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ansys简单模型分析方法


1.1 弹性力学平面问题的分析——带孔平板的有限元分析 弹性力学平面问题的分析——
1、分析的物理模型 分析结构如下图 1-1 所示。

图 1-1

平面问题的计算分析模型

2、ANSYS 分析单元设置

单元设置如下图 1-2 和图 1-3 所示。

图 1-2 单

元设置

图 1-3 单元行为选项设置
1

3、实常数设置

设置平面问题的厚度为 1,过程如下图 1-4 所示。

图 1-4 实常数设置

4、材料属性设置

材料的弹性模量和泊淞比设定如下图 1-5 所示。

图 1-5 材料模型

5、几何建模

先创建一个矩形如下图 1-6 所示,然后再创建一个圆如图 1-7 所示。

2

图 1-6 矩形创建

图 1-7 创建圆

进行布尔运算,先选取大的矩形,然后再选取小圆,之后完成布尔减运算,其过程如下 图 1-8 所示。

选取矩形
3

选取小圆 图 1-8 执行布尔减运算

运算后结果

6、网格划分 按如下图 1-9 所示完成单元尺寸设置,设置每个边划分 4 个单元。之后,按 图 1-10 所示完成单元划分。

图 1-9 单元尺寸设置

图 1-10 单元划分
4

7、模型施加约束和外载 约束施加:先施加 X 方向固定约束如图 1-11 所示,再施加 Y 向位移约束如图 1-12 所示。

图 1-11 施加 X 方向位移约束

图 1-12 施加 Y 方向位移约束

施加外载

5

图 1-13 施加外载荷

图 1-14 求解

8、结果后处理 查看受力后工件所受 X 方向应力和等效应力分布情况。

图 1-15 后处理节点结果应力提取
6

图 1-16 X 方向应力 Mpa

图 1-17 米塞斯等效应力 Mpa

1.2 弹性力学平面问题的分析——无限长厚壁圆筒 弹性力学平面问题的分析——
问题描述: 受载前 R1=100mm, R2=150mm, 一无限长厚壁圆筒,如图 1 所示, 内外壁分别承受压力 p1=p2=10N/mm2。 E=210Gpa,?=0.3 。取横截面八分之一进行计算,支撑条件及网格划分如下图 2 所示。求圆筒内外半径的
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变化量及节点 8 处的支撑力大小及方向。

图1 此问题是弹性力学中的平面应变问题。 一、选择图形界面方式 ANSYS main menu>preferences>structural

图2

可以不选择图形界面方式。 二、实体建模 1)生成八分之一圆环。 ANSYS main menu >preprocessor >modeling >create >areas >circle >partial annulus 在弹出的 part annular circ area 控制面板中 rad-1 域中填入 100,在 rad-2 域中填入 150,在 theta-2 域中填入 45,点击 OK 退出。 在图形界面上生成八分之一圆环。

8

2)存储文件 ANSYS toolbar>SAVE_DB。 三、划分有限元模型。 1)选择单元类型 因是平面应变问题,故可选 42 号(plane42)单元。 main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete>add>solid>quad 4node 42,点击 OK 退出。

2)设置单元关键字以控制单元行为。 ANSYS main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete>options 在弹出的界面中找到 element behavior(k3) 右边的下拉复选框,选择 plane strain 项,点击 OK 退出。

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3) 定义材料参数 ANSYS main menu >preprocessor >material props >material models

在弹出的“Define Material Model Behavior”界面中双击 structural>linear>elastic>isotropic 在弹出的界面中 EX 项填入 2.1e5, PRXY 中填入 0.3, 点击 OK 退回到 “Define Material Model Behavior” 界面。选择 material >exit 退回主界面。

4) 设置网格划分尺寸 打开 meshtool 控制面板
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ANSYS main menu >preprocessor >meshing >meshtool 在打开的 meshtool 控制面板中,在 lines 域中点击 set 按钮。

在弹出 element size on picked lines 控制面板中点击 pick all 按钮,在弹出的界面中 NDIV 域中填入 2, 点击 OK 退出。观察图形的变化。

5) 划分单元 回到在 meshtool 控制面板,选中 shape 域中的 Tri 和 Mapped 的情况下点击 mesh 按钮,在左边弹 出的 mesh areas 控制面板中点击 pick all 按钮,划分完毕。

