机械与控制工程学院

《有限元基础理论与ANSYS应用》

实验报告书

专业:  机械设计制造及其自动化 

班级： 机械08-1班    

姓名： 龙超务3080444129 （组长）

      覃云天3080444128

黄雷航3080444130

一、问题描述

确定图示单搭搭接接头中的应力, 材料1为E=210Gpa，μ=0.3, 连接剂材料为E=3.80Gpa，μ=0.38, 假设搭接板长100 mm，宽度为25 mm， 厚度为4mm，连接剂厚度为0.5 mm，拉伸载荷为100Mpa。试分析连接剂为连续和不连续情况的应力分布（剪应力），分析采用何种结构截面可降低应力集中。

二、数学建模与分析

由于搭板两头结构及载荷均对称，假设搭板两头由若干个平面组成，则在每一个平面内受力也相同，即可将问题转换为平面受力分析。

其材料参数：钢      弹性模量 E=3e11 pa，泊松比μ=0.3

连接剂  弹性模量 E=3.80Gpa，泊松比μ=0.38

三、有限元建模

本题将采用常应变三角形单元和六节点三角形单元分析连杆小头的应力分布。

1）设置计算类型：两者因几何条件和载荷条件均满足平面应变问题，故均取Preferences为Structural

2）  选择单元类型：三节点常应变单元选择的类型是PLANE42（Quad 4node42），该单元属于是四节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为三节点单元；六节点三角形单元选择的类型是PLANE183（Quad 8node82），该单元属于是八节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为六节点单元。因研究的问题为平面应变问题，故对Element behavior（K3）设置为plane strain。

3）  定义材料参数：搭板材料为钢，设定：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:2.1e11, PRXY:0.3 → OK。

4）  生成几何模型：绘制矩形ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Rectangle →By Dimensions →分别输入X1,X2=0,100;Y1,Y2=0,45→apply。在输入50，150；-0.5，-4.5

5）  连接剂材料设定：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:3.8e11, PRXY:0.38 → OK。

6）  生成几何模型：绘制矩形ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Rectangle →By Dimensions →分别输入X1,X2=50,100;Y1,Y2=0,-0.5→ok

7） 执行面相加操作ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Operate →Booleans→Add →Areas→pick all，点击OK，生成如图1所示模型。

保存几何模型：单击ANSYS Toolbar中的SAVE—DB.

8）网格化分：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool → Mesh: Areas, Shape: Tri, Free →Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close( the Mesh Tool window)。网格划分如图2所示。

9）采用拖动生成3D网格

（1）改变单元类型：单击划分网格工具栏的Set按钮，在弹出的[Meshing Attributes]对话框。在[Element Type Number]下拉菜单中“SOLID95”选项，单击ok

（2）设置拖动方向的单元数目：执行Main Menu: 〉Preprocessor 〉Modeling〉Operate〉Extrude〉Elem Ext Opts。在[Element Extrude Options]中设[VAL1]的值为3。

（3）拖动生成3D网格：执行Main Menu: 〉Preprocessor 〉Modeling〉Operate〉Extrude〉Areas〉Along Normal命令，拾取所有元素，在弹出的对话框中[DIST]中输入“25”，单击ok

（4）执行命令显示结果，如图3所示

10)模型施加约束

施加约束条件：执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structrual> Displacement>Symmetry BC〉On Areas命令，弹出一个拾取框。拾取约束平面，单击OK按钮，选择“ALL Ods”选项，单击OK按钮。

施加载荷：执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structrual> Pressure>On Areas命令，弹出一个拾取框。拾取搭板两头平面，单击OK按钮,在【Load PRES value】文本框中输入“1e8”，单击OK按钮，生成结果如图4所示。

求解分析，浏览计算结果。显示变形如图5所示。

浏览节点上的Von Mises应力值，如图6所示。

图1：有限元建模模型。

图2：有限元网格划分结果图。

图3：3D网格效果图

图4：施加约束荷载效果图

图5：受力变形效果图

图6：受力变形分析图。

图7：节点受力分析图

四、结果分析

由以上分析结果可知：

（1）随着单元数目的减少，最大位移变化减少，应力变化范围逐步减少；

（2）随着单元数目的减少，即网格划分越粗，分析的结果准确度将会降低；但是单元数目的较少和节点数目的减少都会造成计算量的改变和计算速度的下降的问题。

（3）对于本次计算结果，仍可能存在虚假应力，应力的准确值无法准确得出，只是网格划分越密，计算结果越精确。所以减少虚假应力影响的措施之一就是增加单元的数目，提高网格划分的密度。

