材料力学ANSYS10.0操作例题

材料力学期中测验

--杆件受力的有限元计算

序言：有限元是一种数值方法，广泛应用于分析工程中出现的各种复杂的受力分析。本次测验内容要求学生对有限元方法的实施步骤有一个初步了解，用ANSYS 软件解决一些简单的杆件弯曲、扭转失稳问题，并将计算结果与材料公式的结果比较。为进一步采用有限元方法解决复杂的工程问题打下基础。

文件格式要求：1、题号、划分的网格、（至少两种）应力、应变的云图。

2、简单归纳有限元的特点以及与材料力学的异同点。

以下问题以ansys10.0 ED 为标准

问题 1 分布载荷作用下的悬臂梁应力计算

分析模型如图1-1 所示, 梁的横截面为矩形宽х高 = 1х 2 m2. 受到分布载荷作用。材料

的弹性模量200GPa, 泊松比0.3。习题文件名: Cantilever beam。

注意：用实体单元离散，长度单位m, 力的单位 N，对应应力单位 Pa，按照平面应力处理。

=0

1.1 进入ANSYS

程序→ANSYSED 10.0 → input Initial jobname: Cantilever beam→OK

1.2设置计算类型

Main Menu: Prefe rences →select Structural → OK

1.3选择单元类型

Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4node 182 →OK (back to Element Types window) → Options→select K1: Reduced integration →K3: Plane Stress →OK→Close (the Element Type wi ndow)

1.4定义材料参数

Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:200e9，PRXY:0.3→ OK

1.5生成几何模型

生成特征点

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Key points →In Active CS →依次输入四个点的坐标(每次输入后按Apply,最后按OK)：input:1(0,0,0), 2(10,0,0), 3(10,2,0), 4(0,2,0) →OK

生成面

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create

→Areas →Arbitrary →Through KPS →依次

连接四个特征点，1 → 2 → 3 → 4 → OK

注意：上面两步也可简化为：

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create

→Areas →Rectangle →By two corners →WP

X, WP Y均输入0， Width 输入10, Height输入

2 → OK

1.6 网格划分

Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh

Tool→(Size Controls) lines: Set →拾取长

边: OK→input NDIV: 50→Apply→拾取短边:

→input NDIV: 10 →OK →(back to the mesh tool

window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Mapped

→Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close( the Mesh Tool window)

1.7 模型施加约束

给左边施加固定约束

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural

→Displacement → On lines →选左边线→OK →select 第

一行: ALL DOF →第四行 VALUE 选 0: → OK

给梁的上边施加线性分布载荷

ANSYS 命令菜单栏: Parameters →Functions →Define/Edit

→

1) 在下方的下拉列表框（第三行）内选择X作为设置的变量；

2) 在Result窗口中出现{X},写入所施加的载荷函数（力的单

位：N）：10000-1000*{X}；

3) File → Save 输入my_q(文件扩展名：func) →返回：

Parameters →Functions →Read from file：将需要的

my_q.func文件打开，任给一个参数名qq， Local coordinate

system id for (x,y,z) 栏选0→OK

Utility menu → plotctrls → Symbols → Show pres and

convect as 表框内的Face outline下拉改为 arrows

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Lines →拾取梁的上层线→OK →在下拉列表框中选择：Existing table →Apply →选择需要的载荷参数名qq→OK

solution→load step opts→write LSFile输入文件名（注意：显示的载荷箭头应当沿着长度有长短不同）

1.8 分析计算

Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK

1.9 结果显示

Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape… → select Def + Undeformed →OK (back to Plot Results window)→Contour Plot →Nodal Solu…→select: Stress → X Component of stress → OK

1.10 退出系统

ANSYS Utility Menu: File →

Exit→ Save Everything→ OK

问题 2表面效应单元模拟一螺栓扭转问题

问题描述：表面效应单元：类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。用ANSYS对螺栓模型施加扭转荷载，求解并在后处理器中观察整体柱坐标系下的UY。载荷和边界条件:沿螺栓上端的扭矩Mt等效为切向等效切应力：q=10MPa，底部固定 (UX=UY=UZ=0)。设:螺栓直径d=100mm，螺栓长度L=200mm，螺帽直径D=160mm,螺帽高度H=30mm。材料应力—应变关系为线弹性模型，弹性模量200

=，

E G P a

ν。

泊松比3.0

=

2.1 进入ANSYS

ANSYSED 10.0 →inpu t Initial jobname:

bolt_torque →OK

2.2设置计算类型

Main Menu: Preferences… →select Structural → OK

2.3选择单元类型

Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add

→select Solid Brick 8node 45 → Apply→ select Surface Effect

→3D structural 154 OK (back to Element Types window) → Close

2.4定义材料参数

Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models

→Structural→Linear→Elastic→Isotropic →input EX:200E3,

PRXY:0.3 → OK

注意前后单位的一致性，本例后面的单位应用mm，所以此处弹性模量

用200E3.