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6)存储文件 ANSYS toolbar>SAVE_DB 四、施加边界条件及加载 1) 施加水平面上的边界条件 ANSYS main menu >solution >define loads >apply >structural >displacement >on nodes 这时会弹出 apply u,rot on nodes 控制面板。

用鼠标依次拾取水平面上的三个节点,然后点击控制面板上的 OK 按钮,在弹出的界面文本框中 点击 UY,使其高亮显示,点击 OK 按钮,观察图形的变化,水平面上的三个节点的 Y 向位移被 约束住。 2) 施加 45 度面上的边界条件 为使 45 度面上的节点沿周向约束住, 需旋转该面上三个节点的节点坐标系。 节点坐标系沿 Z 轴旋 转 45 度。 ANSYS main menu >preprocessor >modeling >create >nodes >rotate node cs >by angles 用鼠标选取 45 度面上的一个节点, 点击控制面板上的 apply, 弹出 rotate node by angles 控制面板。

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在弹出的界面中的 THXY 中填入 45,点击 OK 退出。用同样的方法将其它两个节点的节点坐标系 也旋转 45 度。 就可以施加周向边界条件了 ANSYS main menu >solution >define loads >apply >structural >displacement >on nodes 用上步的同样的方法,约束 45 度面上的 UY,观察水平面上的三个节点和 45 度面上的三个节点, 同样都是约束 UY,但方向却是不一样。 3) 加载 a) 对内壁加载 ANSYS main menu >solution >define loads >apply >pressure >on lines 用鼠标拾取内壁的线,点击 apply 按钮,弹出 apply pres on lines 控制面板。

在弹出的界面中 load pres value 域中填入 10,点击 OK 退出。模型上出现两个红色的箭头,代表 力已经加上。 b) 外壁加载 用上步同样的方法。 4)存储文件 ANSYS toolbar>SAVE_DB。 五、计算求解 ANSYS main menu >solution >analysis type >new analysis 确定计算类型。 ANSYS main menu >solution >current ls>ok 进行计算之前,会进行模型检查并给出相关提示。

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六、结果后处理 1)求号节点的支反力。 Utility menu>list>results>reaction solution>ALL items>OK

列表显示出所有约束节点的支反力,8 号节点的支反力为:FX=0,FY=250。

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2)求内外半径的变化 Utility menu>list>results>nodal solution>DOF solution>ALL DOFs>OK

外径的变化:-0.0037143mm 内径的变化:-0.0024762mm

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3) 显示圆筒的变形 用色块图(云纹图)方式显示圆筒的变形。

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1.3 弹性力学平面轴对称问题的分析——受内压作用的球体 弹性力学平面轴对称问题的分析——
计算分析模型如图 3-1 所示, 习题文件名: sphere。

承受内压:1.0e8 Pa

R1=0.3 R2=0.5

图 3-1 受均匀内压的球体计算分析模型(截面图)

3.1 进入 ANSYS
程序 → ANSYSED 6.1 → Interactive → change the working directory into yours → input Initial

jobname: sphere→Run 3.2 设置计算类型
ANSYS Main Menu: Preferences… →select Structural → OK

3.3 选择单元类型
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete → Add → select Solid Quad

4node 42 →OK (back to Element Types window) → Options… →select K3: Axisymmetric →OK→Close
(the Element Type window)

3.4 定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Structural → Linear → Elastic →Isotropic →input EX:2.1e11, PRXY:0.3 → OK
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3.5 生成几何模型 生成特征点 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入四 个点的坐标:input:1(0.3,0),2(0.5,0),3(0,0.5),4(0,0.3) →OK 生成球体截面 ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Spherical →ANSYS Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Lines → In Active Coord → 依 次 连 接 1,2,3,4 点 → OK → Preprocessor → Modeling → Create → Areas → Arbitrary → By Lines → 依 次 拾 取 四 条 边 → OK → ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Cartesian

3.6 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) lines: Set →拾取两条直 → 边:OK→input NDIV: 10 →Apply→拾取两条曲边:OK →input NDIV: 20 →OK →(back to the mesh tool → → window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Mapped →Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close( the Mesh Tool window)

3.7 模型施加约束 给水平直边施加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement →On Lines →拾取水平边:Lab2: UY → OK, : ,

给竖直边施加约束

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ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement Symmetry B.C. →On Lines →拾取竖直边 →OK

给内弧施加径向的分布载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Lines →拾 取小圆弧;OK →input VALUE:100e6 →OK

