1、 1 基于有限元软件 Workbench对轴的分析 第 1 章 模型建立 1 1.1 进入模拟平台 . 1 1.2 Workbench 设置静 力系统。 1 1.3 输入材料属性 . 2 1.4 创建几何模型：创建草图构造点 . 2 1.5 创建几何模型 ：尺寸标注 . 4 1.6 创建几何模型： Modeling 模式中创建线体 4 1.7 创建几何模型：线体赋予圆形截面 . 5 1.8 进入 Mechanical 环境 . 6 1.9 静力分析中分配材 料及网格划分 . 7 1.10 施加约束 . 8 1.11 施加载荷 . 8 1.12 添加求解选项并求解 . 9 1.13 查看结果 .
2、 10 第 2 章 验证收敛性 13 2.1 Workbench 添加静力分析系统 13 2.2 创建 3D 几何模型 14 2.3 进入 Mechanical 程序 15 2.4 静力分析 C 中分配材料和网格划分 16 2.5 施加载荷 及约束 . 17 2.6 添加求解项并求解查看结果 . 18 2.7 分析收敛性 . 19 第 3 章 模态率的分析 26 3.1 建立模态分析系统 . 26 3.2 创建 3D 几何模型 27 3.3 进入 Mechanical 程序 28 3.4 模态分析 D 中分配材料和网格划分 29 3.5 定义边界条件 . 30 3.6 分析选项设置及求解 .
3、31 3.7 查看求解结果 . 31 第 4 章 小结 34 1 第 1章 模型建立 1.1 进入模拟平台 运行 ANSYS 15.0-Workbench15.0，进入到 Workbench 数值模拟平台，鼠标左键点击 OK 关闭欢迎窗口。出现如图 1 的界面。 1.2 Workbench设置 静力 系统。 1.1 双击 Static Structural或者直接拖动 Static Structural到 Project Schematic。 1.2 然后将分析系统命名为 shaft。 1.3 点击 Save，保存项目文件名称为 Shaft.wbpj。 如图 1 图 1.1设置静力系统 2 1
4、.3 输入材料属性 1.1 分析系统 A 中 鼠标左键双击 Engineering Data，进入工程数据窗口。 1.2 输入新材料名称 shaft。 1.3 左侧工具箱下方选择各项同性线弹性材料模型（双击 IsotropicElasticity）。 1.4 材料属性窗口输入弹性模量 2.1E+11Pa 与泊松比 0.28 1.5 工具栏鼠标点击 Project，返回工程流程图的 Workbench 界面。 图 2 1.输入材料属性 1.4 创建几何模型：创建草图构造点 1.1 如图 3， Workbench 分析系统 A 中鼠标左键双击 Geometry，进入 DM 窗口。 3 图 1.3
5、1.2 导航树选择 XYPlane 工作平面 1.3 工具栏点击新草图按钮，创建新草图 Sketch1。 1.4 选择 Sketching 标签选项。 1.5 选择 Draw 下面的构造点命令 Construction Point。 1.6 工具栏选择正视图按钮，则视图调整到正对 XY 平面。 1.7 图形区点击鼠标左键，设置如图 4 的 6 个点。 图 1.4 4 1.5 创建几何模型：尺寸标注 1.1 选择尺寸标注 Dimensions 1.2 图形区分别点击相邻的两点拖放鼠标显示水平尺寸，显示 L1，同样的方法标注另外 5 个尺寸。 1.3 修改尺寸的显示单位为 Millimeter。
6、1.4 明细窗口中设置尺寸： L1=200,L2=100,L3=1000,L4=100,L5=200. 1.5 Dimensions-Display-Value，图形区显示尺寸大小。 图 1.5 1.6 创建几何模型： Modeling模式中创建线体 1.1 选择 Modeling 标签 1.2 菜单栏中选择 Concept Line From Points 1.3 图形区中选取相邻两点，由左到右依次选取。 1.4 Point Secments=Apply， Operation=ADD Frozen。 1.5 点击工具栏中的 Generate。 5 1.6 导航栏中显示生成线体 Line1，同
7、样生产线体 Line2Line5。 图 1.6 1.7 创建几何模型：线体赋予圆形截面 1.1 给线体赋予圆形截面，菜单栏中选择 Concept Cross Section Circula。 1.2 导航栏中会出现 Circular1。 1.3 输入 Circular1 截面半径尺寸 75mm。 1.4 同样生成 Circular2。 图 1.8 6 1.5 分别对线体赋予截面，选择导航栏 5Part， 5Body 下面两端的 2 个线体。 1.6 明细窗口设置 Cross Section=Circular1。 1.7 菜单栏勾选 Cross Section Solids。 1.8 图形区的两
8、端 2个线体以横截面的实体方式显示，如图 1.9中的 1位置。 1.9 同样选取 3 个线体的明细窗口设置 Cross Section=Circular2，图形区的 显示如图 1.9 位置 3。 1.10 线体组合成零件，导航树中选择 5Part， 5Body 的 5 个线体 Line Body，鼠标右键点击 From New Part。 1.11 导航下显示为 5 个线体组成 1 个零件 1Part， 5Bodies-Part 图 1.9 1.8进入 Mechanical环境 切换回 Workbench 羡慕流程窗口，双击 Setup，进入 Mechanical 环境。 图 1.10 7 1
