有限元分析及应用大作业.pdf

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1、有限元分析及应用大作业有限元分析及应用大作业作业要求：作业要求：1） 个人按上机指南步骤至少选择习题中 3 个习题独立完成，并将计算结果上交；也可根据自己科研工作给出计算实例。2）以小组为单位完成有限元分析计算；3）以小组为单位编写计算分析报告；4）计算分析报告应包括以下部分：A、问题描述及数学建模；B、有限元建模（单元选择、结点布置及规模、网格划分方案、载荷及边界条件处理、求解控制）C、计算结果及结果分析（位移分析、应力分析、正确性分析评判）D、多方案计算比较（结点规模增减对精度的影响分析、单元改变对精度的影响分析、不同网格划分方案对结果的影响分析等）题一题一：图示无限长刚性地基上的三角形大

2、坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常应变单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析， 并对以下几种计算方案进行比较：1 1） 分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算； （注意ANSYSANSYS中用四边形单元退化为三节点三角形单元）2 2） 分别采用不同数量的三节点常应变单元计算；3 3） 当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算。解：解：1.1.建模：建模：由于大坝长度横截面尺寸，且横截面沿长度方向保持不变，因此可将大坝看作无限长的实体模型，满足平面应变问题的几何条件；对截面进行受力分析，作用于大坝上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力，满足平面应

3、变问题的载荷条件。因此该问题属于平面应变问题，大坝所受的载荷为面载荷，分布情况 P=98000-9800*Y；建立几何模型，进行求解；假设大坝的材料为钢，则其材料参数：弹性模量 E=，泊松比 =；2 2：有限元建模过程：有限元建模过程：进入ANSYS :ANSYS :程序 ANSYS APDLANSYS APDL设置计算类型 :ANSYS Main Menu: Preferences: Preferences select StructuralStructural OKOK选择单元类型 :ANSYS Main Menu: Preprocessor: Preprocessor Element T

4、ypeElement TypeAdd/Edit/DeleteAdd/Edit/Delete AddAdd selectSolid Quad 4node 182(Solid Quad 4node 182(三节点常应变单元选择三节点常应变单元选择Solid Quad 4node 182Solid Quad 4node 182，六节点三角形单元，六节点三角形单元选择选择Solid Quad 8node 183)Solid Quad 8node 183) OKOK (back to Element TypesElement Types window) OptionOption selectK3: Pl

5、ane StrainK3: Plane Strain OKOKCloseClose (the Element TypeElement Type window)定义材料参数：ANSYS Main Menu : Preprocessor: Preprocessor Material PropsMaterial Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:, PRXY:EX:, PRXY: OKOK生成几何模型：生成特征点 ：ANSYS Main Menu: PreprocessorPreprocessor M

6、odelingModeling CreateCreate KeypointsKeypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input:1(0,0),2(10,0),3(1,5),4,5) OKOK生成坝体截面：ANSYS Main Menu: PreprocessorPreprocessor ModelingModeling CreateCreate AreasAreas ArbitraryArbitrary ThroughKPS 依次连接四个特征点，1(0,0),2(6,0),3(0,10) OKOK网格划分：ANSYS Main Menu: Preprocessor:

7、 Preprocessor MeshingMeshing Mesh ToolMesh Tool( (Size Controls) lines: SetSet依次拾取两条直角边:OK:OKinput NDIV: 15NDIV: 15 ApplyApply依次拾取斜边:OKOK input NDIV:NDIV:2020 OKOK (back to the mesh tool window)Mesh:Areas, Shape: tri, MappedMeshMesh Pick AllPick All (in Picking Menu) CloseClose( the Mesh ToolMesh To

8、olwindow)模型施加约束：给底边施加x和y方向的约束：ANSYS Main Menu: SolutionSolution Define LoadsDefine Loads ApplyApply StructuralStructural DisplacementDisplacement On linesOn lines pick the lines OKOK select Lab2:UX, UYLab2:UX, UY OKOK给竖直边施加y方向的分布载荷：ANSYS 命令菜单栏: ParametersParameters FunctionsFunctions Define/EditDefi