3.8 分析计算 ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK

3.9 结果显示 ANSYS Main Menu: General Postproc → Plot Results → Deformed Shape… → select Def + Undeformed →OK (back to Plot Results window) →Contour Plot →Nodal Solu… →select: DOF solution, UX,UY, Def + Undeformed , Stress ,SX,SY,SZ,Def + Undeformed→OK →

3.10 退出系统

ANSYS Utility Menu: File→ Exit…→ Save Everything→OK → → →

1.4 梁的受力与变形分析
例题 1 问题描述: 由工字钢构成的简支粱的支承和载荷分布如图所示,参数如下表所示。求支点反力、粱在中间截面处 的最大应力和挠度。 材料参数 E=200000Mpa 几何参数 l=4000mm a=2000mm
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载荷 w=200 Mpa (N/mm)

μ=0.3

h=600mm A=20000mm2 Iz=1280000000mm4

简支粱受力与网格划分示意图 计算步骤 一、建立几何模型 生成代表简支粱的直线段。 a)生成线段的端点 main menu >preprocessor >modeling >create >keypoints >in active cs 在 NPT 域输入关键点(keypoint)编号,分别为 1、2。 在 X,Y,Z Location in active CS 域输入坐标:关键点 1(0,0,0) ,关键点 2(8000,0,0) 。

b)连接端点生成直线段 main menu >preprocessor >modeling >create >lines >lines >straight line 用鼠标选取两个关键点后,按“Apply” 。 二、建立有限元模型 1)选择单元 main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete 如果未选择单元,出现如上图的界面,点击按钮“Add…” ,弹出单元库选择界面: 在左侧列表框中选择“beam” ,在右侧列表框中选择“2D elastic 3” ,点击“OK”返回。

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2)确定粱单元的截面参数

main menu >preprocessor >real constants >add/edit/delete

3) 确定材料参数 ANSYS main menu >preprocessor >material props >material models 在弹出的“Define Material Model Behavior”界面中双击 structural>linear>elastic>isotropic 缩小显示等。

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材料模型 4) 设定网格划分参数 将粱均匀地分为 4 个单元,也可以划分为更多的单元,要注意使支撑点与结点重合。 5) 单元划分 点击 mesh 按钮 6)选择 Utility Menu >plotctrls,可以选取不同的显示方式,包括:是否显示单元、结点编号,是否将单元

Utility Menu >plotctrls >numbering,显示结点编号; Utility Menu >plotctrls >style >size and shape 否将单元缩小显示。

在“Plot Numbering Controls”界面中,可以选择显示几何实体和网格的编号。 在“Size and Shape”对话框中选择单元的显示方式。在[/SHRINK]域的下拉列表中选择将单元缩小显 示的百分比;在[/ESHAPE]域中选择,是否用实参数来显示单元。

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三、施加边界条件及加载 1)在支撑位置施加位移约束 ANSYS main menu >solution >define loads >apply >structural >displacement >on nodes 2)定义均布载荷 ANSYS main menu >solution >define loads >apply >structural >pressure >on beams 弹出选择界面,选择左侧的那个单元,点击“Apply” ,弹出以下界面: 在“Pressure value at node I”域输入 2000,在“Pressure value at node J”域输入 200。再选择右边的那个单 元,定义均布载荷。
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位移约束

四、求解 main menu >solution >analysis type >new analysis,确定计算类型; main menu >solution >current ls,ok,求解。 五、后处理 1)列出支点反力 ANSYS main menu >general postproc >list results >reaction solu 在“List Reaction Solution”对话框中选择“All struc forc F” ,列出全部的结点支反力。

结点支反力如下图所示:

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2)显示粱的位移分布 ANSYS main menu >general postproc >plot results >contour plot >nodal solu 显示 y 方向位移,选择“Def+ undeformed” 。 由结点位移显示可知,中截面位移为 3.125mm;最大位移为 7.8125mm,在粱的两端。

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例题 2 问题描述如下: 计算分析模型如图 1 所示, 文件名: beam。NOTE:要求选择不同形状的截面分别进行计算。 要求选择不同形状的截面分别进行计算。 要求选择不同形状的截面分别进行计算
梁承受均布载荷:1.0e5 Pa

10m

图 1 梁的计算分析模型 梁截面分别采用以下三种截面(单位:m) :

