有限元课程设计0001.docx

1、有限元课程设计0001有限元课程设计 0.前言 目前，几乎所有高校的力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等理工科专业，都为高年级本科生开设了有限元方法基础课程，为研究生开设了非线性有限元方法学位课程。学生在学习完有限元课程之后，还必须熟练掌握相关有限元软件的使用，才能将有限元基本理论有效地应用到实际工程问题分析中去。为此，部分有条件的高校也开设了有限元软件应用课程（课程名称可能会因学校及专业的不同而有所差异，但都是以讲解有限元软件ANSYS或其他软件为主）。哈尔滨工业大学航天学院工程力学专业20世纪90年代末即开设了该类课程应用软件工程-ANSYS，作者从2003年开始接手讲授

2、该门课程。虽然市面上的ANSYS书籍很多，但却难以找出一本非常适合做教材的书籍，因此作者参考多本书籍自主编写了校内讲稿。经过6年多的试用，目前已基本成型，现将多年的校内讲稿和心得体会完善成书，以期与开设该类课程的兄弟院校分享、共勉，同时也供从事相关科研与工程项目的人员参考阅读。ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，其极强的分析功能覆盖

3、了几乎所有的工程问题。作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准，目前几乎所有的CAD/CAE/CAM软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本，目前最新的版本为12.0。本书以ANSYS 12.0版本为依据，以Windows NT为操作平台，将结构有限元分析的基本理论与ANSYS实践操作紧密结合，通过大量精心筛选的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面和命令流两种方式向读者全面介绍了ANS

4、YS结构有限元分析方法。1.问题阐述 外伸梁上均布载荷的集中度为q=3kN/m，集中力偶矩Me=3kNm列出剪力方程和弯矩方程，并绘制剪力图 。 长度 l=8m；宽度 b= 2m；厚度 h=0.5m弹性模量=2.06e11 材料力学（刘鸿文 第四版） P121 用材料力学计算所得剪力和弯矩图如下：图2-1 剪力图图2-2 弯矩图2.有限元分析 2.1.梁的参数设定 长度 l=8m； 宽度 b= 2m； 厚度 h=0.5m 2.2.材料参数 材料特性应理想条件，即：满足完全弹性假定，连续性假定，均匀性假定，各向同性假定的理想弹性体。所以，选择弹性模量为2.06e11泊松比选择 u=0.2 2.3

5、.单元选择 由于梁只受均布载荷和弯矩，所以我们择2维的单元。BEAM3单元，运用于 2维问题，具有拉，压，弯特性，在每个节点上有3个自由度X,Y方向位移以及 绕z轴的旋转。选择BEAM单元家族中的2D elastic3类型。即为二维梁单元。根 据梁的几何参数，所以参数定义为：AREA=1，IZZ=0.020833,HEIGHT=0.5。 2.4.梁的边界条件 在节点A处梁受X,Y两个方向的约束；节点B受只受Y方向的约束。 2.5.梁所受的载荷 CD之间作用着均布载荷q=3kN/m，在节点D处作用着集中力偶Me=3kNm， 方向为顺时针方向，所以为负值。 2.6.ANSYS软件应用说明 由以上分

6、析可知，在X2处，有一个X和Y方向的约束，在0到6的 梁上作用着大小为3KN/m均布载荷，而x=6m处还作用着一个力偶Me=3kNm. X=8m处有一个固定端，只限制Y方向上位移。 集中力载荷的作用点一般分布在载荷强度的突变点，分布载荷与自由边界的 分界点，支承点等都应该取为节点。 所以将X=0,X=2,X=6,X=8设置为节点，节点 均布，将梁划分为16个单元，17个节点。3.交互式的求解过程 3.1创建梁的各个节点1给梁的各参数赋值: Utility Menu：ParametersScalar Parameters界面，在Selection下输入梁高H=0.5按下Accept；输入梁宽B=

7、2Accept；梁长L=8Accept；计算梁的横截面积AREA=B*HAccept；计算梁的截面惯性矩IZZ=B*H*H*H/12Accept；然后定义载荷：弯矩M=-3000Accept；均布载荷Q=3000Accept；Close. 2. Main Menu：PreprocessorModelingCreateNodeIn Active CS。3. 在创建节点窗口内，在NODE后的编辑框内输入节点号1，并在X，Y，Z后的编 辑框内输入0，0，0作为节点1的坐标值。4. 按下该窗口内的Apply按钮。5. 输入节点号17，并在X，Y，Z后的编辑框内输入L，0，0作为节点17的坐值。6. 按

8、下OK按钮。7. Main Menu：Preprocessor-Modeling-CreateNodeFill between Nds。 8. 在图形窗口内，用鼠标选择节点1和17。9. 按下Fill between Nds窗口内的Apply按钮。 10. 按下OK按钮，完成在节点1到节点17之间节点的填充。 2. 显示各个节点1Utility Menu：PlotctrlsNumberings2将Node numbers项设置为On。3Utility Menu：PlotNodes4Utility Menu：ListNodes5对出现的窗口不做任何操作，按下OK按钮。6浏览节点信息后，关闭该信息

9、窗口。3.2定义单元类型、材料特性和梁的横截面几何参数 1. 定义单元类型1Main Menu：PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete2按下Element Type窗口内的Add按钮。3在单元类型库中，选择左侧列表中的BEAM单元家族，及右侧列表中2D elastic 3类型。4按下OK按钮完成选择。5按下Close按钮关闭Element Type窗口。 2. 定义材料特性1Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMaterial Models。2在材料定义窗口内选择：StructuralLinearElasticIsot

