结构有限元分析——连杆两种有限元模型的建立与分析求解

1目录一问题的提出....................................2二问题的简化与分析..............................2三面模型的建立..................................3四空间问题模型的建立与求解.....................12五平面问题模型的建立与求解.....................17六两种模型结果的对比与分析.....................21七命令流.......................................221空间问题模型求解的命令流....................222平面问题模型求解的命令流....................262一问题的提出图1所示为一连杆平面结构示意图，壁厚为50mm，（图示长度单位为mm）各种尺寸见下图。相关参数如下：弹性模量EX=2.2e5，泊松比PRXY=0.3，试求在工作过程中连杆所受到的最大应力。图1二问题的简化与分析连杆作为一种机械零件，在实际模型中，为美观方便加工减少应力集中和节省材料所建立的大量的凹槽倒角等，对载荷的承载能力影响很小，在有限元模型中可以忽略。反之，大大增加了建立模型的工作量。观察尺寸可知，连杆的厚度相对杆长甚小，显而易见可以作为平面应力问题来求解，其建模与划分网格按照平面应力问题进行即可，网格的划分用Quad4node42单元进行（注意要定义单元的厚度）。同时连杆作为一空间实体，可按照空间问题进行建模与网格划分，这种操作与空间实体操作完全相同，网格的划分可采用用Brick8node185单元进行。实际情况中，连杆大端与曲轴相连，小端与发动机活塞相连。在发动机作功行程中，汽缸内压缩气体作用在活塞上一个瞬时冲力，进而作用到连杆小端，压缩行程结束时，喷油器3将高压柴油以雾状喷入燃烧室，此时，缸内温度高于柴油自燃温度，柴油自行着火燃烧。燃烧气体最高压力6～9MPa，本文模拟该瞬时的受力情况，即假设作用在小端气体压力为10Mpa，方向指向连杆大端，即作用在小端的左半圆上，连杆大端与曲轴相连，可看作大端被约束。于是模型的受载和约束情况获得了。由上分析之，连杆有两种建模方法，即平面模型和空间模型。为比较不同建模方法的精度和验证不同有限元分析的误差，本文采用了这两种方法，两种有限元模型如图2所示：图2考虑到模型的特殊性，为减少模型的计算量，空间模型可按照平面应力模型进行法向拉伸获得（拉伸的尺寸为连杆的厚度50），这样可避免了两次建模的累赘。采用自底向上的建模方法建立连杆平面应力问题的几何模型。三面模型的建立1定义工作文件名1）选择UtilityMenu→File→ChangeJobname命令，出现ChangeJobname对话框，在4[FILNAM]Enternewjobname文本框中输入工作文件名liangan，单击OK按钮关闭该对话框。2）选择PlotCtrls→Style→Colors→ReverseVideo,设置显示颜色。2定义单元类型1）设置计算类型：ANSYSMainMenu:Preferences…→Structural→OK；2）选择MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add→Edit→Delete命令，出现ElementTypes对话框，单击Add按钮，出现LibraryofElementTypes对话框。在LibraryofElementTypes对话框中选择StructuralSolid,Brick8node185,单击Apply按钮，选择StructuralSolid，Quad4node42,单击OK，关闭该对话框。3)单击ElementTypes对话框上的Type1→Options，进行如下操作，最后选择OK→Close按钮，如图3所示，关闭该对话框。图33实参数得选择设置为带厚度的平面问题ANSYSMainMenu:Preprocessor→RealConstants→Add→Edit→Delete→Add→Type1→OK→RealConstantSetNo:1(第1号实常数),THK:50(平面问题的厚度)→OK→Close，如图4所示：5图44定义材料参数:ANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic:EX:2.2e5(弹性模量)→PRXY：0.3→OK→鼠标点击该窗口右上角来关闭该窗口，如图5所示：图55创建几何模型1）选择UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering命令，出现PlotNumberingControls对话框，选择KPKeypointnumbers和LINELinenumbers选项，使其状态从Off变为On，，单击OK按钮关闭该对话框。2)选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS命令，出现CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框，在NPTKeypointnumber文本框中输入1，在X,Y,ZLocationinactiveCS右面的3个文本框中分别输入-180,0，0，如图6所示。单击Apply按钮，参照上述的操作过程，分别输入第2、3个关键点的编号及其坐标：2（-180,35,0）；3（-135,35,0）6图6输入完成后单击OK按钮关闭该对话框。3）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→InActiveCoord命令，出现LinesinActive拾取菜单，在文本框中输入1,2，单击Apply按钮，生成一条线段，在文本框中输入2,3，单击Apply按钮，生成另外一条线段，单击OK按钮关闭该菜单。