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有限元课程论文
（普通高等教育）
题目
有限元ANSYS结构分析技术
学院
工学院
专业名称
机械设计制造及其自动化
班级
机械09-1班
学号
091014128
姓名
李增梅
指导教师
赵东
有限元ansys结构分析技术
摘要：
随着迅猛发展和普及起来的的计算机技术，有限单元法在现在工程领域中的研究越来越广泛，有限元ansys软件是最为通用和有效的商用有效软件之一，它融结构，传热学，流体，电磁，声学和爆破分析与一体，具有较为强大的前后处理及计算分析能力，最早应用于航天领域。
关键词：
有限元，ansys基本功能，分析，技术
一.有限元ansys简介
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由
许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
所得的解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。
有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法[1]。
经过四十多年的发展，它的应用范围已从杆，梁类等结构扩展到弹性力学平面问题，空间问题，板壳问题；由静力平衡问题扩展到动力问题，波动问题和稳定问题；分析的对象从弹性材料扩展到黏弹性，塑形，黏塑形及复合材料等；从固体力学扩展到流体力学，传热学及连续介质力学个领域。
再工程实际中的作用从分析与校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计，计算机辅助生产相结合。
由此可见，随着电子技术的不断发展，有限元法作为一种有着坚实理论基础和广泛应用领域的数值分析方法。
ansys软件是较为通用和有效的有限元软件之一，它不断吸收当今世界最新的计算方法和计算机技术引领着有限元的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。
ansys的主要分析功能有：
1.结构静力分析
用来求解稳定外载引起的系统或部件的位移，应变，应力和力。
2.结构动力学分析
结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或者部件的影响，ansys可进行的动力学分析类型包括：
瞬态动力学分析，模态分析，谐波响应分析及随机振动响应分析。
3.结构非线性分析
结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例的变化，ansys可求解静态和瞬态非线性问题，包括以下几种：
（1）几何非线性
包括大应力，大变形，应力强化，旋转软化，非线性屈曲等问题分析。
（2）材料非线性
包括弹塑性非弹性，超弹性，粘弹性，粘塑形，蠕变，膨胀，岩土和混凝土等材料。
（3）单元非线性
自动接触处理，非线性连接单元，钢筋混凝土单元，材料高度非线性单元，特殊非线性单元（布效应膜壳单元，大变形，大旋转单元）。
4.运动学分析
ansys可分析大型三位柔体运动，当运动的累积起主要作用时，可使这些功能分析复杂结构在空间的运动特性，并确定结构中产生的应力，应变和变形。
5.热分析
ansys软件可处理热传递的3种基本类型：
传导，对流和辐射。
6.电磁场分析
主要用于电磁场的分析，如电感，电容，磁通量密度，涡流，电场分布，磁力线分布，力，运动效应等。
7.流体运动学分析
ansys流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或者稳态分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理功能产生压力，流率和温度分布的图形显示。
8.声场分析
软件的声学功能用来研究含流体的介质中传播，或者分析浸在流体中的固体结构的动态特性。
9.压电分析
用于分析二维或三维结构对AC,DC或任意随时间变化的电流或机械载荷效应。
10.有限元软件ansys的使用和基本步骤
前处理，有限元求解，后处理，主要包括模型建立和结构离散化，单元位移函数和解答的收敛条件，单元分析，整体分析和边界条件处理，整体平衡方程求解。
二.模型实例要求：
如下图所示，已知平板的厚度t=0.15m，圆孔半径r=0.3m,E=2e11Pa，μ=0.3，利用ansys求：
（1）应力分布
（2）节点位移
（3）最大应力
（4）最大位移
其中平板长3m,宽2m,所加压强q=20mpa
三.ansys有限元分析模型实例及步骤
1.建立有限元模型
（1）设置分析范畴：
选取菜单MainMenu>Proference后，选择Structure选项
（2）定义单元类型：
设置为四边形为八节点平面单元，即“Quad8node82”，并在LibraryofelementTypes的Options对话框的ElementBehavior选项中选Planestresswiththickness，如图1所示
图1
（3）定义实常数：
选取菜单MainMenu>Preprocessor>RealConstants，在THK输入0.15m，如图2所示：
图2
（4）定义材料常数：
