有限元技术实验指导书new.doc

1、交通与汽车工程学院有限元技术实验指导书适用专业:车辆工程 热能与动力工程课程代码: 7303029 学时: 16 学分: 编写单位:交通与汽车工程学院 编 写 人: 李平飞/何灼馀 审 核 人: 徐延海 审 批 人: 孙仁云 有限元技术实验指导书- 1 -目 录实验一 ANSYS 软件熟悉 .- 2 -实验二 前处理、约束和后处理 - 4 -实验三 平面应力问题分析 - 9 -实验四 平面应变问题分析 - 12 -实验五 温度场问题求解 - 14 -实验六 梁问题分析 - 16 -实验七 壳单元问题 - 19 -实验八 实体问题分析 - 23 -实验报告格式及要求 - 31 -主要参考文献 -

2、 31 -有限元技术实验指导书- 2 -实验一 ANSYS 软件熟悉一、实验目的 1、 学习启动和退出 ANYSY 以及 ANSYS GUI 中的六个窗口的功能。 2、 学习基本的交互操作。3、 了解和应用 ANSYS 帮助系统。二、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容1、 启动和退出 ANSYS 系统，帮助系统2、 基本的交互操作，如放大，旋转等，图形的拾取方式和方法3、 帮助系统的了解四、实验步骤1、启动和退出 ANSYS1-1 启动和退出 ANSYS 软件1-2 ANSYS GUI 中六个窗口的总体功能2、基本的交互操作2

3、-1. 进行如下的 GUI 交互操作:a.在主菜单中进行菜单选择.b.在主菜单中调用子菜单.c.在输入窗口中键入信息.d.对话框中 OK 与 APPLY 的区别.2-2. 显示 Pan, Zoom, Rotate 对话框, 及对话框中每项的功能2-3. 演示图形拾取功能:a.定义图形拾取及两种使用方法.b.显示拾取菜单c.演示在图形拾取中各鼠标键的功能.3、帮助系统3-1. ANSYS 帮助系统所包含的内容:有限元技术实验指导书- 3 -a.进入帮助系统.b.进入超文本连接.c.进行单词查找.d.在线手册中，有关使用鼠标键实现向前或向后翻页等功能.五、思考题1、 鼠标左、中、右键的功能？2、

4、将操作和交互过程与熟悉的 CAD 软件做相应的比较。有限元技术实验指导书- 4 -实验二 前处理、约束和后处理一、实验目的 1.掌握实体建模的基本概念。 2.掌握工作平面以及二维基本体素。3.掌握图元的绘制、编号、删除。4.布尔操作。5.单元属性的定义。6.网格的划分。7.掌握载荷的基本类型以及施加方法。 8.掌握求解过程。9.掌握后处理的使用方法。二、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容1、 通过简单的二维实体的模型创建来掌握实体建模的基本技术，如工作平面、基本体素、图元的绘制、编号以及删除，实体的布尔操作等几何模型的建立；2

5、、 根据不同的分析问题选择不同的单元类型，并进行单元属性的定义，如平面应力、平面应变等；3、 对几何模型进行网格划分工作，学习使用手工的划分定义和方法。4、 系统的掌握载荷的分类以及施加和删除方法。5、 求解过程中的一些关键步骤。6、 后处理的使用和的图形生成。7、四、实验步骤1、实体建模的概念创建 2D 体素:Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create 要绘制面，线或关键点:有限元技术实验指导书- 5 -Utility Menu: Plot Keypoints or Lines or Areas打开编号显示:Utility Menu: PlotCtrl

6、s Numbering .要放大编号字体:1. Utility Menu: PlotCtrls Font Controls Entity Font .2. 选择需要的字体、尺寸等3. 选择 OK.4. Utility Menu: Plot Replot要删除一个或多个图元 :Main Menu: Preprocessor -Modeling- Delete要使用 multi-plot:Utility Menu: Plot Multi-Plots2、工作平面Utility Menu: WorkPlane 要显示工作平面:Utility Menu: WorkPlane Display Workin

7、g Plane工作平面辅助网格开关:Utility Menu: WorkPlane WP Settings .改变辅助网格的间距:Utility Menu: WorkPlane WP Settings .打开或关闭捕捉:Utility Menu: WorkPlane WP Settings .要以设置增量方式平移工作平面:Utility Menu: WorkPlane Offset WP by Increments .有限元技术实验指导书- 6 -工作平面控制移动工作平面的选项有关坐标系统的选项 (将在以后的课程中讨论)Utility Menu: WorkPlane 3、布尔操作要使用布尔操作

