有限元上机实验指导书.docx

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有限元上机实验指导书

实验一ANSYS软件环境及典型实例分析

一、实验目的：

熟悉ANSYS软件菜单、窗口等环境、软件分析功能及解题步骤。

二、实验设备：

微机，ANSYS软件。

三、实验内容：

ANSYS软件功能、菜单、窗口及解题步骤介绍。

四、实验步骤：

1、ANSYS界面介绍：

ANSYS软件功能非常强大，应用范围很广，并具有友好的图形用户界面（GUI）和优秀和程序架构。

基于Motif标注的GUI主要由主窗口和输出窗口组成。

随着版本的不断升级，ANSYS界面不断改进，不同版本间的界面存在着较大差别。

下面介绍ANSYS7.0的用户界面。

（1）主窗口

ANSYS7.0的主窗口主要由以下5个部分组成。

①Utility菜单

这些菜单主要通过ANSYS的相关功能组件起作用，比如文件控制、参数选择、图像参数控制及参数输入等。

②InputLine（InputWindow命令输入窗口）

命令输入窗口（也称为命令栏）用于显示程序的提示信息并允许用户直接输入命令，简化分析过程。

③工具栏（Toolbar）

工具栏主要由按钮组成，这些按钮都是ANSYS中的常用命令。

用户可以根据工作类型定义自己的工具栏以提高分析效率。

④主菜单（MainMenu）

主菜单包括了ANSYS最主要的功能，分为前处理器（Preprocessor）、求解器（Solution）、通用后处理器（GeneralPostprocessor）、设计优化器（DesignOptimizer）。

展开主菜单可以看到非常多的树状建模命令，这也是ANSYS7.0版本和以前版本的一个显著差别。

虽然菜单的外观改变了，但是菜单结构没有变化，这对ANSYS用户平滑升级非常有利。

⑤图形窗口（GraphicWindows）

图形窗口用于显示分析过程的图形，实现图形的选取。

在这里可以看到实体建模各个过程的图形并可查看随后分析的结果。

（2）输出窗口（OutputWindows）

输出窗口用于显示程序的文本信息，即以简单表格形式显示过程数据等信息。

通常，输出窗口被主窗口遮盖，当然，如果需要随时可以将输出窗口拖到前面。

注意：

应该在ANSYS分析的各个步骤中随时查看输出窗口中的信息，检验分析过程是否正确，以便及时调整。

通过GUI可以方便地交互式访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，一步步地完成整个分析，很好地体现出ANSYS的易用性。

同时，ANSYS软件也提供了完整的在线说明和帮助文件，以协助有经验的用户进行高级应用。

在用户界面中，ANSYS软件提供了4种通用的命令输入方式：

菜单、对话框、工具栏和直接输入命令。

2、ANSYS分析过程：

一个典型的ANSYS分析过程包含3个主要步骤，每个主要步骤及其子步骤如下：

（1）建立有限元模型

在ANSYS中建立有限元模型的过程大致可分为以下3个主要步骤：

1建立或导入几何模型

2定义材料属性

（2）施加载荷并求解

1在AN划分网格建立有限元模型

SYS中施加载荷及求解的过程大致可以分为以下3个主要步骤：

2定义约束

3施加载荷

4设置分析选项并求解

（3）查看分析结果

在ANSYS中查看分析结果的过程大致可以分为以下2个主要步骤：

1查看分析结果

2检验分析结果（验证结果是否正确）

ANSYS典型实例分析

如图所示，使用ANSYS分析平面带孔平板，分析在均布载荷作用下板内的应力分布。

已知条件：

F＝20N/mm，L＝200mm，b＝100mm，圆孔半径r＝20，圆心坐标为（100，

50），E＝200Gpa。

板的左端固定。

图1-2带孔平板模型

1．问题描述

难度级别：

普通级别。

所需时间：

一个小时或者更多（视ANSYS操作熟练程度而定）。

实例类型：

ANSYS结构分析。

分析类型：

线性静力分析。

单元类型：

PLANE82

ANSYS功能示例：

实体建模包括基本的建模操作，布尔运算和网格细化；施加均布载荷；显示变形后形状和应力等值线图、单元信息列表；基本的结果验证技巧。

ANSYS帮助文件：

在ANSYSStructuralAnalysisGuide了解StructuralStaticAnalysis分析知识，在ANSYSElementsReference部分了解Plane82单元的详细资料。