4）选择UtilityMenu→Plot→Lines命令，ANSYS显示窗口将显示所生成的线段，如图7所示：图75）选择UtilityMenu→Workplane→ChangeActiveCSto→GlobalCylindrical命令，将当前激活坐标系转换成柱坐标。参照步骤2）的操作过程，在ANSYS显示窗口生成以下关键点编号及坐标：4(135,135,0);5(95,180,0);6(95,135,0)76）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→InActiveCoord命令，出现LinesinActive拾取菜单，在文本框中输入5,6，单击Apply按钮，生成一条线段，在文本框中输入3,4，单击Apply按钮，生成另外一条线段，单击OK按钮该菜单。7）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→LineFillet命令，出现LineFillet拾取菜单，在文本框中输入2,4，单击OK按钮，出现LineFillet对话框，在NL1，NL2Intersectinglines右面的2个文本框中依次输入2、4，在RADFilletradius文本框中输入30，如图8所示，单击OK按钮关闭该对话框。图88）选择UtilityMenu→Plot→Lines命令，ANSYS显示窗口将显示线段倒角后的结果，如图9所示。图99）选择UtilityMenu→WorkPlane→DisplayWorkingPlane命令，显示工作平面。10）选择UtilityMenu→WorkPlane→OffsetWPbyIncrements命令，出现OffsetWP对话框，在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入45，单击OK按钮关闭该对话框。11）选择UtilityMenu→WorkPlane→ChangeActiveCSto→WorkingPlane命令，将当前8激活坐标系设置为工作平面。12）选择UtilityMenu→Select→Everything命令，选择所有实体。13）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Reflect→Lines命令,出现ReflectLines拾取菜单，单击PickAll按钮，出现ReflectLines对话框，在NcompPlaneofsymmetry选项中选择Y-ZplaneX，单击OK按钮关闭该对话框。14）选择UtilityMenu→Plot→Lines命令，ANSYS显示窗口将显示线段映射后的结果，如图10所示。图1015）选择UtilityMenu→WorkPlane→OffsetWPbyIncrements命令，出现OffsetWP对话框，在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入-45，单击Apply按钮，在X,Y,ZOffsets文本框中输入600，单击OK按钮关闭该对话框。16）选择UtilityMenu→WorkPlane→LocalCoordinateSystems→CreatLocalCS→AtWPOrigin命令，出现CreateLocalCSatWPOrigin对话框，在KCPTypeofcoordinatesystem下拉列表中选择Cylindrical1，单击OK按钮关闭该对话框，如图11所示。9图1117）参照步骤2）的操作过程，在ANSYS显示窗口生成以下关键点编号及其坐标：16（75,0,0）；17（75,135,0）；18（40,0,0）；19（40,180,0）18）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→InActiveCoord命令，出现LinesinActive拾取菜单，在文本框中输入16,17，单击Apply按钮，生成一条线段，在文本框中输入18,19，单击Apply按钮，生产另外一条线段，单击OK按钮关闭该菜单。19）选择UtilityMenu→Plot→Lines命令，ANSYS显示窗口将显示生成线段的结果，如图12所示。图1220）选择UtilityMenu→Workplane→ChangeActiveCSto→GlobalCartesian命令，将当前激活坐标系转换成笛卡尔坐标系。21）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Reflect→Lines命令，出现ReflectLines拾取菜单，在文本框中输入3,6,7,8，单击OK按钮，出现ReflectLines对话框，在NcompPlaneofsymmetry选项中选择Y-ZplaneX，单击OK按钮关闭该对话框。22）参照步骤2）的操作过程，在ANSYS显示窗口生成以下关键点编号及其坐标：2710（250,55,0）；28（520,45,0）23）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→SplinethruKPs命令，出现Splines拾取菜单，在文本框中输入17，28,27,24，单击OK按钮关闭该菜单。24）选择UtilityMenu→Plot→Lines命令，ANSYS显示窗口显示生成样条曲线的结果，如图13所示。图1325）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→LineFillet命令，出现LineFillet拾取菜单，在文本框中输入15,17，单击OK按钮，出现LineFillet对话框，正在NL1，NL2Intersectinglines右面的2个文本框中依次输入15、17，在RADFilletradius文本框中输入40，单击Apply按钮，出现LineFillet拾取菜单，在文本框中输入11,17，单击OK按钮，出现LineFillet对话框，在NL1，NL2Intersectinglines