9、ne/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X,写入所施加的载荷函数：98000-9800*Y； 3) FileSave(FileSave(文件扩展名： func)func) 返回： ParametersParameters FunctionsFunctions Read from fileRead from file：将需要的.func文件打开，参数名取meng，它表示随之将施加的载荷OKOKANSYS Main Menu: Solution: Solution Define LoadsDefine Loads ApplyApply

10、StructuralStructural PressurePressure OnOnLinesLines 拾取竖直边；OKOK 在下拉列表框中，选择：Existing tableExisting table OKOK 选择需要的载荷为meng参数名OKOK分析计算 ：ANSYS Main Menu: SolutionSolution SolveSolve CurrentCurrent LSLS OKOK(to close the solvesolve CurrentCurrent LoadLoadStepStep window) OKOK结果显示：ANSYS Main Menu: Genera

11、lGeneral PostprocPostproc PlotPlot ResultsResults DeformedDeformed ShapeShape select DefDef+ Undeformed+ Undeformed OKOK (back to Plot ResultsPlot Resultswindow)Contour PlotContour Plot Nodal SolutionNodal Solutionselect:DOF solution, UX,UY,Def + UndeformedDOF solution, UX,UY,Def + Undeformed, Stres

12、s ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedStress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedOKOK：结果分析：结果分析： （第一小题）（第一小题）图为采用三节点常应变单元，200 个单元，左下图为位移变形图；右下图为应力变形图图为采用六节点三角形单元，200 个单元，左下图为位移变形图；右下图为应力变形图根据位移和应力图可得：根据位移和应力图可得：单元类型单元类型Min(Min(位移位移) )Max(Max(位移位移) )Min(Min(应力应力) )54615461Max(Max(应力应力) )392364392364607043607043常应变三节点常

13、应变三节点0 0六节点三角形六节点三角形0 0对比分析可得：对比分析可得：最大位移都发生在 A 点，即大坝顶端，最大应力发生在B 点附近，即坝底和水的交界处，且整体应力和位移变化分布趋势相似， 符合实际情况；结果显示三节点和六节点单元分析出来的最大应力值相差较大根据结果显示，最小三节点和六节点单元分析出来的最小应力值相差极为悬殊，结合理论分析，实际上 A 点不承受载荷，最小应力接近于零，显然六节点三角形单元分析在这一点上更准确。 六节点的应力范围较大， 所以可判断在单元数目相同的前提下， 节点数目越多，分析精度就越大；但是节点数目的增多会带来计算工作量增加和计算效率降低的问题。结果分析（第二小

14、题）结果分析（第二小题） ：图为采用三节点常应变单元，第一个为96 个单元；第二个为 3750 个单元序号序号1 12 23 3单元数影响分析：单元数影响分析：单元数单元数969620020017501750Max(Max(位移位移) )Min(Min(应力应力) )13655136555461546121832183Max(Max(应力应力) )275480275480392364392364538858538858随着单元数目的增加，最大位移变化不大，应力变化范围逐步增大；随着单元数目的增加，即网格划分越密，分析的结果准确度将会提高；但是单元数目的增加和节点数目的增加都会造成计算量的增加和

15、计算速度的下降的问题； 对于本次计算结果， 仍可能存在虚假应力， 应力的准确值无法准确得出， 只是网格划分越密，计算结果越精确。所以减少虚假应力影响的措施之一就是增加单元的数目，提高网格划分的密度。结果分析（第三小题）结果分析（第三小题） ：方案一方案一方案二方案二方案一的位移图和应力图方案二的位移图和应力图分析：分析：编号编号方案一方案一方案二方案二MaxMax（位移）（位移）Min(Min(应力应力) )50773507737677276772MaxMax（应力）（应力）156173156173157567157567由结果可知，方案一，二都只有四个单元，所以在计算应力和位移的时结果的准确

