有限元实验指导书—ansys

有限元法基础及应用上机指导书

南京理工大学

2008年4月

1 引言

上机实验是“有限元法基础及应用”课程的一个教学实践环节。通过上机，同学们可以对理论课所学有限元法的基本原理和方法有一个更加直观、深入的理解，同时通过对本实验所用软件平台Ansys的初步涉及，为将来在设计和研究中利用该类大型通用CAD/CAE软件进行工程分析奠定初步基础。

2 Ansys软件及其应用简介

Ansys是一个集成化的机械工程软件工具包，它包含所谓的CAD/CAE/ CAM功能。该软件能实现对机械工程产品设计和分析的并行工程（Concurrent Engineering）方法，它允许协同工作的不同设计小组共享设计模型并在不同应用模块之间自由交换信息。

Ansys是一个主要基于有限元法的工程分析应用软件系统，其功能几乎涉及工程分析的所有方面。用Ansys软件对一个结构或机械零件进行有限元分析的过程由三个大步骤组成：前处理、求解、后处理。

前处理是指建立有限元模型的几何、输入模型的物理和材料特性、边界条件和载荷的描述、模型检查的整个过程。

求解阶段对前处理建立的有限元模型选择相应的求解器进行求解运算。

后处理涉及对计算结果进行考察和评估的各种操作，比如绘制应力、变形图，将结果与失效准则进行比较等。后处理阶段必须回答两个问题：模型是否准确？结构或零件是否满意？

模型中有许多可能产生误差的因素，比如有限元网格的疏密、所使用单元的类型、材料特性、边界条件等。因此后处理需要对这些环节可能产生的错误进行检查，而这些问题往往在前处理和求解阶段难以发现。在根据计算结果对所分析的结构或零件进行评估之前，应确保模型中没有错误。

3 上机实验

3.1 习题1

3.1.1 已知条件

简支梁如图3.1.1所示，截面为矩形，高度h=200mm，长度L=1000mm，厚度t=10mm。上边承受均布载荷，集度q=1N/mm2，材料的E=206GPa，μ=0.29。平面

应力模型。

X 方向正应力的弹性力学理论解如下：

)534()4

(6222

23-+-=h y h y q y x L h q x σ

图3.1.1

3.1.2 目的和要求

（1）在Ansys 软件中用有限元法探索整个梁上x σ，y σ的分布规律。

（2）计算下边中点正应力x σ的最大值；对单元网格逐步加密，把x σ的计算值与理论解对比，考察有限元解的收敛性。

（3）针对上述力学模型，对比三节点三角形平面单元和4节点四边形平面等参元的求解精度。

3.1.3 操作步骤

1 定义文件名，

GUI: File/Change Jobname

定义文件名为：xiti1，见图3.1.2。

图3.1.2

2 建模，

GUI: Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Rectangle/By Dimensions 建立长度为1m ，外径为0.2m ，平面四边形区域，见图3.1.3。

图3.1.3

3 选用单元类型

GUI: Preprocessor/Element Type/(Add/Edit/Delet)，见图3.1.4。

图3.1.4

采用solid42平面单元，对solid42单元的属性进行设置，定义它的K3关键字是Plane strs w/thk，即可以定义它的厚度，见图3.1.5。

图3.1.5

4 设定单元的厚度

GUI: Preprocessor/Real Constants/(Add/Edit/Delet)

设置Thickness选项为0.01，见图3.1.6。

图3.1.6

5 设定材料属性

GUI: Preprocessor/Material Props/Material Models/

Structural/Linear/Elastic/Isotropic

图3.1.7

μ=，见图3.1.7。

设定材料参数是206

=，0.29

E GPa

6 离散几何模型

GUI: Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size

图3.1.8

设置Size：Element edge length为0.05，见图3.1.8。

GUI: Preprocessor/Meshing/MeshTool

图3.1.9

选择其中的Quad和Mapped，点击Mesh划分单元，见图3.1.9，划分好单元后的有限元模型见图3.1.10。

图3.1.10

7 施加位移约束

GUI: Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Nodes

选择左侧的中点，单击OK，弹出如下对话框，选择All DOF,即约束这个点X，Y 两个方向上的自由度，见图3.1.11。

图3.1.11

以此为例，选择右侧的中点，约束它Y方向上的自由度。

8 施加压强

GUI: Solution/Define Loads/Apply/Structural/Pressure/On Lines

选择外面的那条圆弧，单击OK，弹出如下对话框，设定压强的大小是4

N m，

10/

见图3.1.12。

图3.1.12

9 查看最后的有限元模型

GUI: Plot/Multi-Plots

图3.1.13

模型如上图所示，可以看到约束和压强的施加，见图3.1.13。

10 提交计算

GUI: Solution/Solve/Current LS

出现如下对话框，点击OK进行计算，见图3.1.14。

图3.1.14