9、.9 静力分析中分配材料及网格划分 1.1 分配材料：导航树中选择 Model Geometry-Part 1.2 明细窗口中指定前面定义过的材料 Assignment=shaft 图 1.11 1.3 导航树中选择 Mesh，右击鼠标，选择 Generate Mesh 生成默认网格。 1.4 图形区显示 轴 单元网格。 图 1.12 8 1.10 施加约束 1.1 工具栏选点选按钮。 1.2 图形区选择左侧第三个点。 1.3 导航树中选择 Static sttuctural（ A5），工具栏中选 Simply Supported，将限制 x， y， z 方向的移动。 1.4 图形区选择左侧第
10、三个点及右侧第三个点。 1.5 插入固定转动 Fixed Rotation。明细窗口中 Definition Rotation X=Fixed；Rotation Y=Fixed； Rotation Z=Free。 1.6 图形区选择右侧第三个点。 1.7 插入位移 Displacement， 明细窗口中 Definition Rotation X=Free；Rotation Y=0； Rotation Z=0。 1.8 导航栏显示施加的三个约束条件。 图 1.13 1.11 施加载荷 1.1 工具栏中选点选按钮，图形区选择左侧第一点。 1.2 施加集中力：导航树 Static Structur
11、al（ A5），工具栏中选 Loads Force 1.3 编辑 Force 属性， Define By=Components。 1.4 Y Component=-300000N。 1.5 同样的方法选择右边的第一点，生成 Force2。 9 图 1.14 1.12 添加求解选项并求解 1.1 工具栏中点击选线按钮 1.2 在快捷菜单中右击鼠标点击选择所有命令 Select All。 1.3 点击导航栏中 Solution（ A6）。 1.4 选择 Deformation 下拉菜单里的 Total。 图 1.15 10 1.5 右击 Solution（ A6）下拉菜单选择 Beam Tool
12、添加 轴 工具。 1.6 插入 轴 分析结果 Beam Results Bending Moment、 Shear Force。 1.7 BeamTool 下面全部显示勾绿。 图 1.16 1.13 查看结果 图 1.17 总变形图，最大变形在轴两端，为 1.6448mm 11 图 1.18 最大组合应力，由于没有轴向应力，组合拉应力也就是最大弯曲应力，为181.46Mpa，在轴截面突变处。 图 1.19 总弯矩图，最大总弯矩在中间为 9e7N.mm 图 1.20 总剪切力图，最大在小轴上，两端约束处为 3e5N。 12 图 1.21 剪切力变化图 .图 1.22 弯矩变化图 图 1.23 总
13、变形 变化图 13 第 2章 验证收敛性 2.1 Workbench添加静力分析系统 1.1 工具箱中用鼠标左键将 Static Structural拖入到 A分析系统的 Engineering Data 单元格上，放开鼠标，创建分析系统 B，同样的方法可以建立多个系统，共用分析系统 A 的 Engineering Data 数据，这样就不用再次重新输入材料参数。本章使用的是 C 分析系统。 1.2 C 分析系统最底边双击，键入 名称。 1.3 点击工具栏 Save，进行保存 图 2.1 添加静力分析系统 14 2.2 创建 3D几何模型 1.1 Workbench 中鼠标双击几何 Geome
14、try 单元格，进入 DM 程序，建模单位是 mm，选择菜单中的 Units-Millimeter。 1.2 菜单中选择 Create-Primitives-Cylinder，创建圆柱体。 1.3 明细窗口中点击 Details of Cylinser1-Operation=ADD Frozen， FD8,Axis Z Component=200mm， FD10， Radius=75mm。 1.4 点击工具栏中 Generate 生成圆柱 Cylinder1。 1.5 创建新平面，工具栏点击面选按钮，图形区选择圆柱顶面。 1.6 工具栏点击新平面按钮。 1.7 工具栏点击生成按钮 Genera
15、te，导航中显示生成新平面 Plane4。 1.8 创建圆柱体 2：菜单栏中选择 Create- Primitives-Cylinder。 1.9 明细窗口中点击 Details of Cylinder2-Base Plane4， Operation=ADD Frozen，FD8,Axis Z Component=100mm， FD10， Radius=90mm。 1.10 同样创建另外 3 个圆柱体 Cylinder3 Cylinder5，及新平面 Plane5 Plane7.其中 Details of Cylinder3-Base Plane5， Operation=ADD Frozen，