（4）所定义的约束条件以及所施加的力的方式的不同,所得的分析结果也会有很大的差别。

五、总结和建议

通过本次分析，我深切的体会到作图的正确性、精度，以及约束定义和载荷施加的正确性对分析结果的影响，一个正确的分析结果是建立在正确的作图、材料的定义的基础上的。本题如果将载荷施加在左侧上尖角处，由于划分网格比实际模型小很多，故该处应力非常大，而根据实际情况来看，施加的力不会集中在一个网格单元内，因此必须将载荷分散到其他节点上，以保证结果的正确性。

第二篇：ANSYS课程报告

中国地质大学

研究生课程论文封面

课程名称   ANSYS课程报告   

教师姓名                     

研究生姓名                     

研究生学号                     

研究生专业                     

所在院系机械与电子信息学院 

类别:           B.硕士          

日期:   20##  年  12  月 24  日

目录

ANSYS课程报告... 2

一，ANSYS软件介绍... 2

二，ANSYS模态分析的意义... 2

三，ANSYS案例分析---高速旋转轮盘模态分析... 3

3.1，前处理... 3

3.2，实体建模... 4

3,3静力分析... 8

3.4进行模态分析... 9

ANSYS课程报告

一，ANSYS软件介绍

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。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CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

二，ANSYS模态分析的意义

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

模态分析就求特征值和特征向量的问题，特征值就是要知道结构振动的一些基本振型对应的频率，在实际中，有时为了避开这这些基本频率，防止共振，有时要加强振动，看实际需要，基本自然频率可以给我们一个准则，可知道我们的结构变形是算快还是算慢，基本自然频率也可以代表结构整体的刚度：频率低表示结构的刚度很低（结构很柔软），相反的频率高表示结构的刚度很高（结构很坚硬）。结构的软硬程度视需求而有不同的设计，譬如刚性的高楼设计虽然比较不会摇动的太厉害，但是却不容易吸收地震能量；相反的柔性的高楼设计虽然会摇动比较大，但是往往可以吸收很大的地震能量。

     振型有何实用上的价值呢？从振态的形状我们可以知道在某个自然共振频率下，结构的变形趋势。若要加强结构的刚性，你可以从这些较弱的部分来加强。比如说一个高楼的设计，如果经过模态分析后会发现，最低频的振态是在整个高楼的扭转方向，那表示这个方向的刚度是首先需加强的部分。

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。  ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。

三，ANSYS案例分析---高速旋转轮盘模态分析

在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时，需要对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件，工作时由于受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。通过该实验掌握如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。

下面进行高速旋转轮盘的模态分析：

3.1，前处理

1，启动ANSYS5.7软件，文件重新命名为LPFX，点击RUN。

2，定义单元类型。Main Menu>preprocessor>element type>add/edit/delete

 “ Structural Solid”→“ Quad 4node 42” →Apply，“ Structural Solid”→“ Solid 45” →ok

3，设置材料属性。

定义材料的弹性模量EX。

Main Menu>Proprocessor>Material Props>Material Models。Structural>Liner>Elastic>Isotropic。

输入弹性模量和泊松比，点击 OK。EX=2.0E5    PRXY=0.3

定义材料的密度。

Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>density

DENS=7.8E-9

3.2，实体建模

对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。

1，创建关键点操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS    列出各点坐标值Utility menu >List > Keypoints >Coordinate only

1-6关键点坐标：

1(-10, 150, 0)

2(-10, 140, 0)

3(-3, 140, 0)

4(-4, 55, 0)

5(-15, 40, 0)

6(-15, 12, 0)

           

2，由关键点生成线的操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord

3，建立圆角：Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Lines Fillet

R=6

4，生成面 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas >Arbitrary >By Lines

5,划分网格

Main Menu >Preprocessor >Meshing >MeshTool

①对全局进行设置。单击Size Controls (尺寸控制区)全局设置项(Global)的Set按钮，将弹出Global Element Sizes单元尺寸全局设置对话框在对话框中输入Element edge Length为6。

②单击Size Controls (尺寸控制区) Lines (线设置项)的按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)的拾取对话框。 用鼠标左键在图形输出窗口中拾取圆角对应的线。 单击ok按钮，将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)对话框，在对话框中输入No. of element divisions (每条线将要分成的单元数)为1，设定圆角处对应的线只分一个单元。(由于是模态分析，只要能反应出需要知道的前几阶模态就行，而不需要知道具体的应力值，所以不需要对此处进行单元细化。)

