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有限元分析实例—联轴器在工作时发生的形变和应力

1.分析问题

考查联轴器在工作时发生的形变和产生的应力。

如图1所示，联轴器在底面的周围边界不能发生上下运动，即不能发生沿轴向的位移；在底面的两个圆周上不能发生任何方向的运动；在小轴的孔没面上分布有1e6Pa的压力；在大轴的孔台阶上分布有1e7Pa的压力；在大轴孔的键槽的一侧受到1e5Pa的压力

图1联轴器

2.建立模型

1.设定分析作业名和标题

（1）从实用菜单中选择UtilityMenu：

File->-ChangeJobname命令，将打开ChangeJobname对话框。

（2）在Enternewjobname文本框中输入文字“example_1”为本分析实例的数据库文件名。

（3）单击OK按钮，完成文件的修改。

（4）从实用菜单UtilityMenu：

File->-ChangeTitle命令，将打开ChangeTitle对话框

（5）在Enternewtitle文本框中输入文字“staticanalysisofarod”为分析实例的标题名

（6）单击OK按钮，完成标题名的指定。

（7）从实用菜单UtilityMenu：

Plot->-Replot命令，指定的标题“staticanalysisofarod”将显示在图形窗口的左下角。

（8）从主菜单中选择MainMenu：

Preference命令，选中Structural复选框，单击OK按钮。

2.定义单元类型

（1）从主菜单MainMenu：

Preprocerror->-ElementType->-Add/Edit/Delete命令打开ElementType对话框

（2）然后再左边的列表框中选择Solid选项，选择实体单元类型，在右边列表中选择Tet10Node92单元。

（如图2所示）

（3）单击OK按钮

图2单元类型对话框

3.定义材料属性

（1）从主菜单MainMenu：

Preprocerror->-MaterialProps->-MareriaModel命令将打开定义材料属性窗口。

（2）依次双击Structural->-Linear->-Elastic->-Isotropic，展开材料树形结构。

将打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图3示。

图3线性各向同性材料的弹性模量和泊松比

（3）在EX文本框中输入2.06e11，在PRXY文本框中输入0.3

（4）单击OK按钮，关闭对话框。

4.建立联轴器三维实体模型

1）创建圆圆柱体

①进入主菜单MainMenu：

Preprocerror->-Create->-Cylinder->-SolidCylider

②再打开的对话框中，WPX输入0，WPY输入0，Radius输入5，Depths输入10，点击Apply。

③接着在WPX输入12，WPY输入0，Radius输入3，Depths输入4，点击OK生成圆柱。

结果如图四所示

图4生成的两个圆柱体

2）建立两圆柱面相切的四个关键点

①从实用菜单选择UtilityMenu：

Workplane->-LocalCoordinateSystems->-CreateLocalCs->-AtSpecifiedLoc+。

②再打开的创建坐标系对话框中，输入0,0,0，单击OK。

③从主菜单MainMenu：

Preprocerror->-Modeling-Create->-Keypoints->-InActiveCS

④在Keypointsnumbering文本对话框中输入110，在LocationinactiveCS文本对话框输入5，-80.83,0创建一个关键点，点击Apply，在在Keypointsnumbering文本对话框中输入120，在LocationinactiveCS文本对话框输入5，80.83,0创建另一个关键点。

⑤从实用菜单选择UtilityMenu：

Workplane->-LocalCoordinateSystems->-CreateLocalCs->-AtSpecifiedLoc+。

⑥在文本对话框中输入12,0,0单击OK，得到CreateLocalCsAtSpecifiedLoc对话框。

⑦在Refnumberofanewcoordsys中输入12，在Typeofcoordintesystem中选择Cylindrical1,在文本框中输入12,0,0，点击OK。

⑧从主菜单MainMenu：

Preprocerror->-Modeling-Create->-Keypoints->-InActiveCS

⑨在Keypointsnumbering文本对话框中输入130，在LocationinactiveCS文本对话框输入3，-80.83,0创建一个关键点，点击Apply，在在Keypointsnumbering文本对话框中输入140，在LocationinactiveCS文本对话框输入3，80.83,0创建另一个关键点。

3）生成与圆柱底面相交的面

用四个相切的点创建四条直线

①从主菜单MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Create->-Lines->-Lines->-Strainghtlines

②选择刚刚建立的四个关键点，使他们成为四条直线。

如图5所示

图5创建四条直线

创建一个四边形

1从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Create->-Areas->-Arbitrary->-ByLines

2拾取刚刚建立的四条直线，点击OK。

4）沿面的法向拖拉面形成一个四棱柱

①从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Operate->-Extrude->-Areas-AlongNormal+

②在图形窗口中拾取四边形面，单击OK

③打开创建体对话框，输入DIST=4，单击OK。

生成的四棱柱如图6所示

5）形成一个完全的轴孔

①从实用菜单UtilityMenu：

Workplane->-OffsetWPto->-XYZLocations+

②在文本框中输入0,0,8.5，点击OK.

③从主菜单MainMenu：

Preprocerro->-Create->-Cylinder->-SolidCylinder。

④在创建圆柱对话框中，WPX输入0，WPY输入0，Radius输入3.5，Depth输入1.5，点击Apply。

5WPX输入0，WPY输入0，Radius输入2.5，Depth输入-8.5，点击OK生成另一个圆柱体得到两个圆柱体如图7所示。

从连轴体中减去圆柱形成孔

1从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Operate->-Subtract->-Volumes+。

2在图窗口中拾取连轴体及大圆柱体，作为布尔减得操作母体，单击Apply.

3接着在窗口中拾取刚刚建立的两个圆柱体作为减的对象，单击OK。

如图8所示。

偏移工作面

①从实用菜单UtilityMenu：

Workplane->-OffsetWPto->-XYZLocations+

图6生成的四棱柱

图7生成的两个圆柱

图8生成的圆轴孔

②在偏移工作面对话框中输入0,0,0，点击OK.

