10-2 ANSYS分析实例

§10-2 ANSYS分析实例 在上面介绍了ANSYS分析的基本过程以后，本节通过一些简单的实例来介绍ANSYS的具体应用。除了这里介绍的计算实例，初学者也可在ANSYS程序内通过help→ANSYS tutorials调用ANSYS内部实例 教程 人力资源管理pdf成真迷上我教程下载西门子数控教程protel99se入门教程fi6130z安装使用教程 的方法来对ANSYS的使用进行初步的认识。 1、 平面应力问题有限元分析 1． 问题描述 如图10-18所示片状拉伸式样，受载条件如图10-19所示，求拉伸式样的应力应变情况，设式样 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 为45#钢。 图10-18 片状拉伸式样的几何尺寸 图10-19 片状拉伸式样的载荷条件 2． 模型建立 （1） 模型规划 首先，由于片状拉伸式样的应力应变状态符合平面应力（厚度方向没有应力）问题的条件，因此仿真分析时可用平面模型来进行简化。 另外由于片状拉伸式样在结构及载荷上均存在明显的对称特征，因此仿真分析可根据对称规律进行1/4简化。 （2） 几何模型 几何模型的建立如图10-20所示，详细过程如下。 i. 建立关键点 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS→在跳出的对话框中分别填入1/4简化模型各关键点坐标值：（0,0,0）、（0.05,0,0）、（0.05,0.01,0）、（0.04,0.01,0）、（0.04,0.005,0）、（0,0.005,0）。 ii. 连线 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line→两点一组依次点击相临的关键点形成连线。 iii. 建立圆角 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Line Fillet→选择要建立圆角位置的两相临线，以0.005为圆角半径建立圆角。 iv. 建立平面 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→By Lines→在窗口内用鼠标选择所有的线建立面。 图10-20 片状拉伸式样仿真分析几何模型的建立过程 （3） 材料模型 ANSYS main menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→杨氏模量（EX）输入2.1e11，波松比（PRXY）输入0.3。 （4） 有限元模型 i. 选择单元类型 选择42号二维平面四面形单元：ANSYS main menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→QUAD 4node 42→Ok。 将单元的特性定义为二维平面应力：ANSYS main menu→Preprocessor→Element Type→Options→K3选择Plane stress→Ok。 ii. 网格划分 ANSYS main menu→Preprocessor→Meshing→Meshtool→弹出划分网格工具条。 在Smart Size选项前打√→将滚动条等级调整为4→点击mesh→窗口内选择平面→OK。可得模型网格如图10-21所示。 存盘（SAVE_DB）。 图10-21 片状拉伸式样仿真分析模型网格 3． 加载和求解 （1） 施加位移边界条件 本分析中，位移边界条件仅仅包括两条对称线上的对称位移边界条件。 ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→Symmetry B.C. →On Lines→窗口内选择两条中心线→Ok。 （2） 施加载荷边界条件 在平面应力应变分析中，模型厚度为单位厚度，所以在施加集中力或均布力载荷时，载荷大小首先必须换算成单位厚度时的载荷大小。 本分析中，式样端部力的大小为1kN，均匀作用于式样端部。计算时可按均布力来施加载荷。均布力大小为： （Pa） ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On Lines→窗口内选择端线→Ok→在VALUE Load PRES Value后面的方框内填入-5e7（press代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 压力，负压力即为拉力）→OK。 如果这时用显示线的方法（下拉菜单Plot→Lines）来显示模型，则施加边界条件以后模型如图10-22所示。 图10-22 片状拉伸式样仿真分析模型载荷及边界条件 （3） 求解 ANSYS main menu→Solution→Solve→Current LS→OK。 4． 查看分析结果 ANSYS main menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu→Stress→Von Mises SEQV→OK。 45#钢为塑性材料，其强度应按第四强度理论计算，因此在查看计算结果时一般查看其等效应力（Von Mises应力）的高低。模型等效应力计算结果如图10-23所示。 