2工程问题的有限元建模与分析 本章包括以下内容: 2.1有限元分析的基本方法 22 ANSYS简介 23弹性力学平面问题的分析 无限长厚壁圆筒内外壁分别承受压力的分析 24梁的受力与变形分析 简支梁的变形分析 2.5弹性力学三维问题的分析 支架的受力分析 2.6温度场分析 钢球冷却的分析 2.7讨论(计算结果分析) 21有限元分析的基本方法 1)建立实际工程问题的计算模型 利用几何、载荷的对称性简化模型 建立等效模型 2)选择适当的分析工具 侧重考虑以下几个方面 多物理场耦合问题 大变形 网格重划分 3)前处理( Preprocessing) 建立几何模型( Geometric Modeling,自下而上,或基本单元组合) 有限单元划分( Meshing)与网格控制 4)求解( Solution) 给定约束( Constraint)和载荷(Load) 求解方法选择 计算参数设定 5)后处理( Postprocessing 后处理的目的在于分析计算模型是否合理,提出结论 用可视化方法(等值线、等值面、色块图)分析计算结果,包括位移、应力、应变、 温度等; 最大最小值分析; 特殊部位分析 22 ANSYS简介 大型通用有限元分析软件 ANSYS,自1971年推出至今,已经发展功能强大、前后处理和图 形功能完备的有限元软件,并广泛地应用于工程领域。可以分析结构、动力学、传热、热力
2-1 2 工程问题的有限元建模与分析 本章包括以下内容： 2.1 有限元分析的基本方法 2.2 ANSYS 简介 2.3 弹性力学平面问题的分析 无限长厚壁圆筒内外壁分别承受压力的分析 2.4 梁的受力与变形分析 简支粱的变形分析 2.5 弹性力学三维问题的分析 支架的受力分析 2.6 温度场分析 钢球冷却的分析 2.7 讨论（计算结果分析） 2.1 有限元分析的基本方法 1）建立实际工程问题的计算模型 ✓ 利用几何、载荷的对称性简化模型 ✓ 建立等效模型 2）选择适当的分析工具 侧重考虑以下几个方面： ✓ 多物理场耦合问题 ✓ 大变形 ✓ 网格重划分 3）前处理（Preprocessing） ✓ 建立几何模型（Geometric Modeling，自下而上，或基本单元组合） ✓ 有限单元划分（Meshing）与网格控制 4）求解（Solution） ✓ 给定约束（Constraint）和载荷（Load） ✓ 求解方法选择 ✓ 计算参数设定 5）后处理（Postprocessing） 后处理的目的在于分析计算模型是否合理，提出结论。 ✓ 用可视化方法（等值线、等值面、色块图）分析计算结果，包括位移、应力、应变、 温度等； ✓ 最大最小值分析； ✓ 特殊部位分析。 2.2 ANSYS 简介 大型通用有限元分析软件ANSYS，自1971年推出至今，已经发展功能强大、前后处理和图 形功能完备的有限元软件，并广泛地应用于工程领域。可以分析结构、动力学、传热、热力
耦合、电磁耦合、流固耦合等领域的问题 ANSYS采用开放式结构:提供了与CAD软件的接口,用户编程接口UPFs,参数化设 计语言APDL。 ANSYS分为系统层,功能模块层两层结构。可以使用图形方式,也可以使用批处理方 式 ANSYS图形方式启动界面如下 AANSYS/ED Interactive 6.1 区 Graphics device name win 32 MEMORY REQUESTED (megabytes] y Use Default Memory Model Read START ANS file at start-up? Yes (par1 vall -par2 val2.) LRun_cbe」cod_Aot ANSYS图形界面由输出窗口和工具菜单窗口构成,工具菜单窗口由下拉菜单、工具条 主菜单区、视区和辅助工具框构成 2.2
2-2 耦合、电磁耦合、流固耦合等领域的问题。 ANSYS 采用开放式结构：提供了与 CAD 软件的接口，用户编程接口 UPFs，参数化设 计语言 APDL。 ANSYS 分为系统层，功能模块层两层结构。可以使用图形方式，也可以使用批处理方 式。 ANSYS 图形方式启动界面如下： ANSYS图形界面由输出窗口和工具菜单窗口构成，工具菜单窗口由下拉菜单、工具条 主菜单区、视区和辅助工具框构成
23弹性力学平面问题的分析 问题描述: 无限长厚壁圆筒,如图1所示,内外壁分别承受压力pl=p2=100kgcm2。受载前 Rl=10cm,R2=15cm,E=210Gpa,μ=0.3。取横截面八分之一进行计算,支撑条件及网格 划分如下图2所示。求圆筒内外半径的变化量及节点8处的支撑力大小及方向 图1 图2 此问题是弹性力学中的平面应变问题。 选择图形界面方式 ANSYS main menupreferences>structural [KEYW]U/PMETH] Preferences for GUI Filtering F Structural 厂 ANSIS Fluid 厂 FLOTRAN CFD 厂 Magnetic-Edg ote: If no indivi dual disciplines are selected they will all show C P-Method Struct. C LS-DINA Explic 可以不选择图形界面方式
2-3 2.3 弹性力学平面问题的分析 问题描述： 一无限长厚壁圆筒,如图 1 所示，内外壁分别承受压力 p1=p2=100kg/cm2。受载前 R1=10cm，R2=15cm，E=210Gpa，μ=0.3 。取横截面八分之一进行计算，支撑条件及网格 划分如下图 2 所示。求圆筒内外半径的变化量及节点 8 处的支撑力大小及方向。 图 1 图 2 此问题是弹性力学中的平面应变问题。 一、选择图形界面方式 ANSYS main menu>preferences>structural 可以不选择图形界面方式
