有限元分析及应用报告-利用ANSYS软件分析带孔悬臂梁

有限元分析及应用报告题目：利用ANSY软件分析带孔悬臂梁姓名：xxx学号：xxx班级：机械xxx学院: 机械学院指导老师：xxx二零一五年一月问题概述图示为一隧道断面，其内受均布水压力q,外受土壤均布压力p；试采用不同单元计算断面内的位移及应力，并分别分析q=0或p=0时的位移和应力分布情况。

（材料为钢，隧道几何尺寸和压力大小自行确定）本例假定内圆半径为1m，外圆半径为2m，外受均布压力p=10000pa ，内受均布压力为q=20000pa 。

问题分析由题目可知，隧道的的长度尺寸远远大于截面尺寸，并且压力在长度方向上均匀分布，因此本问题可以看作为平面应变问题。

由于在一个截面内，压力沿截面四周均匀分布，且截面是对称的圆环，所以可以只取截面1/4进行有限元建模分析，这样不仅简化了建模分析过程，也能保证得到精确的结果。

由以上分析，可以选取单元类型plane42进行有限元分析，在option中选择K3 为plane strain。

三.有限元建模1.设置计算类型由问题分析可知本问题属于平面静应力问题，所以选择preferences 为structure 。

2.单元类型选定选取平面四节点常应变单元plane42,来计算分析隧道截面的位移和应力。

由于此问题为平面应变问题，在设置element type的K3时将其设置为plane strain。

3.材料参数隧道的材料为钢，则其材料参数：弹性模量E=2.1e11，泊松比(T =0.34.几何建模按照题目所给尺寸利用ansys的modeling依次建立keypoint :1(0,0),2(1,0),3(2,0),4(0,2),5(0,1) , create LINES 依次连接keypoint 2、3和4、5即可创建两条直线，使用create article 的By cent & radius 创建两条圆弧。

create AREAS依次选择四条线即建立了所需的1/4截面。

5.网格划分ANSYSJAN 12 201510:45:05划分网格时，拾取四条边进行Size Control ，设定NDIV为20;选择网格划分方式为quad和Mapped下图3-1是单元类型为plane42的有限元网格模型。

图3-1 plane 42 网格，400个单元,441个节点数6.定义约束和载荷由于本例所取的为1/4截面，所以约束为水平变UY垂直边为UX。

设置约束方法为点击displayment拾取水平边UY约束，垂直边UX约束。

施加载荷分别作用在内圆弧和外圆弧上，大小分别为20000pa和10000pa。

点击pressure后选择相应边并输入载荷大小即可。

三.计算求解在划分网格施加载荷和约束后，点击 solution 的solve 即可进行 计算求解，结果分析时主要关注最大位移、最大应力及其位置，应力 分析采用等效应力 von mises stress 。

1. p=10000pa, q=20000pa 。

r£ng12 2DL5LOs&BsQB图4-1受载变形图，最大位移0.06um图4-1节点位移云图，最大位移0.06um图4-3等效应力分布云图，最大应力在内圆附近为 22892.9pa2. p=0pa, q=20000pa 。

1NOOAL SOLUTLOM ANSYSSTEP-1 SUB -1 TIME-1USUMRSY5*0IMt 逊d -.£60£-07 •・£24£-0B -d «€DE -D7JMJ 1.2 2015(K7GJ .403^0^图4-4受载变形图，最大位移0.18um图4-5节点位移云图，最大位移0.18um图4-6等效应力分布云图，最大应力在内圆附近为45615pa3. p=10000pa,q=0pa。

