机械零件有限元分析实验报告.docx

1、机械零件有限元分析实验报告 中南林业科技大学 机械零件有限元分析实验报告 专业：机械设计制造及其自动化年级： 2013级 班级： 机械一班 姓名： 杨 政 学号： 20131461 I1、 实验目的 通过实验了解和掌握机械零件有限元分析的基本步骤；掌握在 ANSYS 系统环境下，有限元模型的几何建模、单元属性的设置、有限元网格的划分、约束与载荷的施加、问题的求解、后处理及各种察看分析结果的方法。体会有限元分析方法的强大功能及其在机械设计领域中的作用。 2、 实验内容 实验内容分为两个部分：一个是受内压作用的球体的有限元建模与分析，可从中学习如何处理轴对称问题的有限元求解；第二个是轴承座的实体建

2、模、网格划分、加载、求解及后处理的综合练习，可以较全面地锻炼利用有限元分析软件对机械零件进行分析的能力。 实验一、 受内压作用的球体的有限元建模与分析 对一承受均匀内压的空心球体进行线性静力学分析，球体承受的内压为 1.0108Pa，空心球体的内径为 0.3m，外径为 0.5m，空心球体材料的属性：弹性模量 2.11011，泊松比 0.3。 承受内压：1.0108 Pa 受均匀内压的球体计算分析模型（截面图） 1、 进入 ANSYS change the working directory into yours input jobname: Sphere 2、 选择单元类型 ANSYS Mai

3、n Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (back to Element Types window) Options select K3: Axisymmetric OKClose (the Element Type window) 3、 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e

4、11, PRXY:0.3 OK 4、 生成几何模型生成特征点 ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入四个点的坐标：input：1(0.3，0)，2(0.5，0)，3(0，0.5)，4(0，0.3) OK 生成球体截面 ANSYS 命令菜单栏: Work PlaneChange Active CS toGlobal Spherical ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines In Active Coord 依次连接 1,2,3

5、,4 点生成 4 条线OK Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines 依次拾取四条线OK ANSYS 命令菜单栏: Work PlaneChange Active CS toGlobal Cartesian 5、 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines: Set 拾取两条直边:OKinput NDIV: 10 Apply拾取两条曲边:OK input NDIV: 20 OK (back to the mesh tool w

6、indow) Mesh: Areas，Shape: Quad，Mapped Mesh Pick All (in Picking Menu) Close( the Mesh Tool window) 6、 模型施加约束给水平直边施加约束 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 拾取水平边：Lab2: UY OK 给竖直边施加约束 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry

7、 B.C. On Lines 拾取竖直边 OK 给内弧施加径向的分布载荷 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取小圆弧；OK input VALUE:1e8 OK 7、 分析计算 ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) close 8、 结果显示 ANSYS Main Menu: General Postproc Plot Results D

8、eformed Shape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window) Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, 分别选 X-Component of displacement + Deformed Shape with undeformed model; Y-Component of displacement + Deformed Shape with undeformed model; Displacement vector sum + Deformed Shape wi

9、th undeformed model. Contour Plot Nodal Solu Stress 下分别选 X-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model; Y-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model; Z-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model; Von mises stress + Deformed Shape with undeformed model.

10、查看各后处理结果的数据并回答最后面的问答题。实验二、轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理实验目的：学习创建实体模型的方法，工作平面的平移及旋转，布尔运算（相减、粘接、搭接等），基本网格划分，基本加载、求解及后处理。 问题描述：下图为一轴承座，具体尺寸见课本 128 页。已知轴承座的材料属性为：弹性模量为 3107psi，泊松比为 0.3。轴承座承受的载荷如下图所示，试分析轴承座的变形及内部应力分布状态。 圆孔下半部分的内表面承受向下作用力 (3500学号后两位5) psi. 具体步骤： 1、创建基座模型 生成长方体 Main Menu：PreprocessorModelingCrea

11、teVolumesBlockBy Dimensions 输入 x1=0，x2=3，y1=0，y2=1，z1=0，z2=3 平移并旋转工作平面 Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increments X,Y,Z Offsets 输入 2.25，1.25，0.75 点击 Apply XY，YZ，ZX Angles 输入 0，90，0。点击 OK。 创建圆柱体 Main Menu：PreprocessorModelingCreate VolumesCylinder Solid Cylinder Radius 输入 0.375，Depth 输入1.5，点击 OK。 拷

12、贝生成另一个圆柱体 Main Menu：PreprocessorModeling CopyVolume 拾取圆柱体，点击 Apply， DZ 输入1.5，然后点击 OK。 从长方体中减去两个圆柱体 Main Menu：PreprocessorModeling OperateBooleansSubtract Volumes，首先拾取被减的长方体，点击 Apply，然后拾取减去的两个圆柱体，点击 OK。 使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致 Utility MenuWorkPlaneAlign WP with Global Cartesian 2、创建支撑部分 Utility Menu: WorkPl

13、ane - Display Working Plane (toggle on) Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z 在创建实体块的参数表中输入下列数值: WP X = 0 WP Y = 1 Width = 1.5 Height = 1.75 Depth = 0.75 OK Toolbar: SAVE_DB 3、偏移工作平面到轴瓦支架的前表面 Utility Menu: WorkPlane - Offset WP to - Keypoints + 1. 在刚刚创建的实体块的左上

