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)