③对分网进行控制。在分网控制区的Mesh下拉框中选定分网类型为Area (面)，Shape (网格形状)设置为Quad (四边形)，分网方式设置为Free (自由分网)。

④对面进行分网。在MeshTool (分网工具)对话框中单击Mesh按钮，将弹出Mesh Aeras (对面划分网格)拾取对话框。从图形输出窗口中拾取创建的面，单击ok按钮。完成网格划分。

6. 出整个轮盘的有限元模型

通过将面绕轴旋转成有限元实体模型的功能，将前面建立的轮盘截面有限元网格，围绕定义的旋转轴扫掠成整个轮盘的实体有限元模型。具体的操作过程如下。

① 定义旋转轴。可以通过定义旋转轴所在轴线上的两个关键点来，指定旋转轴的位置。

Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Key points >In Active CS

生成两个关键点20、21。关键点20：X,Y,Z位置分别为-10，0，0 

关键点21：X,Y,Z位置分别为10，0，0

② 设置单元生成选项

Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate >Extrude >Elem Ext Opts，

弹出Element Extrusion Options (单元挤出选项)对话框，在对话框中的Element type number (单元类型序号)下拉框中选择2号单元SOLID45。 单元尺寸选项中的分割单元数（VAL1 NO. Elem Divs）设置为18，即在挤压出的每个体上将沿周向被分成18份。拉伸比例为0，保持等截面拉伸。将Clear area(s) after ext (删除原始面)设置为Yes，在挤压的单元完成之后将删除原来的面以及其上的单元。 单击ok按钮，完成对单元选项的设置。

③ 绕轴旋转截面

Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate >Extrude >Areas >About Axis，将弹出Sweep Areas about Axis (绕轴扫描面)的拾取对话框。从图形输出窗口中选择创建好的平面网格，单击拾取对话框中的按钮。然后从图形窗口中选取定义旋转轴的关键点20，21，单击ok按钮，将弹出Sweep Areas about Axis对话框，在对话框中输入旋转角度为(Arc length in degrees)360，No. of volume segments（一周创建体的数目）为4，单击ok按钮。创建如图所示的整个盘的有限元模型。

④ 观察创建的网格形式。

Utility Menu >Plot >Element，图形窗口中将会显示出由平面网格扫掠而成的实体单元网格情况。存盘，SAVE_DB。至此，完成了创建轮盘有限元模型的所有工作。

3,3静力分析

1， 节点的坐标变换

具体操作过程如下：

① Utility Menu >WorkPlane >Offset WP by Increments，弹出Offset WP (工作平面偏移)菜单,拖动Degrees滑动条，将Degrees (旋转角度)值设置为90。单击按钮，使工作平面绕Y轴正向旋转90度，单击ok按钮，将工作平面的WZ轴和总体坐标系的X轴方向重合，。

② 在工作平面原点创建柱坐标系。

Utility Menu >WorkPlane >Local Coordinate Systems >Create Local CS >At WP Origin，将弹出Create Local CS at WP Origin (在工作平面原点创建本地坐标系)对话框，Ref number of new coord sys (新坐标系的参考序号)缺省值为11，一般就使用缺省值，也可自己设定。在Type of coordinate system(坐标系类型)下拉框中选取Cylindrical 1 (柱坐标系),其它设置为缺省值。 单击ok按钮。将完成要求的柱坐标系的创建，并且将新建坐标系定义为当前激活坐标系。

③ 将所有节点移到当前柱坐标系中。

Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Nodes >Rotate Node CS >To Active CS将弹出Rotate Nodes into CS菜单。在菜单中单击按钮，将所有的节点都移到当前激活柱坐标系下。

2，进行静力分析

由于对轮盘模态的分析需要考虑离心力引起的应力对模态的影响，所以需要先对其进行静力分析，求解出离心力产生的应力，及其对刚度阵的影响，将结果写入数据库文件。有预应力的轮盘静力分析具体过程如下。

① 指定分析类型及分析选项

a．Main Menu >Solution >New Analysis→“Static”

b．Main Menu >Solution >Sol’n Controls，将弹出求解控制(Solution Controls)对话框。单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“√”。打开预应力选项。单击OK