生成长方体

1从主菜单MainMenu：

Preprocerro->-Create->-Creeat->-Block->-ByDimensions.

2输入X1=01，X2=-3，Y1=-0.6，Y2=0.6，Z1=0，Z2=8.5单击OK得到结果如图9所示。

从连轴体中再减去长方体形成完全的轴孔

1从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Operate->-Subtract->-Volumes+

2在图窗口中拾取连轴体及大圆柱体，作为布尔减得操作母体，单击Apply.

3接着在窗口中拾取刚刚建立的长方体作为减的对象，单击OK。

如图10所示

6）形成另一个轴的孔

偏移工作面

①从实用菜单UtilityMenu：

Workplane->-OffsetWPto->-XYZLocations+

②在偏移工作面对话框中输入12,0,2.5，点击OK.

创建圆柱体

1从主菜单MainMenu：

Preprocerro->-Create->-Cylinder->-SolidCylinder。

2在创建圆柱对话框中，WPX输入0，WPY输入0，Radius输入2，Depth输入1.5，点击Apply。

3WPX输入0，WPY输入0，Radius输入1.5，Depth输入-2.5，点击OK生成另一个圆柱体得到两个圆柱体。

从连轴体中减去圆柱形成孔

4从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Operate->-Subtract->-Volumes+。

5在图窗口中拾取连轴体，作为布尔减得操作母体，单击Apply.

6接着在窗口中拾取刚刚建立的两个圆柱体作为减的对象，单击OK。

如图11所示。

图9生成的长方体

图10生成完全的轴孔

图11形成轴孔

7）组合体打开和显示体

图12体显示的结果

①从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Operate->-Booleans->-Glue->-Volumes

3拾取PiickAll。

8）连接所有体

①从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Operate->-Booleans->-Add->-Volumes

②再出现的对话框中拾取PiickAll。

4打开体显示开关并画体：

从实用菜单UtilityMenu：

PlotCtrls->-Numbering，设置Volumenumbers选项为on，点击OK，所得结果如图12示。

5.划分网格

从主菜单选择MainMenu：

Preprocerro->-Modeling->-Mesh->-Volumes,单击Mesh，打开提选择对话框，要求选选择划分数的体，划分后如图13示。

图13划分后的体

3.定义边界条件并求解

1.基座的底部施加位移约束

①从主菜单选择MainMenu：

Solution->-Loads-Apply->-Structural->-Diaplacement->-onLine.

②拾取基座底面的所有外边界线，单击OK.

4选择UZ作为约束，单击OK如图14示

从主菜单选择MainMenu：

Solution->-Loads-Apply->-Structural->-Diaplacement->-onLine.

5拾取基座底面的两个圆周线，单击OK。

选择ALLDOF作为约束自由度，单击OK结果如图15示

2.在小轴圆周面上，大轴孔轴台上和键槽的一侧施加压力载荷

①从主菜单选择MainMenu：

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

②选择小轴孔的内圆周面，单击OK

4然后打开ApplyPRESonareas对话框，在LoadPRESvalue文本框中输入1e6,单击OK

图14施加Z方向位移

图15施加位移约束的结果

5用同样的方法在大轴孔轴台上和键槽的一侧施加载荷大小为1e7和1e5

6从实用菜单UtilityMenu：

PloCtrls->-Symbols用箭头显示压力值，单击OK

7从实用菜单UtilityMenu：

Plot->-Areas结果如图16示

8单击SAVE-DB按钮，保存数据库。

图16显示载荷

图17X方向的位移

3.进行求解

从主菜单选择MainMenu：

Solution->-Solve->-CurrentLS命令，打开一个确认对话框和状态

列表，查看表中信息确认无误后，单击OK按钮，开始求解。

图18Y方向的位移

图19Z方向的位移

4.查看结果

1.查看变形

①从主菜单选择MainMenu：

GeneralPostproc->-PlotResult->-ContourPlot->-NodalSolu命令，打开对话框。

②在Itemtobecontoured域的作边的列表框中选择DOFsolution选项。

③在右边的列表中选择X方向位移选项。

④选择Def+underedge单选按钮

5单击OK按钮，在窗口中显示变形图，包含变形前的轮廓线，如图17示。

6用同样的方法查看Y方向的位移如图18示

7用同样的方法查看Z方向的位移如图19示

8用同样的方法查看总的位移如图20示

图20总的位移

2.查看应力

①从主菜单选择MainMenu：

GeneralPostproc->-PlotResult->-ContourPlot->-NodalSolu命令，打开对话框。

②在Itemtobecontoured域的作边的列表框中选择Stress选项。

③在右边的列表中选择X方向应力选项

④单击OK按钮，在窗口中显示出X方向应力分布图，如图21示

⑤用同样的方法查看Y方向的应力如图22示

6用同样的方法查看Z方向的应力如图23示

⑦从主菜单选择MainMenu：

GeneralPostproc->-PlotResult->-ContourPlot->-NodalSolu命令，打开对话框。

7在Itemtobecontoured域的作边的列表框中选择Stress选项

右边的列表中选择X方向应力选项

8右边的列表中选择vonMisesSEQ选项

9选择Defshapeonly单选按钮

图21X方向的应力

图22Y方向的应力

10单击OK按钮，图形中显示出vonMises等效应力分布图如图24示

图23Z方向的应力

图24vonMises等效应力分布

3.应力动画

①从实用菜单选择UtilityMenu：

PoltCtrls->-Animate->-DeformedResults

②选择sress，选择vonMises，单击OK

③要停止播放变形动画，拾取Stop按钮。

如图25示

图25播放动画