2．建立有限元模型

1）．建立工作目录并添加标题

以Interactive方式进入ANSYS，File菜单中设置工作文件名为Plane、标题为plane。

2）．创建实体模型

（1）创建矩形

通过定义原点、板宽和板高定义矩形，其操作如下：

GUI：

PreProcessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By2Corners

弹出Rectangleby2corners对话框（如图1-3所示），如图填写。

WPX和WPY表示左下角点坐标。

命令：

BLC4,0,0,200,100

图1-3生成矩形

（2）生成圆面

首先在矩形面上生成圆，然后挖去生成圆孔。

生成圆面得操作如下：

GUI：

PreProcessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle

弹出SolidCircularArea对话框（如图1-4所示），依图输入圆面几何参数。

命令：

CYL4,100,50,20

下面通过布尔“减”操作生成圆孔，其操作如下：

GUI：

Processor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas

先选择矩形面为BaseArea，单击OK按钮，然后选择圆，单击OK按钮。

布尔操作完毕之后，实体模型为带孔平板。

3）．定义材料属性

材料属性是与几何模型无关的本构关系，如弹性模量、密度等。

虽然材料属性不是与单元直接相联系在一起，但是由于计算单元矩阵时需要材料属性，ANSYS为了用户分析过程中定义材料属性方便，对每个单元类型进行了相应的分类。

根据不同类型的应用，材料属性可以是线性或非线性的。

与单元类型相似，材料也可以定义多个，系统自动根据材料定义的顺序编号。

本问题只有一种材料，因此只需定义一种材料，而且只需定义弹性模量和泊松比，

其操作如下：

GUI：

PreProcessor>MaterialProps>Materialmodels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic

在弹出对话框中键入EX=200000（单位Mpa），PRXY＝0.3。

4）．划分网格

划分网格首先选择合理的单元类型，然后定义单元的实常数，最后根据分析问题的需要

划分网格。

（1）选择单元

对于任何分析，必须在单元类型库中选择一种或者多种合适的单元类型。

单元类型决定了附加的自由度（位移，转角、温度等）。

许多单元还需要设置一些单元选项，比如单元特性和假设。

单元结果的打印输出选项等，对于本问题选择Plane82单元。

选择单元得操作如下：

GUI：

PreProcessorMenu>ElementType>Add/Edit/Delete

选择Plane82，弹出单元类型对话框（如图1-5所示）。

单击OK按钮。

命令：

ET，1，plane82

（2）定义单元实常数

有限单元的几何特性，不能仅用其节点的位置充分表达，这时需要提供一些实常数来补充几何参数。

典型的实常数有壳单元的厚度，梁单元的横截面参数，板单元的厚度等。

这些单元类型所需要的实常数以实数数值的形式输入。

本问题所用单元类型为带厚度平面应力分析，因此分析类型设定为Planestrsw/thk类型，操作如下：

GUI：

PreProcessorMenu>ElementType>Add/Edit/Delete>Options

在K3项后面下拉菜单中选“Planestrsw/thk“。

命令：

KEYOPT,1,3,3

单元厚度为20mm，定义单元厚度操作如下：

GUI：

PreProcessorMenu>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add

在弹出的对话框中THK后文本框中键入材料厚度值20。

命令：

R，1，20

（3）设定网格尺寸

这里让ANSYS知道需要划分多大网格。

采用用户自定义网格尺寸参数，其操作如下：

GUI：

PreProcessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Areas>AllAreas

在弹出ElementSizeonAllSelectedAreas对话框，在SIZE栏键入20mm。

命令：

AESIZE,ALL,20

（4）划分网格

让ANSYS知道网格大小后，现在划分网格，操作如下：

GUI：

Processor>Meshing>Mesh>Areas>Free>PickAll

命令：

AMESH,ALL

（5）保存数据库

GUI：

UtilityMenu>File>Saveas...

