ANSYS有限元分析课程设计3.docx

沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计
前言
机械类专业要学习和掌握现代的机械设计方法，应能利用计算机等工具进行一般机械产品的设计。有限元法是力学理论和近代数字电子计算机上的计算方法相结合的产物。它的产生和发展，对于分析工程中复杂的结构问题发挥了重要作用，是机械产品设计和进行振动分析的必不可少的重要手段。
通过有限元的课程设计，利用有限元计算软件进行一次较为完整的全面训练，要求自己动手，数据准备，上机计算，结论分析等。并能进一步培养综合运用各种知识分析问题和解决问题的能力，把书本上的知识及老师的讲授，并且还特别注意紧密联系工程实际问题，以培养深入思考和理论联系实际的能力。这实际上是一次全方面的考核，通过这样的训练，会得到深刻的认识，为今后利用有限元法和CAD技术解决实际问题打下较好的基础。
通过有限元的课程设计来解决一个实际的问题，确实使过去许多材料力学解决不了的问题得到迅速而又可靠的解答。计算机辅助设计的应用和有限元软件的配合，使得原本麻烦费力变得快速。有限元分析软件已成为CAD常用计算方法库中不可缺少的内容之一，通过人机交互作用，自动建模和生成数据文件，最后的计算结果以图形方式输出，这样是结果与图形，受力及载荷的作用形式一目了然更加形象。
对身管强度的计算采用了ANSYS13.0有限元程序进行分析，其基本思想就是把每个单元变形链接在一起构成整个身管的变形，利用线性的应力、应变基本方程和物理基本方程，较为有效地解决复杂载荷的身管应力和应变计算。
ANSYS13.0有限元分析的基本步骤为：
（1）分析问题；
（2）建立有限元模型；
（3）施加载荷；
（4）进行求解；
（5）后处理。

1． 用AutoCAD绘制出加农炮身管图并标注尺寸

1.1 绘制炮身结构
由提供的86式85毫米加农炮身管结构图，应用AutoCAD2011软件采用第一角投影法，严格按照GB4457-4460-84，GB131-83《机械制图》标准规定制图，炮身零件工程图见附录1。
1.2 86式85毫米加农炮身管图说明
（1）图纸名称：86式85毫米加农炮身管图；
（2）绘图比例：1:15 ；
（3）数量：1 ；
（4）绘图方法：半剖式。
1.3 在绘制过程中应注意问题
（1）绘图前先设置图限、图层；
（2）不同类型的对象绘制在不同的图层上，利于以后修改；
（3）设置线宽显示比例，使粗细线显示协调；
（4）内螺纹的大径为细实线，小径为粗实线；
（5）标注前先设置标注样式，包括非圆直径、角度、标准标注等；
（6）将图形缩小到A4图纸后，应注意放大线宽。

2.用AutoCAD绘出身管截面图

建立有限元模型有两种方法，输入法和创建法输入法是直接输入由其他CAD软件创建好的实体模型，创建法是在ANSYS中从无到有地创建实体模型，两者并不是完全分开的。但由于ANSYS在创建模型是过于繁琐，本次课程设计采用输入法建立有限元模型。
利用AUTOCAD2011,以y轴为火炮身管的对称轴绘制截面图的右侧部分，并利用CAD中面域功能将所绘制的图形面域化。将上述绘制好的图形以“SAT”文件格式导出 ,保存并命名。

3. 问题分析

3.1 85mm火炮身管静态受力分析
身管的材料参数为：弹性模量E=270GPa,泊松比u=0.3：此模型后端施加X轴方向固定位移约束，在身管的膛低和坡膛之间内侧表面垂直内表面方向上施加MP的均布载荷。
模型如图3-1所示。

图3-1
3.2 确定问题范围
在对问题有了初步了解以后，进一步要弄明白问题涉及的领域，即确定问题的范围。对问题分析可知本问题属于结构力学领域中的静态分析问题且在材料变形的线性变形的范围内。

