基于ANSYS不同截面悬臂梁性能的有限元分析
专业课设,悬臂梁有限元分析
1研究目的与问题阐述1.1 基本研究目的(1) 掌握ANSYS软件的基本几何形体构造、网格划分、边界条件施加等方法。
(2) 熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。
(3) 利用ANSYS软件对梁结构进行有限元计算。
(4) 研究不同泊松比对同一位置应力的影响。
1.2 基本问题提出图1.1 模型示意图如图1.1所示，当EX=3.01e6，F=5000N，悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端。
当悬臂梁的泊松比u为：0.2、0.25、0.3、0.35、0.4时，确定同一位置的应力分布，得出分布云图。
二维模型，3*0.09m。
2 软件的介绍与使用2.1 ANSYS 简介ANSYS程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
该软件提供了一个不断改进的功能清单，集体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动工功能一接利用ANSYS参数设计的扩展宏命令功能。
ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数系统下生成的集合数据传入ANSYS,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解。
2.2 ANSYS软件的功能介绍ANSYS软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。
一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤：创建有限元模型；施加载荷进行求解；查看分析结果；在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块，分析求解模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限模型。
悬臂梁分析报告
悬臂梁受力分析报告高一博2016.11.13西安理工大学机械与精密仪器工程学院摘要利用ANSYS对悬臂梁进行有限元静力学分析,得到悬臂梁的最大应力和挠度位移。
从而校验结构强度和尺寸定义，从而对结构进行最优化设计修正。
关键词：悬臂梁，变形分析，应力分析目录一.问题描述： (4)二.分析的目的和内容： (4)三.分析方案和有限元建模方法： (4)四.几何模型 (4)五．有限元模型 (4)六．计算结果： (5)七.结果合理性的讨论、分析 (8)八．结论 (8)参考文献 (8)一.问题描述：现有一悬臂梁，长500MM，一端固定，另外一端施加一个竖直向下的集中力200N。
其截面20MMX20MM的矩形，现在要分析该梁的在集中力作用下产生的位移，应力和局部应力。
二.分析的目的和内容：1.观察悬臂梁的变形情况；2.观察分析悬臂梁的应力变化；3.找出其最大变形和最大应力点，分析形成原因；三.分析方案和有限元建模方法：1.使用ANSYS-modeling-create-volumes-block建模，2.对梁进行材料定义，网格划分。
3.一端固定，另外一端施加一个向下的200N的力。
4.后处理中查看梁的应力和变形情况。
四.几何模型500X20X20的梁在在ANSYS中进行绘制.由于结构简单规则，无需简化。
五．有限元模型单元类型：solid brick8node45材料参数：弹性模量2e+11pa,泊松比0.3边界条件：一端固定，一端施加载荷载荷：F=200N划分网格后的悬臂梁模型六．计算结果：变形位移图等效应力图局部应力图七.结果合理性的讨论、分析1.位移分析：在变形位移图上，在约束端位移最小为零，受压端位移最大。
与实际结果一致。
2.应力分析：在应力图上，应力最大处在约束端，而最小的位于受压端，与变形图相对应。
通过材料力学计算可知约束端的所受弯矩最大。
两个结果印证无误。
3.局部应力分析：在局部应力图上，可以看出在固定端上表面存有较大的应力，且为拉应力，受压端直角尖处有最大应力，从形成原因上分析属于尖角处应力集中。
基于有限元软件ANSYS分析简单悬臂梁的模型
２．２有 限元 网格 处理 速度 的提升
Ｃｎｔｒｌｓ—｝ＭａｎｕａｌＳｉｚｅ＿ Ｌｉｎｅｓ—｝ＡＵ Ｌｉｎｅｓ
有 限元分 析 过程 主要 包含 了三 个 步骤 ：对 分 析对 象进 行 离 ＡＮＳＹＳ Ｍａ ｉｎ Ｍｅｎｕ： Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＿＋ Ｍｅｓｈｉｎｇ－＋ＭｅｓｈｒＩ ｌ
