机械零件有限元分析2概述2应用步骤举例.ppt

七、有限元分析的基本步骤 下面以ANSYS系统为例，用几个简单的例子介绍应用有限元法的步骤。 例1、GUI方式 问题描述： 对材料为软钢（弹性模量:210000MPa，泊松比为0.3）的悬臂梁施加100牛顿的集中载荷，用有限元法考察梁的Y向位移情况和梁内应力分布情况。具体情况如图所示。 悬臂梁示意图 步骤1、建模 经分析，此问题可用平面模型解决，因此可以在ANSYS中，用90mm×5mm的面积来表示此悬臂梁。如下图所示。 步骤2、确定单元类型 指定单元属性 设置单元厚度常数 设置材料属性 步骤3、划分有限元网格 自动划分网格结果 自动划分网格上的节点 自动生成的节点编号（梁左端放大） 步骤4、定义约束条件 定义载荷 步骤5、运算求解 步骤6、后置处理 各节点的应力值 例2、 命令与命令流方式 例3、APDL方式 任务： 通过有ANSYS限元计算机仿真系统，建立不同类型的纤维强化树脂的模型，并进行受力后的模型变形及应力计算，考查不同的纤维形状和分布对复合材料的机械性能的影响。 具体方法如下图所示，在ANSYS中建立纤维强化树脂的断面模型（二维模型，简化计算），指定模型中的材料属性，进行有限元网格的划分，指定边界约束条件，施加载荷，进行计算，记录计算结果，改变模型数据再进行计算，直到多组数据计算完毕。整理计算数据画出刚度曲线。 基本情况 模拟试验试件厚度1.6mm，长度22mm，宽度10mm，；试件由两种材料纤维和树脂复合而成，其中纤维的弹性模量为26400MPa、纤维粗0.05mm-0.1mm；树脂的弹性模量为500MPa，纤维强化的复合材料的性能将与纤维在复合材料中的密度，纤维长度，纤维的粗细，纤维的排列方向有关系。 1、确定有限元模型 为了加快运算速度，减小建模难度，根据模型简化法则，考虑使用二维模型，即用试件断面的纤维分布情况代替整个试件的纤维分布，产生的误差用增加试件的数量取算术平均值的办法解决。另外纤维的形状简化为矩形，粗细完全一致，方向完全一致。 2、确定建模方式分析方式 因试件数量众多，且每个试件内的纤维数量很大且前后位置随机分布，因此用手工方式建模显然是不可取的，故考虑采用ANSYS的宏程序（APDL ----- ANSYS Parametric Design Language）自动建模，并自动指定材料属性，自动划分有限元网格，自动指定约束关系和自动加载，自动计算，自动将后置处理的结果写入文件。然后再通过对多个试件的结果文件的处理得到复合材料不同密度和不同纤维长度下的刚度曲线。 3、具体建模方法 1）、随机生成纤维断面 用APDL编程实现，纤维长度随机，位置随机，密度一定，下图为密度0.62，纤维平均长度5mm，纤维粗0.2mm，纤维间水平间距均值0.2mm。 2）、生成基体材料范围 生成基体材料范围（试件轮廓）。 3）、整理纤维范围 通过“与”命令，在指定的范围内（试件轮廓范围内）整理纤维。 4）、生成试件几何模型并指定材料 再画试件基体范围矩形，用面积重合命令“aovlap”最终生成试件，这样纤维和基体共用相同的边而形成一个整体。分别指定纤维和基体的材料属性。 5）、划分有限元网格 局部放大 6）、施加约束并加载 三点加力试验下的约束加载情况。 7）、解算，并生成结果文件 将解算结果中感兴趣的部分生成结果文件（图形文件或文本文件） Y方向的位移等值图 X方向的拉应力等值图 文本文件 8）、处理结果文件 按三点加力刚度公式算出每个试件的弹性模量，E=FL3/（4bh3UY） 式中：F——载荷 L——支点间距离 b——横截面宽度 h——横截面高度 UY——加载点Y向位移 注意 计算用UY的确定要考虑点载荷加载与实际情况的误差：UY=UY取点-（UY取点-UYmin）/2 处理所有试件数据，得到弹性模量与纤维密度关系曲线（可以使用EXCEL电子表格工具）。 改变纤维长度，可得弹性模量——纤维长度曲线 * ANSYS 宏程序（命令流） FINISH /CLEAR ! Units: mm, N L??? = 60 ! Length H??? = 10 ! Height B??? = 6 ! Width E??? = 200000 ! Young’s modulus NU?? = 0.3 ! Poisson’s ratio SIZE = 3 ! Element size Q??? = 1