ANSYS SIB -1TI«=tlUK >.ll€£-O£图4-7受载变形图，最大位移0.11um图4-8节点位移云图，最大位移位于内圆附近0.11um图4-3等效应力分布云图，最大应力在内圆附近为 23415pa4.将以上三组分析结果整理成数据表h, IbEA 1MOQaZ. SCL3T 二CK=.116£-06 =1S53.&4=2^415,41131^5537.531B23Ul€501,51477313DH.3 SI£P=15U5 -1 TIME=1SE27UR. SMSMX ANSYSIIllfiE-Ofi 104E-0I6 11€E -OfiNODAL SOLUTIONJAM 12 201512:04:21104E-06U07E-06*109E-06.112E-06.114E-06-106E-06.108E-D6.111E-0®.113E-0®-116E-06四.结果分析由以上各图和数据表可知，（1）在不同的载荷情况下，最大位移和最大应力均分布在内圆附近，因此可以得出结论，在圆环型隧道不管受内外压力分布如何，总是在内部的应力和变形最大。

（2）由三组分析对比可知，在内外均分布有压力时，变形和内部应力相对较小，而只有一边受载的情况下，变形和应力相对增大。

五.结论和体会1. 在解决一个实际工程应用问题中，学会根据索要研究的对象，利用对称、载荷均布等条件简化模型，再进行建模分析。

2. 利用size control 进行网格划分尺寸和单元数控制，利用mapped方法进行划分网格，能使网格的形态更加合适使得到的结果更准确。

六.附录（操作步骤）1进入ANSYS2设置计算类型ANS YS Main Menu: Prefere nee—select Structural — OK3选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor —Element Type —Add/Edit/Delete … T Add…1 T select PLANE4A OK T(back to Element Types window) T option T K3 select plane strain T O K T Close (the Eleme nt Type wi ndow)4定义材料参数ANS YS Main Me nu: Preprocesso T Material Props T Material Models T Structural T Lin ear T Elastic T Isotropic T in putEX:2.1e11, PRXY:0.T OK5建立几何模型生成keypointANSYS Main Menu: Preprocesso T Modeling T Create TKeypo ints T In Active CS T依次输入三个点的坐标：in put:1(0,0),2(1,0),3(2,0) ,4(0,2),5(0,1) T OK生成直线straight lineANSYS Main Menu: Preprocesso T Modeling T Create T Lines T lines T Straight lines T分别连接2、3 和4、5T OK生成圆弧ArcsANSYS Main Menu: Preprocesso T Modeling T Create T Lines T Arcs^ By Cent &Radiu T拾取1 (0,0) apply T3 ( 1,0)T select T 90T apply T拾取1 (0,0) apply T4 ( 2,0)T select T90T OK生成areaANSYS Main Menu: Preprocesso T Modeling T Create T Areas T by lines r分别连接四段线T OKANSYS126网格划分ANSYS Main Menu: Preprocesso今Meshing 宀Mesh Attributes 宀Picked areas —03 MAT[1],T YPE[1 PLANE42]ANS YS Main Menu: Preprocesso r Meshi ng — Mesh Too—(Size Con trols) lin es: Set —依次拾取四条边:0K—in put NDIV: 20 —OK —(back to the mesh tool window)Mesh: Areas, quad, Mapped —Mesh —Pick All (in Pick ing Me nu) —Close( the Mesh Tool wi ndow)7模型施加约束和载荷给两直线施加约束ANS YS Main Menu: Solutio n—Defi ne Loads —Apply —Structural—Displaceme nt —On lines —拾取水平边—OK —selectLab2:U Y —apply—拾取竖直边边—OK —select Lab2:UX—OK 给内外圆弧施加均布载荷q和pANS YS Main Menu: Solutio n—Defi ne Loads —Apply —Structural—Pressure —On Li nes —拾取外圆弧；OK —输入10000—apply—拾取内圆弧；OK —输入20000—OK8分析计算ANS YS Main Me nu: Solutio n—Solve —Curre nt LS —OK(to closethe solve Curre nt Load Step win dow) —OK9结果显示ANS YS Main Menu: Ge neral Postpro—Plot Results — Deformed Shape …—select Def + Un deformed —OK (back to Plot Results win dow) —Con tour Plot —Nodal Solu …—select: DOF solutio n, UX,U YDef + Un deformed , Stress ,SX,S Y,S Z, Def + Un deform—OK —select STRES S von mises stress (以上只是一组分析的步骤，其他组分析步骤与以上相同，只需修改相关参数即可)。