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1、XXXXXX 学院 大威整理 计算力学课程设计 题目题目 受内外压筒体的有限元建模与分析 班级班级 XXXX 姓名姓名 XXXXXXXXXXXXXXX 指导教师指导教师 XXX 成绩成绩 XXXXXXXX 大学 X X X X X X X X X制 XXXXXXXX 大学 X X X X X X X X X制 目录 1 概述1 概述.1 1.1 有限元简介. 1 1.2 常见有限元软件. 1 2 受内外压筒体的有限元建模2 受内外压筒体的有限元建模3 2.1 问题描述3 2.2 ANSYS 有限元模型3 2.2.1 基于图形界面（GUI）的交互式操作3 2.2.2 完全的的直接命令输入方式操作
2、7 3 应力变形分析3 应力变形分析 9 3.1 应力场分析. 9 3.2 变形场分析. 12 4 结论4 结论.14 参考文献参考文献.15 辽宁 XXXX 大学 1 1 概述 1.1 有限元简介 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统(几 何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量 的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。 它将求解域看成是由许多称为 有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求 解这个域总的满足
3、条件（如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。这个解不是准确解， 而是近似解， 因为实际问题被较简单的问题所代替。 由于大多数实际问题难以得到准确解， 而有限元不仅计算精度高， 而且能适应各种复杂形状， 因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元使那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。 有限元的概念早在几个世 纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长， 但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航 空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的 浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技
4、术的快速发展和普及，有限元方法迅速 从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛 并且实用高效的数值分析方法。 1.2 常见有限元软件 1）Femap+ NX Nastran Siemens PLM Software 家族的 Femap 以 Parasolid 为内核，具有 20 年专注于有限元建 模领域的工程经验，有助于用户将复杂的模型建模简单化，其基于 Windows 的特性为用 户提供了强大的功能， 且易学易用。 Femap 产品被广泛地应用于多种工程产品系统及过程 之中，例如：卫星、航空器、重型起重机、高真空密封器等。Femap 提供了从高级梁建模、
5、中面提取、六面体网格划分，到功能卓越的 CAD 输入和简化的工具。NX Nastran 是 CAE 解算器技术事实上的标准，是全球航空、航天、汽车、造船等行业绝大部分客户认可的解 算器。 NX Nastran 与 Femap 的结合为用户提供了一个强大且可承受的解决方案。它是一个 计算力学课程设计 2 许可证灵活、融合了 Siemens PLM Software 公司的“公平的市场价值”的价格哲学理念 的软件包，为用户提供了强有力的有限元分析工具，用户只需支付较低的整体价格就能得 到最高级的 Nastran 功能。Femap + NX Nastran 已经在全球各行业超过 10000 家企业应
6、用。 2）COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科 学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“最专业的多物理场全耦合分析软件” 。模 拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics 以高效的计算性能和杰出的多 场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。 3）FEPG 中国科学院数学与系统科学研究所梁国平研究员团队历经八年的潜心研究， 独创了具 有国际领先水平的有限元程序自动生成系统（FEPG） 。FEPG 采用元件化思想和有限元语 言这一先进的软件设计，为各种领域、各方面问
7、题的有限元求解提供了一个极其有力的工 具， 采用FEPG可以在数天甚至数小时内完成通常需要数月甚至数年才能完成的编程劳动。 FEPG 是目前“幸存”下来的为数不多的 CAE 技术中发展最好的有限元软件，目前有三百 多家科研院、企业应用。也已成为国内做的最大的有限元软件平台。 FEPG 作为通用型的有限元软件,能够解决固体力学、结构力学、流体力学、热传导、 电磁场以及数学方面的有限元计算， 在耦合具有特有的优势， 能够实现多物理场任意耦合； 在有限元并行计算方面处于领先地位。 4）ANSYS ANSYS（ANalysis SYStem）是 20 世纪 70 年代由美国 ANSYS 公司研制开发的
8、工程 分析软件。它是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型 CAE 通用有限元软件， 可以广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防 军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利以及日用家电等一般工业及 科学研究。该软件运行于大多数计算机及操作系统（如 Windows、UNIX、Linux、IRIx 和 HP-UX） 。从 PC 机到工作站，直至巨型计算机，ANSYS 文件在其所有产品系列及工作平 台上均兼容。ANSYS 是一个包含多物理场分析功能的软件。 辽宁 XXXX 大学 3 2 受内外压筒体的有限元建模 2.1 问题描述 如图 2-1 为
