工程结构仿真课程设计.doc
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1、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: 指导教师: 2015 年 01 月 11 日目 录1前言21.1有限元软件的功能和特点21.2课程设计的目的和要求22平面桁架问题分析32.1理论分析32.2有限元分析72.2.1有限元模型的建立72.2.2结果与分析82.3本章小结103实体模型分析113.1模型材料与几何参数113.2有限元模型的建立113.3结果与分析134心得体会155参考文献171前言有限元法(finite element method)是一种高效能、常用的数值计算方法。在科学计算领域中,常常需要求解各类微分方程,而许多微分方程的解析解一般很难
2、得到,使用有限元法将微分方程离散化后,可以编制程序,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的,所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中(这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系)。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如CREO, NASTRAN, ALOGOR, IDEAS, Auto CAD等, ANSYS软件借助有限元法求解出比较精确的解析解。1.1有限元软件的功能和特点有限元方法与其他求解边值问题近
3、似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地将其描绘为:“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”,即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解(往往是困难的)满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法,有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数),且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。现代有限元软件与CAD软件的无缝集成,拥有更为强大的网格处理能力,而且由求解线性问题发
4、展到求解非线性问题并且由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解,还有随着计算机技术的发展,程序面向用户的开放性加大。能够求解结构静力学问题、结构动力学问题、结构非线性问题和动力学分析等。1.2课程设计的目的和要求课程设计有两个问题,第一个是桁架的静力学分析,第二个是显示器支座的分析。要得出有限元方法的解,并和理论解对比分析,验证所得解的有效性。要求采用有限元软件ANSYS求解,学习了解有限元法的理论和掌握ANSYS的实际操作,并且判定结果的有效性。2平面桁架问题分析平面桁架在各种工程结构中,是一种广泛使用的特殊刚体系,是一些短而直的钢杆彼此以端部连接而成的几何不变的结构。当刚杆之间的连接能近似的
5、看为铰链约束,这种杆系结构称为桁架。其中(1)所有结点都是无摩擦的理想铰;(2)各杆的轴线都是直线并通过铰的中心;(3)荷载和支座反力都作用在结点上。桁架中所有杆件均为二力杆所组成的几何不变体,故计算方法有(1)结点法:截取桁架的一个结点为脱离体计算桁架内力的方法;(2)截面法:用适当的截面,截取桁架的一部分为脱离体,利用平面任意力系的平衡条件进行求解;(3)联合法:在解决一些复杂的桁架时,仅仅使用结点法或截面法往往不能解决结构的内力,这是需要将这两种方法进行联合。如图2-1所示桁架,求各个桁架的轴力,载荷和各杆长度在图中已经给出,杆的截面积为16cm2,泊松比v=0.25,弹性模量E=2.0
6、6Gpa。图2-1 桁架总图2.1理论分析(1)支座反力以整体为分析对象,先求支座反力。(2-1)(2)用截面法求解内力同时截断8、9、10三杆,如图2-2。图2-2 8、9、10杆截断面受力图(2-2)同时截断4、5、6三杆,如图2-3。图2-3 4、5、6杆截断面受力图(2-3)(3)用节点法求内力对于1节点,如图2-4。图2-4 节点1受力图(2-4)同理,对于右半跨:同时截断12、13、14三杆,如图2-5。图2-5 12、13、14杆截断面受力图(2-5)同时截断16、17、18三杆,如图2-6。图2-6 16、17、18杆截断面受力图(2-6)对于12节点,如图2-7。图2-7 节
7、点12受力图(2-7)对于3、7、11、15、19杆轴力,采用节点法易得:(2-8)则整理可以得出各杆轴力及支座反力,见表2-1。表2-1 各杆轴力及支座反力值F1=6.62KNF2=-7.49KNF3=0F4=6.62KNF5=-0.83KNF6=-6.17KNF7=0.37KNF8=5.88KNF9=-1.54KNF10=-4.71KNF11=0F12=3.50KNF13=1.54KNF14=-4.71KNF15=-0.36KNF16=2.79KNF17=0.79KNF18=-3.67KNF19=0F20=2.79KNF21=-3.16KNR1=4.52KNR12=1.48KN2.2有限元
