机械零件有限元分析实验报告.docx

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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

I

1、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1.0×108Pa，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2.1×1011，泊松比0.3。

承受内压：

1.0×108Pa

受均匀内压的球体计算分析模型（截面图）

1、进入ANSYS

→changetheworkingdirectoryintoyours

→inputjobname:

Sphere

2、选择单元类型

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectSolidQuad4node42→OK（backtoElementTypeswindow）→Options…→selectK3:

Axisymmetric→OK→Close（theElementTypewindow）

3、定义材料参数

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural

→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:

2.1e11,PRXY:

0.3→OK

4、生成几何模型生成特征点

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS

→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:

WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalSpherical

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→Modeling→Create→Lines→InActiveCoord→

依次连接1,2,3,4点生成4条线→OK

Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ByLines→依次拾取四条线→OK

ANSYS命令菜单栏:

WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCartesian

5、网格划分

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→Meshing→MeshTool→（SizeControls）lines:

Set

→拾取两条直边:

OK→inputNDIV:

10→Apply→拾取两条曲边:

OK→inputNDIV:

20→OK→（backtothemeshtoolwindow）Mesh:

Areas，Shape:

Quad，Mapped→Mesh→PickAll

（inPickingMenu）→Close（theMeshToolwindow）

6、模型施加约束给水平直边施加约束

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement

→OnLines→拾取水平边：

Lab2:

UY→OK

给竖直边施加约束

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement

SymmetryB.C.→OnLines→拾取竖直边→OK给内弧施加径向的分布载荷

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→

OnLines→拾取小圆弧；OK→inputVALUE:

1e8→OK

7、分析计算

ANSYSMainMenu:

Solution→Solve→CurrentLS→OK（toclosethesolveCurrentLoadStepwindow）→close

8、结果显示

ANSYSMainMenu:

GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape…→selectDef+Undeformed→OK（backtoPlotResultswindow）

ContourPlot→NodalSolu…→select:

DOFsolution,分别选

X-Componentofdisplacement+DeformedShapewithundeformedmodel;Y-Componentofdisplacement+DeformedShapewithundeformedmodel;Displacementvectorsum+DeformedShapewithundeformedmodel.

ContourPlot→NodalSolu…Stress下分别选

X-Componentofstress+DeformedShapewithundeformedmodel;

Y-Componentofstress+DeformedShapewithundeformedmodel;Z-Componentofstress+DeformedShapewithundeformedmodel;Vonmisesstress+DeformedShapewithundeformedmodel.

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3×107psi，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

MainMenu：

Preprocessor>>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions输入x1=0，x2=3，y1=0，y2=1，z1=0，z2=3

平移并旋转工作平面

UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrements

X,Y,ZOffsets输入2.25，1.25，0.75点击Apply

XY，YZ，ZXAngles输入0，－90，0。

点击OK。

创建圆柱体

MainMenu：

Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>SolidCylinder

Radius输入0.375，Depth输入－1.5，点击OK。

拷贝生成另一个圆柱体

MainMenu：

Preprocessor>Modeling>Copy>Volume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

MainMenu：

Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>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

UtilityMenu>WorkPlane>AlignWPwith>GlobalCartesian

2、创建支撑部分

UtilityMenu:

WorkPlane->DisplayWorkingPlane（toggleon）

MainMenu:

Preprocessor->Modeling->Create->-Volumes->-Block->By2corners&Z在创建实体块的参数表中输入下列数值:

WPX=0

WPY=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

UtilityMenu:

WorkPlane->OffsetWPto->Keypoints+

1.在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点

2.OK

Toolbar:

SAVE_DB

4、创建轴瓦支架的上部

MainMenu:

Preprocessor->Modeling->Create->Volumes->Cylinder->PartialCylinder+

1）.在创建圆柱的参数表中输入下列参数:

WPX=0

WPY=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

MainMenu:

Preprocessor->Modeling->Create->Volume->Cylinder->SolidCylinder+

1）输入下列参数:

WPX=0

WPY=0

Radius=1

Depth=-0.1875

2）拾取Apply

3）输入下列参数:

WPX=0

WPY=0

Radius=0.85

Depth=-2

4.）OK

6、从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔

MainMenu:

Preprocessor->Modeling->Operate->Booleans->Subtract->Volumes+

1.拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布尔“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：

–MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>MergeItems，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:

–MainMenu>Preprocessor>-Modeling>Create>Keypoints>KPbetweenKPs+

•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

MainMenu>Preprocessor>-Modeling>Create>-Areas>Arbitrary>ThroughKPs+

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；

MainMenu>Preprocessor>-Modeling>Operate>Extrude>Areas>AlongNormal+

•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workingplanedisplay.

UtilityMenu:

WorkPlane->DisplayWorkingPlane（toggleoff）

10．沿坐标平面镜射生成整个模型.

MainMenu:

Preprocessor->Modeling->Reflect->Volumes+

1.拾取All

2.拾取Y-Zplane，单击OK

Toolbar:

SAVE_DB

11.粘接所有体

MainMenu:

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）

MainMenu:

Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete...

1.Add

2.选择Structural-Solid,并下拉菜单选择“Tet10Node92”单击OK3.Close

13定义材料特性

MainMenu:

Preprocessor->MaterialProps->MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic...

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

MainMenu:

Preprocessor->Meshing>MeshTool...

1．将智能网格划分器（SmartSizing）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.单击Mesh按钮

5.单击PickAll按钮

6.关闭MeshTool

Toolbar:

SAVE_DB

15.约束四个安装孔

MainMenu:

Solution->DefineLoads>-Apply->Structural->Displacement

->SymmetryB.C.->OnAreas+

1.绘出Areas（UtilityMenu:

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。

16．整个基座的底部施加位移约束（UY=0）

MainMenu:

Solution->Loads->Apply->Structural->Displacement->onLines+

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

MainMenu:

Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Pressure->OnAreas+

1.拾取轴承孔上宽度为.15”的所有面

2.OK

3.输入面上的压力值“800＋学号后两位×5”，单击Apply

4．UtilityMenu:

PlotCtrls->Symbols…

5．用箭头（arrow）显示压力值，（“Showpresandconvectas”），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。

MainMenu:

Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Pressure->OnAreas+

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

Toolbar:

SAVE_DB

19.求解

MainMenu:

Solution->Solve->CurrentLS

1.浏览statuswindow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（vonMises）图.

MainMenu:

GeneralPostproc->PlotResults->ContourPlot->NodalSolu

1.选择stress

2.选择vonMisesstress

3.OK

21.应力动画

UtilityMenu:

PlotCtrls->Animate->DeformedResults...

1.选择stress

2.选择vonMisesstress

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。