16、度较低。由应力图可知， 方案二得出的最大应力处不符合实际情况， 而方案一的最大应力所在位置符合实际情况，所以总体来说，方案一的分析结果优于方案二。4 4 总结总结：由以上结果可知，划分网格时，单元数目也不能太少，太少会导致计算精度较低， 单元数目的增加也可以提高计算的精度；但是采用较多节点的单元反而会增加计算的工作量， 影响工作效率和经济性， 所以选用合适的单元数量至关重要；其次，单元类型的选择也相当重要，直接影响计算的精度。题二题二：图示薄板左边固定，右边受均布压力 P=100Kn/m 作用，板厚度为；试采用如下方案，对其进行有限元分析，并对结果进行比较。1） 三节点常应变单元； （2 个和

17、 200 个单元）2） 四节点矩形单元； （1 个和 50 个单元）3） 八节点等参单元。 （1 个和 20 个单元）解：解：1 1 建模：建模：由于薄板的长度为 2m,而厚度只有，所以长度相对于厚度为无限大，满足平面应变问题模型，而且长度上受均布载荷，上下两边不不受作用力，所以采用平面应变问题进行求解。假设薄板的材料为钢，则其材料参数：弹性模量 E=，泊松比 =2 2 有限元有限元 ANSYSANSYS 建模分析：建模分析：进入ANSYS :ANSYS :程序 ANSYS APDLANSYS APDL设置计算类型 :ANSYS Main Menu: Preferences: Preferen

18、ces select StructuralStructural OKOK选择单元类型 :ANSYS Main Menu: Preprocessor: Preprocessor Element TypeElement TypeAdd/Edit/DeleteAdd/Edit/Delete AddAdd selectSolid Quad 4node 182(Solid Quad 4node 182(三节点常应变单元选择三节点常应变单元选择Solid Quad 4node 182Solid Quad 4node 182，四节点矩形单元选，四节点矩形单元选择择SolidSolid QuadQuad 4n

19、ode4node 183)183) OKOK (back to ElementElement TypesTypes window) OptionOption select K3:K3:Plane StrainPlane Strain OKOKCloseClose (the Element TypeElement Type window)定义材料参数：ANSYS Main Menu : Preprocessor: Preprocessor Material PropsMaterial Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropi

20、c input EX:, PRXY:EX:, PRXY: OKOK生成几何模型：生成特征点 ：ANSYS Main Menu: PreprocessorPreprocessor ModelingModeling CreateCreate KeypointsKeypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input:1(0,0),2(10,0),3(1,5),4,5) OKOK生成坝体截面：ANSYS Main Menu: PreprocessorPreprocessor ModelingModeling CreateCreate AreasAreas ArbitraryAr

21、bitrary ThroughKPS 依次连接四个特征点，1(0,0),2(6,0),3(0,10) OKOK网格划分：ANSYS Main Menu: Preprocessor: Preprocessor MeshingMeshing Mesh ToolMesh Tool( (Size Controls) lines: SetSet依次拾取两条直角边:OK:OKinput NDIV: 15NDIV: 15 ApplyApply依次拾取斜边:OKOK input NDIV:NDIV:2020 OKOK (back to the mesh tool window)Mesh:Areas, Shap

22、e: tri, MappedMeshMesh Pick AllPick All (in Picking Menu) CloseClose( the Mesh ToolMesh Toolwindow)模型施加约束：给底边施加x和y方向的约束：ANSYS Main Menu: SolutionSolution Define LoadsDefine Loads ApplyApply StructuralStructural DisplacementDisplacement On linesOn lines pick the lines OKOK select Lab2:UX, UYLab2:UX,

23、UY OKOK给竖直边施加y方向的分布载荷：ANSYS 命令菜单栏: ParametersParameters FunctionsFunctions Define/EditDefine/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X,写入所施加的载荷函数：98000-9800*Y； 3) FileSave(FileSave(文件扩展名： func)func) 返回： ParametersParameters FunctionsFunctions Read from fileRead from file：将需要的.func文件打开，参数名取me

24、ng，它表示随之将施加的载荷OKOKANSYS Main Menu: Solution: Solution Define LoadsDefine Loads ApplyApply StructuralStructural PressurePressure OnOnLinesLines 拾取竖直边；OKOK 在下拉列表框中，选择：Existing tableExisting table OKOK 选择需要的载荷为meng参数名OKOK分析计算 ：ANSYS Main Menu: SolutionSolution SolveSolve CurrentCurrent LSLS OKOK(to clo

