精品版有限元综合课程设计.docx

1、精品版有限元综合课程设计目录1. 用AtuoCAD绘制加农炮身管并标注尺寸 01.1 绘制炮身结构 01.2 100mm加农炮身管说明 01.3 在绘制过程中应注意的问题 12. 利用AutoCAD绘制加农炮身管截面图 13. 问题分析 13.1 100mm火炮身管静态受力分析 13.2 确定问题的范围 24. 建立有限元模型 24.1 设定分析作业名、标题以及导图模型 24.2 定义单元类型 44.3 定义材料属性 64.4 网格划分 75. 加载以及求解 105.1 添加约束位置 105.2 施加载荷 105.3 加载完成 115.4 求解 116. 后处理 126.1 查看变形图 126

2、.2 查看应力 166.3 查看三维立体图 197. 结论 218. 参考文献 221. 用AtuoCAD绘制加农炮身管并标注尺寸1.1 绘制炮身结构由提供的100mm加农炮身管结构图，应用AutoCAD2012软件采用第一角投影法，严格按照GB 14665-2012机械工程 CAD制图标准规定制图，炮身零件工程图见附录附录一。 1.2 100mm加农炮身管说明（1）图纸名称：100mm加农炮身管图；（2）绘图比例：1:20； （3）数量：1 ；（4）绘图方法：半剖式。1.3 在绘制过程中应注意的问题（1）绘图前先设置图限、图层；（2）不同类型的对象绘制在不同的图层上，利于以后修改；（3）设置

3、线宽显示比例，使粗细线显示协调；（4）内螺纹的大径为细实线，小径为粗实线；（5）标注前先设置标注样式，包括非圆直径、角度、标准标注等；（6）将图形缩小到A4图纸后，应注意放大线宽。2. 利用AutoCAD绘制加农炮身管截面图建立有限元模型有两种方法，输入法和创建法。输入法是直接输入由其他CAD软件创建好的实体模型，创建法是在ANSYS中从无到有地创建实体模型，两者并不是完全分开的。但由于ANSYS在创建模型是过于繁琐，本次课程设计采用输入法建立有限元模型。利用AUTOCAD2012,以y轴为火炮身管的对称轴绘制截面图的右侧部分，并利用CAD中面域功能将所绘制的图形面域化。将上述绘制好的图形以“

4、SAT”文件格式导出 ,保存并命名。3. 问题分析3.1 100mm火炮身管静态受力分析身管的材料参数为：弹性模量E=207GPa,泊松比u=0.3。该模型后端施加X轴方向固定位移约束以及从坡膛到身管尾部的Y轴位移约束，在身管的膛底和坡膛之间内侧表面垂直内表面方向上施加183MPa的均布载荷。模型如图3-1所示。图3-13.2 确定问题的范围在对问题有了初步了解以后，进一步要弄明白问题涉及的领域，即确定问题的范围。对问题分析可知本问题属于结构力学领域中的静态分析问题且在材料变形的线性变形的范围内。4. 建立有限元模型建立模型包括设定分析作业和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；导入几何模

5、型；划分有限元网格。其具体步骤为：4.1 设定分析作业名、标题以及导图模型在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析，热分析，流体分析，电磁场分析等），ANSYS所用的主菜单的内容不尽相同，为此，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。a. 定义工作标题和更改储存路径:打开ANSYS 14.0 Mechanical APDL Product Launcher,出现如下如图4-1所示的对话框，定义工作标题和更改储存路径。图4-1b. 导入模型及修改文件名：执行F

6、ile-ImportSAT浏览上述模型，如图4-2所示；执行File-Change Tile,如图4-3所示；模型图如下图4-4所示。图4-2图4-3图4-4c. 定义分析类型：执行Main Menu-Preferences,选择结构分析，如图4-5所示。图4-54.2 定义单元类型在进行有限元分析时，首先应该根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。本次选用四节点四边形板单元PLANE182。PLANE182不仅可用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。单元类型对话框如图4-6所示。图4-6a. 定义单元类型：执行Main Men

7、u-Preprocessor-Element Type-Add，弹出Library of Element Types对话框，选择固体下4节点182单元，如图4-7所示。图4-7b. 单元行为方式选择：单击option按钮，打开如图4-8所示的对话框，在Element behavior项选择Axisymmetri（轴对称）。图4-84.3 定义材料属性本次选用的单元类型不需要定义实常数，故直接定义材料属性。a. 依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic,如图4-9所示。展开材料属性的树形结构，打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图4-10所

8、示，在对话框的EX文本框中输入弹性模量2.07e11，在PRXY文本框中输入泊松比0.3。图4-9图4-10b. 依次Structural-Density,打开材料密度定义对话框如图4-11所示。图4-114.4 网格划分a. 执行Main Menu-Preprocessor-meshing-Mesh Tool命令，打开Mesh Tool(网格工具)，如图4-12所示。图4-12b. 自定义网格大小：点击lines域的set按钮，出现对话框如图4-13所示，要求选择定义单元个数的线，在模型图上选择炮膛内壁的线；接着在对话框中点击Apply,出现如图4-14所示的对话框，在单元数目该项上输入60

