综合重点工程仿真优秀课程设计.doc

课程设计说明书

工程结构仿真课程设计

学院（部）：
专业班级：
学生姓名：
指导老师：

201 年 0 月 日

安 徽 理 工 大 学
课 程 设 计 成 绩 评 定

1、专业班级：
2、姓 名：
3、完成日期：
4、设计题目： 平面桁架问题 门铰链位置优化分析
5、成绩评定：

成绩评定标准
所占分值
各项得分
学生工作态度及和团体协作能力
25

学生掌握相关基础理论及设计软件程度
25

学生模型建立合理性及结果正确性
25

课程设计说明书编写规范性及语言流畅性
25

总成绩

日期： 年 月 日
目 录

1.序言…………………………………………………………………………2
1.1引言…………………………………………………………………………………2
1.2结构静力学分析……………………………………………………………2
1.3 课程设计目标和要求………………………………………………………2
2.平面桁架问题分析…………………………………………………………………………3
2.1问题叙述…………………………………………………………………3
2.2理论分析……………………………………………………………………………4
2.3有限元分析 …………………………………………………………………………5
2.4本章小结……………………………………………………………………………8
3.实体模型分析…………………………………………………………………………9
3.1模型材料和几何参数……………………………………………………9
3.2有限元模型建立………………………………………………………9
3.3 结果和分析……………………………………………………………………11
4. 心得体会………………………………………………………………………18
5.参考文件

1 序言
1.1引言
有限元法（finite element method）是一个高效能、常见数值计算方法。科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而很多微分方程解析解通常极难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，能够编制程序，使用计算机辅助求解。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述各类物理场中（这类场和泛函极值问题有着紧密联络）。自从1969年以来，一些学者在流体力学中应用加权余数法中迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等一样取得了有限元方程，所以有限元法可应用于以任何微分方程所描述各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函极值问题有所联络。基础思想：由解给定泊松方程化为求解泛函极值问题。
1.2结构静力学分析
经过进行结构静力学分析，我们能愈加熟悉已学过结构求解，结构受力情况，结构静力学分析不仅仅关系到我们课程作业，也和我们日常生活，我们工作亲密相关，熟练掌握结构静力学分析能帮助我们处理很多生活、工作中碰到静力学问题。
1.3 课程设计目标和要求
课程设计能愈加好让我们把所学各科知识联络起来，把书本上知识和生活实际所面正确问题联络起来，能有效提升我们处理实际问题能力。经过做课程设计，能有效提升学生自主学习能力，提升学生查阅书刊杂志，自主选择查找相关资料能力，进行独自分析解答能力。
此次课程设计有两个问题，第一个为桁架静力学分析，第二个为ANSYS设计模型要求采取理论计算和ANSYS软件两种方法分别进行分析，这是深入让我们熟悉使用ANSYS软件，并对有限元理论进行愈加好总结，让我们学习愈加好。

2 平面桁架问题分析
2.1问题叙述
平面桁架问题在多种工程结构中被广泛使用一个特殊刚体系，它们是部分短而直钢杆相互以端部连接而成几何不变结构。当刚杆之间连接能近似看做是铰链约束时，这种杆系结构称为桁架。
已知有一个桁架，结构形状以下图所表示。施加在桁架上力F=10kN。桁架每根长1m，杆截面积为0.01㎡，泊松比μ=0.3，弹性模量E=200GPa。用两种方法分别计算出桁架内力并进行比较。
图2-1桁架计算模型图
图2-2 桁架受力分析图
2.2理论分析
求支座反力，分别对A,B点取矩：
(2-1)
解得
(2-2)
解得
以节点A为研究对象：
： (2-3)
解得
： (2-4)
解得 （压力）
以节点C为研究对象：
： (2-5)
解得 （拉力）(压力）
以节点D为研究对象：
： (2-6)
解得 （压力）
： (2-7)
解得
以节点E为研究对象：
： (2-8)
解得
： (2-9)
解得 （拉力） （压力）
以节点F为研究对象：
： (2-10)
解得 （拉力）
： (2-11)
解得 （压力）
以节点G为研究对象：
： (2-12)
解得 (压力）
： (2-13)
解得 （拉力）
2.3 有限元分析
（1）选择单元类型：
经过单击Preference > Element Type > Add/Edit/Delete定义单元类型为LINK 3D finit stn 180。
（2）定义几何特征：
经过单击Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete定义单元几何特征，即：面积为0.01㎡。
（3）定义材料特征：
经过单击Preprocessor > Material Props > Material Models，和Structural > Linear >Elastic >Isotropic定义弹性模量为2E11，泊松比为0.3。
（4）定义节点：
经过单击Preprocessor > Modeling > Create > Nodes > In Active CS，定义13个节点，它们分别是1（0，0，0），2（5，0，0），3（0，1，0），4（1，1，0），5（1，2，0），6（2，1，0），7（2，2，0），8（3，1，0），9（3，2，0），10（4，1，0），11（4，2，0），12（5，1，0），13（2.5，1，0）。
（5）定义单元：
经过节点生成单元，方法以下，单击Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > Thru Nodes，弹出“节点选择”对话框，依次选择1、3，单击Apply,如此生成1号单元。同理单击Apply生成剩下22个单元。
（6）施加位移约束：
依次单击Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement >On Nodes，在1号节点施加All DOF约束，在2号节点施加UY=0约束。
（7）施加集中力载荷：
依次单击Solution > Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > On Nodes在6号和8号节点施加F=-10000N荷载。
（8）求解结果：
依次单击Solution > Solve > Current LS，求出结果。

