ansys课程设计1

一、引言
平面问题在工程中是常见的一类问题，平面问题的模型可以大大简化而不是精度。

平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。

光盘是大家经常见到的东西，但是它在光驱中旋转就可以看做是平面应力问题。

标准光盘，置于52倍速的光驱中处于最大读取速度（约为1000min r ），计算其应力分布。

标准光盘参数： ∙ 外径：120mm ∙ 内孔径：15mm ∙ 厚度：1.2mm
∙ 弹性模量：1.6⨯a MP 4
10 ∙ 密度：33102.2m Kg ⨯
二、力学模型的建立和求解
1、设定分析作业名和标题
（1）从常用菜单中选择File--Change jobname 命令，将弹出Change jobname 对话框，在Enter new jobname 文本框中输入文字“CH01”为数据库文件名，单击OK 完成文件名的修改。

（2）从实用菜单中选择File--Change Title 命令，将弹出Change Title 对话框，在Enter new title 文本框中输入文字“CD ”为标题名，单击OK 完成文件名的修改。

2、定义单元类型
在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。

这里选四节点四边形板单元PLANE42。

（1）从主菜单中选择Preprocessor/Element/Add …命令，弹出对话框，在左边的列表框中选择Solid 选项，选择实体单元。

在右边的列表框中选择Quad 4node 42选项，单击OK 。

（2）单击Options …弹出对话框，对单元进行设置，在Element behavior 下拉列表框中选择Plane strs w/thk 选项。

单击OK 完成单元类型定义。

3、定义实常数
这里需要设置厚度实常数。

（1）从主菜单中选择Preprocessor/Real Constants/Add …命令，弹出Real Constants 对话框。

（2）单击add …按钮，选择Type 1 PLANE42，单击OK 弹出Real Constant Set 对话框。

（3）在Thickness 文本框中输入“1.2”，单击OK 。

单击Close 按钮，关闭实常数设置对话框。

4、定义材料属性
考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。

（1）从主菜单中选择Preprocessor/Material Props/Material Models 命令，将弹出Define Material Model Behavior 窗口，依次双击Structural/Linear/Elastic/Isotropic,将弹出1号材料的弹性模量EX 和泊松比PRXY 的定义对话框，定义EX 为1.6e4.PRXY 为0.3.单击OK 关闭对话框。

（2）依次双击Structural/Density 弹出定义密度对话框，在DENS 文本框中输入密度数值“2.2e-9”，单位为3mm t 。

单击OK 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。

5、建立盘面模型
该模型比较简单，仅为一个平面。

使用PLANE 系列单元时。

要求模型必须位于全局XY 平面内。

（1）从主菜单中选择Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Circle/Annulus 命令，弹出Annular Circular Area 对话框，在WX 文本框中输入“0”WY 文本框中输入“0”，表示圆心坐标；在Rad-1文本框中输入内孔的半径“7.5”；在Rad-2文本框中输入外环半径“60”，单击OK 按钮。

（2）从实用菜单中选择PlotCtrls/Numbering 命令，弹出Plot Numbering Controls 对话框，选中Keypoint numbering 复选框，单击OK 按钮，使设置生效，并对图形窗口进行重绘，见下图。

1
1
2
3
4
6 5
7 8
X
Y Z
JUN 14 2012
21:11:27
AREAS TYPE NUM
（3）通过关键点1,3创建出端点为关键点1,3的直线，见下图。

1
2
4
5
68
7
3
1
X
Y Z
JUN 14 2012
21:13:45
LINES TYPE NUM
（4）通过直线1,3对圆环进行分割，分割成两个面，见下图。

1
2
8 3
4
1
6
5
7 X Y
Z
JUN 14 2012
21:15:31
AREAS TYPE NUM
6、对盘面划分网格
（1）从主菜单中选择Preprocessor/Meshing/MeshTool 命令，弹出Mesh Tool ，单击Lines 域Set 按钮，点击Pick All 按钮，弹出Element Sizes on Picked Linea 对话框，
在No. Of element divisions 文本框中输入“10”单击OK 按钮。

（2）在网格工具中选择分网对象为Areas ，网格形状为Quad ，选择分网形式为Mapped 。

附加选项中选择“Pick corners ”。

单击Mesh 按钮，选择一个面后单击Apply 按钮，弹出对话框选择3,7,6,1四个关键点，单击Apply 按钮，ANSYS 将对选择的面进行网格划分。

（3）选择另一个面，选定后单击对话框中的OK 按钮，弹出点选择对话框，选择3,7,6,1四个关键点后单击OK 按钮，ANSYS 将对选择的面进行网格划分。

（4）从实用菜单中选择Plot/Elements 命令，图形窗口中将显示刚刚生成的单元见下图。

1
X
Y Z
CD
JUN 14 2012
21:37:21
ELEMENTS
（5）单击SAVE-DB 按钮，保存数据库。

7、施加位移边界
该模型的位移边界条件为将内孔边缘节点的周向位移固定，为施加周向位移，需要将节点坐标系旋转到柱坐标系下。

（1）从实用菜单中选择WorkPlane/Change Active CS to/Global Cylindrical 命令，将激活坐标系切换到总体柱坐标系下。

（2）从主菜单中选择Preprocessor/Modeling/Move/Rotate Node CS/To Active CS 命令，弹出节点选择的对话框，要求选择与旋转坐标系的节点。

单击Pick All 按钮，将所有节点旋转到当前激活的总体柱坐标系下。

（3）从实用菜单中选择Select/Entities 对话框，然后在第一个下拉列表框中选择Nodes 选项；在下面的下拉列表中选择By Location 选项；在位置选项中列出了位置属性的3个可用项，单击X coordinates 单选按钮使其选中，表示要通过X 坐标来进行选取，此时X 代表的是径向；在文本框中输入“7.5”表示选择径向坐标为7.5的节点，即内孔边上的节点；单击OK 按钮将符合要求的节点添入选择集中。

