计算机在材料科学中的应用用MaterialsStudio计算简单材料的能带2.docx

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计算机在材料科学中的应用用MaterialsStudio计算简单材料的能带2

实验课程名称：

计算机在材料科学与工程中的应用

实验项目名称

Ansys建模及求解

实验成绩

实验者

张翅腾飞

专业班级

材科xs1101

组别

同组者

实验日期

2014年5月7日

第一部分：

实验分析与设计（可加页）

一、实验内容描述（问题域描述）

1、实验目的：

创建实体的方法，工作平面的平移及旋转，布尔运算（相减、粘接、搭接，模型体素的合并，基本网格划分，基本加载、求解及后处理。

2、实验内容：

轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理

二、实验基本原理与设计（包括实验方案设计，实验手段的确定，试验步骤等，用硬件逻辑或者算法描述）

1.有限元方法的用途

结构分析

用于确定材料结构的应变、应力及反作用力等有限元方法是处理连续介质问题的一种普遍方法，离散化是有限元方法的基础。

然而，这种思想自古有之。

齐诺（Zeno公元前5

世纪前后古希腊埃利亚学派哲学家）曾说过：

空间是有限的和无限可分的。

故，事物要存在必有大小。

亚里士多德（Aristotle古希腊大哲学家，科学家）也讲过：

连续体由可分的元素组成。

古代人们在计算圆的周长或面积时就采用了离散化的逼近方法：

即采用内接多边形和外切多边形从两个不同的方向近似描述圆的周长或面积，当多边形的边数逐步增加时近似值将从这两个方向逼近真解。

2.有限元法求解的步骤（原理上求解）

（1）将结构划分成单元结合体——离散化

（2）建立单元上各种量之间的关系——单元特性分析

（3）将单元特性进行集成，获得结构的整体特性和平衡方程——整体分析

（4）解代数方程组求节点位移——求解单元应力应变

3.本次实验采用Ansys软件来进行轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理，具体实验步骤如下：

（1）创建基座模型

a、生成长方体操作：

MainMenu：

Preprocessor->Create->Block->ByDimensions，

输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3；

b、平移并旋转工作平面操作：

UtilityMenu->WorkPlane->OffsetWPbyIncrements，

X,Y,ZOffsets输入2.25,1.25,.75点击Apply，

XY，YZ，ZXAngles输入0，－90点击OK；

c、创建圆柱体操作：

MainMenu：

Preprocessor->Create->Cylinder->SolidCylinder，

Radius输入0.75/2,Depth输入－1.5,点击OK；

d、拷贝生成另一个圆柱体操作：

MainMenu：

Preprocessor->Copy->Volume

拾取圆柱体,点击Apply,DZ输入1.5然后点击OK；

e、从长方体中减去两个圆柱体：

MainMenu：

Preprocessor->Operate->SubtractVolumes

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；

f、使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致操作：

UtilityMenu->WorkPlane->AlignWPwith->GlobalCartesian；

获得如下图所示图形：

（2）创建支撑部分：

a、UtilityMenu:

WorkPlane->DisplayWorkingPlane（toggleon），

b、MainMenu:

Preprocessor->-Modeling-Create->-Volumes-Block->By2corners&Z，

c、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

然后点击OK，

d、Toolbar:

SAVE_DB，防止误操作导致文件丢失；

第2步走之后获得如下图形：

（3）偏移工作平面到轴瓦支架的前表面：

a、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

b、Toolbar:

SAVE_DB

获得如下图形：

（4）创建轴瓦支架的上部：

a、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

b、Toolbar:

SAVE_DB

获得如下图形：

（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：

a、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.）拾取OK

如下图所示：

（6）从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔：

a、MainMenu:

Preprocessor->Modeling-Operate->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，单击OK

b、Toolbar:

SAVE_DB

获得如下图形：

c、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

a、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+

b、拾取如图的两个关键点,单击[OK]

c、RATI=0.5,单击[OK]

步骤示意图如下所示：

（8）创建一个三角面并形成三棱柱：

a、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

3.拾取基座上上步建立的关键点，单击OK完成了三角形侧面的建模。

4．沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。

（1）–MainMenu->Preprocessor->-Modeling-Operate->Extrude->-Areas-AlongNormal+

（2）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]

b、Toolbar:

SAVE_DB

如下图所示：

（9）关闭workingplanedisplay：

UtilityMenu:

WorkPlane->DisplayWorkingPlane（toggleoff）

（10）沿坐标平面镜射生成整个模型：

a、MainMenu:

Preprocessor->Modeling-Reflect->Volumes+

1.拾取All

2.拾取“Y-Zplane，单击OK

b、Toolbar:

SAVE_DB

如下图所示：

（11）粘接所有体：

a、MainMenu:

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

拾取All

Toolbar:

SAVE_DB

如下图所示：

（12）定义单元类型1为10-节点四面体实体结构单元（SOLID92）：

a、MainMenu:

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

1.Add

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

3.Close

（13）定义材料特性：

a、MainMenu:

Preprocessor->MaterialProps->ConstantIsotropic...

1.OK（将材料号设定为1）

2.在“Young’sModulusEX”下输入：

30e6单击OK。

b、Toolbar:

SAVE_DB

（14）用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元：

a、MainMenu:

Preprocessor->MeshTool...

1．将智能网格划分器（SmartSizing）设定为“on”

2.将滑动码设置为“8”（可选:

如果你的机器速度很快，可将其设置为“7”或更小值来获得更密的网格）

3.确认MeshTool的各项为:

Volumes,Tet,Free

4.MESH

5.PickAll

说明:

如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取“OK”或“Close”。

划分网格时网格密度可由滑动码控制，滑动码的调节范围从0-10，当数值较大时网格稀疏，反之，网格加密。

6.关闭MeshTool

b、Toolbar:

SAVE_DB

（15）约束四个安装孔：

a、MainMenu:

Solution->Loads-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（每个圆柱面包括两个面）

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。

单击OK。

（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，pickingmenu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）在轴承孔圆周上施加推力载荷：

a、MainMenu:

Solution->Loads-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“1000”，单击Apply

4．UtilityMenu:

PlotCtrls->Symbols…

5．用箭头显示压力值，（“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。

a、Whilestillin->Loads>Apply->Structural-Pressure->OnAreas+

1.拾取宽度为.1875”的下面两个圆柱面

2.OK

3.输入压力值5000

4.OK

b、Toolbar:

SAVE_DB

（19）求解：

a、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;

a、MainMenu:

GeneralPostproc->PlotResults->ContourPlot-NodalSolu

1.选择stress

2.选择vonMises

3.OK

（21）应力动画：

a、UtilityMenu:

PlotCtrls->Animate->DeformedResults...

1.选择stress

2.选择vonMises

3.OK

b、播放变形动画,拾取MediaPlayer的“>”键。

（22）Exit.Toolbar:

QUIT

1.SaveEverything

2.OK

第二部分：

实验调试与结果分析（可加页）

三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）

1、实验数据记录

（1）下图所示为等效应力图：

（2）下面三个图为变形动画播放过程中的截图：

2、实验过程中遇到的问题：

（1）第六步中应该先减去小圆再减去大圆，不能同时操作。

（2）第八步中创建一个三角面并形成三棱柱，要注意三棱柱厚度的方向，应当朝内。

（3）第十七十八步应当注意力的方向以及施力的位置。

四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）

1、结果描述：

a、应力施加后物体的最大位移Dmax=0.001895mm；

b、应力最大的位置位于轴承孔的下部分，最大应力为Smx=15813MPa；

c、应力最小的位置位于基座的上顶角处，最小应力为Smn=67.352MPa。