14、角拾取关键点 2. OK Toolbar: SAVE_DB 4、创建轴瓦支架的上部 Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder + 1). 在创建圆柱的参数表中输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Rad-1 = 0 Theta-1 = 0 Rad-2 = 1.5 Theta-2 = 90 Depth = -0.75 2). OK Toolbar: SAVE_DB 5、在轴承孔的位置创建圆柱体，为布尔操作生成轴孔做准备 Main Menu: Preprocessor

15、 - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder + 1) 输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 1 Depth = -0.1875 2) 拾取 Apply 3) 输入下列参数: WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 0.85 Depth = -2 4.) OK 6、从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔 Main Menu: Preprocessor - Modeling -Operate - Booleans -Subtract - Volumes + 1. 拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布

16、尔“减”操作的母体。单击 Apply 2. 拾取大圆柱（Radius = 1 的圆柱）作为“减”去的对象。单击 Apply 3. 拾取步 1 中的两个体，单击 Apply 4. 拾取小圆柱体（Radius = 0.85 的圆柱），单击 OK Toolbar: SAVE_DB 合并重合的关键点： Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Merge Items，将 Label 设置为 “Keypoints”，单击 OK。 7、创建一个关键点在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点: Main Menu Preprocessor -Modeling Creat

17、e Keypoints KP between KPs + 拾取如图的两个关键点，单击OK RATI = 0.5，单击OK 8. 创建一个三角面并形成三棱柱 Main Menu Preprocessor -ModelingCreate -Areas Arbitrary Through KPs + 1. 拾取轴承孔座与整个基座的交点； 2. 拾取轴承孔上下两个体的交点； 3. 拾取基座上第 7 步建立的关键点，单击 OK，完成三角形侧面的建模； 4 沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱； Main Menu Preprocessor -Modeling Operate Extrude Areas A

18、long Normal + 拾取三角面，单击 OK 5. 输入 DIST = 0.15，厚度的方向是向轴承孔中心，单击 OK Toolbar: SAVE_DB 9. 关闭 working plane display. Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off) 10沿坐标平面镜射生成整个模型. Main Menu: Preprocessor - Modeling-Reflect - Volumes + 1. 拾取 All 2. 拾取 Y-Z plane，单击 OK Toolbar: SAVE_DB 11. 粘接所有体

19、 Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Volumes + 拾取 All Toolbar: SAVE_DB 12 定义单元类型 1 为 10-节点四面体实体结构单元 (SOLID92) Main Menu: Preprocessor - Element Type - Add/Edit/Delete . 1. Add 2. 选择 Structural-Solid, 并下拉菜单选择 “Tet 10Node 92”单击 OK 3. Close 13 定义材料特性 Main Menu: Preprocessor - M

20、aterial Props - Material Models Structural Linear ElasticIsotropic. 1. EX：30e6 2. PRXY：0.3，单击 OK。 Toolbar: SAVE_DB 14. 用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元 Main Menu: Preprocessor - MeshingMeshTool. 1将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on” 2. 将滑动码设置为 “6”。 (可将其设置为“5”或更小值来获得更密的网格) 3. 确认 MeshTool 的各项为: Volumes，Tet，Free 4.

21、 单击 Mesh 按钮 5. 单击 Pick All 按钮 6. 关闭 MeshTool Toolbar: SAVE_DB 15. 约束四个安装孔 Main Menu: Solution - Define Loads-Apply - Structural-Displacement -Symmetry B.C. -On Areas + 1. 绘出 Areas (Utility Menu: Plot- Areas) 2. 拾取四个安装孔的 8 个柱面 （每个安装孔包括两个面）， 单击 OK。 说明：在拾取时，按住鼠标的左键便有实体增亮显示，拖动鼠标时显示的实体随之改变，此时松开左键即选中此实体。

22、16 整个基座的底部施加位移约束 (UY=0) Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement - on Lines + 1. 拾取基座底面的所有外边界线，拾取对话框中的 “count” 应等于 6，单击 OK。 2. 选择 UY 作为约束自由度，单击 OK。 17. 在轴承孔圆周上（沉孔底面）施加推力载荷 Main Menu: Solution - Define Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas + 1. 拾取轴承孔上宽度为 .15”的所有面 2. OK 3. 输入

23、面上的压力值“800学号后两位5 ”，单击 Apply 4 Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 5 用箭头（arrow）显示压力值， (“Show pres and convect as”)，单击 OK 18. 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷，这个载荷是由于受重载的轴承受到支撑作用而产生的。 Main Menu: Solution - Define Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas + 1. 拾取半径为.85” 内孔的下面两个圆柱面 2. OK 3. 输入压力值 (3500学号后两位5) 4. OK T

24、oolbar: SAVE_DB 19. 求解 Main Menu: Solution - Solve-Current LS 1. 浏览 status window 中出现的信息, 然后关闭此窗口。 2. OK (开始求解). 关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。 3. 求解结束后，关闭信息窗口。 20. 绘等效应力 (von Mises) 图. Main Menu: General Postproc - Plot Results - Contour Plot -Nodal Solu 1. 选择 stress 2. 选择 von Mises stress 3. OK 21. 应力动画 Utility Menu: PlotCtrls - Animate - Deformed Results . 1. 选择 stress 2. 选择 von Mises stress 3. OK 问题： 实验一：A、算出的最大位移与最小位移各是多少？算出的最大等效应力与最小等效应力各是多少？ 实验一：B、建模时作了哪些简化，为什么能做这些简化？ 实验二：A、算出的最大位移和最小位移各是多少？算出的最大等效应力和最小等效应力各是多？用图形标识最大应力的位置（可以屏幕抓图打印） 实验二：B、简述有限元分析在机械设计中的作用。