25、se the solvesolve CurrentCurrent LoadLoadStepStep window) OKOK结果显示：ANSYS Main Menu: GeneralGeneral PostprocPostproc PlotPlot ResultsResults DeformedDeformed ShapeShape select DefDef+ Undeformed+ Undeformed OKOK (back to Plot ResultsPlot Resultswindow)Contour PlotContour Plot Nodal SolutionNodal Solu

26、tionselect:DOF solution, UX,UY,Def + UndeformedDOF solution, UX,UY,Def + Undeformed, Stress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedStress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedOKOK3.3.结果分析：结果分析：第一小题结果分析：第一小题结果分析：三节点常应变单元（2 单元,200 单元）2 个单元的三节点常应变单元的位移图，应力图200 个单元的三节点常应变单元的位移图，应力图编号1 个单元200 个单元分析：分析：Max(位移)Min（应力）8652783039

27、Max(应力)105673152695由应力图和位移图可知，随着单元数的增加，ANSYS 模拟精度变高，两种不同数量的单元，位移变化相差不大；而应力变化相差较大，200 单元的最大应力位置在与固定端接触位置，与实际相符，所以 200 单元数比 2 单元数更精确，适当的增加单元的数量可以提高模拟精度。第二小题分析：第二小题分析：1 单元 200单元1 个单元的四节点矩形单元的位移图，应力图200 个单元的四节点矩形单元的位移图，应力图编号1 个单元200 个单元分析：分析：Max(位移)Min（应力）9594783039Max(应力)98854152695采用四节点矩形单元， 分别采用 1 个单

28、元和 200 个单元， 不管是多单元还是少单元模型，位移形变最大量相差不大，基本保持相同，但是对于应力，应力最小值相差无几，而应力最大值相差很大，而且，多单元模型中，应力最大处的位置处在左边固定端，与实际相符，而 1 单元模型不符合实际情况。第三小题分析：第三小题分析：1 1 单元单元 20 20 单元单元1 个单元的八节点等参单元的位移图，应力图20 个单元的八节点等参单元的位移图，应力图编号1 个等参单元20 个等参单元Max(位移)Min（应力）9504380846Max(应力)1062501348374 4 总结总结：由应力图，位移图可知，采用不同的单元类型，模拟结果不同，单元的数量同

29、样会影响模拟的结果，增加单元的数量可以增加模拟的精确度，但是会增加模拟的负担和工作量；采用少单元的模拟机制会使得应力最大处出现错误，而增加单元数量会使得应力最大处位置更加准确，不同的单元种类比较可知，8 节点等参单元的精确度最高。题三：题三： 图示为带方孔 （边长为 80mm） 的悬臂梁， 其上受部分均布载荷 （p=10Kn/m）作用，试采用一种平面单元，对两种结构进行有限元分析，并就方孔的布置进行分析比较，如将方孔设计为圆孔，结果有何变化（板厚为 1mm，材料为钢） 。1 1：建模：建模：由于悬臂梁长度为 900mm，而厚度只有1mm，所以长度相对于厚度来说无限长，所以可将此悬臂梁作为平面问

30、题处理，而且在长度方向上为均布载荷。假设此悬臂梁材料为不锈钢，所以则其材料参数：弹性模量 E=，泊松比 =。2 2 有限元有限元 ANSYSANSYS 建模分析：建模分析：进入ANSYS :ANSYS :程序 ANSYS APDLANSYS APDL设置计算类型 :ANSYS Main Menu: Preferences: Preferences select StructuralStructural OKOK选择单元类型 :ANSYS Main Menu: : PreprocessorPreprocessor ElementElement TypeTypeAdd/Edit/DeleteAdd

31、/Edit/Delete AddAdd select ( (三三节点常应变单元选择节点常应变单元选择) ) OKOK (back to Element TypesElement Types window) OptionOption select K3:K3:Plane StrainPlane Strain OKOKCloseClose (the Element TypeElement Type window)定义材料参数：ANSYS Main Menu : Preprocessor: Preprocessor Material PropsMaterial Props Material Mode

