeformed选项，然后点击【OK】。

2查看节点位移

（1）点击【MainMenu】→【GeneralPostproc】→【ListResults】→【NodalSolution】；

（2）在Itemtobelisted框中选DOFSolution及其AllDOFsDOF，然后点击【OK】。

3查看单元结果

（1）点击【MainMenu】→【GeneralPostproc】→【ListResults】→【ElementSolution】；

（2）在Itemtobelisted框中选LineElemresults及其StructuralELEM，点击【OK】。

Ⅴ退出ANSYS

点击工具栏上【Quit】按钮，选择quit-nosave!

复选框，再点击【OK】。

四、ANSYS命令流文件

/TITLE,BelgiumTrussStaticAnalysis

/PREP7

ET,1,LINK1

R,1,3E-4,,

R,2,2E-4,,

R,3,1E-4,,

MP,EX,1,200E+9

N,1,0,0

N,2,0.20,0.20

N,3,0.24,0

N,4,0.40,0.40

N,5,0.48,0

N,6,0.60,0.60

N,7,0.72,0

N,8,0.80,0.40

N,9,0.96,0

N,10,1.00,0.20

N,11,1.2,0

TYPE,1

MAT,1

REAL,1

E,1,2

E,2,4

E,4,6

E,6,8

E,8,10

E,10,11

TYPE,1

MAT,1

REAL,2

E,1,3

E,3,5

E,5,7

E,7,9

E,9,11

TYPE,1

MAT,1

REAL,3

E,2,3

E,3,4

E,4,5

E,5,6

E,6,7

E,7,8

E,8,9

E,9,10

EPLOT

FINISH

/SOLU

D,1,ALL,0,

D,11,ALL,0,

F,6,FY,-50000

F,2,FY,-10000

F,9,FY,-10000

SOLVE

FINISH

/POST1

PLDISP

PRDISP

PRESOL,ELEM

FINISH

/EXIT,NOSAV

五、解答

六、思考题

1.若将杆12和杆19去除，计算有否影响？

2.试对右图结构作静力分析。

已知三杆用球铰链连接于O点，平面ABC是铅垂面，

平面BOC是水平面，三杆的长度均为l=1m，横

截面积均为A=100mm2，弹性模量E=200GPa，

重物W=1kN，杆重不计。

（提示：

选用LINK8空间杆单元）

实验二：

平面刚架静力分析

一、实验课题

平面刚架如图所示，已知刚架内各段梁均为矩形截面，各参数如下：

梁截面高：

h=100mm

宽：

b=50mm

分布载荷：

q=4.8kN/m，

集中力偶：

M=5kN-m

弹性模量：

E=200GPa

切变模量：

G=80GPa

二、实验要求

1掌握平面梁单元的定义方法；

2掌握刚架模型的建立方法；

3掌握边界条件的处理方法；

4掌握分布载荷和力偶的施加方法；

5熟悉平面梁单元的输出内容及查询方法。

三、实验步骤：

Ⅰ进入ANSYS

点击【程序】→【ANSYS5.4】→【RunInteractiveNow】

Ⅱ建立有限元模型

1输入标题

（1）点击【File】→【ChangeTitle】；

（2）输入标题“PlaneFrameStaticAnalysis”；

（3）点击【OK】按钮。

2选择分析类型

（1）点击【MainMenu】→【Preferences】；

（2）选择structural复选框，然后点击【OK】按钮。

3确定单元类型

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【ElementType】→【Add/Edit/Delete】；

（2）点击【Add】，选择structuralbeam族中2-DElastic3单元；

（3）先击【OK】按钮，再击【Close】关闭对话框。

4定义实常数（截面积）

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【RealConstants】；

（2）先点击【Add】，再点击【OK】；

（3）依次输入面积5E-3，惯性矩4.1667E-6，梁高0.1，再点击【OK】和【Close】。

5定义材料性质

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【MaterialProps】→【Constant-Isotropic】；

（2）点击【OK】；

（3）输入弹性模量200E+09，然后点击【OK】。

6输入节点坐标

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【ModelingCreate】→【Nodes】→【InActiveCS】；

（2）输入节点号1，及其坐标0,0，然后点击【Apply】；

（3）输入节点号2，及其坐标5,0，然后点击【Apply】；

（4）输入节点号3，及其坐标10,0，然后点击【Apply】；

（5）输入节点号4，及其坐标5,-5，然后点击【OK】。

7定义杆单元

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【Modeling-Create】→【Elements】→【AutoNumbered】→【ThruNodes】；

（4）点取节点1和2生成单元1，然后点击【Apply】；

点取节点2和3生成单元2，然后点击【Apply】；

点取节点2和4生成单元3，然后点击【OK】。

8显示单元属性号

（1）点击【PlotCtrls】→【Numbering】；

（2）打开Nodenumbers复选框；

（3）在Elem/Attribnumbering选择框选Elementnum，然后点击【OK】；

（4）点击【Plot】→【Elements】；

Ⅲ求解

1定义约束

（1）点击【MainMenu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Displacement】→【OnNodes】；

（2）点取节点1，节点3和节点4再在拾取窗中点击【OK】；

（3）选择ALLDOF，再点击【OK】。

2施加载荷

（1）点击【MainMenu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Force/Moment】→【OnNodes】；