图10-23 片状拉伸式样仿真分析等效应力计算结果 2、 轴对称问题有限元分析 1． 问题描述 图10-24所示为某冷轧机压下油缸结构简图及受载条件，试求油缸（不包括活塞）的应力应变情况，设油缸材料为40Cr钢。 2． 模型建立 （1） 模型规划 首先，由于油缸在结构及载荷条件上均存在轴对称规律，因此仿真分析时可用轴对称模型来进行简化。 其次，油缸在工作过程中其应力应变状态不但和载荷的大小有关，而且还和活塞的位置有关。如果想对油缸的应力应变状态进行全面的了解，则必须在油缸行程0～100mm范围内变化活塞的位置来分析油缸的应力应变。 在本例题中，我们仅取最危险工况来进行计算。显然，在载荷相同的条件下，活塞的位置越高，油缸的应力应变越大，因此这里取活塞位于最高位时来进行油缸的应力应变计算。 为加载方便，几何建模时可在油缸内壁活塞底部对应位置建立辅助关键点。 图10-24 液压油缸的几何尺寸及受载条件 （2） 几何模型 几何模型的建立如图10-25所示，详细过程如下。 i. 建立关键点 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS→在跳出的对话框中分别填入轴对称简化模型各关键点坐标值：（0,0,0）、（0.5,0,0）、（0.5,0.43,0）、（0.36,0.43,0）、辅助关键点（0.36,0.25,0）、（0.36,0.145,0）、（0.31,0.145,0）、（0.28,0.15,0）、（0,0.15,0）。 图10-25 油缸仿真分析几何模型的建立过程 ii. 连线 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line→两点一组依次点击相临的关键点形成连线。 iii. 建立圆角 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Line Fillet→选择要建立圆角位置的两相临线，以0.02为圆角半径建立圆角。 iv. 建立平面 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→By Lines→在窗口内用鼠标选择所有的线建立面。 v. 建立内凹圆角 由于油缸内部根部的过渡圆角为特殊的内凹圆角（内凹量2mm），而圆角区一般为高应力区，其结构上的细微变化均有可能影响模型整体应力水平的高低，因此这里不能简化，而必须依照原结构详细建模。 先建立辅助圆：ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→Solid Circle→在对话框中输入圆心坐标（0.342,0.163）及半径(0.02) →OK。 进行布尔运算建立内凹圆角：ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Substruct→Areas→在窗口内用鼠标选择油缸区域→OK→在窗口内用鼠标选择辅助圆→OK。 （3） 材料模型 ANSYS main menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→杨氏模量（EX）输入2.1e11，波松比（PRXY）输入0.3。 （4） 有限元模型 i. 选择单元类型 选择42号二维平面四面形单元：ANSYS main menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→QUAD 4node 42→Ok。 将单元的特性定义为轴对称：ANSYS main menu→Preprocessor→Element Type→Options→K3选择Axisymmetric→Ok。 ii. 网格划分 ANSYS main menu→Preprocessor→Meshing→Meshtool→弹出划分网格工具条。 在Smart Size选项前打√→将滚动条等级调整为1→点击mesh→窗口内选择油缸平面→OK。可得模型网格如图10-26所示。 存盘（SAVE_DB）。 3． 加载和求解 （1） 施加位移边界条件 本分析中，位移边界条件仅仅包括油缸底线上Y方向的位移边界条件。 ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Lines→窗口内选择油缸底线→对话框中选择UY→Ok。 对于轴对称模型来说，轴线是不可能发生偏移的，所以轴线不需要另外施加对称位移边界条件（Y方向的位移边界条件除外）。 （2） 施加载荷边界条件 油缸内表面所承受的载荷以均布载荷的方式作用于与液体接触区。 压力的大小可用下式计算： （Pa） ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On Lines→窗口内选择与液体接触的各区域线段→Ok→在VALUE Load PRES Value后面的方框内填入3.684e7→OK。 施加载荷及边界条件以后模型如图10-27所示。 （3） 求解 ANSYS main menu→Solution→Solve→Current LS→OK。 图10-26 油缸仿真分析模型网格 图10-27 油缸仿真分析模型载荷及边界条件 4． 