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ANSYS课程设计

实例一 连杆的受力分析
一、问题的描述
汽车的连杆，厚度为0.5in，在小头孔内侧90度范围内承受P=1000psi的面载荷作用，用有限元分析该连杆的受力状态。连杆的材料属性：杨氏模量E=30×106psi，泊松比为0.3。
由于连杆的结构对称，因此在分析时只采用一半进行即可，采用由底向上的建模方式，用20节点的SOLID95单元划分。
二、具体操作过程
1.定义工作文件名和工作标题
2.生成俩个圆环面
⑴生成圆环面：Main Menu>Preprocessor>Model Creat>Areas Circle>By Dimension，其中RAD1=1.4，RAD2=1，THETA1=0，THETA2=180，单击Apply，输入THETA1=45，单击OK。
⑵打开面号控制，选择Areas Number为On，单击OK。
3.生成俩个矩形
⑴生成矩形：Main Menu>Preprocessor>Model Creat>Areas Rectangle>By Dimension，输入X1=-0.3，X2=0.3，Y1=1.2，Y2=1.8，单击Apply，又分别输入X1=-1.8，X2=-1.2，Y1=0，Y2=0.3，单击OK。
⑵平移工作平面：Utility Menu>WorkPlane>Offset WP to>XYZ Location，在ANSYS输入窗口的魅力输入行中输入6.5，按Enter确认，单击OK。
⑶将工作平面坐标系转换成激活坐标系：Utility Menu>WorkPlane>Change Active Cs to>Working Plane。
4．又生成圆环面并进行布尔操作
⑴生成圆环面：Main Menu>Preprocessor>Model Creat>Areas Circle>By Dimension，其中RAD1=0.7，RAD2=0.4，THETA1=0，THETA2=180，单击Apply，输入THETA1=135，单击OK。
⑵对面进行叠分操作，结果如图
5.生成连杆体
⑴激活直角坐标系：Utility Menu>WorkPlane>Change Active Cs to>Global Cartesian。
⑵定义四个新的关键点：Main Menu>Preprocessor>Creat>Keypoints》In Active CS，在对话框中分别输入：X=2.5，Y=0.5，单击Apply；X=3.25，Y=0.4，单击Apply；X=4，Y=0.33，单击Apply；X=4.75，Y=0.28，单击OK。
⑶激活总体坐标系：Utility Menu>WorkPlane>Change Active Cs to>Global Cylindrical。
⑷生成样条线：Main Menu>Preprocessor>Creat>Splines>With Options>Spline thru KPs，拾取上述关键点，单击OK，在对话框中输入：XV1=1，YV1=135，XV6=1，YV6=45，单击OK，生成的样条曲线结果如图所示。
6.生成一个新面
⑴连线：Main Menu>Preprocessor>Creat>Lines>Straight Line，拾取关键点1,18，单击OK。
⑵打开显得编号控制
⑶显示线：Utility Menu>Plot>Line，显示结果如图所示。
⑷生成连杆体面：Main Menu>Preprocessor>Creat>Arbitrary>By Lines，拾取线编号为：6,1,7,25，单击OK，生成结果如图所示。