２０１８．２６科 学技 术创新 一１２３一
基 于有 限元软 件 ＡＮＳＹＳ分析 简单悬臂 梁 的模 型
郭安 江 （安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 ２３２００１）
摘 要：作为 目前世界上发展最快的计算机辅助工程（ｃＡＥ）工具 ，ＮＳＹＳ软件的接 口可 以与大多数计算机辅助 工程（ｃＡＥ）工具
关键 词 ：ＡＮＳＹＳ软件 ；有 限元 ；线 性 ；悬臂 梁
中 图 分 类 号 ：ＴＵ３７５．１
文 献 标 识 码 ：Ａ
文章 编号 ：２０９６－４３９０（２０１８）２６－０１２３—０２
１ ＡＮＳＹＳ软 件简 介
于应用线性理论来解决破坏 、裂纹扩展等问题 ，还需要解决材料
为了验证某机械结构系统是否满足安全性等设计需求 ，我 的塑形和蠕变效应 ，此时必须求解材料的非线性问题 ，例如对塑
连接。计算机辅助设计软件相对应 ，为数据的共享和交流提供 了便利 ，例如 Ｃｒｅｏ，ＮＡＳＴＲＡＮ，Ｉ－ＤＥＡＳ，ＡｕｔｏＣＡＤ等软件 。ＡＮＳＹＳ
软件 。包含 了多种有限元分析软件的功能 ，从 简单的线性静 力分析到非常复杂的非线性动 力分析 ，再到电磁 分析、流体分析 、热分
析等。在每一个不同的工程领域 ，ＡＮＳＹＳ软件分析方法有所差别 ，步骤也不一样。本文主要分析简单悬臂梁的有限元模型。
散化 处理 、有 限元求 解 、对计 算 结果 进行 后处 理 。过 去 由于计 算 Ｍｅｓｈ：ｌｉｎｅｓ
悬臂梁的ANSYS典型分析过程讲课稿
11、列出节点的反作用力
Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu 弹出如图1-20所示的【List Reaction Solution】对话框。在【 Item to be listed】下拉列表框中选择“All items”选项，单 击“OK”按钮，其中列出节点的反作用力。
8、施加集中力
Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural > Force/Moment>On Keypoint 拾取编号为2的关键点，在【Direction of force/mom】下拉 列表框中选择“FY”，在【Force/moment value】文本框中 输入“-10000”。生成结果如图1-17所示。
5、生成关键点 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create> Keypoints> In Active CS 弹出【Creat Keypoints in Active Coordinate System】对话框。如 图1-13所示输入数据，然后输入“2”及“2，0，0”。
3 、定义单元类型和梁的截面尺 寸
Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add／Edit／Delete
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ANSY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 。
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(T =0.34.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。
高耀东编著《ANSYS 18.2有限元分析与应用实例 》用SOLID185单元分析悬臂梁的剪切闭锁
SOLVE
!求解
FINISH
/POST1 PLNSOL, U,Y
!显示变形云图
FINISH
50
4
4
92
无
2
50
50
4
4
25
缩减积分
0.2
0.217
—
3
10
50
4
4
25
全积分
25
9.782
有
4
10
50
4
20
200
全积分
25
24.658
无
5
10
50
4
4
25
缩减积分
25
26.402
—
分析结果表明，梁最大挠度的有限元全积分解小于理论解，全积分解小于缩减积分解， 梁高度较小时，采用全积分和较大的单元尺寸时会发生剪切闭锁，计算误差较大。
!定义材料模型
BLOCK,0,L,0,H,0,B
!创建六面体
LESIZE, 1,,,4 $ LESIZE, 9,,,4 $ LESIZE, 2,,,25
!指定直线划分单元段数
VMESH, 1
!对体划分单元
FINISH
/SOLU DA,5,ALL
!在面上施加全约束，模拟固定端
KSEL,S,LOC,X,L $ FK,ALL,FY,-P/4 $ ALLS !在关键点上加集中力
