基于ANSYS的有限元設(shè)計(jì)分析方法

摘 要：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生無法直觀地了解結(jié)構(gòu)在力載荷作用下的變化情況，將通用有限元分析軟件ANSYS與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，充分利用計(jì)算機(jī)仿真方法彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)上的不足，有助于學(xué)生對力學(xué)知識的理解。

關(guān)鍵詞：ANSYS；有限元分析；結(jié)構(gòu)分析

力學(xué)分析是機(jī)械、建筑等工科類學(xué)生的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，力學(xué)分析主要包括剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方向的研究[1]。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生對理論方面的理解比較困難，通過有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬仿真，可以直觀地了解結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變化情況。因此，可以借助CAE仿真軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，作為輔助教學(xué)手段，以薄板圓孔的應(yīng)力分析為例，為常規(guī)教學(xué)方式的進(jìn)提供依據(jù)。

1 薄板圓孔應(yīng)力分析的理論基礎(chǔ)

已知一個承受內(nèi)壓的薄板，在其中心位置有一個小圓孔，相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，根據(jù)對稱性，可取圓筒的四分之一并施加垂直于對稱面的約束進(jìn)行分析。材料的彈性模量E=2e11PaKN/m2，泊松比為0.3，拉伸載荷q=3000Pa，平板的厚度t=0.01mm。圓孔的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt沿半徑r方向的分布，根據(jù)材料力學(xué)的知識，σr和σt沿r方向分布的解析解為[4]，

圖1 薄板結(jié)構(gòu)受力圖

2 薄板圓孔的有限元分析

文章運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對薄板圓孔進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，劃分薄板圓孔的網(wǎng)格第一步工作。網(wǎng)格劃分采用邊線單元尺寸控制，桅桿約劃分為400個單元，其劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示[5-6]。

在靜力學(xué)分析過程中由于壓力施加在圓孔邊緣，分別對圓孔所在的兩邊施加x和y的位移約束，同時對圓孔邊緣施加3000Pa的壓強(qiáng)，如圖3所示，觀察桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況；然后通過ANSYS軟件計(jì)算整體變形情況。

四分之一薄板位移云圖、節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖和整體薄板位移云圖、節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可以看出薄板圓孔在3000Pa壓力作用下的位移變化和受力分布情況。最大應(yīng)力值為7104Pa，出現(xiàn)在45°方向，最大位移出現(xiàn)在圓孔900方向，位移值為0.014mm。圖6為Mises應(yīng)力等值線的結(jié)果顯示圖[7-8]。

（a） （b）

圖4 位移云圖的結(jié)果顯示

（a） （b）

圖5 節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖顯示

圖6 Mises應(yīng)力等值線的結(jié)果顯示

3 結(jié)束語

有限元軟件ANSYSY可以很好地用于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，有助于減輕學(xué)習(xí)難度、增強(qiáng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的感性認(rèn)識，幫助學(xué)生認(rèn)識和理解結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力、實(shí)際解決問題的能力和科研創(chuàng)造能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李麗君，沈玉鳳.ANSYS對于壓桿穩(wěn)定的輔助教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，7（1）：121～123.

[2]王德玲，沈疆海.ANSYS在結(jié)構(gòu)動力學(xué)的工程抗振教學(xué)中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（1）：39～41.

[3]Ismail Algelli Sassi Ehtiwesh，eljko urovi. Comparative Analysis of Different Control Strategies for Electro-hydraulic Servo Systems[J].World Academy of Science Engineering and Technology，2009（56）：906-909.

[4]王在偉，焦青.Solidworks與Ansys之間的數(shù)據(jù)交換方法研究[J].煤礦機(jī)械，2011，32（9）：248-250.

[5]薛大維，趙雨腸.客車車架有限元靜力學(xué)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38（7）：1075～1078.

[6]李小彭，趙志杰，聶慧凡.某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報，2011，32（7）：988-991.