16、 FD8,Axis Z Component=1000mm， FD10， Radius=90mm。 Details of Cylinder4-Base Plane6，Operation=ADD Frozen， FD8,Axis Z Component=100mm， FD10， Radius=90mm。Details of Cylinder5-Base Plane7 ， Operation=ADD Frozen ， FD8,Axis Z Component=200mm， FD10， Radius=75mm。 1.11 将 5 个实体组合成一个零件，导航树中选择 5Parts， 5Bodies 下面
17、的 5个实体 Solid，鼠标右键点击 From New Part，合并为一个 Part。 15 图 2.2创建 3D几何模型 2.3 进入 Mechanical程序 切换回 Workbench 羡慕流程窗口，双击 Setup，进入 Mechanical 环境。 图 2.3进入 Mechanical程序 16 2.4 静力分析 C中分配材料和网格划分 1.1 分配材料：导航树中选择 Model-Geometry-Part。 1.2 明细窗口中制定分析系统 A 中传递过来的材料： Assignment=shaft。 1.3 工具栏中点击体选按钮，再框选方式 Box Select，图形区按住鼠标左
18、键，拖动鼠标，框选所有实体。 1.4 导航树中选择 Mesh，网格工具栏中插入网格划分方法 Mesh Control-Method。 1.5 明细窗口设置多重区域网格划分： Defintion-Method=MultiZone。 1.6 设置单元格大小：网格工具栏插入命令 Mesh Contro-Sizing。 1.7 明细窗口设置单元尺寸： Definition-Type=Element Size， Element Size=25 1.8 导航栏中 Mesh 右击鼠标，快捷菜单中选中 Generate Mesh，生成网格。 1.9 图形区 轴 生成网格。 1.10 显示网格数量及质量：明细窗
19、口展开 Statistics ，设置 Mesh Metric=Element Quality，显示网格节点 19057，单元 4136，网格平均质量为 0.81. 1.11 图形区下方以直方图形式显示网格划分的质量，横坐标为网格质量，纵坐标为单元数目。 图 2.4静力分析 C中分配材料和网格划分 17 2.5 施加载荷及约束 1.1 工具栏中选面选 工具，图形区选择左侧面。 1.2 施加集中力：导航树中选择 Static Structural(C5)，工具栏中选 Load-Force。 1.3 编辑 Force 属性，明细窗口中设置 Definition Define by=Component
20、s，Y Components=-300000N，同样施加在右端面。 1.4 工具栏选面选按钮 ， 图形区选左侧第二个环面。 1.5 远端位移约束：导航树中选择 Static Structural(B5)，工具栏中选 Supports-Remote Displacement。 1.6 明细窗口中设置 Definition X Components=0， Y Components=0， Z Components=0， Rotation X=Free， RotationY=0， Rotation Z=0. 1.7 同样选有端第二个环面，插入 Supports-Remote Displacement，
21、 明细窗口中设置 Definition X Components=0， Y Components=0， Z Components=F， Rotation X=Free， RotationY=0， Rotation Z=0. 1.8 导航栏显示两个集中力载荷 Force， Force2 及两个远端位移约束 Remote Displacement 、 Remote Displacement2。 图 2.5施加载荷及约束 18 2.6 添加求解项并求解查看结果 1.1 导航栏中选中 Solution（ B6），求解工具栏中添加总变形结果，选择Deformation-Total。 1.2 求解工具栏中
22、添加等效应力，选 Stress-Equivalent（ von-Mises）。 1.3 工具栏点击 Solve 求解。 1.4 求解完后点击导航栏中 总变形 Total Deformation，等效应力 Equivalent Stress。图形区域 中 4 位置 显示。 图 2.6 添加求解项并求解查看结果 19 2.7 分析收敛性 图 2.7 节点 数 9066，网格数 1923，最大位移 1.3057mm 图 2.8 节点 数 13174，网格数 2825，最大位移 1.3064mm 20 图 2.9 节点 数 19057，网格数 4136，最大位移 1.3066mm mm 图 2.10
23、节点 数 30593，网格数 6760，最大位移 1.307mm mm 21 图 2.11 节点数 53117，网格数 11760，最大位移 1.3075 mm 图 2.12 节点数 158057，网格数 36000，最大位移 1.3082 mm 22 图 2.13 节点数 256638，网格数 59714，最大位移 1.3085 mm 图 2.14 节点数 359253，网格数 84230，最大位移 1.3087 mm 23 图 2.15 节点数 501269，网格数 118300，最大位移 1.3088 mm 图 2.16 节点数 629580，网格数 161324，最大位移 1.3089
