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1、ANSYS15有限元分析及应用报告题目：教室课桌有限元分析姓名：XXXX学号：XXX班级：机械XXX学院:机械学院指导老师：XXXXX二零一五年一月一 问题概述下图所示可以展示大部分高校课桌结构。即基本结构为一个钢制支架用地脚螺栓固定在地面上，然后将胶合木平板用螺栓连接在钢制支架上。在本报告中，将对胶合木板和钢制支架做有限元分析。假定250kg的重量施加在在该课桌表面上，分析木板和钢架的变形和应力，并进行校核。钢材的弹性模量为2.11011Pa，泊松比为0.3；腹面木胶合板弹性模量1.11010Pa，泊松比为0.45。在设计中均假定材料为各向同性材料。二 问题分析50mm在日常生活中，课桌受力
2、主要为桌面受到垂直方向的压力，所以桌面可以使用壳单元进行分析，而钢制支架则主要受到由桌面传递的弯矩产生变形，因此可以用梁单元进行分析。所以根据课桌的结构和其受力特点，实体课桌结构可以简化为梁单元和壳单元的组合，所以首先将课桌简化为由梁单元beam189和壳单元shell63构建的模型。在有限元模型中，当shell单元和beam单元划分网格的节点重合时，该节点能够起到传递力的作用，所以利用这一特点能将shell单元和beam单元连接起来进行分析600mm200mm200mm1000mm500mm简化得到的课桌形状尺寸如下图： 图2-1 简化课桌形状尺寸示意图三有限元建模1设置计算类型由问题分析可
3、知本问题属于平面静应力问题，所以选择preferences为structure。2单元类型选定由问题分析可知，本例需要使用梁单元beam189，壳单元shell63。所以在element type中添加这两科单元。3材料参数支架的材料钢，则其材料参数：弹性模量E=2.1e11，泊松比为=0.3，在软件中定义为材料1。桌面的材料为胶合木板，则取弹性模量1.11011Pa，泊松比为=0.45，在软件中定义为材料2。4定义实常数和sections在real constants中定义shell单元的厚度为0.03mm。在sections中的beamcommon sections设置梁单元的截面形状和尺
4、寸，如图3-1所示。图3-1 梁单元截面形状尺寸，单位：m5几何建模按照前述所的尺寸利用ansys的modeling依次建立keypoint：1(-0.1,0,0),2(0,0,0),3(1,0,0),4(0,0.5,0),5(0,0.6,0)，6(-0.2,0.6,0)，7(-0.3,0.6,0）, 8(-0.1,0,-1),9(0,0,-1),10(1，0,-1),11(0,0.5,-1),12(0,0.6,-1)，13(-0.2,0.6,-1)，14(-0.3,0.6,-1），create LINES依次连接各个keypoint即可创建所有直线。create AREAS创建两个面（划分为
5、两个面是为了在一个面加均匀载荷pressure=2500N/0.1）。6网格划分首先使用mesh attribute选择作为支架的line，设置其为材质钢NO2，单元beam189，截面形状NO1。其次选择两个area，设置其材质为木板NO2,单元shell63，实常数No1。划分网格时，先拾取beam各条边进行Size Control，和地面连接的四条边设定NDIV为5；垂直的两条长边NDIV为15，两条短边为10，支撑桌面的两条边NDIV为10，加强筋的两条边NDIV为15，三条最长的1m边NDIV为20。再选mesh tool的type为line，则即可将上述的边line划分为单元。再次
6、点击mesh tool选择两个平面，选择quad和mapped即可完成网格划分。下图3-2所示为划分网格后的情况。图3-2 课桌有限元网格模型6定义约束和载荷约束定义在连接地面的两个脚的部位，选择两个脚的四个node，约束其所有的自由度，相当于在实际中用四个螺栓将课桌固定在地面上。校核要求为给课桌施加2500N的力，分析校核支架和桌面的变形和应力。再本例中，将其均匀作用在课桌外侧的一个矩形区域内，矩形面积为10.1=0.1m，所以应该施加在外侧area的pressure应为25000pa。四计算求解在划分网格施加载荷和约束后，点击solution的solve即可进行计算求解，结果分析时主要关注
7、最大位移、最大应力及其位置，应力分析采用等效应力von mises stress。1.有斜撑的情况下分析图4-1 受载变形图图4-2 受载变形云图，最大位移0.032m图4-3 受载等效应力分布云图，最大应力为9.4Mpa图4-4 最大应力位于斜撑支点部位2.无斜撑的情况图4-5 受载变形图图4-6 受载变形云图，最大位移0.036m图4-7 受载等效应力分布云图，最大应力为28Mpa图4-4 最大应力位于支架直角处3.将以上两组分析结果整理成数据表有无斜撑单元数节点数最大位移(m)最大应力MPa有斜撑4405730.0329.8无斜撑4205350.03628三 结果分析由以上各图和数据表可