实例 E6-1 用 SOLID185 单元分析悬臂梁的剪切闭锁
已知如图 6-9 所示的悬臂梁的长度 L=0.5m，矩形截面，材料为钢，作用在梁上的集中 力 P=500N。下面用 ANSYS 对梁的变形进行研究，分析剪切闭锁的影响。分析使用的单元 类型为 SOLID185，采用的参数和分析结果见表 6-3。其中，梁最大挠度的理论解采用以下 公式
悬臂梁有限元优化分析
悬臂梁优化分析班级：姓名：学号：指导老师：目录一、条件分析 (1)二、分析步骤 (1)（一）前处理阶段: (1)（二）求解阶段 (3)（三）后处理阶段 (4)（四）优化阶段 (9)三、优化结果 (13)（一）读取优化结果列表 (13)（二）选择优化结果 (13)（三）代入结果分析 (14)四、整理命令流 (14)参考文献 (17)一、条件分析由题可知：悬臂梁中的平均应力小于MPa 30，且梁的挠度小于1厘米。
而且横截面积约束条件为：cm X cm 2.1651≤≤，cm X cm 2.41202≤≤。
（考虑学号系数），连杆的材料属性为：杨氏模量Pa E 91012.30⨯=,泊松比为0.3。
由于梁的长度一定，若要使梁的重量最小，则要求体积最小，进而可知要求横截面积，所以可确定体积是所求目标，因此可确定：设计变量cm X cm 2.1651≤≤ cm X cm 2.41202≤≤状态变量平均应力MPa 30≤σ 挠度cm 1<δ目标函数体积V二、分析步骤1. 定义工作文件名和工作标题(1) 执行[Utility Menu]\File\change Jobname 。
弹出对话框，输入panjiafeng12，并选择复选框，单击“OK ”按钮。
(2) 执行[Utility Menu]\File\Change Title 。
弹出的对话框，输入panjiafeng12，单击“OK ”按钮。
（一）前处理阶段:1. 初始化设计变量执行[Utility Menu]\File\Parameters\Scalar Parameter,弹出对话框，输入X1=0.1cm ，X2=0.3cm 。
2.定义单元类型，面积，转动惯量执行[Utility Menu]\Preprocessor\Element Type\Add\Edit\Delete 弹出对话框，选择Structural Beam 中的2D elastic 3 单击“OK ”单击“Close ”。
悬臂梁有限元分析
问题描述：悬臂梁承载示意图如图所示，q=1N/mm2,厚度t=1mm,E=2.1E5N/mm2,u=0.3。
受均布载荷作用的悬臂梁有限元分析求解过程：1．定义工作文件名和工作标题1）选择Utility Menu︱File︱Change Jobname命令，出现Change Jobname对话框，在［/FILNAM］Enter new jobname文本框中输入工作文件名plate，并将New log and error files 设置为Yes，单击OK 按钮关闭该对话框。
2）选择Utility Menu︱File︱Change Title命令，出现Change Title对话框，在[/TITLE]Enter new title文本框中输入plate，单击OK按钮关闭该对话框。
2．定义单元类型1）选择Main Menu︱Preprocessor︱Element Type︱Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。
在Library of Element Types列表框中选择Solid，4node 42，在Element type reference number文本框中输入1，如图所示，单击OK按钮关闭该对话框。
定义板厚：单机Options...|select K3:Plane Strs w/thk|OK,如图所示。
3．定义材料性能参数1）选择Main Menu︱Preprocessor︱Material Props︱Material Models命令，出现Define Material Model Behavior对话框。
2）在Material Models Available一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项（如图3.5所示），出现Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框，在EX文本框中输入2.1E5，在PRXY文本框中输入0.3，如图所示，单击OK按钮关闭该对话框。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
参考文献 :
