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1《有限元应用基础》实验报告班级：姓名：学号：学院：机械与动力工程学院专业：机械设计制造及其自动化指导老师：机械与动力工程学院2015年11月1实验一ANSYS软件熟悉和前处理一、实验目的：熟悉ANSYSWorkbench软件菜单、窗口等环境、软件分析功能及解题步骤。二、实验设备：微机（P4配置），ANSYSWorkbench软件（教学版），WindowsXP操作系统。三、实验内容：（一）、实验原理及实验步骤：（1）、功能介绍：1）、工具箱：Workbench工具箱组成如图1。第一项分析系统，最常用。第二项组件系统，就是构成分析系统的各个组成元素。第三项耦合分析。第四项设计探索，包括优化设计和可靠性设计。·第一项分析系统：分析系统组成如图2。包含四类：固体分析；流体分析；热分析；电磁场分析。固体分析，有静力学分析和动力学分析。静力学分析中，有两支。第一支就是纯粹的静力学分析，staticstructural,以及staticstructural(samcef)，分别用不同的求解器计算静力学问题。动力学分析则范围广阔，包含modal模态分析，modal(samcef)模态分析，harmonicresponse谐响应分析，randomvibriation随机振动分析，responsespectrum响应谱分析。这些分析之中，模态分析至关重要。因为所谓的谐响应分析，随机振动分析，响应谱分析都以之为基础。还有瞬态动力学分析，是当激励很快的改变时，要求结构的响应问题。第二项组件系统：如图3。组件系统包含了诸多单元模块，是构成前面分析系统的基础。可以组装，也可以单独使用。第三项耦合场分析：如图4。·图1工具箱图2分析系统图4耦合场2前两个是流固体耦合分析，分别是从CFX,FLUENT到静力学分析的耦合；然后是预应力模态的分析，是先做静力学分析，得到应力后，再做模态分析；接着是随机振动分析，就是先做模态分析，再做随机振动分析；接着是响应谱分析，同样是先做模态分析，再做响应谱分析；最后是热应力问题，是先做热分析，得到温度后，把温度导入到结构场，再做应力分析。第四项设计探索模块：如图5。第一个是全局优化，第二个是参数关联，第三个是响应面，是根据前面的有限次仿真，找到设计变量和目标变量之间的关系，从而用一个所谓的响应面勾勒出来，实际上就是曲线拟合的问题。最后一个是6sigma分析，属于鲁棒性分析。2）、界面介绍：（2）、分析的基本过程：1）、制定分析方案。2）、前处理。a）、建立、导入模型。b)、定义材料属性。c)、设定网格划分参数并划分网格。3）、求解。a）、在Solution分支中添加结果输出项。b）、点击工具条中的Solve按钮或选中Solution点击右键选择Solve便可进行求解。4）、后处理：求解完成后，选中结果输出项，在工具条中出现各种后处理工具。图3组件系统图5设计探索3（3）、ANSYSWorkbench前处理：1）、导入外部CAD文件：2）、添加材料:（此次实验用默认材料，无需更改，此步省略。）43）、网格划分：网格划分是建立CAE模型的一个重要环节，建立网格模型所花费的时间往往是取得CAE解决方案所耗费时间中的一个重要部分。网格直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。a）、ANSYS网格划分不能单独启动，只能在Workbench中调用分析系统或【Mesh】组件启动，如图所示。b）、确定物理场:c）、确定网格划分方法:5d）、网格控制：全局网格设置通常用于整体网格划分的部署，包括网格尺寸函数、inflation、平滑度、模型简化、参数输入、激活等。局部网格控制e）、网格检查:6（二）、实验记录：1、模型文件的导入把实验一模型文件夹里面的asm_mesh.stp文件导入，材料为默认。之后双击Model选项进入分析界面。72、网格的划分：划分单元体：四面体。整体划分的单元体大小：0.02m。两个应力集中孔内表面划分单元体大小：0.005m。划分单元体：四面体。整体划分的单元体大小：0.01m。两个应力集中孔内表面划分单元体大小：0.005m。8划分单元体：六面体。整体划分的单元体大小：0.02m。两个应力集中孔内表面划分单元体大小：0.005m。划分单元体：六面体。整体划分的单元体大小：0.008m。两个应力集中孔内表面划分单元体大小：0.005m。9四、实验总结：这次实验，让我了解了ANSYSWorkbenc分析软件的界面与基本的使用方法。并练习了模型的导入和对模型划分不同类型的网格。通过实验，我发现对同一模型划分同一类单元的网格时，单元的大小越小，网格划分得越细，但处理起来越慢。当单元的大小一样时，六面体的网格比四面体的网格处理起来更慢。在实验中，有时候划分出来的网格单元很不匀称，这时通过调整整体和局部的单元大小再重新生成网格后一般可以解决。10实验二约束、载荷施加以及求解和后处理一、实验目的：熟悉ANSYSWorkbench软件菜单、窗口等环境、软件分析功能及解题步骤。二、实验设备：微机（P4配置），ANSYSWorkbench软件（教学版），WindowsXP操作系统。三、实验内容：（一）、实验原理及实验步骤：1、施加载荷约束类型：（1）、惯性载荷这些载荷作用在整个系统中需要用到质量的时候密度是必须的。