输入文件名为Mesh（表示分析进度：

已完成网格划分）。

3．施加载荷并求解

在这里首先定义模型约束，然后施加载荷，最后求解，为后处理查看结果提供数据，具

体操作步骤如下所示：

1）．定义约束

由已知得，需要固定（Fix）板左边线，即需要约束线上节点所有自由度（AllDOFs），其操作如下：

GUI：

Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnLines

弹出ApplyU，ROTonLines对话框。

选择板左侧边线，在Lab2栏选AllDOF。

单击Apply按钮。

2）．施加载荷

在板右侧边施加均布载荷，载荷大小为20/20＝1Mpa，施加载荷操作如下：

GUI：

Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines

弹出ApplyPRESonLines对话框，键入载荷值-1（由于载荷方向离开板，为拉力所以为负值，反之为正），单击OK按钮。

3）．求解

GUI：

Solution>Solve>CurrentLS

4．查看分析结果

下面查看分析结果，对于静力分析主要是模型位移及等效应力等值线图或者节点结果数据列表。

1）．显示模型变形图

其操作如下：

GUI：

GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape

2）．显示位移等值线分布图

其操作如下：

GUI：

GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolution>DoFSolution>DisplacementVectorsum

由图获知最大位移值。

3）．显示等效应力等值线图

其操作如下：

GUI：

GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu>Stress>VonMises

由图发现最大应力出现在孔的上下顶点，与解析解吻合。

4）．显示变形动画

通过动画显示可以查看模型在载荷作用下的内力变化过程，以图形方式显示分析计算结果。

其操作如下：

UtilityMenu中PlotCtrls>Animate>DeformedResults

5）．列表显示位移结果数据

其操作如下：

GUI：

GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution

查看左侧边上的节点位移是否为零（由于边上所有节点已被固定，所以任意节点的位移均应该为零，这也是验证的一个方面）。

6）．列表显示节点应力值

验证节点应力值是否合理，其操作如下：

GUI：

GeneralPostproc>ListResults>Stress>PrincipalsSPRIN

列表显示分析结果与参考数据相吻合，表明ANSYS分析结果可靠。

7）．列表显示反作用力值

在任何方向上，反作用力总是等于此方向上的载荷总和。

通过显示反作用力可以检验分析结果是否合理，其操作如下：

GUI：

GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolution

实验二平面结构静力有限元分析

一、实验目的：

1、掌握ANSYS软件基本的几何形体构造方法、网格划分方法、边界条件施加方法及各种载荷施加方法。

2、熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。

3、能利用ANSYS软件对平面结构进行静力有限元分析。

二、实验设备：

微机，ANSYS软件。

三、实验内容：

单位厚度的方板中间有一个圆孔（如图所示），平板所用材料的弹性模量为E=107Mpa，泊松比为0.3。

沿圆孔边缘施加P=1Mpa的压力。

分析方板的应力及位移。

r=7mm

a=10mm

四、实验步骤：

1、建立有限元模型。

（1）创建工作文件夹并添加标题；

在ANSYS工作目录下创建一个文件夹，命名为plate，以便用这个文件夹保存分析过程中所生成的文件。

选择Reference菜单，在弹出的对话框中选择结构分析（Structural），取消选择与结构分析无关的选项。

（2）定义几何参数；

为方便起见，以参数化的方式定义方板的1/4模型，即方板的半宽a，圆孔半径r，压力p，材料参数E和υ。

操作GUI:

UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters

依次输入下面的参数：

a=10e-3

r=7e-3

p=1e6

E=1e13

nu=0.3

（3）选择单元；

首先进入单元类型库，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add

在对话框左侧选择Solid选项，在右侧列表中选择Quad4node42选项，然后单击OK按钮。

（4）定义实常数；

选定单元后，根据单元类型定义实常数，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add

（5）定义材料属性；

定义材料属性（弹性模量和泊松比）的操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic

在弹性模量（杨氏模量，Young’smodulusEX）文本框中输入“E”，在泊松比（Poisson’sRatioPRXY）文本框中输入“nu”。

（6）创建实体模型；

由于几何模型、材料参数和载荷均关于水平、竖直中心线对称，所以只需要建立方板的1/4模型即可。

取坐标原点为圆孔中心，建立右上角的1/4模型。

首先由半宽a生成板，然后减去半径为r的1/4圆。

1创建矩形（1/4板）

通过长宽定义矩形，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions

2创建圆面（1/4部分圆）

创建1/4部分圆，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>PartialAnnulus

3从方板中减去圆

通过布尔操作实现面相减，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas

（7）设定网格尺寸并划分网格；

单元及实体模型定义完毕后，划分网格。

首先进入MeshTool对话框，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>MeshTool

1定义网格的单元属性

2设定网格尺寸

通过设定SmartSize值，可让系统自动设定每个边的网格尺寸。

3划分模型网格

4保存数据库

操作GUI:

Toolbar>SAVE_DB

2、施加载荷并求解。

（1）选择分析类型；

选择分析类型为静力分析（Static）。

（2）定义约束；

由于实体模型及载荷约束均对称，所以利用对称性定义约束。

ANSYS提供了专门的设置，以方便设置对称条件，即沿对称轴设置“symmetryboundarycondition”，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C>OnLines

选择底边和左侧边（实体模型的对称线），单击Pick对话框中的OK按钮，则被选中线上沿对称轴显示出小s。

（3）施加载荷；

沿内孔边缘施加均布载荷，操作如下：

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines

为防止出现错误，可检查刚定义的约束是否正确，然后检查载荷施加是否正确。

显示约束的操作为：

GUI:

UtilityMenu>List>Loads>DOFconstraints>OnAllLines

显示模型载荷的操作为GUI:

UtilityMenu>List>Loads>SurfaceLoads>OnAllLines

（4）求解；

求解前查验前面的设置是否完全正确（使用check命令）。

如果分析过程正确无误，则在Output对话框中可以看到“Theanalysisdatawascheckedandnowarningsorerrorswerefound”。

接下来便可开始求解，操作如下：

GUI:

MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS

只有一个载荷步时不需查看/STATUSCommand对话框信息。

单击OK按钮关闭提示开始求解。

求解完后弹出黄色提示对话框：

Soluionisdone!

这时在ANSYS工作目录下生成plate.rst文件，此文件包含结果分析的所有数据。

1、查看分析结果。

进入后处理（POST1）模式，查看分析结果：

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc

（1）查看变形后图形；

这里需要对比变形前后的实体模型，找出变形的最大位置。

显示变形后图形的操作如下：

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape

在弹出的对话框中选择Def+undeformed选项，然后单击OK按钮。

显示变形动画可更精确地了解变形过程，其操作如下：

GUI:

UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>DeformedShape

（2）查看等效应力（NodalSolu）；

通过等效应力等值线图，分析应力分布。

显示等效应力等值线图的操作如下：

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu

从左侧列表中选择Stress选项，从右边列表中选择vonMisesSEQV选项，然后单击OK按钮。

（3）查看等效应力（ElementSolu）；

通过应力在各个单元内部的分布是否均匀判别网格密度是否合理，决定是否需要细化网格。

由于ElementSolution不经过节点插值平滑处理，因此单元内部的应力分布显示得比较清楚。

显示操作如下：

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>ElementSolu

在弹出的对话框的左边列表中选择Stress选项，在右边列表中选择vonMisesSEQV选项，然后单击OK按钮。

以单独单元显示等效应力。

（4）置疑分析结果；

通常采用测定第一主应力sigma1的方法置疑ANSYS分析结果是否合理，具体操作如下：

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>QueryResults>SubgridSolu

系统将弹出QuerySubgridSolutionData对话框，从左侧列表中选择Stress选项，从右侧列表中选择1stprincipalS1，单击OK按钮，将弹出Pick对话框，图形窗口显示了模型任何位置的第一主应力。

单击需要置疑的位置，此位置的第一主应力的坐标及具体应力值显示在Pick对话框中。

五、实验总结：

1、建模：

熟悉基本的建模操作，掌握布尔减操作，能够根据实体建模的需要进行简单的布尔减操作。

2、施加载荷和求解：

掌握定义对称约束和施加均布载荷的操作步骤，可以根据结构及其载荷的分布判断是否可以通过其对称性适当地简化模型。

3、查看分析结果：

掌握显示变形图形和应力等值线图的操作，掌握动画显示参数变化的操作步骤，能够显示变形动画；了解基本的验证技巧，特别是通过网格细化并进行结果对比来验证网格密度是否合理。

上机实验要求：

1）完成2个上机题，并完成一份分析报告。

分析报告中要对所计算的问题和建模过程做简要分析，以图表形式分析计算结果。

2）上交分析报告和2个上机题的日志文件（*.log文件），不要提交.db文件，日志文件要求清楚、简洁。