2.5生成几何模型

生成带帽螺栓,用Sweep 方法，分别生成中空圆环

状的螺帽(R=80mm, r=50mm, H=30mm)和圆柱状的

螺栓(r=50mm，L=200mm)，然后用布尔命令Glue，

将两体结合.

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create

→Volumes →Cylinder →By Dimensions在弹出的对话框中输入Outer radius 50,

Z-coordinates0 200 →Apply

在对话框中输入螺帽的尺寸。Outer radius

50,Optional inner radius 80, Z-coordinates 0 30.

→OK

生成图形之后点击ansys截面右上角的蓝色立方体按

键（Isometric view）

Utility Menu→workplane →offset WP by Increments,

在弹出的对话框中XY，YZ，ZX一栏中填入0，-90,0 →OK

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Operate →Booleans →Divide →Volu by WrkPlane →Pick All →点击蓝色立方体（Isometric view）

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Operate →Booleans →Glue →Volumes →Pick All

2.6 网格划分

Main Menu: Preprocessor →Meshing → MeshTool

在弹出的MeshTool对话框中，并在SizeControls一栏

中的Lines组里点击set按键。

用鼠标选中所有圆的轮廓线，如图。（如果选错可以点

击鼠标左键取消）选好之后在左边的Element Size on

lines 的对话框中点击Apply。会弹出Element Sizes on

Picked Lines 对话框。在NDIV栏里填入5→Apply.

同样做法，选AB段→NDIV：5.选BC，CD段→NDIV：2.

→OK

Main Menu: Preprocessor →Meshing → MeshTool

在对话框第4栏Shape组中选中Hex 和Sweep选项。

选中后点击Sweep按钮。弹出的对话框选择Pick All。

2.7 选择螺栓帽的侧表面, 然后选择与面相关的节点:

Utility Menu → Select → Entities → Areas → From Full:用鼠标选取螺栓帽的侧表 OK

Utility Menu → Plot → Areas

Utility Menu →Select→Entities→Nodes →Attached →Areas All →Select All → OK

Utility Menu → Plot → Nodes

2.8 设置单元类型指针指向2 (SURF154)，并建立表面效应单元: Main Menu → Preprocessor → Modeling → Create → Elements → Elem Attributes→Element type Num →指向2: SURF154 →OK Main Menu → Preprocessor → Modeling → Create → Elements → Surf /Contact→Surf Effect→Generl Surface→No extra Node - Pick All

2.9 选择所有第2类单元，打开单元坐标显示并画出它们:

Utility Menu →Select →Entities →Elements →By Attributes→Element Type Num →2 →OK

Utility Menu → PlotCtrls →Symbols → Surface load Symbols →Tan-X Pressure → OK

Utility Menu → Plot → Elements

2.10 在总体坐标原点建立11号局部柱坐标系:

Utility M enu → WorkPlane → Local Coordinate Systems →

Create Local CS → At Specified Loc +→在对话框中填入（0,0,0）→OK →OK

2.11 把SURF154单元的单元坐标(ESYS)改变为11 :

Main Menu → Preprocessor → Modeling → Move / Modify → Elements → Modify Attrib - 改变为11

Utility Menu → Plot → Element s

2.12 建立名为“e_surf”的所有第2

类单元的组件:

Utility Menu →Select

→Component/Assembly→Create

Component →建立e_surf所有第2类单

元的组件→ ok

2.13 关闭单元坐标系:

Utility Menu → PlotCtrls → Symbols → CS → OFF

2.14 在 SURF154 单元上施加10MPa切向力(沿单元 X 方向) :

Main Menu → Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Structural → Pressure → On Element → Pick all (Pick e_surf)

2.15 把“切向X压力”符号改为箭头

Utility Menu → PlotCtrls → Symbols→

Show pre and convect as → Arrow → OK

2.16 选择 everything 并画出单元:

Utility Menu → Select → Everything

Utility Men u → Plot → Elements

2.17 约束1号面上的全部自由度(螺栓底面

Z=0):

Main Menu → Preprocessor → Loads → Define

Loads → Apply → Structural → Displacement

→ On Areas选择螺栓的底面，→OK→All DOF，在displacement栏中填入数值0→OK

2.18 使用求解器求解:

Main Menu → Solution → Solve → Current LS

2.19 进入通用后处理器，把结果坐标系转换为柱坐标，

然后打开单元轮廓线绘等值线图:

von Mises stress图

Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour

Plot →Nodal Solu→select: Stress →von Mises

stress→OK

Utility Menu → PlotCtrls → Style → Edge Options ...