（2）、结构载荷这种载荷是作用在系统部分结构上的力或者力矩。（3）、结构约束利用约束可以限制结构部件在一定范围内的移动，也就是限制结构的自由度。（4）、热载荷从结构上讲，热载荷会产生温度区域并且在整个模型上引起热扩散。2、导入模型并添加约束和载荷模型左侧两孔为完全固定约束，右侧孔受有轴承载荷，水平向右和竖直向下大小均为1000N。材料为结构钢（默认）。3、求解（1）、插入结果。11（2）、结果求解定义了材料，施加载荷和约束，添加结果后，模型便做好了求解的准备了，选择“Solve”后，出现一个插图，告诉用户已经开始求解。4、后处理求解完成后，用户可以查看到结果。12（二）、实验记录：（1）、首先按题目要求添加约束和载荷：（2）、把模型用四面体网格划分，按题目要求求解：网格划分：13总变形：等效应力：14等效应变：（3）、把模型用六面体网格划分，按题目要求求解：网格划分：15总变形：等效应力：16等效应变：四、实验总结：这次实验，我练习了在模型不同的地方进行约束和载荷的施加，并练习划分了不同类型的网格，同时了解了对模型求解的方法，练习了求解器的使用，并用不同的方法对结果进行显示，也知道了如何看出各处变形和受力的大小以及分布情况。这将为我以后的工作与学习提供巨大的帮助。在试验中我发现，模型某处的受力或变形越大结果中显示的颜色越向红色靠拢，越小则越向蓝色靠拢。17实验三平面应力问题的有限元分析一、实验目的：1、掌握ANSYS软件基本的几何形体构造方法、网格划分方法、边界条件施加方法及各种载荷施加方法。2、熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。3、能利用ANSYS软件对平面结构进行静力有限元分析。二、实验设备：微机（P4配置），ANSYSWorkbench软件（教学版），WindowsXP操作系统。三、实验内容：（一）、实验原理及实验步骤：如图所示的薄平板结构。平板中间有一个洞，并且该平板的角上受到集中载荷作用。假定E=70GPa，μ=0.25，t=0.02，P=20KN。用如图所示的有限元网格结构求解。1、在Solidworks中建立模型。（此次模型已经提供，无需重做。）182、将模型导入ANSYSWorkbench中，并提取平面。3、确定分析类型。4、定义材料属性。此次试验中使用默认材料结构钢，无需设置。5、划分网格：分别划分为单元大小0.3m的三角形网格、单元大小0.15m的三角形网格、单元大小0.3m的四边形形网格、单元大小0.15m的四边形形网格四种情况。6、施加载荷并求解。7、求解。8、查看分析结果：分别查看总变形、等效应变、等效应力，三种结果。9、生成报告并保存（二）、实验记录：1、按照题目要求分别把平面模型划分成：单元大小0.3m的三角形网格、单元大小0.15m的三角形网格、单元大小0.3m的四边形形网格、单元大小0.15m的四边形网格四种情况。2、插入题目要求的结果并求解。19（1）、单元大小0.3m的三角形网格：总变形：等效应变：20等效应力：（2）、单元大小0.15m的三角形网格：总变形：21等效应变：等效应力：22（3）、单元大小0.3m的四边形网格：总变形：等效应变：23等效应力：（4）、单元大小0.15m的四边形网格：总变形：24等效应变：等效应力：25四、实验总结：这次实验中，我知道了如何导入并提取3D模型的平面，知道了如何开启2D分析模式去分析3D模型，并练习了对模型用三角形与四边形两种平面单元划分网格，以及对模型点和边约束与载荷的施加，同时也知道了如何调整model分析模式里模型的厚度，最后还练习了如何导出报告。这将为我今后的工作与学习带来巨大的帮助。在试验中我发现，如果错误地使用了3D分析模式进入model模式去分析模型，不能直接退出来修改成2D分析模式再进model分析，而是应该再拖入一个Staticstructural模块，改成2D分析模式，并共享之前导入的模型，再进入model模式里去分析，不然分析时可能会发生意想不到的错误。26实验四三维模型的线性静力分析一、实验目的：1、掌握具体的有限元分析的总体过程。2、了解对分析结果的评价方法。3、学习具体问题载荷的施加方法。二、实验环境与工具：微机（P4配置），ANSYSWorkbench软件（教学版），WindowsXP操作系统。三、实验内容：（一）、实验原理及实验步骤：从实验一模型文件夹中导入名为asm_mesh.stp（如右图所示）的支架模型，材料定为结构钢（默认），将架底座上的两个孔完全固定，支架上部的孔受有内表面水平向右的轴承载荷1000N，中部的斜孔受有向右1000N的径向力，分析其总变形、等效应力和等效应变。（二）、实验记录：1、按题目要求添加约束和载荷：272、把模型划分成适当的四面体网格并求解：四面体网格：总变形：28等效应变：等效应力：293、把模型划分成适当的六面体网格并求解：六面体网格：总变形：30等效应变：等效应力：31四、实验总结：这次实验，我练习了对具体的物体模型用四面体与六面体单元进行网格划分，和在具体的物体模型中添加约束与载荷，并练习了具体问题的求解方式，进一步熟悉了求解器的使用。这将为我以后的工作与学习带来巨大的帮助。在实验中，通过对比我发现，单元划分的越细得到的结果越精确，但处理起来也越慢。这次实验我遇到了一个问题，在老师的细心指导下得以解决。在对模型中间的斜孔施加力时不能施加轴向力，不然系统分析时会报错，只能添加径向力。