图2-3 桁架有限元分析加载图

图2-4 桁架总体变形图

图2-5 桁架整体应变图

表2-1 桁架杆件内力表
Element
MF(N)
1
-10000.
2
10000.
3
0.17618E-09
4
-14142.
5
0.23717E-09
6
-0.
7
10000.
8
14142.
9
0.10842E-09
10
-0.54210E-10
11
0.
12
-0.
13
0.81315E-10
14
0.
15
-0.27105E-10
16
-0.
17
10000.
18
0.0000
19
14142.
20
10000.
21
-14142.
22
-10000.
23
0.0000
退出系统
ANSYS Utility Menu: File > Exit … > Save Everything > OK
2.4 本章小结
经过对比手动理论计算结果和ANSYS软件分析结果，我们能够发觉，在理论计算杆力为0地方，ANSYS分析结果为极小数值，二者相差并不大，这说明了在面对平面桁架结构这种问题时，理论计算结果还是大致正确，不过在面对更为复杂问题时，我们就要求援于ANSYS等工程类软件应用了。在这个平面桁架问题上，当我们利用ANSYS软件时，能够愈加紧速，愈加正确地计算出问题结果，而且误差小，而手动理论计算误差更大，计算过程中也有可能犯错，所以，熟练利用ANSYS软件处理工程问题，是我们必需学会一项技能。

3 实体模型分析
3.1 模型材料和几何参数
现已知一扇门，高度为2m，宽度为0.9m，厚度为0.05m，要求对于门铰链位置进行优化分析，那么我们能够设定三组不一样位置门铰链位置数据进行对比，设置门弹性模量为2e10，泊松比为0.3，进行相关计算。
3.2 有限元模型建立
(1) 定义工作名、工作标题、过滤参数：
定义工作名：Utility menu > File > Jobname
工作标题：Utility menu > File > Change Title（姓名）
(2)设置解题类型：
开启ANSYS，单击Preference交互界面对话框，选中Structural，来对后面分析进行菜单 及对应图形界面过滤，单击OK按钮。
(3)选择单元类型：
Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Add > Solid > 10node 187
(4)设置材料属性：
定义材料弹性模量和泊松比：Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural > Linear > Isotropic 定义弹性模量EX为2e10，泊松比PRXY为0.3
(5)实体建模，建立薄板模型：
Main Menu > Preprocessor > Create > Volumes > Block > By Diemnsions：X方向0.9m，Y方向0.05m，Z方向2m。点击OK。形成薄板模型。

图3-1实体模型图
(6)网格划分：
Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool > Lines > Set：逐一点击薄板各个边 > OK。设置单元长度为0.1m，点击Mesh，选中薄板，点击Apply。

图3-2门框网格划分图
(7) 施加约束：
Solution > Defines Loads > Apply > Structural > Displacement > On Nodes。选择四个约束点，点击All DOF，点击OK。

图3-3 施加约束图

(8)施加载荷：
Solution > Defines Loads > Apply > Structural > Pressure > On Areas。选择施加载荷面，施加150N力，点击OK。
(9)求解：
Solution > Solve > Current LS，求出结果。
3.3 结果和分析
ANSYS Main Menu: General Postproc > Plot Result > Deformed Shape > Def+undeformed > Apply。取得整体变形图。
ANSYS Main Menu: General Postproc > Plot Result > Contour Plot > Nodal Solu > DOF Solution。取得Y方向位移图。ANSYS Main Menu: General Postproc > Plot Result > Contour Plot > Nodal Solu > Stress。取得门框应力分布图。