矩形截面: B=0.1, H=0.15

圆截面: R=0.1

工字形截面: w1=0.1,w2=0.1,w3=0.2,

t1=0.0114,t2=0.0114,t3=0.007 1.1 进入 ANSYS 程序 → ANSYSED 6.1 → Interactive → change the working directory into yours → input Initial jobname: beam→Run → 1.2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK 1.3 选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete… →Add… →select Beam 2 → node 188 →OK (back to Element Types window) →Close (the Element Type window) 1.4 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Structural → Linear → Elastic →Isotropic →input EX:2.1e11, PRXY:0.3 → OK

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1.5 定义截面 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Sections →Beam →Common Sectns →分别定义矩形截面、圆截 面和工字形截面: 矩形截面:ID=1,B=0.1, H=0.15 →Apply →圆截面: ID=2,R=0.1 →Apply →工字形截面: ID=3,w1=0.1,w2=0.1,w3=0.2,t1=0.0114,t2=0.0114,t3=0.007 →OK 1.6 生成几何模型 生成特征点 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入三个 点的坐标:input:1(0,0),2(10,0),3(5,1) →OK 生成梁 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →lines →Straight lines →连接两 个特征点,1(0,0),2(10,0) →OK 1.7 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked lines →OK →选择: SECT:1 (根据所计算的梁的截面选择编号) Pick Orientation Keypoint(s):YES→拾取: #特征点(5,1) →OK→Mesh ; 3 → → Tool →Size Controls) lines: Set →Pick All(in Picking Menu) →input NDIV:5 →OK (back to Mesh Tool window) → Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close (the Mesh Tool window) 1.8 模型施加约束 最左端节点加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement → On Nodes →pick the node at (0,0) → OK → select UX, UY,UZ,ROTX → OK 最右端节点加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement → On Nodes →pick the node at (10,0) → OK → select UY,UZ,ROTX → OK 施加 y 方向的载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure → On Beams → Pick All →VALI:100000 → OK 1.9 分析计算 ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK
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1.10 结果显示 ANSYS Main Menu: General Postproc → Plot Results → Deformed Shape… → select Def + Undeformed →OK (back to Plot Results window) →Contour Plot →Nodal Solu →select: DOF solution, UY, Def + Undeformed , Rotation, ROTZ ,Def + Undeformed→OK → 1.11 退出系统

ANSYS Utility Menu: File→ Exit →Save Everything→OK → →

1.5 弹性力学三维问题的分析
问题描述: 如图所示支架,在上表面受到 2N/mm2 均布载荷的作用,支架在两个孔表面处固定。材料弹性模量为 2.0e5Mpa,泊松比为 0.3,分析支架的受力情况。

一、几何造型 1)设置工作平面 Utility menu >workplane >wp settings

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Snap Incr 域中输入 1,Spacing 域中输入 2,Minimum 域中输入 0,Maximum 输入 40;选择“Grid and Triad” Utility menu >wp settings 显示工作平面。 Utility menu >PlotCrtls > pan zoom rotate 调整显示比例,将全部工作平面都显示出来。 2)生成带孔的侧板 main menu >preprocessor >modeling >create >volumes >block >by 2 corners & z 用鼠标选取工作平面的左下角点(0,0) ,拾取点(10,40) ,移动鼠标直至 Depth 域的值为-2 。也可 以直接输入角点坐标,高度、宽度、深度生成侧板如下图所示,点击 OK 即可。

为生成侧板上的两个孔,先生成两个圆柱体。 main menu >preprocessor >modeling >create >volumes >cylinder >solid cylinder WP X、WP Y 域输入圆心坐标(0,10) ,Radius 域输入半径 5; WP X、WP Y 域输入圆心坐标(0,30) ,Radius 域输入半径 5。如下图所示。
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main menu >preprocessor >operate >booleans >subtract >volume 拾取侧板,apply;再拾取两个圆柱,apply。 3)生成顶板 设置新的工作平面 Utility menu >workplane > offset wp by increments 在 XYZ Offsets 域中输入[0,40,-2],apply;移动设定旋转角度的移动条,将角度设为 90,按+X 旋 转按钮;ok。

Utility menu >plotctrls >pan, zoom, rotate 点击 Bot 按钮。 main menu >preprocessor >modeling >create >volumes >block >by 2 corners & z 选取工作平面的左下角点(0,0) ,拾取工作平面中的点(10,20) ,移动鼠标直至 Depth 域的值为-2 。 也可以输入角点坐标,高度、宽度、深度生成顶板。