8、知，（1） 在分析中施加的载荷为250kg，相当于四五个人同时坐在一米长的课桌上，在课桌日常使用中处于极限载荷状况。在载荷作用下，支架和木板主要受到弯曲拉伸，所以需要校校核其抗拉强度。普通钢材的抗拉强度为200Mpa以上，取钢材的抗拉强度为200Mpa；查阅资料得知，15mm厚胶合木材顺纹抗拉强度为30MPa，本例的木板选用为30mm，所以取抗拉强度为50Mpa。由分析结果可知，在有斜撑的情况下课桌的最大应力远小于钢材和木板的抗拉强度，结构合理；在无斜撑的情况下，最大应力与木材的抗拉强度相比较为接近，所以此结构不可取。（2） 最大应力主要分布在拐角的地方，所以在进行结构设计时在容易产生应力集中
9、的尖锐部位使用适当的圆角过渡能减小最大应力。（3） 由两组不同结构分析的的结果可知，在合适的地方添加支撑梁能有效减小应力和变形，提高结构的稳定性。四 结论和体会1. 学会将实际的零件或装配图简化成为杆梁板壳等简单单元进行分析，而不用建立复杂的三维模型。2. 学会将一个模型中不同材料不同单元类型的部分连接起来，能相互传递位移和力，在本例中就使两种材料的梁和壳单元相互连接传递力，实现方法只需在划分网格时使两者的公共部分划分的节点重合即可，ansys在进行求解分析时自动将两者连接在一起分析。3. 在进行零件或装配体结构设计时，可以利用ansys等有限元分析软件对零件进行分析优化，往往能使设计的零件结
10、构轻量化且能有更好的使用性能。4. 在本课程中仅仅使用ansys进行了简单的静力学结构分析，而ansys对其他很多领域的问题均有强大的分析设计能力，因此，理解有限元的基本思想，熟练掌握一个有限元分析软件，对于今后的工作学习将有重大的帮助。五 附录（操作步骤）1 进入ANSYS2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences select Structural OK3选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add1 select beam189apply Add2 select she
11、ll63OK (back to Element Types window) optionK3 select plane strainOKClose (the Element Type window)4定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Modelsfilenew m
12、odelStructural Linear Elastic Isotropic input EX:1.1e10, PRXY:0.45 OK5.设置实常数和sectionsNSYS Main Menu: Preprocessor Real ConstantsAdd/Edit/Deletaddchoose shell63 okinput TK = 0.03OKNSYS Main Menu: Preprocessor sectionsbeamcommon sectionsaddchoose beam189choose sub type 中空矩形input 如图3-1所示参数OK6.建立几何模型生成k
13、eypointANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入点的坐标：input: 1(-0.1,0,0),2(0,0,0),3(1,0,0),4(0,0.5,0),5(0,0.6,0),6(-0.2,0.6,0),7(-0.3,0.6,0), 8(-0.1,0,-1),9(0,0,-1),10(1,0,-1),11(0,0.5,-1),12(0,0.6,-1)，13(-0.2,0.6,-1),14(-0.3,0.6,-1),OK生成直线straight lineANSYS Main Menu:
14、 Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines 依次连接各点即可生成areaANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Areas by lines依次连接组成桌面的线，建立两个平面OK7.网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked lines OKMAT1,TYPE1 beam63, section1 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh At
15、tributes Picked areas OKMAT2,TYPE2 shell63, constant1 OKANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines: Set 依次拾取6条最短水平边:OKinput NDIV: 5 apply依次拾垂直的长边:OKinput NDIV: 15 apply依次拾取三条水平的长边:OKinput NDIV: 20apply依次拾取剩下的边:OKinput NDIV: 10 OK (back to the mesh tool window) Mesh type: line，选择组成支架的line划分为梁单元Mesh OK (back to the mesh tool window)
