计算机在材料科学中的应用用Materials Studio计算简单材料的能带 2.docx

1、计算机在材料科学中的应用用Materials Studio计算简单材料的能带 2实验课程名称：计算机在材料科学与工程中的应用 实验项目名称Ansys建模及求解实验成绩实验者张翅腾飞专业班级材科xs1101组别同组者实验日期2014年5月7日第一部分：实验分析与设计（可加页）一、实验内容描述（问题域描述）1、实验目的：创建实体的方法，工作平面的平移及旋转，布尔运算（相减、粘接、搭接，模型体素的合并，基本网格划分，基本加载、求解及后处理。2、实验内容：轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理二、实验基本原理与设计（包括实验方案设计，实验手段的确定，试验步骤等，用硬件逻辑或者算法描述）1.有限

2、元方法的用途结构分析用于确定材料结构的应变、应力及反作用力等有限元方法是处理连续介质问题的一种 普遍方法，离散化是有限元方法的基础。然而，这种思想自古有之。齐诺（Zeno公元前5世纪前后古希腊埃利亚学派哲学家）曾说过：空间是有限的和无限可分的。故，事物要存 在必有大小。亚里士多德(Aristotle古希腊大哲学家，科学家)也讲过：连续体由可分的 元素组成。古代人们在计算圆的周长或面积时就采用了离散化的逼近方法：即采用内接多 边形和外切多边形从两个不同的方向近似描述圆的周长或面积，当多边形的边数逐步增加 时近似值将从这两个方向逼近真解。2.有限元法求解的步骤（原理上求解） （1）将结构划分成单元

3、结合体离散化 （2）建立单元上各种量之间的关系单元特性分析 （3）将单元特性进行集成，获得结构的整体特性和平衡方程整体分析 （4）解代数方程组求节点位移求解单元应力应变3.本次实验采用Ansys软件来进行轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理，具体实验步骤如下：（1） 创建基座模型 a、生成长方体操作：Main Menu：Preprocessor-Create-Block-By Dimensions，输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3；b、平移并旋转工作平面操作：Utility Menu-WorkPlane-Offset WP by Increments，X

4、,Y,Z Offsets 输入2.25,1.25,.75点击Apply，XY，YZ，ZX Angles输入0，90点击OK；c、创建圆柱体操作：Main Menu：Preprocessor-Create-Cylinder- Solid Cylinder，Radius输入0.75/2, Depth输入1.5,点击OK；d、拷贝生成另一个圆柱体操作：Main Menu：Preprocessor-Copy-Volume拾取圆柱体,点击Apply, DZ输入1.5然后点击OK；e、从长方体中减去两个圆柱体：Main Menu：Preprocessor-Operate-Subtract Volumes首

5、先拾取被减的长方体，点击Apply,然后拾取减去的两个圆柱体，点击OK；f、使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致操作：Utility Menu-WorkPlane-Align WP with- Global Cartesian；获得如下图所示图形：(2) 创建支撑部分：a、Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle on)，b、Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z，c、在创建实体块的参数表中输入下列数值: WP

6、X = 0 WP Y = 1 Width = 1.5 Height = 1.75 Depth = 0.75然后点击OK，d、Toolbar: SAVE_DB，防止误操作导致文件丢失；第2步走之后获得如下图形：(3) 偏移工作平面到轴瓦支架的前表面：a、Utility Menu: WorkPlane - Offset WP to - Keypoints + 1. 在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点2. OKb、Toolbar: SAVE_DB获得如下图形：(4) 创建轴瓦支架的上部：a、Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cy

7、linder - Partial Cylinder +1). 在创建圆柱的参数表中输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Rad-1 = 0 Theta-1 = 0 Rad-2 = 1.5 Theta-2 = 90 Depth = -0.752). OKb、Toolbar: SAVE_DB 获得如下图形：(5) 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备：a、Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder +1.) 输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Ra

8、dius = 1 Depth = -0.18752.) 拾取 Apply3.) 输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 0.85 Depth = -24.) 拾取 OK如下图所示：(6) 从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔：a、Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes +1. 拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布尔“减”操作的母体，单击Apply；2. 拾取大圆柱作为“减”去的对象，单击Apply；3. 拾取步1中的两个体，单击Apply4. 拾取小圆柱体，单击OKb、Toolbar:

9、 SAVE_DB获得如下图形：c、合并重合的关键点：Main Menu - Preprocessor - Numbering Ctrls - Merge Items，将Label 设置为 “Keypoints”, 单击 OK(7) 创建一个关键点a、在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点:Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Keypoints KP between KPs +b、拾取如图的两个关键点,单击OKc、RATI = 0.5,单击OK步骤示意图如下所示： (8) 创建一个三角面并形成三棱柱：a、Main Menu - Preproces