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4)合并几何实体 main menu >preprocessor >operate >booleans >add >volume 合并两个独立的几何实体,最后生成的几何模型如上图所示。

二、建立有限元网格模型 1)选择单元 main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete 点击按钮“Add…” ,弹出单元库选择界面:选择 Solid,Brick8node 45。

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2) 确定材料参数 main menu >preprocessor >material props >material models 在弹出的“Define Material Model Behavior”界面中双击 structural>linear>elastic>isotropic 输入弹性模量和泊松比。 3)设定网格密度 main menu >preprocessor >meshing >meshtool

选择 Smart Size,单元划分密度水平 4。

4) 划分网格 点击 mesh 按钮选择所建实体进行网格划分,如下图所示。 拾取几何实体,ok。有限元模型如下图所示。

三、施加约束和载荷 支架的约束条件为,孔的内表面固定。 Utility menu >plotctrls >pan, zoom, rotate 点击 Front 按钮。
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Main menu >solution >define loads >apply >structural >displacement >on nodes 选择模式设置为“Circle” ,拖动鼠标使得圆形选择框恰好把孔的内表面框住,ok;约束两个孔内表面 上结点的全部位移。

施加对称约束: Main menu >solution >define loads >apply >structural >displacement >Symmetry B. C.>on areas 选择各对称面完成对称约束条件。如下图所示。对称面上会出现 S 符号。

定义顶板上的均布载荷。
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Utility menu >select 在如下图所示的“Select Entities”对话框中,第一个下拉框中选择 Areas,然后点击 OK 按钮出现选择 对话框,用鼠标选择要加载的顶板上表面如下图所示。 Main menu >solution >define loads >apply >structural >pressure >on areas 在拾取面的对话框中,选择 pick all;压力值为 2。

选择上表面

四、求解 Utility menu >select 选择 Everything main menu >solution >current ls,ok,求解。 五、后处理 main menu >general postproc >plot results >contour plot >nodal solu 选择 stress,von Mises SEQV,显示等效应力分布。

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等效应力分布

Y 向位移分布

1.5 弹性力学三维问题的分析 弹性力学三维问题的分析-2
一、问题描述

向下作用力 (100 Mpa) 四个安装孔径 向约束 (对称)
轴瓦 轴承座



沉孔上的推力 (20Mpa)

轴承座底部约 束 (UY=0)

二、单元与材料设置 1、添加单元类型 选择实体单元家族中的 10 节点四面体 92 号单元,即 10node 92

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2、添加材料属性 按如下图所示设置材料的弹性模量和泊淞比

三、几何建模 1、先创建底座长方体,尺寸如下图所示,长宽为 60mm,厚度为 20mm

2、旋转工作平面,绕-X 方向旋转 90 度,如下图所示。

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3、创建圆柱体,如下图所示,给定柱体中心坐标为(45,-15) ,半径为 7.5 mm,高 30mm

4、复制上步中创建的柱体,复制方向为整体坐标系下 Z 方向 30mm,具体如下图所示。

5、进行布尔运算,通过减法运算做出两个孔。结果如下图所示。
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6、还原工作平面到初始位置,如下图所示。然后再移动工作平面到上角点,如图所示。

7、按下图所示,创建长方体。

8、再继续向上移动工作平面,如下图所示。

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9、创建 1/4 柱体,尺寸如下图所示。

10、创建两个柱体尺寸如下图,第一个半径为 18mm,第二个半径为 21。

11、打开体积编号显示

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12、进行布尔运算,使用 7 步、9 步创建的实体减去 10 步创建的柱体,结果如下图所示。

13、对现有模型中的关键点进行合并,如下图所示。

14、在底座立方体的一边中点上创建一个关键点,过程如下图所示。
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15、创建面,通过三个点来创建一个面,三点选择顺序及创建结果如下图所示。

16、创建拉伸体,使用上步创建的面沿法向方向创建拉伸体,拉伸长度为 5mm,过程及结果如下图。

17、将现有的实体进行镜像操作,如下图所示。

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18、对现有的实体进行粘结运算,如下图所示

四、网格划分 运用 meshtool 工具,采用 smartsize 智能划分功能,滑动码设置为 “6”

