1、机械工程有限元法课程作业任课教师：xxx 学生姓名：* 学 号:000000时 间：2010-6-29机械工程有限元法课程作业 一.问题描述与分析 .1二. ANSYS 操作过程与方法 11. 建立模型包括确定作业名和标题 12. 定义单元类型 23. 定义材料属性 24. 创建几何模型、划分网格 35. 建立接触对 36. 加载求解 47. 查看求解结果 6三.有限元分析结果 .71. 加载情况下的应力应变 72. 卸载情况下的应力应变 8附录； APDL 命令流 .9机械工程有限元法课程作业 1一.问题描述与分析如图 1 所示，一个刚性压头以一定压力压入一块圆板，该问题为一典型赫兹接触问题
2、，用力控制加载，具有大塑性变形。圆板材质为铜，弹性模量 E=1.6E6 Pa, 泊松比 =0.33，应力应变曲线如图 2 所示，曲线上各点对应的数值见表 1，加载最大压力为 3.5x106 N/m2。表 1 铜的应力-应变关系应力(Pa) 1041.5x1042.1x1042.9x1043.26x1043.47x1043.625x1043.9x1044.025x104应变(%) 0.00625 0.0025 0.005 0.010 0.015 0.020 0.040 0.100 0.200由于研究对象为轴对称结构，为简化计算采用平面模型。采用刚柔接触模式，压头为刚性体，铜板为柔性体，载荷通过刚
3、体的控制节点分多步加载，而后卸载，考察铜板在压头压入后的接触应力和塑性形变，以及卸载后的残余应力和形变。二. ANSYS 操作过程与方法1. 建立模型包括确定作业名和标题GUI 路径：Utility Menu FileChange Jobname， 打开“Change Jobname”对话框，如图2 所示，在“Enter new jobname”文本框中输入“contact”,单击 OK 按钮，完成文件名的修改；GUI 路径：Utility MenuFileChange Title，打开“Change Title”对话框，在文本框中输入“CONTACT STRESS ANALYSIS”如图 4
4、 所示，单击 OK 按钮，作为标题名。图 1 接触模型 图 2 铜的应力应变曲线 机械工程有限元法课程作业 2图 3 修改文件名 图 4 修改标题名2. 定义单元类型铜板模型选用八节点四边形板单元 PLANE182，接触对单元选用 TARGET169 和CONTACT171（1）GUI 路径：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，打开“Element Types”对话框，单击 Add 按钮，打开 “Library of Element Types”，如图 4，在左边的列表框中选择“Solid”选择，选择实例单元类型，在右边的列表
5、框中 “8node 182”选项，选择八节点四边形板单元 PLANE182。图 5 定义单元类型（2）通过类似操作添加单元 TARGET169 和 CONTACT1713. 定义材料属性（1）GUI 路径：Main MenuPreprocessorMater PropsMateria Model 命令，打开“Define Material Model behavior”窗口，如图 5 所示。（2）依次双击“StructuralLinearElasticIsotropic” ，展开材料属性的树形结构。将打开的 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框，在 “EX”文本框中输入
6、弹性模量 16E6，在“PRXY”文本框中输入泊松比 0.33，在“MU”文本框中输入摩擦系数 0.3，单击 X 按钮。（3）依次双击“StructuralNonlinearElasticMultilinear Elastic”，在表格中依次输入表机械工程有限元法课程作业 31 中的应力-应变值，在单击 X 按钮，退出定义材料模型属性窗口，完成对材料模型属性的定义。图 6 定义材料属性4. 创建几何模型、划分网格（1）几何建模 GUI 路径：Main MenuPreprocessor ModelingLines ，依次通过输入关键点，构造直线和曲线，进而生成面，完成模型的创建。 （2）网格划分
7、 GUI 路径：Main MenuPreprocessorMeshing Meshtool，激活网格划分向导，在 Size controlsLines 中点击 Set 对模型各直线进行细划，而后点击 Mesh：Areas 进行自由网格划分。图 7 有限元网格划分5. 建立接触对（1）GUI 路径：GUI 路径：Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete，依次选择 TARGET169 和 CONTACT171，点击 ADD，完成实常数设置。图 8 实常数设置 （2）GUI 路径：Main MenuPreprocessorModelingC