32、ls Structural Linear Elastic Isotropic input EX:, PRXY:EX:, PRXY: OKOK生成几何模型：生成特征点 ：ANSYS Main Menu: PreprocessorPreprocessor ModelingModeling CreateCreate KeypointsKeypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input:1(0,0),2(900,250),3(900,500),4(450,500) ,5(300,500),6(0,500)OKOK切除孔：ANSYS Main Menu: Preprocess

33、orPreprocessor ModelingModeling CreateCreateAreasAreas四边形（圆形）形成圆形或四边形； ANSYS Main Menu :Preprocessor:Preprocessor ModelingModeling operateoperate booleansbooleanssubtractsubtractAreasAreas 选择相应切除部分OKOK生成悬臂梁：ANSYS Main Menu: PreprocessorPreprocessor ModelingModeling CreateCreate AreasAreas ArbitraryA

34、rbitrary ThroughKPS 依次连接6个特征点 OKOK网格划分：ANSYS Main Menu: Preprocessor: Preprocessor MeshingMeshing Mesh ToolMesh Tool( (Size Controls) lines: SetSet依次拾取相应边:OK:OKinput NDIV: 15NDIV: 15 ApplyApply依次拾取相应的边，给予相应的 NDIVNDIV值:OKOK input NDIV:NDIV: 2020 OKOK (back to the mesh tool window)Mesh:Areas, Shape: t

35、ri,Mapped MeshMesh Pick AllPick All (in Picking Menu) CloseClose( the Mesh ToolMesh Toolwindow)模型施加约束：给左边施加x和y方向的约束：ANSYS Main Menu: SolutionSolution Define LoadsDefine Loads ApplyApply StructuralStructural DisplacementDisplacement On linesOn lines pick the lines OKOK (左边加全约束)施加分布载荷：ANSYS Main Menu:

36、 Solution: Solution Define LoadsDefine Loads ApplyApply StructuralStructural PressurePressure OnOnLinesLines 拾取相应的边，添加相应的载荷；OKOK 在下拉列表框中，选择：Existing tableExisting tableOKOK分析计算 ：ANSYS Main Menu: SolutionSolution SolveSolve CurrentCurrent LSLS OKOK(to close the solvesolve CurrentCurrent LoadLoadStepS

37、tep window) OKOK结果显示：ANSYS Main Menu: GeneralGeneral PostprocPostproc PlotPlot ResultsResults DeformedDeformed ShapeShape select DefDef+ Undeformed+ Undeformed OKOK (back to Plot ResultsPlot Resultswindow)Contour PlotContour Plot Nodal SolutionNodal Solutionselect:DOF solution, UX,UY,Def + Undeforme

38、dDOF solution, UX,UY,Def + Undeformed, Stress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedStress ,SX,SY,SZ, Def + UndeformedOKOK3.3.结果分析：结果分析：正方形孔的网格划分正方形孔的网格划分正方形孔的位移图和等效应力图圆形孔的网格划分圆形孔的网格划分圆孔的位移图和等效应力图正方形孔旋转 45 度的网格划分图正方形孔旋转 45 度的位移图和应力图方案分析：方案分析：方案方案正方形孔正方形孔圆形孔圆形孔旋转旋转 4545孔孔最小位移（最小位移（mmmm）最大位移最大位移(mm)(mm)Min(Min(应力应力) )Max(Max(应力应力) )0 00 00 0106106每种方案的最小位移，最大位移以及最大应力和最小应力如上表所示，每种方案的模拟结果如上图所示， 可以看出， 对于位移量， 三种方案相差不大， 基本一样，对于应力图， 最大应力位置圆形孔处在左边处， 符合实际情况； 而且应力值最大；对于方形孔， 最大应力值较小，而且最大应力位置处在左边约束处以及正方形边角处，而且正方形边角处应力最大不符合实际情况，所以，综上三种方案，圆形孔的方案比方形孔方案更优，模拟结果更符合实际情况。