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五、边界条件施加

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六、求解和后处理结果分析

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1.6 温度场分析
问题描述: 半径为 20mm 的钢球,其导热系数为 k = 24 W/m℃,密度ρ = 7840 kg/m3,热容 Cσ = 550 J/kg℃,初始 温度为 T0 = 940℃。将此钢件置于温度为 Tf = 80℃,换热系数为 h = 300 W/m2℃的介质中冷却,计算此钢球 冷却过程的温度分布及其演化。 根据问题的对称性,此问题可以作为轴对称问题进行分析,取圆球截面的 1/4 。 一、生成几何模型 按照 ANSYS 软件的约定,轴对称问题必须以 Y 轴作为对称轴。 生成关键点, main menu >preprocessor >modeling >create >keypoints >in active cs 生成 K1(0,0) ,K2(20,0) ,K3(0,20) 。 在直角坐标系中生成两条直边, main menu >preprocessor >modeling >create >lines >lines >straight line 连接 K1、K2 生成一条直边,连接 K1、K3 生成第二条直边。 在圆柱坐标系中生成圆弧线段, Utility menu >workplane >change active cs to >global cylindrical 将当前坐标系设定为圆柱坐标系, main menu >preprocessor >modeling >create >lines >lines >in active coord 连接 K2、K3 生成圆弧线段。 Utility menu >workplane >change active cs to >global cartesian 将当前坐标系重新设定为直角坐标系。 main menu >preprocessor >modeling >create >areas >arbitrary >by lines 选择三个线段,apply/ok,构成面。
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二、生成有限元模型 1)选择单元类型 main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete 点击按钮“Add…” ,弹出单元库选择界面:选择 Thermal Solid,Quad 8node 77。 点击按钮“Option…” ,在[K3]域选择单元为轴对称类型。

2)定义材料参数 main menu >preprocessor >material props >material models 在弹出的“Define Material Model Behavior”界面中双击 Thermal, 双击 Conductivity >isotropic,输入导热系数; 双击 Specific Heat,输入热容; 双击 Density,输入密度。

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3) 划分单元 main menu >preprocessor >meshing >meshtool

选择单元划分密度水平 6。 5) 划分网格 main menu >preprocessor >meshing >mesh >areas >free 拾取几何实体,ok。有限元模型如下图所示。

三、施加约束和载荷 瞬态温度场分析要给定初始温度场、换热条件,在这里设定钢球的初始温度、换热系数和介质温度。 main menu >solution >define loads >apply >thermal >temperature >uniform temp

设定均匀分布的初始温度为 940。 main menu >solution >define loads >apply >thermal >convection >on lines 选择换热边界线段, “Apply CONV on Lines” 在 对话框中指定换热系数。 当换热系数为常数时, 在[VALI] 域输入换热系数,在[VAL2I]域输入介质温度。
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四、求解 main menu >solution >analysis type >new analysis 确定计算类型,选择 Transient。 main menu >solution >load step opts >output ctrls >db/results file

选择 Every substep 保存每个时间步的计算结果。 main menu >solution >load step opts >time/frequenc >time and substeps 计算步数为 40,计算时间为 20 秒。

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main menu >solution >current ls,ok,求解。 五、后处理 1)每个时间步的温度分布 main menu >general postproc >list results >results summary 列出个时间步及对应的时间

选择需要观察的时间步,点击 Read 读入计算结果。读取第 4 步的计算结果。 main menu >general postproc >plot results >contour plot >nodal solu 第 4 步,即冷却 7 秒钟时的温度场分布如下

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2)结点温度的变化 main menu >timehist postpro 显示如下图所示的辅助工具,先将辅助工具关闭。

main menu >timehist postpro >define varibales

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在“Defined Time-History Variables”对话框中,点击 Add 按钮,选择待显示的变量。 main menu >timehist postpro >graph variables 以折线形式现实所定义的变量,X 轴默认为时间。

依次填如所定义的变量的序号,显示如下的温度-时间折线图。

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2.7 讨论(计算结果分析)
1)ANSYS 软件的数据文件