查看分析结果 ANSYS main menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu→Stress→Von Mises SEQV→OK。 模型等效应力计算结果如图10-28所示。 3、 三维问题有限元分析 1． 问题描述 设有如图10-29所示减速机输入轴，其中Φ200为齿轮节圆直径（本分析不涉及齿强度问题，所以在齿轮位置按节圆简化成圆柱）。其输入扭矩为kN.m，试求减速机输入轴的应力应变情况。设减速机输入轴材料为40Cr钢。 2． 模型建立 （1） 模型规划 第一，减速机输入轴虽然在结构上存在轴对称规律，但是其载荷状态为弯扭组合载荷，载荷上不再具有对称性，因此仿真分析时必须用三维立体模型来进行。 第二，ANSYS在对不规则空间实体进行网格划分时，往往只能采用金字塔（四面体）单元，不但会大大增加单元的个数，浪费资源，而且还会造成计算精度的下降，因此，在进行三维问题的仿真分析时，应在条件允许的情况下尽量采用六面体单元来建模。本分析中，由于减速机输入轴在结构上存在轴对称规律，可以考虑先建立平面剖分模型，然后将平面剖分模型关于轴线旋转的方法得到三维模型，即可实现用六面体单元来建模的目的。 第三，由于轴类零件一般都需要施加径向或切向边界或载荷条件，在柱坐标下操作更加方便，而ANSYS系统的柱坐标轴线与Z轴重合，因此，在进行轴类零件的三维仿真分析时，建模时让轴线与Z轴重合会比较方便。 第四，轴承作用中线处在结构上虽然没有线，但是为了便于边界条件的施加，必须建立辅助线。 图10-29 减速机输入轴的几何尺寸 图10-30 减速机输入轴的载荷条件 （2） 平面剖分几何模型的建立 平面剖分几何模型的建立如图10-31所示，详细过程如下。 i. 建立关键点 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS→在跳出的对话框中分别填入轴对称简化模型各关键点坐标值：（0,0,0）、（0,0,0.05）、辅助关键点（0,0.05,0.05）、（0,0.1,0.05）、（0,0.1,0.06）、（0,0.32,0.06）、（0,0.32,0.1）、（0,0.48,0.1）、（0,0.48,0.06）、（0,0.6,0.06）、（0,0.6,0.05）、辅助关键点（0,0.65,0.05）、（0,0.7,0.05）、（0,0.7,0.04）、（0,0.82,0.04）、（0,0.82,0）。 ii. 连线 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line→两点一组依次点击相临的关键点形成连线。 iii. 建立圆角 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Line Fillet→选择要建立圆角位置的两相临线，以0.005为圆角半径建立圆角。 iv. 建立平面 ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→By Lines→在窗口内用鼠标选择所有的线建立面。 图10-31 减速机输入轴仿真分析平面剖分几何模型的建立过程 （3） 材料模型 ANSYS main menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→杨氏模量（EX）输入2.1e11，波松比（PRXY）输入0.3。 （4） 平面剖分有限元模型 i. 选择单元类型 选择42号二维平面四面形单元：ANSYS main menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→QUAD 4node 42→Ok。 ii. 网格划分 ANSYS main menu→Preprocessor→Meshing→Meshtool→弹出划分网格工具条。 在Smart Size选项前打√→将滚动条等级调整为4→点击mesh→窗口内选择减速机输入轴平面→OK。可得模型网格如图10-32所示。 图10-32 减速机输入轴平面剖分模型网格 （5） 三维有限元模型 i. 选择单元类型 选择45号三维六面体单元：ANSYS main menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→Brick 8node 45→Ok。 ii. 将二维模型旋转得到三维模型 首先进行选择参数设定：ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Elem Ext Opts→在弹出对话框中选择并填写：在Element Type Number栏选择2 Solid45、在VAL1 No. Elem Divs栏填入6、对ACLEAR栏进行√选。 然后进行旋转操作：ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→About Axis→在主窗口内用鼠标选择平面→OK→在主窗口内用鼠标选择轴线的两个端点→OK→OK。 得到立体模型网格如图10-33所示，模型共有单元数11321，节点数10656。 存盘（SAVE_DB）。 图10-33 减速机输入轴立体模型网格 3． 加载和求解 （1） 施加位移边界条件 首先，最主要的位移边界条件是轴承对轴径处的径向约束作用。为了施加径向位移约束，首先必须将被约束节点的坐标系统改成柱坐标，然后再施加径向位移边界条件。