[7]WANG Dazhi，DONG Guang，ZHANG Jinhuan.Car Side Structure Crashworthiness in Pole and Moving Deformable Barrier Side Impacts[J].TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY，2006，11（6）：725-730.

[8]王曉楠，邸洪雙，梁冰潔.輕量化設(shè)計(jì)的重型卡車車廂應(yīng)力有限元數(shù)值模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報，2010，31（1）：60-63.

作者簡介：沈潔（1986-），女，漢，江蘇，無錫市協(xié)新技工學(xué)校，職稱：初級，助理講師。endprint

摘 要：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生無法直觀地了解結(jié)構(gòu)在力載荷作用下的變化情況，將通用有限元分析軟件ANSYS與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，充分利用計(jì)算機(jī)仿真方法彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)上的不足，有助于學(xué)生對力學(xué)知識的理解。

關(guān)鍵詞：ANSYS；有限元分析；結(jié)構(gòu)分析

力學(xué)分析是機(jī)械、建筑等工科類學(xué)生的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，力學(xué)分析主要包括剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方向的研究[1]。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生對理論方面的理解比較困難，通過有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬仿真，可以直觀地了解結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變化情況。因此，可以借助CAE仿真軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，作為輔助教學(xué)手段，以薄板圓孔的應(yīng)力分析為例，為常規(guī)教學(xué)方式的進(jìn)提供依據(jù)。

1 薄板圓孔應(yīng)力分析的理論基礎(chǔ)

已知一個承受內(nèi)壓的薄板，在其中心位置有一個小圓孔，相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，根據(jù)對稱性，可取圓筒的四分之一并施加垂直于對稱面的約束進(jìn)行分析。材料的彈性模量E=2e11PaKN/m2，泊松比為0.3，拉伸載荷q=3000Pa，平板的厚度t=0.01mm。圓孔的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt沿半徑r方向的分布，根據(jù)材料力學(xué)的知識，σr和σt沿r方向分布的解析解為[4]，

圖1 薄板結(jié)構(gòu)受力圖

2 薄板圓孔的有限元分析

文章運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對薄板圓孔進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，劃分薄板圓孔的網(wǎng)格第一步工作。網(wǎng)格劃分采用邊線單元尺寸控制，桅桿約劃分為400個單元，其劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示[5-6]。

在靜力學(xué)分析過程中由于壓力施加在圓孔邊緣，分別對圓孔所在的兩邊施加x和y的位移約束，同時對圓孔邊緣施加3000Pa的壓強(qiáng)，如圖3所示，觀察桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況；然后通過ANSYS軟件計(jì)算整體變形情況。

四分之一薄板位移云圖、節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖和整體薄板位移云圖、節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可以看出薄板圓孔在3000Pa壓力作用下的位移變化和受力分布情況。最大應(yīng)力值為7104Pa，出現(xiàn)在45°方向，最大位移出現(xiàn)在圓孔900方向，位移值為0.014mm。圖6為Mises應(yīng)力等值線的結(jié)果顯示圖[7-8]。

（a） （b）

圖4 位移云圖的結(jié)果顯示

（a） （b）

圖5 節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖顯示

圖6 Mises應(yīng)力等值線的結(jié)果顯示

3 結(jié)束語

有限元軟件ANSYSY可以很好地用于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，有助于減輕學(xué)習(xí)難度、增強(qiáng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的感性認(rèn)識，幫助學(xué)生認(rèn)識和理解結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力、實(shí)際解決問題的能力和科研創(chuàng)造能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李麗君，沈玉鳳.ANSYS對于壓桿穩(wěn)定的輔助教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，7（1）：121～123.

[2]王德玲，沈疆海.ANSYS在結(jié)構(gòu)動力學(xué)的工程抗振教學(xué)中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（1）：39～41.

[3]Ismail Algelli Sassi Ehtiwesh，eljko urovi. Comparative Analysis of Different Control Strategies for Electro-hydraulic Servo Systems[J].World Academy of Science Engineering and Technology，2009（56）：906-909.