如上图所示,ANSYS 软件在工作目录下会生成一些数据文件,主要的数据文件如下: *.db,保存几何模型、有限元模型、边界条件、求解选项等数据; *.rst,保存计算结果; *.log,日志文件,以命令流形式保存用户操作过程; *.err,保存系统信息,包括出错、提示信息。 2)日志文件 以命令流形式保存用户操作过程,包括几何建模、网格划分、求解等。以下是日志文件的一部分: /BATCH /COM,ANSYS RELEASE 6.1 UP20020321 16:25:35 10/06/2002 /input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON /REPLOT,RESIZE /REPLOT,RESIZE /PREP7 CYL4,0,0,0,0,20,90 !*
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ET,1,PLANE77 !* KEYOPT,1,1,0 KEYOPT,1,3,1 !* !* MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,1,,2.4e-2 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,C,1,,550 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,,7.84e-6 SMRTSIZE,6 MSHKEY,0 CM,_Y,AREA ASEL, , , , 1 CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y !* AMESH,_Y1 … ANSYS 软件为用户提供了完整的用户指令集,全部菜单操作均可以采用指令形式实现。将日志文件 保存起来,在下一次使用 ANSYS 软件分析同一个模型时,可以先执行日志文件,得到前一次上机所完成 的结果,而不必重新一步步操作。日志文件的缺点是保存了许多中间操作,用户进行的修改、删除、创建 等被完全记录,不够简洁。 3)计算结果分析 得到计算结果后,主要从以下几个方面来分析: 单元选择与网格划分是否合适。对于结构受力分析问题,受力变化剧烈的部位应该采用比较密的 单元网格,而受力变化比较平缓的部位可以采用较稀疏的单元网格。 从所观察物理量的变化趋势、边界条件和对称性等方面,判断约束与载荷是否合理。对于结构受 力分析问题,可以用变形趋势来判断。 用不同的单元划分方案比较计算精度,确定一个单元网格密度和计算精度综合最优的计算方案。

思考题 1、ANSYS 软件有何功能和特点? 2、用有限元法分析实际工程问题有哪些基本步骤?需要注意什么问题?

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1.7 封头等温塑性成形过程分析
结构如图所示,模型简化为轴对称问题进行计算。单位:N、mm 工件尺寸:1800X180;上模:直径 2000 的四分之一圆和高 200 的矩形 下模:带有一个圆角半径 400 的正方形边长 800

计算步骤: 1、添加单元类型:Visco solid

平面四节点塑性单元 106

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点击 option,将单元行为改为轴对称。

2、添加材料特性 (1)弹性模量 1.84e4,泊淞比 0.4

(1)塑性应力应变曲线,如下图所示。
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3、几何建模 3.1 创建工件 采用如下图所示路径即 Modeling\Create\Areas\Rectangle\By Dimensions 来创建工件。输入工件矩形的 两个定点坐标,然后点击 Apply 按钮。

点击 Apply 按钮后,生成如下图所示图形。

3.2 创建下模矩形 接着上一步,输入下模矩形对角线上的两个定点坐标,点击 Apply 按钮,得到如下所示图形。

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3.3 创建上模矩形和四分之一圆 接着上一步,输入上模矩形对角线上的两个定点坐标,点击 Apply 按钮,得到如下所示图形。 然后,点击 Cancel 按钮,退出。

按如下如图所示路径创建上模四分之一圆形。输入圆中心坐标、半径 1000 以及起始角度-90 和终止角 度 0。然后点击 OK 按钮,得到下图。

3.4 创建下模圆角 按如下图所示路径创建圆角。点击命令后,选取倒圆角的两个边之后点击 OK。

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之后弹出输入圆角半径的对话框,输入半径 400,如下图,点击 OK。

创建圆角曲线如下图所示。

通过布尔运算,使用线分面命令进行分,然后将上模两个面进行布尔加运算,下模多余的圆角面进行删除

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布尔加命令

运算结果

删除命令 网格划分 先对各个划分单元的边线进行网格个数设置,工件长度方向分 60 个,厚度方向分 5 个,下模三条边分别 分 10 个

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1.8 冷轧带钢过程的 ANSYS 有限元模拟分析
1.1 问题介绍 轧辊直径 800mm,带材厚度 5m,出口厚度为 3.5m,材料为 Q235,剪切模量 1000,弹性模量 E=2.1e5, 泊淞比 0.3,采用平面应变问题处理。取轧件初始长度为 50mm。变形区长度为 28.2666mm。摩擦系数 0.1

1.2 单元类型和材料特性 设置文件名如图 1 所示。

图 1 文件名 1、添加单元类型 plane42,如下图 2 所示。

图 2 单元类型 设置单元为平面应变问题,如下图 3 所示。

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图 3 平面应变问题设置 2、设置轧件的材料特性,图 4 为弹性特性部分,图 5 为塑性部分。