9、筒体形状示意图，其筒体几何尺寸及受力如图 2-2 所示。 图 2-1 筒体形状示意图图 2-2 筒体受力示意图 2.2 ANSYS 有限元模型 计算分析模型如图 2-1 所示，在 ANSYS 中所使用的文件名：gongli12-3。下面对该空 间油缸的 1/4 结构进行建模和分析，实际上，还可以利用该结构上下的对称性，取结构的 1/8 部分进行建模和分析。 2.2.1 基于图形界面（GUI）的交互式操作 1) 进入 ANSYS 10.0 程序ANSYS 10.0ANSYS 2) 定义工作文件名 Utility MenuFileChange Jobname，在弹出的对话框中输入“gongli12
10、-3”作为工作 文件名。 3) 定义工作标题名 Utility MenuFileChange Title，在弹出的对话框中输入“gongli12-3” ，单击 OK。 4) 设置计算类型 ANSYS Main Menu：PreferencsStructuralOK 5) 选择单元类型 ANSYS Main Menu：PreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSoild： 计算力学课程设计 4 Quad 4node 42ApplySoild：Brick 8node 45OKClose 6）定义材料参数 ANSYS Main Menu：Preprocess
11、orMaterial PropsMaterial ModelsStructural LinearElasticIsotropicEX:2.1e5,PRXY:0.3OK 7）构造简体模型 生成模型截平面 ANSYS Main Menu： PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS按次 序输入横截平面的 10 个特征点和旋转对称轴上的两点坐标， 1(300,0,0)，2(480,0,0)， 3(480,100,0)，4(400,100,0)，5(400,700,0)，6(480,700,0)，7(480,800,0)，8(300,800,0)，
12、9(300,650,0)，10(300,150,0)，11(0,0,0)，12(0,800,0)Cancel，返回到 Create 窗口。 ANSYS Main Menu： PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryThroughKPs 依次连接界面边线上的 10 个特征点OK，生成的截面模型如图 2-3 所示。 图 2-3 筒体结构截面模型 对平面进行网格划分 ANSYS Main Menu：PreprocessorMeshingMesh Tool位于 Size Controls 下的 Global：SetSIZE：50OK，返回到 Meshtool 窗
13、口，点击 Mesh 按钮PickAllClose， 划分网格后，如图 2-4 所示。 辽宁 XXXX 大学 5 图 2-4 划分网格图 用旋转法生成简体模型 ANSYS Main Menu：PreprocessorModelingOperateExtrudeElem Ext Ops TYPE：2SOLD 45Element sizing options for extrusion VAL1：1OK（返回 Extrude 列表） AreasAboutAxis用鼠标点击一下所生成的截面OK用鼠标点击对称轴上的第 11 点和第 12 点OKARC：90：NSEG：9OK，最后生成的 1/4 结构模型
14、如图 2-5 所示。 图 2-5 1/4 结构模型图 计算力学课程设计 6 8) 对模型加位移约束 ANSYS Main Men：SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacement 两截面分别加 X，Z 方向的约束： ANSYS Utility Menu：SelectEntities，弹出 Select Entities 对话框，具体设置如 图所示， 单击 OK， 返回到 Displacement 列表中On NodesPick AllLab2： UX： VALUE： 0OKANSYS Utility Menu：SelectEverything。 A
15、NSYS Utility Menu：SelectEntitiesNodesZ coordinates0OK，返回到 Displacement 列表中On NodesPick AllLab2：UZ：VALUE：0OKANSYS Utility Menu：SelectEverything。 底面加 Y 方向的约束： ANSYS Utility Menu：SelectEntitiesNodesY coordinates0OK,返回到 Displacement 列表中On NodesPick AllLab2：UY：VALUE：0OKANSYS Utility Menu：SelectEverything
16、 施加位移约束后的模型如图 2-6 所示。 图 2-6 施加位移约束后的模型图 9) 模型施加外载荷 ANSYS Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas 用鼠标点击选择油缸内侧中部的 3 个面OKVALUE： 200ApplyClose用鼠标点 击选择油缸内侧中部的 3 个面OKVALUE：100OK，如图 2-7 所示。 辽宁 XXXX 大学 7 图 2-7 施加外载荷后的模型图 10) 分析计算 ANSYS Main Menu： SolutionSolveCurrent LSOKClose(Solution is done!) 关 闭文字窗口。 11) 结果显示。 12) 退出系统。 2.2.2 完全的的直接命令输入方式操作 /FILNA