⑸对连杆大头孔进行局部放大：利用工具条上的Box Zoom键，在屏幕上拾取连杆大头孔的画出一个矩形，完成局部放大操作。
⑹在线之间进行倒角：Main Menu>Preprocessor>Creat>Line Fillet，拾取屏幕上编号为36,40的线，单击Apply，在出现的对话框中输入RAD=0.25，单击Apply，对编号为40,31和30,39的线重复上述操作，最后单击OK，生成的结果如图
⑺由倒角的边界线生成面：Main Menu>Preprocessor>Creat> Arbitrary>By Lines，在图形屏幕上拾取编号为12,10,13的线，单击Apply，在分别拾取线17,15,19，然后拾取线23,21,24，最后单击OK，生成由倒角边界线围成的面，如图所示。
⑻所有的面相加：Main Menu>Preprocessor>Operate>Add>Areas，出现拾取框，单击Pick All，有所有的生成另外一个新面，如图所示。
7.关闭线号和面号显示
⑴关闭线和面的编号显示。
⑵显示面。
⑶保存几何模型。
8.生成2D网格
⑴定义单元类型：Main Menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete,选择Mesh Facet 200，在Option中设置K1为QUAD 8-NODE，，单击OK，如图所示。
⑵设置单元尺寸：Main Menu>Preprocessor>Mesh Tool，在出现的工具条上单击Global上的Set，输入Size=0.2，单击OK。然后采用自由网格划分的结果如图。
⑶保存网格结果。
9.采用拖拉生成3D网格
⑴设置3D单元类型：Main Menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete，选择Structural Solid，Brick 20node 95，单击OK。
⑵设置拖拉方向单元数目：Main Menu>Preprocessor>Operate>Extru
de>Elem ExtOpts，输入VAL1=3，单击OK。
⑶拖拉生成3D网格：Main Menu>Preprocessor>Operate>Extrude>Are
as>Along Normal，拾取面，单击OK，输入DIST=0.5，单击OK，生成3D网格如图。
⑷保存3D网格
10.输入材料属性
Main Menu>Preprocessor>Material Models，在对话框中输入EX=30e6,PRXY=0.3，单击OK。完成材料属性设置。
11.施加约束和载荷
⑴在大孔的内表面施加对称约束：Main Menu>Solution>load Apply>Structural Displacement>Symmetry BC On Areas，拾取大孔内表面，单击OK。
⑵在Y=0的所有面上施加对称约束
⑶施加Z方向的约束，结果如图。
12施加力并求解
⑴设置面载荷的表示方式：Main Menu>PlotCtrls>Symbol，在Show pres convect as后面的下拉列表栏中选择Arrow，单击OK。
⑵在小孔内表面施加面载荷：Main Menu>Solution>load-Apply>_Structural-Pressure>On Areas,拾取小孔内表面，单击OK。，在Load PRES value后输入1000
⑶选择求解器，求解运算
⑷保存结果数据文件
13．浏览分析结果
Main Menu>General Postproc>Plot Result>Contour plot-Nodal Solu，选择Stress，在右侧栏中选择VonMises SEQV，单击OK，结果如图所示。