拾取节点2，再在拾取窗中点击【OK】；

在Directionofforce/mom框中选MZ，

在Force/momValue框中输入载荷值5000然后点击【OK】。

（2）点击【MainMenu】→【Solution】→【Loads-Apply】→【Structural-Pressure】→【OnBeam】；

拾取梁单元1，再在拾取窗中点击【OK】；

在VALI框中输入压力值4800然后点击【OK】。

3求解

（1）点击【MainMenu】→【Solution】→【Solve】→【CurrentLS】；

（2）浏览显示的信息，点击【OK】后开始求解；

（3）点击【Close】关闭information框，再关闭文本窗口。

Ⅳ后处理

1画变形图

（1）点击【MainMenu】→【GeneralPostproc】→【PlotResults】→【DeformedShade】；

（2）点击【OK】。

2查看节点位移

（1）点击【MainMenu】→【GeneralPostproc】→【ListResults】→【NodalSolution】；

（2）在Itemtobelisted框中选DOFsolution及其AllDOFsDOF；

（3）点击【OK】,浏览各节点位移。

3查看单元结果

（1）点击【MainMenu】→【GeneralPostproc】→【ListResults】→【ElementSolution】；

（2）在Itemtobelisted框中选Nodalforcedata及其AllforcesFORC；

（3）点击【OK】。

Ⅴ退出ANSYS

点击工具栏上【Quit】按钮，选择quit-nosave!

复选框，再点击【OK】。

四、ANSYS命令流文件

/TITLE,PlaneFrameStaticAnalysis

/PREP7

ET,1,BEAM3

R,1,5E-3,4.1667E-6,0.1

MP,EX,1,200E+09

MP,GXY,1,80E+09

N,1,0,0

N,2,0,5

N,3,0,10

N,4,5,-5

E,1,2

E,2,3

E,2,4

EPLOT

FINISH

/SOLU

D,1,ALL

D,3,ALL

D,4,ALL

F,2,MZ,5000

SFBEAM,1,1,PRES,4800,4800

SOLVE

FINISH

/POST1

PLDISP

PRDISP

PRESOL,ELEM

FINISH

/EXIT,NOSAV

五、解答

六、思考题

1.若节点4竖向沉降1mm，该如何处理？

2．若在单元3的中间作用一个水平向右的集中载荷，该如何处理？

实验三：

空间刚架静力分析

一、实验课题

悬浮机构由铜铍合金簧片制成，已知材料的弹性模量E=130MPa，切变模量G=50MPa，泊松比=0.3，密度=8103kg/m3。

簧片宽2.5mm，厚0.25mm，求节点7向下位移0.2mm时簧片的应力（图中尺寸的单位为mm）。

二、实验要求

1掌握空间框架模型的建立方法；

2注意参考节点K与截面参数的关系；

3掌握非零位移边界条件的处理方法；

4掌握计算结果的查询方法。

三、数据准备

1.节点坐标（单位：

mm）

N

x

y

z

N

x

y

z

1

0

30

5

9

5

10

0

2

0

25

5

10

0

0

0

3

0

25

0

11

-5

0

0

4

0

20

0

12

5

0

0

5

-5

20

0

13

-7.5

0

0

6

5

20

0

14

7.5

0

0

7

0

10

0

15

5

25

5

8

-5

10

0

2.单元编号

Element

I

J

K

Element

I

J

K

1

1

2

15

9

7

9

3

2

2

3

15

10

8

11

3

3

3

4

5

11

9

12

3

4

4

5

3

12

10

11

3

5

4

6

3

13

10

12

3

6

5

8

3

14

11

13

3

7

6

9

3

15

12

14

3

8

7

8

3

3.截面参数（单位mm）

R

A

Iz

Iy

H

W

Ix

1

0.625

3.2552E-3

0.32552

0.25

2.5

0.013021

四、ANSYS操作步骤

Ⅰ进入ANSYS

点击【程序】→【ANSYS5.4】→【RunInteractiveNow】

Ⅱ建立有限元模型

1输入标题

（1）点击【File】→【ChangeTitle】；

（2）输入标题“3-DFrameStaticAnalysis”；

（3）点击【OK】按钮。

2选择分析类型

（1）点击【MainMenu】→【Preferences】；

（2）选择structural复选框，然后点击【OK】按钮。

3确定单元类型

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【ElementType】→【Add/Edit/Delete】；

（2）点击【Add】，选择structuralbeam族中3-DElastic4单元；

（3）先击【OK】按钮，再击【Close】关闭对话框。

4定义实常数（截面积）

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【RealConstants】；

（2）先点击【Add】，再点击【OK】；

（3）输入截面积0.625，对Z惯性矩3.2552E-3，对Y惯性矩0.32552，梁Z方向高2.5，梁Y方向高0.25，极惯性矩0.013021，再点击【OK】和【Close】。

5定义材料性质

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【MaterialProps】→【Constant-Isotropic】；

（2）点击【OK】；

（3）输入弹性模量130E+3，切变模量50E+3，然后点击【OK】。

6输入节点坐标

（1）点击【MainMenu】→【Preprocessor】→【ModelingCreate】→【Nodes】→【InActiveCS】；

（2）输入节点号1，及其坐标0，30，5，然后点击【Apply】；

（3）输入节点号2，及其坐标0，25，5，然后点击【Apply】；

…………

（4）输入节点号14，及