4.建立有限元模型

建立模型包括设定分析作业和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；导入几何模型；划分有限元网格。其具体步骤为：
4.1 设定分析作业名和标题
在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析，热分析，流体分析，电磁场分析等），ANSYS所用的主菜单的内容不尽相同，为此，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。
1) 定义工作文件名:执行File-Chang Jobname-1011040133
如图4-1所示。

图4-1
2) 定义工作标题：执行File-Change Tile- The stress aanlysis of the 80mm Gun
如图4-2所示。

图4-2
3) 更改工作文件储存路径：执行File-Chang Directory-F:\work\ansys
如图4-3所示。

图4-3
4）定义分析类型，执行Main Menu-Preferences,如图4-4所示。

图4-4

4.2 定义单元类型
在进行有限元分析时，首先应该根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。本次选用四节点四边形板单元PLANE182。PLANE182不仅可用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。单元类型对话框如图4-5所示

图4-5
1） 定义单元类型，执行Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add弹出Element Type 对话框.如图4-6所示。

图4-6
2） 单击Options……按钮，打开图4-7所示对话框，在Element behavior(单元行为方式)下拉列表框中选择Axisymmetric（轴对称）选项。

图4-7
4.3定义材料属性
本次选用的单元类型不需要定义实常数，故直接定义材料属性。
1） 执行Main menu-Preprocessor-Material Props-Material models,在Define material model behavior对话框中，双击Structual-Linear-Elastic-Isotropic.如图4-8所示。

图4-8

2） 依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic,展开材料属性的树形结构。打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图4-9所示，在对话框的EX文本框中输入弹性模量2.7e11，在PRXY文本框中输入泊松比0.3。

图4-9
3） 依次单击Structural-Density,打开定义材料密度对话框，如图4-10所示，
在DENS文本框中输入密度数值7.8e3。

图4-10

4.4导入几何模型
将模型导入到ANSYS，执行File-Import—SAT…—浏览上述模型，如图4-11所示。

图4-11
导入后如下图4-12所示：

图4-12

4.5. 网格划分
1） 执行Main Menu-Preprocessor-meshing-Mesh Tool命令，打开Mesh Tool(网格工件)，如图4-13所示。

图4-13
2）自定义网格形式，单击Line域Set 按钮，打开选择对话框，要求选择定义单元划分数的线。在图中选中炮膛内壁的线，单击apply按钮，出现如图4-14所示对话框，在No.of elemen divisions文本框中输入20，单击apply，如图4-15所示。

图4-14

图4-15
4） 在Mesh栏中选择Areas选项，在Shape选项中选择Free选项，选择Mesh按钮，出现对话框，在对话框中选择Pick All，ANSYS将按照对线的控制进行网格的划分，划分后的结果如图 4-16所示。

图4-16
5. 加载以及求解

5.1 添加位置约束
执行Main menu-Solution-Define Load-apply-structural-Displacement-on Lines
出现选择对话框，选择最下端的线，单击OK按钮出现Apply U,ROT on Lines
对话框，选择UY，单击OK按钮，如图5-1所示。

图5-1

5.2添加载荷
执行Main menu-Solution-Define Load-apply-structural-Pressure-on lines，打开选择线对话框，选择身管的膛低和坡膛之间内侧表面线，单击OK按钮，出现Apply PRES on lines对话框,在Load PRES value文本框中输入2.505e8，单击OK按钮施加外载荷，如图5-2所示。

图5-2
5.3施加完成
载荷与约束后如图5-3所示。

图5-3
5.3求解
执行Main menu-Solution-Solve-Current LS,求解。
求解完成后会出现如图5-4所示对话框。

图5-4

6. 后处理
求解完成后，就可以利用ANSYS软件生成的结果文件（对于静力分析，就是Jobname.RST）进行后处理。静力分析中通常通过POST1后处理器就可以处理和显示大多数兴趣的结果数据。
6.1 查看变形图
关键的变形为径向变形，在高膛压下膛低至坡膛处径向产生过大变形，可能导致身管破裂。
1） 执行Main Menu：General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal命令对话框，打开Contour Nodal Solution Nata（等值线显示节点解数据）对话框，如图6-1所示。