[ 1 ] 邢静忠 ,王永岗 ,陈晓霞 ,等 1 ANSYS分析实例与工程运用 [M ]1 北京 :机械工业出版社 , 20041 [ 2 ] 邓凡平 1 ANSYS1010有限元分析自学手册 [M ]1 北京 :人民邮电出版社 , 20081 [ 3 ] Crandaall S H, Dahl N C1 An Introduction to the Mechanics of Solids[M ] 1New York : McGraw - H ill Book Co Inc, 19591 [ 4 ] 蒋 平 ,王 维 1 工程力学基础 ( Ⅱ) [M ]1 北京 :高等教育出版社 , 20091 [ 5 ] 周纪卿 ,朱因远 1 非线性振动 [M ]1 西安 :西安交通大学出版社 , 20011
收稿日期 : 2009 - 04 - 16 作者简介 :沈海宁 (1963—) ,男 ,安徽利辛人 ,副教授 。主要从事计算机图形学及力学研究 。
第 3期
沈海宁 ,杨亚平 :基于 ANSYS不同截面悬臂梁性能的有限元分析
7
下称梁 2) 。两种梁选用相同的材料和受力条件 ,在自由端的集中力 F = 171793 kN ,其弹性模量 E = 207 GPa。
选择固定端位置最近的节点 ,存入提取节点 x方向的应力变量 。选择梁中部位置最近的节点 ,存入 提取节点位置的 M ises应力变量 。得到水平方向的正应力分布图 (图 11、图 12) ,显示最大水平应力分 别为 1171367 MPa和 581983 M Pa,梁 1发生于梁的固定端截面上边缘 ,梁 2发生于梁的中部截面上边 缘 。最小水平应力分别为 - 1171367 M Pa和 - 581983 M Pa,梁 1发生于梁固定端截面下边缘 ,梁 2发生 于梁中部截面下边缘 。
通过节点 2、1、8、9定义单元 ,按该单元的定义模式向右循环生成 6次 ,每次节点号增加 1,生成结 果 (见图 5和图 6) 。因采用的是高阶平面应力单元 PLANE82,求解时需要给单元添加中间点 ,添加后节 点坐标 (见图 7和图 8) 。
8
青海大学学报
第 27卷
2. 3 选择节点并施加位移边界条件和荷载 选择两悬臂梁固定端位置的节点 (表 1) ,约束 其所有节点位移方向的所有自由度 。定义 1 号节 点力的 - Y方向施加的集中力 ,定义完成后的有限 元模型 (图 5、图 6) ,在梁的最左端的 1号节点处有 向下的集中力 , 最右端的 7号和 14号节点分别有
F in ite elem en t ana lysis on a var iable section can tilever beaed on ANSY S
SHEN Ha i - n ing1 , YANG Ya - p ing2 (11M echanical Engineering Departm ent of Q inghai University, Xining 810016, China;
为使两种梁的分析基本相同 ,节点位置及分析单元也定义为相同尺寸 ,梁 1左右端部尺寸相同 。定 义节点 :在梁的上表面最左端 (0, 0, 0)位置为 1号节点 ,最右端 (1 270 mm , 0, 0)位置为 7号节点 ,在 1～ 7号节点之间 ,填充生成梁的上表面的 2～6号节点 ; 梁的下表面最左端 (0, - 152 mm , 0)位置定义为 8号 节点 ,下表面最右端 (1 270 mm , - 152 mm , 0)位置定 义为 14号节点 ,在 8～14号节点之间 ,填充生成梁的 上表面的 9～13号节点 (图 3) 。
摘要 :通过 ANSYS有限元软件 ,分析了等截面 、变截面各向同性悬臂梁的强度和刚度 ,通过应 力云图显示了悬臂梁不同截面位置的应力分布情况 ,且与理论值吻合 ,为工程中设计变截面梁 和解决强度等问题提供了参考 。 关键词 : ANSYS软件 ;悬臂梁 ;有限元分析 ;应力云图 ;强度 ;刚度 中图分类号 : O34 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 8996 (2009) 03 - 0006 - 05
2125
0155
3 结论
通过 ANSYS的有限元分析 ,根据应力云图 ,对梁 1和梁 2的位移及最大强度应力的比较 ,以及各自 与理论值 [ 3～5 ]之间的差异 ,得出梁 1的最大应力分布主要在固定端部 ,梁 2的最大应力分布主要在梁的 中部 。在工程中 ,处理梁中部的强度比处理固定端部更方便些 。从分析数值上可以得出 ,梁 2最大的优 点是在相同荷载 、相同用料的情况下 ,在梁上产生的最大工作应力只是梁 1最大工作应力的 1 /2,自由 端的位移只有梁 1的 64% ,所以 ,梁 2比梁 1在提高强度和刚度方面上 ,结构较为合理 。