② 定义边界条件和转速

对于本实例分析的轮盘，由安装条件知道其边界条件应该是，在轮盘盘心的节点轴向和周向固定，而径向自由。其离心载荷是由于高速旋转产生的，因此需要在分析时指定轮盘的旋转速度，具体操作过程如下：

a．将要加载模型放大。在图形窗口中选取盘心部分，对其进行放大，以便在加载时能够准确地选择所要加载的模型元素(本实例为节点)。

b．定义约束Main Menu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Displacement >On Nodes，将弹出Apply U,ROT on Nodes (给节点施加约束)对话框，单击对话框中的Circle单选按钮，选用圆形区域选择方式(因为需要约束的为盘心节点)。 将光标移至盘心，按住鼠标左键并拖动光标，在图形窗口中将会出现一个选择用的圆形选择框随光标移动，当圆形框刚好将盘心所有的第一排节点选中，而没有选择第二排节点时，放开按钮。将会将所有盘心的节点选中，后面的约束也将施加在这些节点上。单击ok按钮，将弹出Apply U,ROT on Nodes (给节点施加约束)的对话框，在对话框的DOFs to be constrained (被约束自由度)列表框中选择UY,UZ两个自由度，分别表示对周向和轴向施加约束。在Displacement value (位移约束值)文本框中输入0(缺省值为：0)。

c．定义转速

Main Menu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Inertia >Angular Velocity >Global，将弹出Apply angular velocity (角速度定义)对话框，在对话框中的Global Cartesian X-comp (绕总体坐标系中X轴旋转角速度)文本框中输入1256.64，指定轮盘的旋转速度为1256.64弧度/秒。单击ok按钮，完成对旋转角速度的定义。

存盘SAVE_DB。

③ 进行求解

Main Menu | Solution | Current LS

3.4进行模态分析

由于模态分析时位移约束条件和进行静力分析时一样，而静力分析时所定义的转速在模态分析时将被忽略，因此进行模态分析时再不需要重新定义边条，可以直接进入求解菜单进行求解。

1，求解。

① 指定分析选项

Main Menu >Solution >Analysis Type >New Analysis→“Modal”(模态分析)

② 分析选型设定

Main Menu >Solution >Analysis Type >Analysis Options

将弹出模态分析选项对话框,在对话框中，指定Mode extraction method (模态提取方法)为Block Lanczos (分块兰索斯法)，并指定No. of modes extract (提取模态的阶数)为10 ,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩展阶数)文本框中输入10。这样ANSYS程序在进行模态求解的同时将完成模态的扩展，不需要再单独进行模态扩展。将Incl prestress effects (预应力效应)设置为“YES”，这样在进行模态分析时ANSYS程序将会把前面静力分析中求解得到的离心力产生的应力对刚度的影响考虑进去。(重要) 单击ok按钮，将会弹出Block Lanczos Method (兰索斯法模态分析选项)对话框，在对话框中对模态提取的范围进行定义，一般定义的范围要求将所关心的所有频率都包含在指定的范围之内，这里指定的值为：Start Freq (开始频率)是0，End Frequency (结束频率)是99999999。单击ok按钮，完成对分析选项的设置。

③ 进行求解

Main Menu | Solution | Current LS

   2，列出固有平率

Main Menu >General Postproc >Results Summary，将列出轮盘的所有求解的固有频率，在文本框里列出了轮盘的前10阶固有频率，可以看出有些频率值相同，这是由于轮盘结构和边条都是对称的，会出现振型和频率相同但相位不同的情况。

3，观察解得模态

本实例中由于设置了对模态进行扩展，所以对于求得的每一阶固有频率，程序同时都求解了其对应的模态振型，来反映在该固有频率时，轮盘的各节点的位移情况。可以利用通用后处理器方便地对其进行观察和分析，并且可以对各阶模态振型进行动画显示。

a．选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Read Results >First Set，选择轮盘第一阶模态。

b．选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Plot Results >Nodal Solu

选择DOF→

从结果可以看出，轮盘第一阶模态的固有频率为544.004Hz，对应的振型为一阶径。

c．观察第一阶模态的动画显示。

Utility Menu >PlotCtrls >Animate >Deformed Results

选择 DOF

图形显示窗口中将会显示本节模态的动画。同时在工作目录下会将生成的动画文件保存下来，以后可以观察。 观察完动画显示之后，单击close按钮，关闭动画控制器。

d. 选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Read Results >Next Set，选择轮盘第二阶模态。

e．选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Plot Results >Nodal Solu

选择 stress→von Mises→OK

图形窗口中将显示出第二阶模态振型。

f．选取菜单路径Utility Menu >PlotCtrls >Animate >Deformed Results

选择 stress→von Mises→OK

图形显示窗口中将会显示二阶模态的动画。

4，不同频率时的振型图

评    语

注：1、无评阅人签名成绩无效；

2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；

3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。