具体操作过程如下： 第一步：选择轴径区辅助线，下拉菜单Select→Entities…→在选择对话框中选择Lines和By NUM/Pick→OK→窗口内选择辅助线Ok。下拉菜单Plot→Lines。 第二步：选择受约束的节点，下拉菜单Select→Entities…→在选择对话框中选择Nodes、Attached To和Lines All→OK。下拉菜单Plot→Nodes。 第三步：将系统坐标系改为柱坐标，下拉菜单WorPlane→Change Active CS to→Global Cylindrical。 第四步：将前面选出来的节点坐标系改成当前坐标系，ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Move/modify→Rotate Node CS→To Active CS→Pick all。 第五步：在选定节点上施加径向位移边界条件，ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Nodes→Pick All→Ux→OK。节点径向位移约束施加完成以后效果如图10-34所示。 第六步：选择所有组元，下拉菜单Select→Everything…。 10-34 在轴承中线位置节点上施加径向位移边界条件后的效果 其次，为了防止模型沿轴线方向的刚体位移，可以在轴径处某个节点上施加Z方向的位移边界条件，ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Nodes→在主窗口内用鼠标选择非传动端轴径辅助线上的一个节点→OK。 另外，考虑到本分析载荷的施加以节点作用力的方式施加于齿轮区外表面比较合理，因此扭矩输入端可以施加周向约束来限制模型的转动。而周向约束的施加方法与径向约束的施加原理一致：先将要约束的节点的坐标系统改成柱坐标，然后再施加周向位移边界条件。具体操作过程如下： 第一步：选择要约束的节点，下拉菜单Select→Entities…→在选择对话框中选择Nodes、和By NUM/Pick→OK→在主窗口内用鼠标对输入侧端面节点进行框选→Ok。下拉菜单Plot→Nodes。 第二步：将系统坐标系改为柱坐标，由于前面将系统坐标系统改成柱坐标以后还没有改过来，故这一步可以省略。 第三步：将前面选出来的节点坐标系改成当前坐标系，ANSYS main menu→Preprocessor→Modeling→Move/modify→Rotate Node CS→To Active CS→Pick all。 第五步：在选定节点上施加周向位移边界条件，ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Nodes→Pick All→UY→OK。 第六步：选择所有组元，下拉菜单Select→Everything…。 （2） 施加载荷边界条件 载荷的施加以节点作用力的方式施加于齿轮区外表面。 先计算总切向力的大小： F=2M/D＝2×1000/0.2= 10000 (N) 施加于齿轮区外表面中部的10个节点上，每个节点上力的大小为1000N：ANSYS main menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Force/Moment→On Nodes→窗口内选择齿轮区外表面中部的10个节点→Ok→在LAB Direction of Force/mom后面的方框内选择FY、在VALUE Force/mom Value后面的方框内填入-1000→OK。 施加载荷及边界条件以后模型如图10-35所示。 图10-35 减速机输入轴仿真分析模型载荷及边界条件 （3） 求解 ANSYS main menu→Solution→Solve→Current LS→OK。 4． 查看分析结果 ANSYS main menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu→Stress→Von Mises SEQV→OK。 模型等效应力计算结果如图10-36所示。 图10-36 减速机输入轴仿真分析等效应力计算结果 � 图10-28 油缸仿真分析等效应力计算结果 PAGE 276 _1155025737.doc 1．建立关键点 2．建立线 3．建立圆角 4．建立面 5．建立辅助圆 6．建立内凹圆角 _1155026612.unknown _1155041738.doc M=1kN.m F=2M/D _1155046116.doc 4. 建立面 3. 建立圆角 2. 建立线 1. 建立关键点 _1155040808.doc 轴承支点跨度600 820 Φ100 100 100 320 160 Φ120 Φ120 Φ100 Φ200 Φ80 R5 R5 _1155025957.doc 1. 建立关键点 2. 建立线 3. 建立圆角 4. 建立面 _1154947462.doc F=1kN F=1kN _1155024435.doc Φ1000 Φ720 150 430 F=15000kN 5 Φ620 Φ560 R20 2 0~100 _1154937853.doc 100 10 10 20 1 4-R5 _1154947267.unknown