8、reatContact Pair，激活接触对创机械工程有限元法课程作业 4建向导，点击 Contact Wizard，根据提示依次选择目标面，接触面，控制节点和接触参数，完成接触对的创建。图 9 建立接触6. 加载求解（1）分析类型设置 GUI 路径：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，出现New Analysis 对话框，如图 14，选择分析类型 Static，单击 OK 按钮关闭对话框。图 10 选择分析类型（2）载荷步设置 GUI 路径：Main MenuSolutionAnalysis TypeSonl control 命令，出现 So
9、lution Control 对话框，如图 11 进行载荷步设置，单击 OK 按钮关闭对话框。机械工程有限元法课程作业 5图 11 载荷步设置（2）施加边界条件 GUI 路径：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，选择位于模型底部的所有节点，在施加约束对话框中选择 UY，单击 OK 按钮关闭对话框。图 12 施加边界条件（2）施加节点载荷 GUI 路径：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes，选择控制节点，在施加载
10、荷对话框中选择 UY，constant value，-20000 单击 OK 按钮关闭对话框。机械工程有限元法课程作业 6图 13 施加节点载荷（3）求解 GUI 路径：Main MenuSolutionSolveCurrent LS ，求解完毕后保存所有文件。7. 查看求解结果GUI 路径：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，可以查看各项应力，应变计算结果的分布云图。 图 14 查看结果机械工程有限元法课程作业 7三.有限元分析结果1. 加载情况下的应力应变图 15 正应力 图 16 范米塞斯应力图 17 接
11、触压力图 18 等效总形变 机械工程有限元法课程作业 8图 19 等效塑性形变2. 卸载情况下的应力应变图 20 残余正应力图 21 残余范米塞斯应力机械工程有限元法课程作业 9附录； APDL 命令流!*定义文件名,标题,几何尺寸/FILNAME,contact01,1/TITLE,CONTACT STRESS ANALYSIS/PREP7 THICK=0.25RADIUS=0.75 CONTACT=0.3 LENGTH=1.0 !*定义单元和实常数ET,1,182,1,2 ET,2,169 ET,3,171 R,2,0,0,1,0.1 RMORE,0.1,0.01 !*材料特性MP,EX,
12、1,16E6 MP,NUXY,1,0.33 MP,MU,1,0.3 TB,MISO,1,0,9TBPT,0.000625,10000TBPT,0.0025,15000 TBPT,0.005,21000 TBPT,0.01,29000 TBPT,0.015,32600 TBPT,0.02,34700 TBPT,0.04,36250 TBPT,0.10,39000 TBPT,0.20,40250!*几何建模与网格划分K,1 K,2,CONTACT K,3,LENGTHKGEN,2,1,3,1,THICK,3A,1,2,5,4 A,2,3,6,5 TYPE,1 MAT,1 LESIZE,4,10 L
13、ESIZE,2,10 LESIZE,6,10 LESIZE,1,12 LESIZE,3,12 LESIZE,5,12,5 LESIZE,7,12,1/5 机械工程有限元法课程作业 10AMESH,ALL ARSYM,X,ALL NUMMRG,ALL ASEL,NONE LSEL,NONEWPAVE,THICK+RADIUSCSWPLA,11,1 K,20,RADIUS,180 K,21,RADIUS,-90 K,22,RADIUS,0 K,23,0,0 L,20,21 L,21,22 !*创建接触对TYPE,2 REAL,2 LMESH,ALL KMESH,23 KSEL,S,KP,23 NS
14、LK,S*GET,N_LOAD,NODE,NUM,MAXALLSCSYS,0 NSEL,S,LOC,Y,THICK TYPE,3 ESURF !*边界条件NSEL,S,LOC,Y,0 D,ALL,UY NSEL,S,LOC,X,0 NSEL,R,LOC,Y,0 D,ALL,UX NSEL,ALL FINISH !*求解设置/SOLU ANTYPE,STATIC NLGEOM,ON SOLC,ON NSUBST,20,500,10 OUTRES,ALL,ALLF,N_LOAD,FY,-20000SOLVE F,N_LOAD,FY,0 SOLVE 机械工程有限元法课程作业 11FINI /EXIT,ALL
