《機(jī)械工程有限元分析基礎(chǔ)》大作業(yè)報(bào)告

二〇二一年六月

一、建模過程/步驟

1、ANSYS分析開始準(zhǔn)備工作

（1）清空數(shù)據(jù)庫并開始一個(gè)新的分析，選取 Utility > File > Clear & Start New,彈出 Clear database and Start New 對(duì)話框，單擊 OK 按鈕，彈出 Verify 對(duì)話框，單擊 OK按鈕完成清空數(shù)據(jù)庫。

（2）指定新的工作文件名 指定工作文件名。選取 Utility Menu > File >Change Jobname,彈出 Change Jobname 對(duì)話框，在 Enter New Jobname 項(xiàng)輸入工作文件名“feilm”，單擊 OK按鈕完成工作文件名的定義。

（3）指定新的標(biāo)題指定分析標(biāo)題。選取 Utility Menu > File > Change Title，彈出 Change Title 對(duì)話框，在 Enter New Title 項(xiàng)輸入標(biāo)題名“feilun axis”為標(biāo)題名，然后單擊OK按鈕完成分析標(biāo)題的定義。

（4）重新刷新圖形窗口 選取 Utility Menu > Plot >Repiot，定義的信息顯示在圖形窗口中。

2、確定分析類型

（1）運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preference 彈出分析類型設(shè)定對(duì)話框，選擇分析模塊為 Structural 結(jié)構(gòu)分析，然后單擊 OK 按鈕完成分析類型定義。

（2）d定義單元及材料屬性

（3）新建單元類型 運(yùn)行主菜單 Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete 命令，彈出 Element types 對(duì)話框，單擊 Add 按鈕新建單元類型，彈出 Library of Element Types 對(duì)話框，先選擇單元大類為 solid，接著選擇 Quad 8 node 183，單擊 OK 按鈕，完成單元類型選擇。接著單擊 Option 按鈕進(jìn)入單元設(shè)置選項(xiàng)，在 Element behavior(K3)欄中更改選項(xiàng)為 Asisymmetric(軸對(duì)稱)，在單擊 OK按鈕返回 Element Type 對(duì)話框，單擊 Close 按鈕完成設(shè)置。

（4）定義材料屬性 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Material Props > Matorial Models 命令，系統(tǒng)顯示材料屬性設(shè)置對(duì)話框，在材料屬性對(duì)話框中一次選擇 Structure/Linear/Elastic/Isotropic。完成選擇后，彈出材料屬性對(duì)話框，方便輸入彈性模量210e9，泊松比0.27，單擊 OK 返回選擇 Density，彈出密度定義對(duì)話框，輸入密度 7800，單擊 OK返回。完成材料屬性設(shè)置后，關(guān)閉對(duì)話框離開材料屬性設(shè)置。

3、建立幾何圖形

（1）建立關(guān)鍵點(diǎn)

（2）繪制矩形 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions 命令，在對(duì)話框中分別輸入 1 點(diǎn)坐標(biāo) X1=50，Y1=0，2 點(diǎn)坐標(biāo) X2=55，Y2=50，單擊 Apply 按鈕完成第一個(gè)矩形繪制；同理，輸入3點(diǎn)坐標(biāo)X1=55，Y1=24，6點(diǎn)坐標(biāo) X2=75，Y2=16，單擊 Apply 按鈕完成第二個(gè)矩形繪制；輸入4點(diǎn)坐標(biāo) X1=75，Y1=40，5點(diǎn)坐標(biāo) X2=80，Y2=5，單擊 OK 按鈕完成第三個(gè)矩形繪制。

（3）布爾操作合并圖形 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add 出現(xiàn)選擇拾取對(duì)話框，依次點(diǎn)擊圖形再點(diǎn) Apply，完成布爾加。

（4）設(shè)置顯示方式 運(yùn)行菜單 Utility Menu > Plot > Line，設(shè)置顯示方式為直線，以便下一步為直線倒圓角。

（5）倒圓角 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Line Fillet 彈出對(duì)話框，拾取視頻中線段，單擊 OK按鈕，出現(xiàn)圓角半徑設(shè)置對(duì)話框，F(xiàn)illet Radius 項(xiàng)輸入5，其他項(xiàng)默認(rèn)，單擊 Apply 按鈕完成第一個(gè)圓角繪制；同理，完成其他三個(gè)圓角的繪制。

（6）生成面 運(yùn)行菜單 Utility Menu > Plot > Line 設(shè)置直線顯示方式，運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas >Arbitrary > By Lines，出現(xiàn)選擇拾取對(duì)話框，點(diǎn)擊拾取視頻中的線段，單擊 Apply 按鈕完成；同理，完成其他三個(gè)面的生成，單擊 OK 按鈕結(jié)束。

（7）布爾運(yùn)算 完成幾何圖形創(chuàng)建 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add 出現(xiàn)選擇拾取對(duì)話框，依次點(diǎn)擊圖形再點(diǎn) Apply，完成幾何圖形創(chuàng)建。