8、:Main Menu: Preprocessor -Modeling- Operate 4、单元属性要定义材料属性 :Main Menu: Preprocessor Material Properties -Constant- Isotropic设定单元类型:Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete选择了单元类型后，定义单元实常数:Main Menu: Preprocessor Real Constants5、网格划分要进行网格划分:Main Menu: Preprocessor MeshTool要使用智能网格划分:Main Me

9、nu: Preprocessor MeshToolANSYS 网格划分中有许多不同的单元尺寸控制方式: （注意使用） “Smart Sizing” 总体（“Global” ） 单元尺寸 指定的线上的单元分割数及间距控制 给定关键点附近的单元尺寸控制 层网格划分 - 在壁面附近划分较密的的网格 (适于模拟 CFD 边界层及电磁分析中的 skin effects)有限元技术实验指导书- 7 - 网格细化 - 在制定区域细化网格 (并不清除已经划好的 )要清除网格:Main Menu: Preprocessor MeshToolClear6、加载实体模型加载:Main Menu: Solution

10、-Loads- Apply Main Menu: Solution -Loads- Apply Pressure On Lines在关键点加载位移约束: Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Keypoints 在线和面上加载位移约束: Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Lines OR On Areas通过 plotting 画出载荷: Utility Menu: PlotCtrls Symbols .下面将载荷转

11、化到节点和单元上，不进行求解:Main Menu: Solution -Loads-Operate删除载荷：Main Menu: Solution -Loads- Delete 7、求解求解过程:1. 求解前保存数据库2. 将 Output 窗口提到最前面观看求解信息3. Main Menu: Solution -Solve-Current LS.注意求解方法以及使用的求解器的选择。8、后处理绘出结构在静力作用下的变形结果: Main Menu: General Postprocessor Plot Results Deformed Shape.以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程: Ut

12、ility Menu: PlotCtrls Animate Deformed Shape.节点反力列表:Main Menu: General Postprocessor List Results Reaction Solution.有限元技术实验指导书- 8 -显示应力等值线:Main Menu: General Postprocessor Plot Results -Contour Plot- Nodal Solution.结果动画:Utility Menu: PlotCtrls Animate Deformed Results五、思考题1、 计算结果的精度问题如何保证？2、 后处理模块中还

13、有哪些内容？3、 网格清除后几何模型是否也清除了？4、 说明几何模型与有限元模型的关系。有限元技术实验指导书- 9 -实验三 平面应力问题分析一、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、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容计算分析模型如下图所示, 习题文件名: plane0.5 m 0.5 m 0.5 m 0.5 m 板 承 受 均 布 载 荷 ： 1.0e5 Pa 受均布载荷作用的平板计算分析模型四、实验步骤7.1 进入 ANSYS程序 ANSYSED 8

14、 Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: planeRun7.2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK7.3 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (back to Element Types window) Options select K3: Plan

15、e stress w/thk OKClose (the Element Type window)7.4 定义材料参数有限元技术实验指导书- 10 -ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OK7.5 定义实常数ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add select Type 1 OKinput THK:1 OK Close (the R

16、eal Constants Window)7.6 生成几何模型 生成特征点ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入五个点的坐标：input: 1(0,0) , 2(1,0), 3(1,1), 4(0,1), 5(0.5,0.5) OK 生成平板ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPS 连接特征点 1,2,5 Apply 连接特征点 2,3,5 Apply 连接特征点 3,4,5 App

17、ly 连接特征点 4,1,5 OK7.7 网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool (Size Controls) lines: Set Pick All(in Picking Menu) input NDIV:1 OK(back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Tri, Free Mesh Pick All (in Picking Menu) Close ( the Mesh Tool window)7.8 模型施加约束 给模型施加 x 方向约束ANSYS Main Menu

18、: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 拾取模型左部的竖直边：Lab2: UX OK 施加 y 方向约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Keypoints 拾取 4# 特征点： Lab2: UY OK7.9 分析计算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK (to close the solve Current Load Step window) O

19、K7.10 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window) Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, UX,UY, Def + Undeformed OK7.11 退出系统 ANSYS Utility Menu: File Exit Save Everything OK有限元技术实验指导书- 11 -五、思考题1 运用平面应力问题的条件是什么？2 为

20、什么要用平面应力问题来建模？有限元技术实验指导书- 12 -实验四 平面应变问题分析一、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、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容利用平面应变问题进行某问题的有限元分析。计算分析模型如图所示, 习题文件名: dam。1m 5m0.55m 四、实验步骤1 进入 ANSYS程序 ANSYSED 8 Interactive change the working directory into yours input Initial