10、ropic。3在EX后的文本框内输入数值2.06e11作为弹性模量。4按下OK按钮完成定义。 3. 定义梁的横截面几何参数1Main Menu：PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete。2按下Real Constants窗口内的Add按钮。3按下Real Constants for Element Type窗口内的OK按钮。4依次输入1,AREA,IZZ,H。5按下OK按钮完成定义。6按下Real Constants窗口内的Close按钮。 3.3创建单元 1. 创建单元1Main Menu：PreprocessorCreateElementsAuto

11、-NumberedThru Nodes。2在图形窗口内，用鼠标点选节点1和2。3按下按下OK按钮完成单元1的定义。4Main Menu：PreprocessorModelingCopyElementsAuto-Numbered。用光标选择单元1，然后点Apply。5在ITIME后的编辑框内输入16（包括被复制的单元1）作为要复制的单元总数。6按下OK按钮完成单元2到单元16的定义。 2. 显示单元信息1. Utility Menu：PlotCtrlsNumberings2. 在第一个下拉列表中，选择Elements numbers选项。3. Utility Menu：PlotElements4

12、. Utility Menu：ListElementsNodes+Attributes5. 浏览单元信息后，关闭该窗口。 4.施加约束和载荷 4.1节点自由度约束1Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructural Displacement On nodes。2用鼠标在图形窗口内选择节点5。3按下选择窗口内的Apply按钮。4选择自由度UX和UY，并在VALUE后为其输入数值0。5按下Apply按钮。6用鼠标在图形窗口内选择节点17。7按下选择窗口内的Apply按钮。8选择自由度UY，并在VALUE后为其输入数值0。9按下OK按钮。 4.2 施加节点1

13、3处的弯矩m。1Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/Moment On nodes。2用鼠标在图形窗口内选择节点13。3按下选择窗口内的Apply按钮。4在第一个下拉列表中选择MZ，并在下面的文本框内输入其值M（逆时针为正方向）。5按下OK按钮。 4.3 施加单元1到单元12上的的分布载荷q。1Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructural Pressure On Beams。2用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元12。3按下选择窗口内的Apply按钮。4在LKEY后的文本框内输入数值

14、1。5在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入Q，6按下OK按钮。5.求解5.1定义分析类型1Main Menu：Solution Anslysis Type New Analysis。2选中Static选项。3按下OK按钮。5.2求解1Main Menu：Solution SolveCurrent Ls。2按下OK按钮关闭Solve Current Load Step窗口。3按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。4浏览/STATUS Command窗口内的信息后，将其关闭。6.后处理6.1绘制梁的Y方向变形图1Main Menu：General PostprocP

15、lot ResultsContour Plot Nodal Solu. 2选择DOF Solution下的Y-Component of displacement在Undisplaced shape key 后选择Deformed shape with undeformed edge OK6.2 建立单元结果表 1. 创建单元表，计算节点弯矩。1Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2按下Element Table Data窗口内的Add按钮。3在Lab后的文本框内输入IMOMENT。4在左侧列表中选择By sequence nu

16、m项。5右侧列表中选择SMICS，项。6在右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入6。7按下Apply按钮。8. 在Lab后的文本框内输入JMOMENT。9. 重复上面的步骤4和5。10右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入12。11按下OK按钮Close。2. 创建单元表，计算节点剪力1Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2按下Element Table Data窗口内的Add按钮。3在Lab后的文本框内输入ISHEAR。4在左侧列表中选择By sequence num项。5右侧列表中选择SMICS，项。6右侧列表下的文本

17、框内SMICS后面，输入2。7按下Apply按钮。8在Lab后的文本框内输入JSHEAR。9重复上面的步骤4和5。10右侧列表下的文本框内SMICS后面，输入8。11按下OK按钮Close。6.3 结果显示 1. 列出各节点弯矩和剪力1Main Menu：General PostprocList ResultsEleme Table Data。2在List Element Table Data窗口内选择IMOMENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。3按下OK按钮并在浏览资料窗口内的信息后，将其关闭。 2. 画剪力图1Main Menu：General PostprocPlot R

18、esultsContour Plot Line Elem Res2在第一个下拉列表中选择ISHEAR，在第二个下拉列表中选择JSHEAR。3按下ok按钮。 剪力图： 3. 画弯矩图1Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2在第一个下拉列表中选择IMOMENT，在第二个下拉列表中选择JMOMENT。3按下OK按钮。弯矩图：7.退出程序Toolbar：Quit。选择Quit-No Save！按下OK按钮。心得体会通过本次课程设计，我们不仅加深了对现代机械设计方法这门课程的基本知识的了解，更加了解的了有限元法在实际问题中的应用，应用AN

19、SYS软件进行有限元分析，能够精确的观察出模型各个微元部分所收的应力或者形变等等。使我们意识到了有限元分析在现代机械设计中的强大功能与作用。通过对数学模型的实际优化，了解了优化方法在实际问题中的应用，也了解了各种方法的有点与缺点，对以后的学习工作奠定基础，使我们了解到理论与实际联系的重要性，增加了我们的学习兴趣，这次课程设计让我懂得很多有限元知识，对ANSYS软件更加深入的了解。 参考文献 1 现代机械设计方法/倪洪启，古耀新主编。北京：化学工业出版社，2008.22 材料力学/刘鸿文主编.-4版.-北京：高等教育出版社，2004.1（2008 重印）3 C程序设计/谭浩强著.-3版:北京：清华大学出版社，2005（2007重印） 4 孙靖民主编. 现代机械设计方法.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003