4、劃分網(wǎng)格

（1）運(yùn)行主菜單 Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool(網(wǎng)格劃分工具)命令，出現(xiàn) Mesh Tool 菜單，單擊 Areas 中的 set 按鈕，在單元尺寸對(duì)話框中的 Element edge length 項(xiàng)中輸入單元尺寸，本列中輸入1，單擊 OK 按鈕確定。在 Mesh Tool 菜單中設(shè)置 Mesh 下拉框?yàn)?Areas，shape 項(xiàng)選擇 Quad(四邊形單元網(wǎng)格），單擊 Mesh 按鈕劃分網(wǎng)格，出現(xiàn)的 Mesh Areas 對(duì)話框中單擊飛輪平面，在點(diǎn)擊Apply，系統(tǒng)將自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分。

5、加載求解

（1）顯示線段

（2）施加約束 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structulal > Displacement on Lines 命令，出現(xiàn)拾取菜單，選擇視頻中線段，單擊 Apply，出現(xiàn)約束定義對(duì)話框，選擇 All DOF 約束所有自由度，在 Displacement Value 選項(xiàng)輸入0，在單擊OK按鈕，完成約束定義。

（3）施加載荷 運(yùn)行 Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structulal > Pressure > On Lines 命令，出現(xiàn)拾取菜單，選擇線段，單擊 Apply，出現(xiàn)載荷（壓力）定義對(duì)話框，輸入1e6，單擊 OK 按鈕完成。

（4）施加角速度 運(yùn)行主菜單 Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structulal > Inertia >Angular veloc > Globel 彈出施加速度對(duì)話框。在 OMEGY Y 項(xiàng)輸入62.8 單擊 OK按鈕完成。

6、求解

（1）運(yùn)行主菜單 Main Menu > Solution > Current LS 命令，出現(xiàn)菜單中單擊 OK 按鈕確定。計(jì)算機(jī)開始進(jìn)行求解，求解完成后出現(xiàn)“solution is done”提示表示求解完成。單擊 Close 按鈕完成求解。

7、查看分析結(jié)果

（1）改變觀察輸出結(jié)果坐標(biāo)系 在總體柱坐標(biāo)系下觀察應(yīng)力分布和變形比較方便，因此，吧結(jié)果坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到柱體坐標(biāo)系下：執(zhí)行 Main Menu > General Postproc > Options for output 出現(xiàn)結(jié)果坐標(biāo)系設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置為柱坐標(biāo)系，單擊 OK按鈕完成。

（2）顯示節(jié)點(diǎn)（單元）徑向位移云圖 運(yùn)行主菜單 Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu(or Element Solu)命令，選擇 DOF Solution > X-Component of Displacement 徑向位移（如果觀察周向位移，該項(xiàng)選擇為 Y-Component of Displacement)，單擊 OK 按鈕。

（3）顯示節(jié)點(diǎn)（單元）應(yīng)力云圖 運(yùn)行主菜單 Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu(or Element Solu)命令，選擇 stress > X-Component stress 徑向應(yīng)力（周向應(yīng)力為 Y-Component stress），單擊 OK按鈕。

（4）三維擴(kuò)展結(jié)果 運(yùn)行下拉菜單 Utility Menu > PlotCtrls > Style > symmetry Expansion > 2D Axis-symmetric 彈出軸對(duì)稱擴(kuò)展設(shè)置對(duì)話框，選擇 Full expansion，單擊 OK 按鈕。（也可以改成四分之一顯示）

二、結(jié)果分析圖片

圖2.1 節(jié)點(diǎn)徑向位移云圖

圖2.2 節(jié)點(diǎn)徑向應(yīng)力云圖

圖2.2 三維擴(kuò)展結(jié)果圖

三、ANSYS軟件應(yīng)用小結(jié)

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。

本次實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)如何使用ANSYS 通過軟件對(duì)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，在還未學(xué)習(xí)該軟件前，對(duì)于此類問題，通常會(huì)采用力矩分配法來進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程繁復(fù)，計(jì)算量大，并且容易出錯(cuò)。導(dǎo)致過程緩慢，效果不顯著。

在這次大作業(yè)中，我跟隨著視頻中老師的講解一步步建模和受力分析，在一開始的迷茫和不解中一次次觀看老師的教程，一點(diǎn)點(diǎn)學(xué)會(huì)使用軟件。在課堂上魏老師也在上課過程中給我們介紹了有關(guān)飛機(jī)上角架和飛輪以及她在研究生期間的研究設(shè)計(jì)，給我打開了一扇新的大門

對(duì)于其他應(yīng)用型軟件而言，ANSYS作為大型權(quán)威性的有限元分析軟件，在解題過程中是十分牢靠的。同時(shí)這也是一門不易掌握的軟件，因而，要學(xué)好ANSYS,我們要自己有較高的要求，所有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)都是需要我們有理論知識(shí)的支持，因此我們要對(duì)力學(xué)有一定程度的掌握。在掌握理論知識(shí)的同時(shí)我們要對(duì)軟件的使用積累經(jīng)驗(yàn)，光有理論或者經(jīng)驗(yàn)都是不行的。要結(jié)合起來這樣我們才能有更深層次的探索和學(xué)習(xí)。