24、 mm 24 图 2.16 节点数 795439，网格数 189024，最大位移 1.309mm 图 2.17 网格数与最大位移 散点 图 图 2.7 至图 2.16 分别表示出了不同网格尺寸所对应的节点数，网格数，最大位移，及网格质量，由各个图中的柱状图看以看出，网格数越多，网格平均质量越好。图 2.17 将不同的网格数所对应的最大位移做成散点图，并连成曲线，看以看出，随着网格数的增加，最大位移将会渐渐趋于一条水平线，这也反映了 结果是收敛的。 25 图 2.18 图 2.18 显示在网格数为 189024 是其可划分网格达到最 大，其网格平均质量达到 93.7%，网格尺寸为 6.1，所求解
25、的最大位移的地方在轴两端，位移值为1.309mm，最大等效应力在轴截面变化处，应力值为 462.04Mpa。 图 2.19 结构变形分布图 图 2.20 应力分布图 26 第 3章 模态率的分析 3.1 建立模态分析系统 1.1 工具箱中用鼠标左键将 Modal 拖入到 A 分析系统的 Engineering Data 单元格上，放开鼠标，创建分析系统 D，共用分析系统 A 的 Engineering Data 数据，这样就不用再次重新输入材料参数。 1.2 D 分析系统最底边双击，键入名称。 1.3 点击工具栏 Save，进行保存 图 3.1 建立模态分析系统 27 3.2 创建 3D几何模
26、型 1.1 Workbench 中鼠标双击几何 Geometry 单元格，进入 DM 程序，建模单位是 mm，选择菜单中的 Units-Millimeter。 1.2 菜单中选择 Create-Primitives-Cylinder，创建圆柱体。 1.3 明细窗口中点击 Details of Cylinser1-Operation=ADD Frozen， FD8,Axis Z Component=200mm， FD10， Radius=75mm。 1.4 点击工具栏中 Generate 生成圆柱 Cylinder1。 1.5 创建新平面，工具栏点击面选按钮，图形区选择圆柱顶面。 1.6 工具栏
27、点击新平面按钮。 1.7 工具栏点击生成按钮 Generate，导航中显示生成新平面 Plane4。 1.8 创建圆柱体 2：菜单栏中选择 Create- Primitives-Cylinder。 1.9 明细窗口中点击 Details of Cylinder2-Base Plane4， Operation=ADD Frozen，FD8,Axis Z Component=100mm， FD10， Radius=90mm。 1.10 同样创建另外 3 个圆柱体 Cylinder3 Cylinder5，及新平面 Plane5 Plane7.其中 Details of Cylinder3-Base
28、Plane5， Operation=ADD Frozen， FD8,Axis Z Component=1000mm， FD10， Radius=90mm。 Details of Cylinder4-Base Plane6，Operation=ADD Frozen， FD8,Axis Z Component=100mm， FD10， Radius=90mm。Details of Cylinder5-Base Plane7 ， Operation=ADD Frozen ， FD8,Axis Z Component=200mm， FD10， Radius=75mm。 1.11 将 5 个实体组合成一
29、个零件，导航树中选择 5Parts， 5Bodies 下面的 5个实体 Solid，鼠标右键点击 From New Part，合并为一个 Part。 28 图 3.2 创建 3D几何模型 3.3 进入 Mechanical程序 切换回 Workbench 羡慕流程窗口，双击 Setup，进入 Mechanical 环境。 图 3.3进入 Mechanical程序 29 3.4 模态分析 D中分配材料和网格划分 1.1 分配材料：导航树中选择 Model-Geometry-Part。 1.2 明细窗口中制定分析系统 A 中传递过来的材料： Assignment=shaft。 1.3 工具栏中点击
30、体选按钮，再框选方式 Box Select，图形区按住鼠标左键，拖动鼠标，框选所有实体。 1.4 导航树中选择 Mesh，网格工具栏中插入网格划分方法 Mesh Control-Method。 1.5 明细窗口设置多重区域网格划分： Defintion-Method=MultiZone。 1.6 设置单元格大小：网格工具栏插入命令 Mesh Contro-Sizing。 1.7 明细窗口设置单元尺寸： Definition-Type=Element Size， Element Size=25 1.8 导航栏中 Mesh 右击鼠标，快捷菜单中选中 Generate Mesh，生成网格。 1.9 图形区 轴 生成网格。 1.10 显示网格数量及质量：明细窗口展开 Statistics ，设置 Mesh Metric=Element Quality，显示网格节点 19057，单元 4136，网格平均质量为 0.81. 1.11 图形区下方以直方图形式显示网格划分的质量，横坐标为网格质量，纵坐标为单元数目。 图 3.4静力分析 C中分配材料和网格划分