实例二 压力容器的应力分析
一、问题的描述
企业设计的1台直径700的立式储罐，其中手控直径为88，材料16MnR，设计压力为13.5Mpa，弹性模量201Gpa，泊松比0.3。
在压力容器的应力分析设计中，部件设计所关心的是压力沿壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚方向的校核线来代替校核截面。由于容器为轴对称结构，仅考虑对储罐上半部及手孔一封头-筒体进行缝隙设计。
二、具体操作过程
1.定义工作文件名和工作标题
2.指定单元类型和材料属性

3.建立几何模型
⑴生成矩形
⑵生成部分圆环面
⑶叠分面

⑷删除面
⑸倒角
⑹由倒角生成面
⑺面相加
⑻生成关键点
⑼连线

⑽生成新面
⑾作垂线
⑿面分割
⒀进行压缩操作
⒁合并关键点
4.划分网格
⑴设置单元尺寸
⑵设置全局单元尺寸

⑶划分网格

5.施加载荷并求解
⑴在线上施加约束载荷
⑵在节点施加约束载荷
⑶在线上施加面载荷

⑷施加集中载荷
⑹求解运算
6.浏览运算结果
⑴查看变形结果
⑵查看结点Von Mises应力结果

实例三 输气管道应力分析
一、问题的描述

图1受均匀内压的输气管道计算分析模型（截面图）
管道材料参数：
弹性模量E=200Gpa；
泊松比v=0.26。
根据结构的对称性，只要分析其中1/4即可。此外，需注意分析过程中的单位统。
二、具体操作过程
1.定义单元类型和材料属性
⑴设置计算类型：ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK
⑵选择单元类型：
执行ANSYS Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 8node 82 →apply
Add/Edit/Delete →Add →select Solid Brick 8node 185 →OK
Options… →select K3: Plane strain →OK→Close如图2所示，选择OK，关闭对话框。
⑶设置材料属性：
执行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic，在EX框中输入2e11，在PRXY框中输入0.26，如图3所示，选择OK并关闭对话框。
2.创建几何模型
⑴选择ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入四个点的坐标：1(0.3,0),2(0.5,0),3(0,0.5),4(0,0.3) →OK
⑵生成管道截面。
ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Spherical →ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →In Active Coord →依次连接1,2,3,4点→OK，如图
Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →By Lines →依次拾取四条边→OK →ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Cartesian，如图。
⑶拉伸成3维实体模型
Preprocessor →Modeling→operate→areas→along normal输入2，如图。

3.生成有限元网格
Preprocessor →Meshing →Meessor-Meshing-Mesh-Volume-Free，弹出一个拾取框，拾取实体，单击OK按钮。生成的网格如图。
4.施加载荷并求解
⑴施加约束条件：
执行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Displacement-On Areas，弹出一个拾取框，拾取前平面，单击OK按钮，弹出如图8所示的对话框，选择“UY”选项，单击OK按钮。同理，执行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Displacement-On Areas，弹出一个拾取框，拾取左平面，单击OK按钮，弹出如图8所示的对话框，选择“UX”选项，单击OK按钮。
⑵施加载荷：
执行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Pressure-On Areas，弹出一个拾取框，拾取内表面，单击OK按钮，弹出如图10所示对话框，如图所示输入数据1e8，单击OK按钮。如图所示。生成结构如图。
⑶求解
执行Main Menu-Solution-Solve-Current LS，弹出一个提示框。浏览后执行file-close，单击OK按钮开始求解运算。出现一个【Solution is done】对话框是单击close按钮完成求解运算。
5.显示结果
⑴显示变形形状：
执行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Deformed Shape，弹出如图11所示的对话框。选择“Def+underformed”单选按钮，单击OK按钮。生成结果如图所示。

⑵浏览节点上的Von Mises应力值：
执行Main Menu-General Posproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu，弹出如图15所示对话框。设置好后单击OK按钮，生成结果如图所示。

6.以扩展方式显示计算结果
⑴设置扩展模式：
执行Utility Menu-Plotctrls-Style-Symmetry Expansion，弹出如图所示对话框。选中“1/4 Dihedral Sym”单选按钮，单击OK按钮，生成结果如图所示。
⑵以等值线方式显示：
执行Utility Menu-Plotctrls-Device Options，弹出如图所示对话框，生成结果如图所示。

实例四 板中圆孔应力集中
一、 问题的描述
一个承受双向拉伸的无限大板，在其中心位置有一个小圆孔，相关的结构尺寸如下所示：材料属性为：弹性模量E=2e11Pa，泊松比v=0.3，拉伸载荷为：q=1000Pa，圆孔直径为：￠=10mm，平板的厚度为：t=1mm。
二、具体操作过程
1.定义工作文件名和工作标题
⑴定义工作文件名：Utility Menu>File>Change Jobname,在出现的对话框中输入“Plate”,并将”New log and error files”复选框选为？“yes”,单击“OK”。
⑵定义工作标题：同上单击Change title,在出现的对话框中输入“The Analysis of Plate Stress with small Circle”,单击OK
⑶重新显示replot。
2.显示工作平面
3.创建几何模型
⑴生成一个正方形：X、Y坐标变化值均为0到10

⑵生成一个小圆孔：WP X处输入0,WP Y处输入0，Radius处输入5，单击OK。
⑶进行面相减：利用Booleans运算，用正方形的面积减去圆的面积，生成结果。

⑷保存几何模型：单击工具栏上的SAVE DB。
4.定义单元属性
⑴定义单元类型：

① 定义材料属性：

⑵保存数据：单击工具栏上SAVE_DB。
5.生成有限元网格：
⑴设置网格的尺寸大小
⑵采用映射网格划分单元：在mesh中选择Areas_Mapped,再选by corners,出现一个拾取框，拾取编号为A1的面，单击OK，又出现一个拾取框，依次顺序拾取编号为5，2，4，6这4个关键点，单击OK，即可生成网格。