（4）从主菜单中选择Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Nodes 命令，弹出节点选择对话框，要求选择欲施加位移约束的节点；单击Pick All 按钮,选择当前选择集中的所有节点，弹出Apply U,Rot on Nodes 对话框；选择UY ，此时节点坐标系为柱坐标系，Y 方向为周向，即施加周向位移约束；单击OK 按钮，ANSYS 在选定节点上施加指定的位移约束，见下图；
1
X
Y Z
CD
JUN 14 2012
21:55:19
ELEMENTS U
（5）从实用菜单中选择Select/Everything 命令，选取所有图元、单元和节点。

8、施加转速惯性载荷并求解
施加盘片高速旋转引起的惯性载荷。

（1）从主菜单中选择Solution/Define Loads/Apply/Other/Angular Velocity 命令，弹出Apply Angular Velocity 对话框；在Global Cartesian Z-comp 文本框中输入“1047.2”，转速是相对于总体柱坐标系施加的，单位为s rad ；单击OK 按钮，施加转速引起的惯性载荷；单击SA VE-DB 按钮，保存数据库。

（2）从主菜单中选择Solution/Solve/Current LS 命令，弹出一个确认对话框和状态列表；查看列表中的信息确认无误后，单击OK 按钮，开始求解；求解完成后弹出提示求解结束对话框，单击Close 按钮，关闭提示求解结束对话框。

三、结果分析
1、旋转结果坐标系
该模型为旋转件，在柱坐标系下查看结果会比较方便，因此在查看变形和应力分布之前，首先将结果坐标系旋转到柱坐标系下。

（1）从主菜单中选择General Postproe/Options for Outp 命令，弹出Options for Output 对话框。

（2）在Results coord system 下拉列表框中选择Global cylindric 选项，单击OK 按钮，接受设定，关闭对话框。

2、查看变形
该模型关键的变形为径向变形，在高速旋转时，径向变形过大，可能导致边缘部位与其他部件发生摩擦。

（1）从主菜单中选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu 命令，弹出Contour Nodal Solution Data 对话框。

（2）在Item to be contoured 域的左边的列表框中选择DOF solution 选项。

（3）在右边的列表框中选择Translation UX 选项，此时，结果坐标系为柱坐标系，X
向位移即为径向位移。

（4）选择Def+undef edge 单选按钮。

（5）单击OK 按钮，在图形窗口中显示出变形图，包含变形前的轮廓线，图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值，见下图。

1
MN
MX
X Y Z
CD
.00323
.003556.003882.004208.004534.00486.005186.005513.005839
.006165
JUN 14 2012
22:16:57
NODAL SOLUTION STEP=1SUB =1TIME=1
UX (AVG)RSYS=1
DMX =.006165SMN =.00323SMX =.006165
可以看出在边缘处的最大径向位移也只有6m 左右，变形还是很小的。

3、查看应力
盘片在高速旋转时的主要应力也是径向应力。

（1）从主菜单中选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu 命令，弹出 Contour Nodal Solution Data 对话框。

（2）在Item to be contoured 域的左边的列表框中选择Stress 选项。

（3）在右边的列表框中选择X-direction SX 方向。

（4）选择Def shape only 单选按钮。

（5）单击OK 按钮，图形窗口中显示出X 方向应力分布图，见下图。

1
MN
MX
X
Y Z
CD
.301018
.56806.8351011.102 1.369 1.636 1.903 2.17 2.437
2.704
JUN 14 2012
22:18:52
NODAL SOLUTION STEP=1SUB =1TIME=1
SX (AVG)RSYS=1
DMX =.006165SMN =.301018SMX =2.704
（6）从主菜单中选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu 命令，弹出Contour Nodal Solution Data 对话框。

（7）在Item to be contoured 域的左边的列表框中选择Stress 选项。

（8）在右边的列表框中选择von Mises SEQV 。

（9）选择Def shape only 单选按钮。

（10）单击OK 按钮，图形窗口中显示出von Mises 等效应力分布图，见下图。

1
MN
MX X
Y Z
CD
1.57
2.111 2.653
3.194 3.735
4.276 4.818
5.359 5.9
6.441
JUN 14 2012
22:20:40
NODAL SOLUTION STEP=1SUB =1TIME=1
SEQV (AVG)DMX =.006165SMN =1.57SMX =6.441
通过以上分析可见，在高速光盘驱动器中，光盘片的应力水平和变形都是很小的，但要注意的是，本实例中模型是假设的理想光盘模型，即绝对均匀，而且中心孔固定得绝对水平。

而实际中，特别是对于一些低质量的光盘或者关盘驱动器，这些条件都无法达到，比如光盘
材质不均匀，有偏心等，都会造成应力水平的大幅度增加，特别是可能导致轴向应力和位移，这对于薄薄的光盘片来说，更是致命的。

四、心得体会
本次课程设计在老师和同学的帮助下，通过自己的努力，基本达到了课程设计的要求。

使自己在课堂上学到的知识得到了运用，进一步的掌握了有限元分析法和机械优化设计法。

并且对有限元软件ANSYS有了更好的认识，操作的熟练程度大大的得到了提高。

学生成绩：
指导教师签字：
年月日
工程力学专业
力
学
建
模
论
文
题目：高速旋转的光盘的应力分析专业：工程力学
班级：力学09-2
姓名：白刚龙
学号：2009026282（2号）。