Main Menu: General Postproc →Plot Results →Contour

Plot →Nodal Solu→ select: Stress

2.20 在轴的二分之一长度取横截面，画等效应力von Mises stress,显示剖面结果

先平移工作平面（沿z轴平移50mm）

Utility Menu→WorkPlane→ offset WP by Increments：X,Y, Z offsets 输入0，0，50点击Apply

Utility menu →plotctrls →style →hidden line options →type Fo plot：capped hidden → cutting plane workplane is →Work ing Plane →OK

2.21退出。

问题 3 悬臂“工”字梁的屈曲建模计算

计算模型如下图：

基本参数：集中力F=106N 杨氏弹性模量E=2.0e5MPa ，泊松比v=0.2，梁长度为2.5 m 。 横截面积尺寸见下表:

梁的横截面积尺寸（单位：㎜）

3.1 进入ANSYS

程序 →ANSYSED 10.0 →change the working directory into yours →input Initial jobname: I-BEAM→OK

3.2设置计算类型

Main Menu: Preferences →select Structural → OK

3.3选择单元类型

Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Beam 3 node 189 →OK(back to Element Types window) →Close (the Element Type window)

3.4定义材料参数

Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:2.0e11, PRXY:0.2 → OK

3.5定义截面

Main Menu: Preprocessor →Sections →Beam →Common Sections →在Sub-Type 中选择“工”型截面 →定义截面:w1=0.15,w2=0.15,w3=0.25,t1=0.015,t2=0.015,t3=0.015 →截面网格疏密程度Coarse-Fine 滚动条选择

2 → Apply → Preview(观察截面形状) → Meshview(显示截面的网格) →OK

3.6生成几何模型

生成特征点

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入三个点的坐标：input:1(0,0,0),2(2.5,0,0),3(1.25,1,0) →OK

生成梁

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Lines →Straight Lines →连接两个特征点，1(0,0,0), 2(2.5,0,0) →OK

3.7 网格划分

Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked lines →拾取:直线→OK →Pick Orientation Keypoint(s):YES→OK→拾取：3#特征点(1.25,1,0) →OK→Mesh Tool → (Size Controls) lines: Set →Pick All(in Picking Menu) →input NDIV:10 →OK (back to Mesh Tool window) → Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close (the Mesh Tool window)

3.8 显示梁体

ANSYS命令菜单栏：Plot Ctrls →Pan Zoom Rotate →Iso →Close

ANSYS命令菜单栏：PlotCtrls →Style →Size and Shape →[/ESHAPE] →On →OK

3.9 模型施加约束

给特征点1施加约束

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement → On Keypoints →拾取1 keypoint →OK →select All DOF → OK

给自由端施加集中力

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment → On Keypoints →拾取 2 keypoint →Lab:FX,VALI:-1e6 →OK

3.10 特征值屈曲分析与结果显示 / 静力分析

Main Menu: Solution →Unabridged Menu(打开完整菜单，back to Main Menu) →Solution →Analysis Type → Sol’n Controls → Calculate Prestress effects打钩→OK Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK

Main Menu: Finish（暂时退出求解器）

特征值屈曲分析与屈曲模态扩展

Main Menu: Solution →Analysis Type →New Analysis →Eigen Buckling →OK(back to Analysis Type) →Analysis Options →Method: Block Lanczos,NMODE: 6 →OK(back to Solution) →Load Step Opts →Expansion Pass →Single Expand →Expand Modes →NMODE:6 ,Calculate Elem results: Yes →OK(back to Solution) →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window)→OK

Main Menu: Finish（暂时退出求解器）

3.11 观察特征值屈曲分析结果

读入文件Main Menu: General Postproc →Read Results →First Set

观察屈曲模态Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape → select Def+undef edge →OK

3.12 依次读入个载荷步的结果，采用同样的方式来观察其他的五阶屈曲模态。退出系统。