图 4 材料弹性特性

图 5 材料塑性特性 1.3 几何建模 1、创建轧辊 选择如下图 6 所示参数进行建模,轧辊半径为 400,中心为(0,0) 。

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图 6 轧辊几何创建 然后向上移动轧辊 401.5mm。输入的位移值如下图 8 所示。

图 7 移动轧辊到指定位置

图 8 轧辊移动位移设置 2、创建轧件 根据轧辊直径和压下量确定变形区长度为 28.2666,然后建立厚为 2.5,长度为 50 的矩形。

3、创建辅助轧件咬入的推板

图 9 创建轧件的参数 创建参数如下图 10 所示。

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图 10 创建推板参数 1.4 划分单元 设置轧件网格单元长度如下图 11 所示。2.5/4 网格较密,可以改为 2.5/2

图 11 轧件单元长度设置 然后采用映射网格划分法对轧件进行网格划分,结果如图 12 所示。

图 12 划分的轧件网格图 为了更好的创建接触表面的单元,图 13 为设置轧辊表面即周边的单元长度。同时把推板接触面设置 网格 4 个单元。5/4 网格较密,可以改为 5/2 网格较密,

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图 13 轧辊周边接触单元长度设置 1.5 创建接触对 图 14 为创建接触对向导的主界面。点击如图中所示的 Contact Wizard 按钮,开始创建第一个接触对。

图 14 创建接触对向导界面 进入创建 Target Surface 界面,设置如下图 15 所示。该轧辊为刚性体,并带有控制节点以便控制轧辊旋转。

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图 15 创建 Target Surface 界面 点击 Pick Target 后,选择轧辊周边确认。之后弹出图 16 窗口,并进行相应设置如图。

图 16 确定轧辊控制节点的位置 点击 Next 后,进入图 17 Contact Surface 界面。点击 Pick Contact 去选择轧件上表面的边,然后确定。之后 进入图 18 界面,设置摩擦系数为 0.1,然后再点击 Create 按钮,完成第一个接触对的创建工作返回图 19 接触创建主界面。

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图 17 创建 Contact Surface 界面

图 18 设置接触摩擦系数

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图 19 第一个接触对创建完毕 同样的方法来创建推板与轧件之间的接触对。不同之处是在创建推板控制节点时是采用的选定已有关键点 的方法来确定的(如图 20 所示) 。这里选择推板右上角关键点作为控制节点。创建之后返回图 21 界面。

图 20 创建推板控制节点设置界面

图 21 完成接触对创建界面 注意:上图 21 中的 Pilot Node 号,当采用不同的网格密度划分时,节点号是不同的。
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图 22 给出了创建完成的有限元模型。

局部放大 图 22 最后建立的有限元模型 1.6 求解控制设置 在下图 23 求解控制基本设置中,完成如图所示设置,其中包括有大变形选项、时间步 1、自动时间步 长和子步数以及每 10 步存储一次结果等设置。

图 23 求解控制基本设置 在图 24 非线性设置中将线性搜索打开(Linear Search) ,在图 25 高级控制设置中选择不中止分析(do not terminate analysis) 。

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图 24 求解控制非线性设置

图 24 求解控制高级设置 1.7 施加位移边界条件 由于轧件与轧辊刚接触时奇异较大,为此对轧辊先施加一个很小的转动位移,这里取 0.005(相当于 线位移 2mm) ,推板位移设置为 1.5mm。这样可较容易的使轧辊与轧件顺利接触好。
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图 25 给出了对轧辊控制节点施加转动位移为 0.005 的窗口界面。图 26 是对推板施加 x 方向 1.5 位移 的窗口界面。最后再对轧件施加厚向对称面设置即可完成全部边界条件。

图 25 轧辊控制节点施加转动位移

图 26 推板控制节点施加 x 方向位移 点击 solve,进行求解。求解完成后,简单查看变形结果。 1.8 重启动设置 当完成了上一步后,下一步进入重启动设置如图 27 所示。输入加载步号为 1,点击 OK 按钮。 然后对轧辊控制节点施加一个较大的转动位移 0.15,推板施加 15mm 位移。然后继续计算。

图 27 重启动设置界面

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1.9 查看结果

图 28 Mises 塑性应变分布

图 28 Mises 等效应力分布

图 29 单位宽度轧制力分布

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