安徽工程大学薄壁圆筒有限元分析.docx

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安徽工程大学薄壁圆筒有限元分析

安徽工程大学-薄壁圆筒有限元分析

题目：

试分析图1薄壁圆筒在载荷作用下的应力和应变（载荷个数、大小、薄壁圆的参数自己选择）。

1.三维建模

3D模型是对部件进行分析和改进的结果，模型建立的越精确，有限元分析中的网格划分也就越细致，那么得到的结果相应的也就更加的准确，考虑到薄壁圆筒的结构性，将其适当的简化，用SOLIDWORKS建模（如图2）。

其中:

外圆柱直径为100mm,高度为20mm,中间圆柱直径为70mm,高度为90mm,孔的直径为66mm,为通孔.

图2薄壁圆筒三维模型

考虑到ANSYS和SOLIDWORKS有很多数据接口，例如IGES,PARA,以及SAT等等，为了保证零件导入的完整性，选择另存为PARASOLID（*.x_t）文件，在将其导入ANSYS中的workbench协同仿真环境中。

2.有限元分析

2.1定义单元的属性

1）定义材料属性：

选择菜单Toolbox：

StaticStructural（ANSYS）>ProjectSchematic>EngineerData>Edit>View>Outline在材料属性窗口Material选择StructuralSteel，View>Properties在弹出的对话框中设置Young'sModulus（弹性模量）为2E11，Poisson'sRatio（泊松比）为0.3，density（密度）为7850，单击OK即可。

2）导入模型：

选择菜单StaticStructural（ANSYS）：

Geometry>ImportGeometry>Browse将之前存入的PARASOLID（*.x_t）文件导入环境中，并且选择单位为Millimeter（毫米）。

3）定义单元的类型：

ANSYS提供了190多种不同的单元类型,从普通的线单元、面单元、实体单元到特殊的接触单元、间隙单元和表面效应单元等。

选择合适的单元类型是进行各类有限元分析的基础,在满足计算精度的同时可以有效的简化单元划分的难度。

实体单元类型也比较多,实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。

常用的实体单元类型有solid45,solid92,solid185,solid187等几种。

4）在此,选择单元类型为Solid185,因为Solid185单元是3维8节点实体,该单元用来模拟3维实体,由8个节点定义,每个节点3个自由度:

X,Y,Z方向.具有塑性,超弹性应力,超大许用应变,大变形,大应变能力（如图3）。

选择菜单StaticStructural（ANSYS）：

Model>Geometry>Solid>Inset>Command在右方出现的命令栏中输入et,matid,185,回车确定。

即选择单元类型为三维实体单元Solid185.

图3SOLID185几何图形

2.2网格划分

有限元网格数目过少，容易产生畸变，并影响计算精度；而数目过大，不仅对提高精度作用不大，反而大大增加了计算工作量.

1）可以采用ANSYSWORKBENCH提供的mesh网格划分工具生成有限元模型。

2）在detailofmesh（划分细节）中选择Sizing，将UseAdvancedSizeFunction

项改为ProximityandCurvature，将RelevanceCenter项改为fine。

3）选择菜单MODEL，MeshControl>MappedFaceMeshing，选中实体准备行映射网格划分。

4）选择菜单MODEL，Mesh>Generatemesh进行网格划分（如图4）。

图4网格划分

划分网格后生成：

节点数32334个，（如图5所示）

单元数19088个（如图5所示）。

图5Statistics

2.3添加约束和载荷

1）添加约束：

选择菜单MODEL：

StaticStructural>Inset>FixedSupport，选择薄壁圆筒的左端面，在下方工具栏中DetailsofFixedSupport>Scope>Geometry,选择Apply。

2）添加载荷：

选择菜单MODEL：

StaticStructural>Inset>Moment，选择薄壁圆筒右端圆柱面，在下方工具栏中DetailsofMoment>Definition>Defineby>Components>GlobalCoordinateSystem>XComponent，输入扭矩值为1000N.m

点击确定即可（如图6）。

图6添加约束和载荷

2.4求解

选择菜单MODEL：

StaticStructural>solve，即可对上述设定进行求解。

3.结果处理

1）选择菜单MODEL：

StaticStructural>Solution>Inset>Stress>

Equivalent（von-mises）,显示节点应力云图（如图7，8所示）。

2）选择菜单MODEL：

StaticStructural>Solution>Inset>Stain>

Equivalent（von-mises）,显示薄壁圆筒应变分布图（如图9所示）。

3）选择菜单MODEL：

StaticStructural>Solution>Inset>Deformation>Total

绘制变形图（如图10所示）。

4）选择菜单MODEL：

StaticStructural>Solution>EvaluateAllResults

将三种图的结果进行处理。

图7节点（von-mises）应力图

图8薄壁圆筒应变分布图

图9薄壁圆筒变形图

4.有限元静力学分析

根据计算结果，统计数据如表1所示：

表1：

应力和应变极值

类型

MIN

MAX

应力

14487

1.6469e8

应变

7.2434e-8Pa

8.2347Mpa

变形量

0m

0.00017195m

由图7,8可看出主体钢结构的等效应力分布比较散，虽然处于材料Q235的安全工作范围内，满足强度要求。

图7显示，最大应力发生在横截面尺寸不同的两面交接处，等效应力值为35.992MPa小于屈服极限235MPa,故此结构基本符合要求。

但是零件容易遭到破坏。

如将交界处加工出圆角（如图11），可将应力集中的现象改善。

图10改良后的部分图