有限元分析及应用报告-利用ANSYS软件分析带孔悬臂梁

有限元分析及应用报告

题目：利用ANSYS软件分析带孔悬臂梁

姓名：xxx

学号：xxx

班级：机械xxx

学院:机械学院

指导老师：xxx

二零一五年一月

一．问题概述

图示为一隧道断面，其内受均布水压力q，外受土壤均

布压力p；试采用不同单元计算断面内的位移及应力，并分别分析q=0或p=0时的位移和应力分布情况。(材

料为钢，隧道几何尺寸和压力大小自行确定)

本例假定内圆半径为1m，外圆半径为2m，外受均布

压力p=10000pa，内受均布压力为q=20000pa。

二．问题分析

由题目可知，隧道的的长度尺寸远远大于截面尺寸，并且压力

在长度方向上均匀分布，因此本问题可以看作为平面应变问题。

由于在一个截面内，压力沿截面四周均匀分布，且截面是对称

的圆环，所以可以只取截面1/4进行有限元建模分析，这样不

仅简化了建模分析过程，也能保证得到精确的结果。由以上分

析，可以选取单元类型plane42进行有限元分析，在option中

选择K3为plane strain。

三．有限元建模

1．设置计算类型

由问题分析可知本问题属于平面静应力问题，所以选择preferences为structure。

2．单元类型选定

选取平面四节点常应变单元plane42，来计算分析隧道截面的位移和应力。由于此问题为平面应变问题，在设置element type的K3时将其设置为plane strain。

3．材料参数

隧道的材料为钢，则其材料参数：弹性模量E=2.1e11，泊松比σ=0.3

4．几何建模

按照题目所给尺寸利用ansys的modeling依次建立keypoint：1(0,0),2(1,0),3(2,0),4(0,2),5(0,1)，create LINES依次连接keypoint 2、3和4、5即可创建两条直线，使用create article的By cent & radius创建两条圆弧。create AREAS依次选择四条线即建立了所需的1/4截面。

5．网格划分

划分网格时，拾取四条边进行Size Control，设定NDIV为20；选择网格划分方式为quad和Mapped。下图3-1是单元类型为plane42的有限元网格模型。

图3-1 plane 42网格， 400个单元,441个节点数

6．定义约束和载荷

由于本例所取的为1/4截面，所以约束为水平变UY,垂直边为UX。设置约束方法为点击displayment拾取水平边UY约束，垂直边UX约束。

施加载荷分别作用在内圆弧和外圆弧上，大小分别为20000pa和10000pa。点击pressure后选择相应边并输入载荷大小即可。三．计算求解

即可进行计算求解，结果分析时主要关注最大位移、最大应力及其位置，应力分析采用等效应力von mises stress。

1.p=10000pa, q=20000pa。

图4-1 受载变形图，最大位移0.06um

图4-1 节点位移云图，最大位移0.06um

图4-3等效应力分布云图，最大应力在内圆附近为22892.9pa 2.p=0pa, q=20000pa。

图4-4 受载变形图，最大位移0.18um

图4-5 节点位移云图，最大位移0.18um

图4-6等效应力分布云图，最大应力在内圆附近为45615pa 3.p=10000pa, q=0pa。

图4-3等效应力分布云图，最大应力在内圆附近为23415pa 4.将以上三组分析结果整理成数据表

最大应力Pa

22892

四．结果分析

由以上各图和数据表可知，

（1）在不同的载荷情况下，最大位移和最大应力均分布在内圆附近，因此可以得出结论，在圆环型隧道不管受内外压力分布如何，总

是在内部的应力和变形最大。

（2）由三组分析对比可知，在内外均分布有压力时，变形和内部

应力相对较小，而只有一边受载的情况下，变形和应力相对增大。五．结论和体会

1.在解决一个实际工程应用问题中，学会根据索要研究的对象，

利用对称、载荷均布等条件简化模型，再进行建模分析。

2.利用size control进行网格划分尺寸和单元数控制，利用

mapped方法进行划分网格，能使网格的形态更加合适使得到的

结果更准确。

六．附录（操作步骤）

1 进入ANSYS

2设置计算类型

ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural →OK

3选择单元类型

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→

(back to Element Types window) →option→K3 select plane strain→OK→Close (the Element Type window)

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

5建立几何模型

生成keypoint

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(1,0),3(2,0) ,4(0,2),5(0,1) →OK

生成直线straight line

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →lines →Straight lines →分别连接2、3和4、5→OK

生成圆弧Arcs

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Arcs→By Cent &Radius→拾取1（0,0）apply→3（1,0）→select→90→apply→拾取1（0,0）apply→4（2,0）→select→90→OK

生成area

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →by lines→分别连接四段线→OK

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked areas →OK→MAT[1],TYPE[1 PLANE42]

ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) lines: Set →依次拾取四条边:OK→input NDIV: 20 →OK →(back to the mesh tool window)Mesh: Areas, quad，Mapped →Mesh →Pick All (in Picking Menu) →Close( the Mesh Tool

window)

7 模型施加约束和载荷

给两直线施加约束

ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement →On lines →拾取水平边→OK →select

Lab2:UY →apply→拾取竖直边边→OK →select Lab2:UX→OK 给内外圆弧施加均布载荷q和p

ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Lines →拾取外圆弧；OK →输入10000→apply →拾取内圆弧；OK →输入20000→OK

8 分析计算

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

9 结果显示

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 →select STRESS→von mises stress

（以上只是一组分析的步骤，其他组分析步骤与以上相同，只需修改相关参数即可）