图6-1
2） 在Item to be contoured（等值线显示结果项）域中选择DOF solution（自由度解）选项。
3） 在列表框中选择X-Component of displacement（X向位移）选项，此时，结果坐标系为柱坐标系，X向位移即为径向位移。
4） 选择Deformed shape with undeformed edge（变形后和未变形轮廓线）选项。
5） 单击OK按钮，在图形窗口中显示变形图，包含变形前的轮廓线，如图6-2所示。图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。

图6-2
6）局部放大图如图6-3所示。

图6-3
7）用同样方法显示Y向位移，如图6-4所示。

图6-4
8）局部放大如图6-5所示。

图6-5

6.2查看应力
火炮身管膛内压力垂直于内表面，主要应力也是径向应力。
1） 执行Main Menu：General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal命令对话框，打开Contour Nodal Solution Nata（等值线显示节点解数据）对话框，如图6-6所示。

图6-6
2）在Item to be contoured（等值线显示结果项）域中选择Stress（应力解）选项。
3）在列表框中选择X-Component of stress（X向应力）选项。
4）选择Deformed shape with only（仅显示变形后模型）选项。
5）单击OK按钮，在图形窗口中显示应力图，如图6-7所示。图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。
图6-7
6）局部放大如图6-8所示。

图6-8
6）用同样方法显示Y方向应力如图6-9所示。

图6-9
7）局部放大如图6-10所示。

图6-10
6.3查看三维立体图
1）从应用菜单中选择Utility Menu：PlotCtrls>Style>Symmetric Expansion>2D Axi–Symmetric命令，打开2D Axi-Symmetric对话框，如图6-11所示。

图6-11

2）在Select expansion anount栏中选择Full expansion。
3）单击OK按钮，得到如图6-12所示结果。

图6-12

4）在Select expansion anount栏中选择3/4 expansion。
5）单击OK，得到如图6-13所示结果。

图6-13

7.结论：
通过上述位移图分析可得，最大位移为0.132927mm。通过上述应力图分析可得，最大应力为0.543E+08Pa<σs=6.50e+8pa,身管满足强度。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题，但是建模功能方面不是很强大。因此，一般都是在PROE或者AUTOCAD中建模，然后再导入ANSYS分析。
通过这次的有限元课程的综合设计，学习到了很多东西，而且认识到了在将知识转化成行动方面的不足，在以后的学习中要不断的完善，努力提高实践的能力和水平，这对将来的工作有一定的益处。掌握的知识有以下几点；
（1）此次课程设计利用有限元的思想进行分析,人为的将身管半剖面划分为有限个单元体，各个单元在各个节点相连，再对每个单元进行特性分析，得出各节点位移及分布情况，从而得出整体的应力情况。
（2）由于身管失效形式是塑性变形，所以在计算过程中主要是利用第四强度理论，只要相当应力达到材料的屈服极限，材料就发生屈服。
（3）经过此次课程设计深深体会了搞研究的艰辛，提高了自身在遇到问题时查找资料的能力，培养了独立思考的能力，培养了综合运用多种知识分析和解决问题的能力，把所学内容串连起来进行复习和运用。

8. 参考文献
[1] 陈森.弹性力学基础.北京；科学出版社，1981
[2] 钱伟长.变分法及有限元，上册.北京：科学出版社，1980
[3] 徐次达,华伯浩.固体力学有限元理论、方法及程序.北京：水利电力出版社，1989
[4] 姜弘道,陈和群.有限单元法的程序设计.北京：水利电力出版社，1983
[5] 胡仁喜，徐东什，李亚东.ANSYS 13.0机械与结构有限元分析从入门到精通.北京：机械工业出版社，2011
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