选取菜MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Constant-Isotropic，E=2e11Pa，μ=0.3，如图3所示：
图3
（5）创建有限元模型：
创建矩形以及两个等大的圆，通过布尔运算的减操作除去矩形面积中圆的面积，其图形如图4所示：
图4
（6）网格划分：
选取菜单mainmenu>preprocessor>meshtool
①点取globalset
②在SIZE输入框中输入0.2
③选择areamesh
④点mesh
⑤在拾取对话框中点pickall
⑥关闭meshtool，完成网格划分，如图5所示：
图5
网格划分结束后的有限元模型如图6所示：
图6
2.施加载荷及边界条件并求解
（1）施加位移约束：
点取有限元模型的左边上下两个点，并限制所有自由度，即固定约束，其设置参数如图7所示：
图7
（2）施加压力载荷：
点取有限元模型右边的边线，设置其拉力为20MPa方向向右，设置参数如图8所示：
图8
施加位移约束及压力载荷后的有限元模型如图9所示：
图9
（3）求解：
选中菜单mainmenu>solution>solve>currentls
（4）后处理：
进入通用后处理（/POST1）并读入结果选mainmenu>generalpostproc>readresults>firstset
2、绘制变形图
选mainmenu>generalpostproc>plotresults>deformedshape选def+undeformed,ok
1变形图如图10所示：
图10
②制vonmises应力图如图11所示
选mainmenu>generalpostproc>plotresults>Contour-nodalsolu,在左边列表框选stress,在右边列表框选vonmisesSEQV,OK
图11
③列表显示反作用力
PRINTREACTIONSOLUTIONSPERNODE
*****POST1TOTALREACTIONSOLUTIONLISTING*****
LOADSTEP=1SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSOLUTIONSAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM
NODE
FX
FY
1
-0.19310E-02
-0.8306E-03
82
-0.19314E-02
0.82337E-03
94
-0.42136E-02
0.61656E-03
95
-0.18718E-02
0.59876E-03
96
-0.37460E-02
0.80643E-03
97
-0.18211E-02
0.33078E-03
98
-0.37459E-02
0.59840E-03
99
-0.19055E-02
0.24512E-03
100
-0.38654E-02
0.38234E-03
101
-0.19615E-02
0.12706E-03
102
-0.39455E-02
0.13050E-03
103
-0.19844E-02
-0.23906E-06
104
-0.39455E-02
-0.13002E-03
105
-0.19614E-02
-0.12717E-03
106
-0.38654E-02
-0.38264E-03
107
-0.19056E-02
-0.24480E-03
108
-0.37459E-02
-0.59861E-03
109
-0.18207E-02
-0.33015E-03
110
-0.37465E-02
-0.80698E-03
111
-0.18717E-02
-0.59906E-03
112
-0.42073E-02
-0.61685E-03
TOTALVALUES
VALUE-0.60000E-010.18301E-15
四.结论：
用ANSYS对本有限元模型进行分析，从应力图可以看出，红色代表的数值最大，则其相应区域为危险部分，深蓝色区域数值最小，为最安全部分，因此，在做力学校核的时候，应该满足红色区域的性能，只有材料的抗拉性能满足此区域的要求时，零件才能长久使用，避免因零件损坏而带来的人身伤害。
此模型的应力幅值图是一个对称图形，其危险区域分别分布在上下两个半圆形凹槽的内部，即在此处产生了较大的应力集中。
为避免零件在此处产生损伤，可以进行一下处理：
（1）在设计零件时，尽可能的避免缺口的产生，即避免应力集中现象。
（2）增加零件的厚度。
（3）可以对零件两个半圆凹槽内部区域进行局部热处理，提高其力学性能。
（4）换用抗拉能力较强的材料。
（5）尽可能的增大过渡圆弧的半径。
五.参考文献：
【1】马奎兴有限元及软件ANSYS简介水利科技与经济，2004，10（3）：
190
【2】刘扬、刘巨保、罗敏有限元分析及应用中国电力出版社
【3】祝效华、余志祥编著.ANSYS高级工程有限元分析范例精选.电子工业出版社.2004
【4】邢静忠、王永岗等编著有限元基础与ANSYS入门机械工业出版社
【5】王勖成、邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.第2版.北京：
清华大学出版社，2000
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