9、，点击Apply，再次选择坡膛内壁的线，点击Apply，输入40，其余地方选取30个单元，最后点击OK。图4-13图4-14c. 在Mesh栏中选择选择默认选项，点击Mesh按钮，出现如图4-13的对话框，在对话框中选择Pick All，ANSYS将按照对线的控制进行网格的划分，划分后的结果如图 4-15所示。图4-155. 加载以及求解5.1 添加约束位置执行Main menu-Solution-Define Load-apply-structural-Displacement-on Lines出现选择对话框，选择最下端的线，单击OK按钮出现Apply U,ROT on Lines对话框，选

10、择UY，添加炮管在Y方向的约束，如图5-1所示。图5-15.2 施加载荷执行Main menu-Solution-Define Load-apply-structural-Pressure-on lines，打开选择线对话框，选择身管的坡膛到身管尾尾内侧表面线，单击OK按钮，出现Apply PRES on lines对话框,如图5-3所示，在Load PRES value文本框中输入均布载荷，大小为1.83e8，单击OK按钮施加均布载荷。图5-35.3 加载完成加载以及施加约束后的模型图如图5-4所示。图5-45.4 求解执行Main menu-Solution-Solve-Current L

11、S,出现对话框，依次点击OK进行求解，直至出现如图5-5所示的对话框，求解完成！图5-56. 后处理求解完成后，就可以利用ANSYS软件生成的结果文件（对于静力分析，就是Jobname.RST）进行后处理。静力分析中通常通过POST1后处理器就可以处理和显示大多数兴趣的结果数据。6.1 查看变形图关键的变形为径向变形，在高膛压下膛底至坡膛处径向产生过大变形，可能导致身管破裂。a. 执行ANSYS Main Menu-General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu出现Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点

12、数据）对话框，如图6-1所示。图6-1b. Item to be contourd（等值线显示结果项）域中选择DOF solution（自由度解）选项，在列表中选择X-Component of displacement（X向位移）选项，此时，X向位移即为径向位移。选择Deformed shape with undeformed edge（变形后和未变形轮廓线）选项，如图6-2所示。图6-2c. 单击OK按钮，在图形窗口中显示变形图，包含变形前的轮廓线，X向位移图如图6-2所示。图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。其局部放大图如图6-3所示。图6-2 X向位移图6-3 X向位移局部放大d. 用

13、同样的方法显示Y向位移，其位移图和局部放大图如图6-4、6-5所示。图6-4 Y向位移图6-5 Y向位移局部放大6.2 查看应力火炮身管膛内压力垂直于内表面，主要应力也是径向应力。a. 与查看应变类似，执行：Main Menu-General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal命令对话框，打开Contour Nodal Solution Nata（等值线显示节点解数据）对话框。b. 在Item to be contourd（等值线显示结果项）域中选择DOF solution（自由度解）选项，在列表中选择X-Component of stress（X

14、向应力）选项。c. 选择Deformed shape with undeformed edge（变形后和未变形轮廓线）选项，如图6-6所示：点击OK,即可查看其X向应力图。X向应力图及其局部放大图如6-7、6-8所示。图6-6图6-7 X向应力图6-8 X向应力局部放大d. 用同样的方法查看模型的Y向应力图及其局部放大图如图6-10、6-11所示。图6-10 Y向应力图6-11 Y向应力局部放大6.3 查看三维立体图a. 从应用菜单中选择Utility Menu：PlotCtrls-Style-Symmetric Expansion-2D AxiSymmetric命令，打开2D Axi-Sym

15、metric Expansion对话框，如图6-12所示。图6-12b. 在Select expansion anount栏中选择Full expansion,点击OK,得到如图6-13所示的整体图。图6-13 整体图c. 在Select expansion anount栏中选择3/4 expansion，点击OK，得到如图6-14所示的3/4整体图。图6-14 3/4整体图7. 结论通过上述位移图分析可得，身管X方向的最大位移为0.011732mm,通过上述应力图分析可得，最大应力为298MPa,小于身管的屈服极限620MPa.，身管满足强度要求。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法

16、计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题，但是建模功能方面不是很强大。因此，一般都是在AUTOCAD中建模，然后再导入ANSYS分析。8. 参考文献1徐次达,华伯浩.固体力学有限元理论、方法及程序.北京：水利电力出版社，1989.2赵均海、汪梦甫.弹性力学及有限元.第二版.武汉：武汉理工大学出版社，2008.3丁茹、李丽丽.工程制图AtuoCAD实训教程.北京：北京邮电大学出版社，2011.4刘勇.大学计算机基础.第二版.北京：清华大学出版社，2013.5姜弘道,陈和群.有限单元法的程序设计.北京：水利电力出版社，1983.6胡仁喜，徐东什，李亚东.ANSYS 13.0机械与结构有限元分析从入门到精通.北京：机械工业出版社，2011.