第一组：施加约束于薄板两个顶端

图3-4 门框变形图

图3-5 Y方向位移图

图3-6 门框应力分布图
第二组：施加约束于薄板边缘距两端五分之一处

图3-7 门框变形图

图3-8 Y方向位移图

图3-9 门框应力分布图

第三组：施加约束于薄板距边缘两端十分之三处

图3-10 门框变形图

图3-11 Y方向位移图

图3-12 门框应力分布图

表3-1 第一组最大最小应力值表
MINIMUM VALUES
NODE
87
87
87
67
67
VALUE
-107.25
-1063.9
-4647.8
3.1690
2.7677
MAXIMUM VALUES
NODE
1
1
1
1
1
VALUE
6299.2
1493.5
145.18
6154.0
5602.9

表3-2 第二组最大最小应力值表
MINIMUM VALUES
NODE
199
963
963
64
64
VALUE
-142.43
-723.51
-2873.7
0.30130
0.26715
MAXIMUM VALUES
NODE
197
197
961
197
197
VALUE
3058.8
581.17
74.517
3285.0
2964.9

表3-3 第三组最大最小应力值表
MINIMUM VALUES
NODE
203
959
177
64
64
VALUE
-74.383
-242.14
-1589.3
0.38053
0.37202
MAXIMUM VALUES
NODE
201
201
175
201
201
VALUE
2461.2
287.30
9.7723
2825.3
2562.5

结论：
对比上面三组图形，能够看出，第一组在门框两端安装门铰链时，会使门整体所受应力过于集中，从而造成整体结构不稳定，所以应舍弃，而第三组门铰链在距门框两端十分之三处，则使应力在门框中部集中，使得门框易从中部受损，所以舍弃，第二组在距门框两端五分之一处安装门铰链，其受力和应变最为均匀，不会发生大形变，也就不会轻易受损，所以是最适宜门铰链位置。
综上，经过ANSYS计算和分析，能够明确指出第二组为最优方案，也就是铰链位置相对分散更易于对门框结构保护。

4 心得体会
这一次工程仿真课程设计，不仅使我加深了对于使用有限单元法了解，同时也让我能更熟练地利用ANSYS软件，进行相关计算分析。
在没有接触到ANSYS这款软件之前，每当我们要进行相关力学计算时，只能用纸和笔，花大量时间进行缓慢计算，耗时耗精力，而且，人工进行计算常常会因为一点不小心而失误，造成整个题目标计算错误，而重新查找错误过程又要花去大量时间，当然，这还只是部分较简单结构方面计算，假如是更为靠近实际结构计算，凭借人工计算，对于我们来说几乎是不可能。然而，有了ANSYS软件，这一切就变得方便很多，尤其是部分桁架，圆盘类受力计算，只需在软件中建立相关模型，加上条件，就能取得对应结果。
刚开始接触ANSYS时，因为对有限元，单元，节点，形函数等基础概念没有清楚了解，学起来尤其吃力。经过这个我认识到，应该把以前书全部看一下。把《材料力学》，《结构力学》等全部进行了系统复习。以后才开始使用ANSYS软件。
ANSYS不是一门单独学科，而是和很多专业知识联络在一起。只有把她们有机地结合在一起，才能够使自己能力得到真正提升。比如这一次平面桁架分析，要求用20根左右桁架搭建起一个结构，先要用结构力学相关知识进行手动计算求解，以后才要用ANSYS进行分析，我自己复习了相关桁架内力计算知识，搭建了桁架结构，进行计算，以后再将桁架模型输入ANSYS中，加上材料性质，载荷，求出结果。
而第二项作业，则是对于我们建模能力极大考验，因为题目要求是实际生活中存在结构，需要我们自己先把实体结构简化成符合要求相关模型，再加上题目中要求荷载，输入软件进行计算，光是建立模型就让我们动了好一番脑筋，却也给了我们很多收获。
总来说，经过这一次课程设计学习，使我愈加认识到ANSYS软件关键性，而且深入熟悉了软件使用，获益良多。

5 参考文件
〔1〕王铎 孙毅 程靳 编《理论力学》 高等教育出版社
〔2〕胡于进 王璋奇 著 《有限元分析及应用》 清华大学出版社
〔3〕赵经文 王红钰 编 《结构有限元分析（第2版）》 科学出版社
〔4〕傅永华 编 《有限元分析基础》 武汉大学出版社
〔5〕王新敏 李义强 编 《ANSYS结构分析单元和应用》 人民交通出版社