21、jobname: damRun2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK3 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (back to Element Types window) Options select K3: Plane Strain OKClose (the Element Type window)4 定义材料参数有限元技术实验指导书- 13 -ANSYS M

22、ain Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OK5 生成几何模型 生成特征点ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input: 1(0,0), 2(10,0), 3(1,5), 4(0.45,5) OK 生成坝体截面ANSYS Main Menu: Preprocessor Modelin

23、g Create Areas Arbitrary Through KPS 依次连接四个特征点，1(0,0), 2(10,0), 3(1,5), 4(0.45,5) OK6 网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines: Set 依次拾取两条横边:OKinput NDIV: 15 Apply依次拾取两条纵边:OK input NDIV: 20 OK (back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Mapped Mesh Pick Al

24、l (in Picking Menu) Close( the Mesh Tool window)7 模型施加约束 分别下底边施加 x 和 y 方向的约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On lines pick the lines OK select Lab2:UX, UY OK 给斜边施加 x 方向的分布载荷ANSYS 命令菜单栏 : Parameters Functions Define/Edit 1) 在下方的下拉列表框内选择 x ,作为设置的变量；2) 在 Result 窗口中出现

25、X,写入所施加的载荷函数： 1000*X； 3) FileSave(文件扩展名：func) 返回：Parameters Functions Read from file：将需要的.func 文件打开，任给一个参数名，它表示随之将施加的载荷OK ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取斜边；OK 在下拉列表框中，选择：Existing table OK 选择需要的载荷参数名OK8 分析计算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to

26、close the solve Current Load Step window) OK9 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window)Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, UX,UY, Def + Undeformed , Stress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedOK10 退出系统 ANSYS Utility Me

27、nu: File Exit Save Everything OK五、思考题1、 利用结果分析计算的正确性？2、 如何将该问题类比到相似的问题上？3、 在什么条件下用平面应变问题？有限元技术实验指导书- 14 -实验五 温度场问题求解一、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、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容计算分析模型如图所示, 习题文件名: cylinder。R1=0.3 R2=0.5 圆 筒 内 壁 温 度 :500 ， 外 壁 温度 :100 。

28、两 端 自 由 且 绝 热 受热载荷作用的厚壁圆筒的计算分析模型（截面图）四、实验步骤4.1 进入 ANSYS程序 ANSYSED 8 Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: cylinder Run4.2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences select Thermal OK4.3 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Thermal S

29、olid Quad 4node 55 OK (back to Element Types window) Options select K3: Axisymmetric 有限元技术实验指导书- 15 -OKClose (the Element Type window)4.4 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Thermal Conductivity Isotropic input KXX:7.5 OK4.5 生成几何模型 生成特征点ANSYS Main Menu: Preprocessor Mo

30、deling Create Keypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input: 1(0.3,0) , 2(0.5,0), 3(0.5,1), 4(0.3,1) OK 生成圆柱体截面ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPS 依次连接四个特征点，1(0.3,0), 2(0.5,0), 3(0.5,1), 4(0.3,1) OK4.6 网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool( Size Controls

31、) lines: Set 拾取两条水平边:OKinput NDIV: 5 Apply拾取两条竖直边:OK input NDIV: 15 OK (back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Mapped Mesh Pick All (in Picking Menu) Close( the Mesh Tool window)4.7 模型施加约束 分别给两条直边施加约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Thermal Temperature On Lines 拾取左边, Valu

32、e: 500 Apply(back to the window of apply temp on lines) 拾取右边，Value：100 OK4.8 分析计算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK (to close the solve Current Load Step window) OK4.9 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window

33、)Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, Temperature TEMP OK4.10 退出系统 ANSYS Utility Menu: File Exit Save Everything OK五、思考题对于结构的对称问题，如何进行有限元分析？有限元技术实验指导书- 16 -实验六 梁问题分析一、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、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容利用不同的梁截面特性进行某问题的有

34、限元分析。计算分析模型如图所示, 习题文件名: beam。NOTE:要求选择不同形状的截面分别进行计算。10m 梁 承 受 均 布 载 荷 ： 1.0e5 Pa 梁的计算分析模型梁截面分别采用以下三种截面（单位：m ）：矩形截面： 圆截面： 工字形截面：B=0.1, H=0.15 R=0.1 w1=0.1，w2=0.1，w3=0.2, t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007四、实验步骤1 进入 ANSYS程序 ANSYSED 8 Interactive change the working directory into yours input Initial jobname:

35、 beam Run2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK3 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Beam 2 node 188 OK (back to Element Types window) Close (the Element Type window)有限元技术实验指导书- 17 -4 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Materi

36、al Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OK5 定义截面ANSYS Main Menu: Preprocessor Sections Beam Common Sectns 分别定义矩形截面、圆截面和工字形截面：矩形截面:ID=1,B=0.1，H=0.15 Apply 圆截面：ID=2,R=0.1 Apply 工字形截面：ID=3,w1=0.1 ，w2=0.1 ，w3=0.2，t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007 OK 6 生成几何模型 生成特征点ANSYS Main Me

37、nu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入三个点的坐标：input: 1(0,0), 2(10,0), 3(5,1) OK 生成梁ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines 连接两个特征点，1(0,0), 2(10,0) OK7 网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked lines OK 选择: SECT:1（根据所计算的梁的截面

38、选择编号） ；Pick Orientation Keypoint(s):YES拾取：3 # 特征点(5,1) OKMesh Tool Size Controls) lines: Set Pick All(in Picking Menu) input NDIV:5 OK (back to Mesh Tool window) Mesh Pick All (in Picking Menu) Close (the Mesh Tool window)8 模型施加约束 最左端节点加约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displ

39、acement On Nodes pick the node at (0,0) OK select UX, UY,UZ,ROTX OK 最右端节点加约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes pick the node at (10,0) OK select UY,UZ,ROTX OK 施加 y 方向的载荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Beams Pick All VALI:

40、100000 OK9 分析计算ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) OK10 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window) Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, UY, Def + Undeformed

41、 , Rotation, ROTZ ,Def + UndeformedOK11 退出系统 ANSYS Utility Menu: File Exit Save EverythingOK五、思考题有限元技术实验指导书- 18 -1、 试比较不同的截面特性下梁的变形情况？2、 说明方向点选择的意义。有限元技术实验指导书- 19 -实验七 壳单元问题一、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、实验环境与工具操作系统：WINDOWS98/2000/2003/XP 编程工具：ANSYS三、实验内容利用壳单元进行某问题的有限元分析。计

42、算分析模型如下图所示, 横截面为工字钢的悬臂梁如下图所示。其弹性模量为 ，泊松比 ， 分布载荷的分布长度为 500mm，集度为 q=122.0/ENm0.3，集中载荷为 p=2000N，试计算结构的变形与应力，并计算前 5 阶模态。 习题文件名:410/Nmshell。1208qp1027计算分析模型四、实验步骤1 进入 ANSYS程序 ANSYSED 8 Interactive change the working directory into yours input Initial jobname: shellRun2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences

43、 select Structural OK有限元技术实验指导书- 20 -3 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Shell 63 OK (back to Element Types window) OKClose (the Element Type window)4 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input

44、 EX:2.1e11, PRXY:0.3 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Densityr input DENS:7.8e3 OK5 定义实常数ANSYS Main Menu: Preprocessor Real Constants Add select Type 1 OKinput Shell thickness at node I TK(J) 0.007 OK Close (the Real Constants Window)6 生成几何模型 生成特征点ANSYS Main

45、Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input: 1(0,0,0), 2(0.1,0,0), 3(0.1,0.193,0), 4(0,0.193,0), 5(-0.1,0.197,0), 6(-0.1,0,0), 7(0,0,1.2)，8(0.3,0,0.8)，9(0,0.3,0.8)，10(0,0,0.8)，OK 生成线ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines Lines Straight Line 依次连接6 个特征点，1- 2

46、，1-4，1-6 ，4-3 ，4-5，1-7 OK 生成梁中性面ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Operate ExtrudeLinesAlong Lines依次选择由关键点 1- 2，1-4，1-6 ，4-3， 4-5 生成的线，然后选择关键点 1-7 生成的线OK 。Utility MenuWorkPlaneAlign WP withKepoints选择点 8(0.3,0,0.8)，9(0,0.3,0.8)，10(0,0,0.8) OKANSYS Main Menu: Preprocessor ModelingOperateBooleansDi

47、videArea by WorkPlanepick allOK7 网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool( Size Controls) lines: Set pick all:OKinput SIZE: 0.02 OK (back to the mesh tool window)Mesh:Areas Mesh Pick All (in Picking Menu) Close ( the Mesh Tool window)8 模型施加约束 对坐标原点端的线施加所有约束ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 拾取由关键点 1- 2，1-4，1-6，4-3 ，4-5 构成的 5 根线OK select Lab2:ALL DOF OK有限元技术实验指导书- 21 - 给梁端部施加 y 方向载荷ANSYS Main Menu: Solution Define Loads