⑶保存结果：单击工具栏上的SAVE_DB。
6.施加载荷并求解
⑴施加约束条件：在线上加约束，选中编号为L9的线，单击Apply,出现如下对话框，选中UY，施加约束，再选中编号为L10的线，出现对话框后选中UX，单击OK。

⑵施加载荷：拾取编号为L2，L3的线段施加如下载荷，并显示生成

⑶求解：在Solution里点击Current LS，弹出一个检查信息窗口，浏览完并确认后关闭，系统开始分析计算，显示Solution is done 后，关闭提示框。
⑷保存结果：操作同上。
7.浏览计算结果
⑴ 显示变形形状：在后处理中单击Plot Result,再单击Deformed shape,弹出如图对话框，选中Def+Undeformed，单击OK显示结果。

⑵显示节点上的Von Mises应力值：Plot Result》Nodal Solu,弹出对话框点击Stress,选择Von Mises SEQV,单击OK，显示彩云图。

⑶列表节点的结果：在List Results里点击Nodal Solution,选择Stress,右边列表选择Components SCOMP,单击OK，显示结果。

8.以扩展方式显示计算结果
⑴设置扩展模式：PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>Periodic/Cyclic Symmerty Expansion,弹出对话框点击OK，接受其缺省设置。
⑵显示节点的Mise应力：Plot Results>Contour Plot>Nodal Solution，在弹出的对话框中选择Stress,在右边的栏中选择Von Mises SEQV,单击OK，显示应力彩云图。

⑶以等值线方式显示：PlotCtrls>Device Options,在弹出的对话框中选取Vector mode后面的复选框，使其处于ON，单击OK，生成结果。

实例五 圆盘的大应变分析
一、 问题的描述
两块钢板夹一个圆盘，圆盘的材料属性如下：弹性模量：E=1000MPa，泊松比：v=0.35，屈服强度：Yield Strength=1 Mpa，剪切模量：Tang Mod=2.99Mpa。由于上下两块钢板的刚度比圆盘的刚度大的多，钢板与圆盘壁面之间的摩擦足够大，因此在建模时，只建立圆盘的模型。
二、具体操作过程
1.定义工作文件名和工作标题
⑴定义工作文件名：Utility Menu>File>Change Jobname,在出现的对话框中输入“Plate”,并将”New log and error files”复选框选为“yes”,单击OK。
⑵定义工作标题：同上单击Change title,在出现的对话框中输入“The Analysis of Plate Stress with small Circle”,单击”OK“.
⑶重新显示replot.
2.定义参数、材料属性和单元类型
⑴定义参数的初始值：Parameters>Scalar Parameters，弹出如下对话框，在Slection下面输入：L=3,点击Enter；D=12，点击Enter,关闭窗口。
⑵设置材料属性：EX=1000，PRXY=0.35, Yield Strength=1 Mpa, Tang Mod=2.99Mpa关闭窗口完成材料属性的设置。

⑶定义单元类型：
Element type>Add/Edit/Delete,弹出的对话框选择Add,又弹出一个对话框，在左面列表选择Visco Solid,右面列表选择4 node Plas 106,如图所示，单击OK；单击Option,弹出对话框在Element behavior 后的下的菜单中选择Axisymmetric,单击OK，关闭窗口，完成单元类型设置。

3.生成有限元模型
⑴生成矩形面：输入X1=0，X2=D/2，Y1=0，Y2=L/2，单击OK，生成一个矩形。
⑵设置单元尺寸：对图形中的长线设
置：NDIV=12；拾取一条短线：NDIV=5，
完成。
⑶划分映射网格：在mesh中选择
Areas_Mapped，在选择3 or 4 sided,出
现一个拾取框，单击Pick All,划分网格
后结果图。
⑷保存网格划分结果：点击Save as,
在出现的对话框中输入文件名为Large
_Disk_Mesh.db,单击OK。
5.施加耦合约束
⑴选择Y=1.5的所有节点：Select>Entities,弹出一个工具条，在最上面的栏中选择Node，第二栏选择By Location,再选择Y 坐标，在Min,Max下的输入栏中输入1.5，单击OK。
⑵在所选节点上施加耦合约束Preprocessor>Coupling/Ceqn>Couple DOFS,出现一个拾取框，单击Pick All,弹出对话框，在Set referencenumber后面输入数字1，第二栏的下拉菜单中选择UY，单击OK。