8、分析2.2.1有限元模型的建立1.单元类型、几何特性及材料特性定义(1)定义单元类型点击主菜单中的PreferenceElement TypeAdd/Edit /Delete,弹出对话框,点击对话框中的Add按钮,又弹出一对话框,选中该对话框中的Link和3D finit stn 180选项,点击OK,关闭对话框。(2)定义几何特性定义实常数:点击主菜单中的PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete, 弹出对话框,点击Add按钮,上步定义的LINK180单元出现于该对话框中,点击OK,弹出下一级对话框,在AREA一栏杆件的截面积1600,点击OK,点击C
9、lose,关闭所示对话框。(3)定义材料特性点击主菜单中的PreprocessorMaterial PropsMaterial Models, 弹出对话框,逐级双击右框中StructuralLinearElasticIsotropic前图标,弹出下一级对话框,在弹性模量文本框中输入:2.06E5,在泊松比文本框中输入:0.25,点击OK返回上一级对话框,并点击关闭按钮。2.衍架分析模型的建立(1)生成节点图2-1所示衍架中共有12个节点,其坐标根据已知条件容易求出如下:1(0,0,0),2(2850,0,0),3(2850,1515,0),4(5850, 0,0),5(5850,2480,0)
10、,6(8850,0,0),7(8850,2800,0),8(11850,0,0),9(11850,2480,0),10(14850, 0,0),11(14850,1515,0),12(17700,0,0)。点击主菜单中的PreprocessorModelingCreateNodesIn Active CS, 弹出对话框。在Node number一栏中输入节点号1,点击Apply按钮,同理将2-12点的坐标输入,以生成其余11个节点。此时,在显示窗口上显示所生成的12个节点的位置。(2)生成单元点击主菜单中PreprocessorModelingCreateElementsAuto Number
11、edThru Nodes,弹出节点选择对话框。依次点选节点1、2,点击Apply按钮,既可生成单元。同理,可生成其余20个单元。3.施加载荷(1)施加位移约束点击主菜单中的PreprocessorSolutionDefineLoadsApplyStructural DisplacementOn Nodes,弹出节点选择对话框,点击Apply按钮,弹出对话框,选择1结点,选择右上列表框中的All DOF,并点击Apply按钮。然后选择2结点,选择右上列表框中的UY,并点击OK按钮。(2)施加集中力载荷点击主菜单中的PreprocessorSolutionDefineLoadsApply Stru
12、cturalForce/MomentOn Nodes,弹出对话框,在Direction of force/mom一项中选择:FY,在Force/Moment value一项中输入-1000,然后点击OK按钮关闭对话框。同理在可施加其余三个力-2000、-2000、-1000。 4.开始求解点击主菜单中的PreprocessorSolutionSolveCurrent LS,点击OK按钮,开始进行分析求解。分析完成后,又弹出一信息窗口提示用户已完成求解,点击Close按钮关闭对话框即可。2.2.2结果与分析1显示变形图点击主菜单中的General PostprocPlot ResultsDefo
13、rmed Shape,弹出对话框。选中Def + undeformed选项,并点击OK按钮,即可显示桁架结构变形前后的结果,如图2-8所示。图2-8 模型变形图2.查看单元内力点击主菜单中的General PostrocList ResultsElement Solution,弹出 Structural Force对话框。导出数据处理后所得,见表2-2。表2-2 ANSYS结果与理论解比较轴力FxFyANSYS轴力解理论值F16616N06616N6.62KNF2-6616N3516.9N-7492.7N-7.49KNF30000F46616N06616N6.62KNF5-739.37N-37
14、3.38N-828.3N-0.83KNF6-5876.7N-1890.3N-6160.8N-6.17KNF70373.38N373.38N0.37KNF85876.7N05876.7N5.88KNF9-1189.2N983.05N-1542.9N-1.54KNF10-4687.5N-500N-4714.1N-4.7KNF1100.89338E-11N00F123498.3N03498.3N3.50KNF131189.2N983.05N1542.9N1.54KNF14-4687.5N500N-4714.1N-4.71KNF150-357.76N-357.76N-0.36KNF162789.9N0
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