二、实体建模 1)生成八分之一圆环 ANSYS main menu >preprocessor >modeling >create >areas >circle >partial annulus 在弹出的 part annular circ area控制面板中rad-l域中填入10,在rad-2域中填入15, 在 theta-2域中填入45,点击OK退出 在图形界面上生成八分之一圆环。 c Pick C Unpick Defined Element Types: Global x Rad-2 Theta-2 dd Dele Cancel Close Help 2)存储文件 ANSYS toolbar>SAVE DB 三、划分有限元模型 )选择单元类型 因是平面应变问题,故可选42号( plane42)单元 main menupreprocessor>element type>add/edit/delete>add>solid>quad node 42, Hi. iti OK退出。 Library of Element Types Structural Ma Quad'dnode Axi-har4node 25 Hyperelastic node 83 Visco Solid Element type reference number
2-4 二、实体建模 1）生成八分之一圆环。 ANSYS main menu >preprocessor >modeling >create >areas >circle >partial annulus 在弹出的 part annular circ area 控制面板中 rad-1 域中填入 10，在 rad-2 域中填入 15， 在 theta-2 域中填入 45，点击 OK 退出。 在图形界面上生成八分之一圆环。 2）存储文件 ANSYS toolbar>SAVE_DB。 三、划分有限元模型。 1）选择单元类型 因是平面应变问题，故可选 42 号（plane42）单元。 main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete>add>solid>quad 4node 42，点击 OK 退出
Defined Element Typ Options for PLANE42, Element Type Ref. No. 1 Element coord system defined KI arall to lobal Extra displacenent shapes Include Extra surface output R。 extra output 2)设置单元关键字以控制单元行为 ANS YS main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete>options 在弹出的界面中找到 element behavior(k3)右边的下拉复选框,选择 plane strain 项,点击OK退出。 3)定义材料参数 ANSYS main menu >preprocessor >material props >material models ADefine Material Model Behavior Material odels Defined Material models Available 8 Material Model Number B Structural c& Linear o9 Flas 8 Orthotropia s Nonlinear dEnsity s Thermal Expansion Coef 8 Damping e Friction Coefficient 在弹出的“ Define material Model Behavior”界面中双击 structural>linear> elastic>isotropic 在弹出的界面中EX项填入2.1e6,PRXY中填入03,点击OK退回到“ Define materi Model behavior”界面。选择 material>exit退回主界面 4)设置网格划分尺寸 打开 meshtool控制面板 ANSYS main menu >preprocessor >meshing >meshtool 在打开的 meshtool控制面板中,在 lines域中点击set按钮
2-5 2）设置单元关键字以控制单元行为。 ANSYS main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete>options 在弹出的界面中找到 element behavior（k3） 右边的下拉复选框，选择 plane strain 项，点击 OK 退出。 3） 定义材料参数 ANSYS main menu >preprocessor >material props >material models 在弹出的“Define Material Model Behavior”界面中双击 structural>linear>elastic>isotropic 在弹出的界面中 EX 项填入 2.1e6，PRXY 中填入 0.3，点击 OK 退回到“Define Material Model Behavior”界面。选择 material >exit 退回主界面。 4） 设置网格划分尺寸 打开 meshtool 控制面板 ANSYS main menu >preprocessor >meshing >meshtool 在打开的 meshtool 控制面板中，在 lines 域中点击 set 按钮