⑶选择所有项目：Select>Everything。
4.在线上施加对称约束
⑴在X=0的线上施加对称约束：Solution>Load_Apply>Displacement>Symmetry B.C_Lines，出现一个拾取框，拾取编号为4的线，单击OK。
⑵在Y=0的线上施加对称约束：Solution>Load_Apply>Displacement>Symmetry B.C_Lines，出现一个拾取框，拾取编号为1的线，单击OK。
⑶在所有节点上施加UZ约束：Solution>Load_Apply>Displacement>On Nodes，出现一个拾取框，单击Pick All,弹出一个对话框，在后面选择UZ，单击OK。
⑷在Y=1.5的线上施加UX约束：Solution>Load_Apply>Displacement>On_Lines，出现一个拾取框，拾取编号为3的线，单击OK,弹出一个对话框，在后面选择UX，单击OK。
⑸保存约束数据到文件：File>Save as,在出现的对话框中输入文件名，单击OK。
5.定义分析类型和选项
⑴指定分析类型：Solution>Analysis Type_New Analysis，弹出对话框，选中Static,单击OK。
⑵设置分析选项：Solution>Analysis Options, 弹出对话框，设置Large deform effect 处于ON，单击OK。
⑶打开预测器：Solution>Nonlinear>Predictor, 弹出对话框，点击OK。

⑷在节点14的Y方向施加一个—0.3的位移：Solution>Load_Apply>Displacement>On Nodes，出现一个拾取框，拾取编号为14的节点，单击OK。弹出一个对话框，在后面选中UY，在输入栏中输入位移值—0.3，单击OK。

6.设置载荷步选项
⑴设置子步数：Solution>Time/Frequence>Time and Substps,弹出一个对话框，在输入栏中输入0.3，下面输入120，设置Option为On,单击OK。
⑵设置输出控制：Solution>Output Ctrls>DB/Results File, 弹出一个对话框，选中Every Nth substep,然后在下面输入栏中输入—10，单击OK。
⑶保存数据到文件

⑷求解运算：在Solution里点击Current LS，弹出一个检查信息窗口，浏览完并确认后关闭，系统开始分析计算，显示Solution is done 后，关闭提示框。
⑸保存计算结果：在出现的对话框中输入文件名，单击OK。
7. 查看计算结果
⑴读入最后子步的数据：在后处理中，点击Read Result_Last Set.
⑵在ANSYS命令输入窗口中输入/Dscale,1,1,摁ENTER确定。
⑶显示结构变形的动画：PlotCtrls>Animate>Deformed Shape,弹出一个对话框，在下面选择Def+undef edge,单击OK，则在屏幕上显示变形图。

⑷显示节点的塑性状态：在后处理中Plot Result>Nodal Solu,弹出对话框，在第一栏中选择Energy第二栏中选择PlasState Var PST,单击OK，显示结果。

⑸定义一个变量：TimeHist Postpro>Define Variables，弹出一个对话框单击Add，又弹出一个对话框，选中Reaction force ，单击OK，出现一个拾取框，拾取编号为14的节点，单击OK，再次弹出一个对话框，在USL后面输入Force,ICD后面选择Struct force FY,单击OK。
⑹变量相加：TimeHist Postpro>Math Operations>Add，弹出一个对话框，在RNFR后面输入2,1st V后面输入2,1st F后面输入—1，USL后面输入N_force,单击OK。

⑺显示节点反作用力的变化规律：TimeHist Postpro>Graph Variables,弹出对话框后面输入2，单击OK。