10、sor - -Modeling- Create - -Areas- Arbitrary - Through KPs +1. 拾取轴承孔座与整个基座的交点。2. 拾取轴承孔上下两个体的交点3. 拾取基座上上步建立的关键点，单击OK完成了三角形侧面的建模。4 沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。（1）Main Menu - Preprocessor - -Modeling- Operate - Extrude - -Areas- Along Normal +（2）拾取三角面, 单击 OK5. 输入DIST = -0.15，厚度的方向是向轴承孔中心, 单击 OKb、Toolbar: SAVE_DB如

11、下图所示：(9) 关闭 working plane display：Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off)(10) 沿坐标平面镜射生成整个模型：a、Main Menu: Preprocessor - Modeling-Reflect - Volumes +1. 拾取All2. 拾取 “Y-Z plane，单击OKb、Toolbar: SAVE_DB如下图所示：(11) 粘接所有体：a、Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Volu

12、mes +拾取 AllToolbar: SAVE_DB如下图所示：(12) 定义单元类型1为10-节点四面体实体结构单元 (SOLID92)：a、Main Menu: Preprocessor - Element Type - Add/Edit/Delete .1. Add2. 选择 Structural-Solid, 并下拉菜单选择 “Tet 10Node 92”单击OK3. Close(13) 定义材料特性：a、Main Menu: Preprocessor - Material Props -Constant Isotropic.1. OK (将材料号设定为 1)2. 在 “Youngs

13、 Modulus EX” 下输入：30e6单击OK。b、Toolbar: SAVE_DB(14) 用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元：a、Main Menu: Preprocessor - MeshTool.1将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on”2. 将滑动码设置为 “8” (可选: 如果你的机器速度很快，可将其设置为“7”或更小值来获得更密的网格)3. 确认 MeshTool的各项为: Volumes, Tet, Free4. MESH5. Pick All说明: 如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”。 划分网格时网格密

14、度可由滑动码控制，滑动码的调节范围从0-10，当数值较大时网格稀疏，反之，网格加密。 6. 关闭 MeshToolb、Toolbar: SAVE_DB(15) 约束四个安装孔：a、Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement -Symmetry B.C.-On Areas +1. 绘出 Areas (Utility Menu: Plot- Areas)2. 拾取四个安装孔的8个柱面 （每个圆柱面包括两个面） 说明：在拾取时，按住鼠标的左键便有实体增亮显示，拖动鼠标时显示的实体随之改变，此时松开左键即选中此实体。单击OK。

15、(16)整个基座的底部施加位移约束 (UY=0)Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement - on Lines +1.拾取基座底面的所有外边界线，picking menu 中的 “count” 应等于 6，单击OK。2.选择 UY 作为约束自由度，单击OK(17) 在轴承孔圆周上施加推力载荷：a、Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1.拾取轴承孔上宽度为 .15”的所有面 2.OK3.输入面上的压力值“1000 ”，单

16、击 Apply4Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 5用箭头显示压力值， (“Show pres and convect as”)，单击OK(18) 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷，这个载荷是由于受重载的轴承受到支撑作用而产生的。a、While still in - LoadsApply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取宽度为.1875” 的下面两个圆柱面2. OK3. 输入压力值 50004. OKb、Toolbar: SAVE_DB(19) 求解：a、Main Menu: Solution - Solve-C

17、urrent LS1.浏览 status window 中出现的信息, 然后关闭此窗口。2.OK (开始求解). 关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。3.求解结束后，关闭信息窗口。(20) 绘等效应力 (von Mises) 图;a、Main Menu: General Postproc - Plot Results - Contour Plot-Nodal Solu1.选择 stress2.选择 von Mises3.OK(21) 应力动画：a、Utility Menu: PlotCtrls - Animate - Deformed Results .1.选择 stress2.选择 von

18、 Mises3.OKb、播放变形动画, 拾取MediaPlayer的 “” 键。(22) Exit.Toolbar: QUIT1.Save Everything2.OK第二部分：实验调试与结果分析（可加页）三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）1、实验数据记录（1）下图所示为等效应力图：（2）下面三个图为变形动画播放过程中的截图： 2、实验过程中遇到的问题： （1）第六步中应该先减去小圆再减去大圆，不能同时操作。 （2）第八步中创建一个三角面并形成三棱柱，要注意三棱柱厚度的方向，应当朝内。 （3）第十七十八步应当注意力的方向以及施力的位置。四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）1、结果描述：a、应力施加后物体的最大位移Dmax=0.001895mm；b、应力最大的位置位于轴承孔的下部分，最大应力为Smx=15813MPa；c、应力最小的位置位于基座的上顶角处，最小应力为Smn=67.352MPa。