用实常数定义所有单元的厚度为 50 mm。材料属性 : M ain M enu > Prep rocessor >M aterial p rop s > M aterial models菜单 ,在右面第二栏依次双击“Structural”、“L inear”、“Elastic”、“ Isotrop ic”,定义材料的 弹性模量 EX = 207E3 N /mm ,泊松比 NUXY = 010 2. 2 定义节点位置和单元连接
工程中经常用到悬臂梁结构 ,在保证悬臂梁结构所需的强度 、刚度 、稳定性前提下 ,考虑选材和节省 材料是非常重要的 。本文就同种材料 、相同体积用料 ,不同截面的各向同性悬臂梁 ,从变形和应力及其 分布方面进行分析 ,并加以对比 ,以便在工程运用当中借鉴参考 。
1 初始条件
作悬臂梁有限元分析时 ,为能更清楚的说明问题 ,给出梁的实际数据进行分析 。第一种梁为等截面 矩形悬臂梁 , l = 1 270 mm ,厚度 t = 50 mm ,高度 h1 = 2h2 = 152 mm , (图 1,以下称梁 1) 。第二种梁为变 截面矩形悬臂梁 , l = 1 270 mm ,厚度 t = 50 mm ,截面高度从 h2 到 3h2 成线性变化 h2 = 76 mm , (图 2,以
图 3 梁 1节点位置及其坐标
用同样的方法 ,将梁 2用定义节点的方法定义 。在梁的上表面最左端 (635 mm , 0, 0)位置为 1号节 点 ,最右端 (1 905 mm , 0, 0)位置为 7号节点 ,在 1～7号节点之间 ,填充生成梁的上表面的 2～6号节点 ; 梁的下表面最左端 (635 mm , - 76 mm , 0)位置定义为 8号节点 ,下表面最右端 (1 905 mm , - 228 mm , 0) 位置定义为 14号节点 ,在 8～14号节点之间 ,填充生成梁的上表面的 9～13号节点 (图 4) 。
求解过程是 ANSYS读取有限元模型及其上的载荷信息 ,建立联立方程并使用不同的求解器得出的 求解结果 ,包括基本解和派生解 [2 ] 。求解计算能够很快完成 。求解完成后进入一般后处理 。用显示变 形的方式 ,可以清楚的看到在集中力的作用下 ,模型变形后的轮廓位置 (图 9、图 10) ,显示最大位移为 4106 mm 和 21594 mm ,均发生在自由端 。
由拉应力分布图 13、图 14,显示最大拉应力分别为 1171414 M Pa和 591013 M Pa,梁 1出现在固定端 截面的上边缘 ,梁 2出现在中部截面的上边缘 。梁 1、梁 2的最大拉应力和各自的最大水平应力位置基 本相同 。
10
青海大学学报
第 27卷
由压应力分布图 15、图 16,显示最大压应力分别为 - 1171414 M Pa和 - 591589 M Pa,梁 1出现在固 定端截面的下边缘 ,梁 2出现在中部截面的下边缘 。梁 1、梁 2的最大压应力和各自的最小水平应力位 置基本相同
第 27卷 第 3期 2009年 6月
青 海 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) Journal of Q inghai University (Nature Science)
Vol127 No13 Jun12009
基于 ANSYS不同截面悬臂梁性能的有限元分析
沈海宁 1 ,杨亚平2
(11 青海大学机械系 ,青海 西宁 810016; 21青海大学建筑工程系 ,青海 西宁 810016)
表 1 两悬臂梁固定端的节点位置
悬臂梁
梁1 梁2
固定端 x坐标 (mm )
1 270 1 950
施加力位置
施加力大小 ( N)
最左端 1号节点 最左端 1号节点
17 793 17 793
第 3期
沈海宁 ,杨亚平 :基于 ANSYS不同截面悬臂梁性能的有限元分析
9
两个三角 ,表示两节点的线位移被约束 。 2. 4 求解及分析结果
2 ANSYS分析
在有限元分析过程中 ,对悬臂梁可以使用不同单元类型进行分析 ,即可以使用阶数较低的 ,如 4节 点 PLANE42等参单元 ,也可使用阶数高一些的 ,如 8 节点等参单元 PLANE82。 PLANE82 单元使用和 PLANE42相同的角点节点布置 。但所有单元增加了附加的中间节点 ,通过使用带厚度选项的平面应力 单元来实现 。泊松比取为 0,就可以更好地和梁的理论值吻合 。但按相关实例可知 ,两种单元类型的分 析结果和理论解比较 , PLANE82 单元的计算结果准确度更高 [1 ] ,故该分析采用 PLANE82 单元进行分 析。 2理论值与有限元分析结果对比
自由端最大位移 (mm )
理论值
有限元值
最大弯曲应力值 (MPa)
理论值
有限元值
最大弯曲 应力位置
4101