[4]王在偉，焦青.Solidworks與Ansys之間的數(shù)據(jù)交換方法研究[J].煤礦機(jī)械，2011，32（9）：248-250.

[5]薛大維，趙雨腸.客車車架有限元靜力學(xué)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38（7）：1075～1078.

[6]李小彭，趙志杰，聶慧凡.某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報，2011，32（7）：988-991.

[7]WANG Dazhi，DONG Guang，ZHANG Jinhuan.Car Side Structure Crashworthiness in Pole and Moving Deformable Barrier Side Impacts[J].TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY，2006，11（6）：725-730.

[8]王曉楠，邸洪雙，梁冰潔.輕量化設(shè)計(jì)的重型卡車車廂應(yīng)力有限元數(shù)值模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報，2010，31（1）：60-63.

作者簡介：沈潔（1986-），女，漢，江蘇，無錫市協(xié)新技工學(xué)校，職稱：初級，助理講師。endprint

摘 要：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生無法直觀地了解結(jié)構(gòu)在力載荷作用下的變化情況，將通用有限元分析軟件ANSYS與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，充分利用計(jì)算機(jī)仿真方法彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)上的不足，有助于學(xué)生對力學(xué)知識的理解。

關(guān)鍵詞：ANSYS；有限元分析；結(jié)構(gòu)分析

力學(xué)分析是機(jī)械、建筑等工科類學(xué)生的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，力學(xué)分析主要包括剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方向的研究[1]。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生對理論方面的理解比較困難，通過有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬仿真，可以直觀地了解結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變化情況。因此，可以借助CAE仿真軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，作為輔助教學(xué)手段，以薄板圓孔的應(yīng)力分析為例，為常規(guī)教學(xué)方式的進(jìn)提供依據(jù)。

1 薄板圓孔應(yīng)力分析的理論基礎(chǔ)

已知一個承受內(nèi)壓的薄板，在其中心位置有一個小圓孔，相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，根據(jù)對稱性，可取圓筒的四分之一并施加垂直于對稱面的約束進(jìn)行分析。材料的彈性模量E=2e11PaKN/m2，泊松比為0.3，拉伸載荷q=3000Pa，平板的厚度t=0.01mm。圓孔的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt沿半徑r方向的分布，根據(jù)材料力學(xué)的知識，σr和σt沿r方向分布的解析解為[4]，

圖1 薄板結(jié)構(gòu)受力圖

2 薄板圓孔的有限元分析

文章運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對薄板圓孔進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，劃分薄板圓孔的網(wǎng)格第一步工作。網(wǎng)格劃分采用邊線單元尺寸控制，桅桿約劃分為400個單元，其劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示[5-6]。

在靜力學(xué)分析過程中由于壓力施加在圓孔邊緣，分別對圓孔所在的兩邊施加x和y的位移約束，同時對圓孔邊緣施加3000Pa的壓強(qiáng)，如圖3所示，觀察桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況；然后通過ANSYS軟件計(jì)算整體變形情況。

四分之一薄板位移云圖、節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖和整體薄板位移云圖、節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可以看出薄板圓孔在3000Pa壓力作用下的位移變化和受力分布情況。最大應(yīng)力值為7104Pa，出現(xiàn)在45°方向，最大位移出現(xiàn)在圓孔900方向，位移值為0.014mm。圖6為Mises應(yīng)力等值線的結(jié)果顯示圖[7-8]。

（a） （b）

圖4 位移云圖的結(jié)果顯示

（a） （b）

圖5 節(jié)點(diǎn)的Von-Mise應(yīng)力云圖顯示

圖6 Mises應(yīng)力等值線的結(jié)果顯示

3 結(jié)束語

有限元軟件ANSYSY可以很好地用于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，有助于減輕學(xué)習(xí)難度、增強(qiáng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的感性認(rèn)識，幫助學(xué)生認(rèn)識和理解結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力、實(shí)際解決問題的能力和科研創(chuàng)造能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李麗君，沈玉鳳.ANSYS對于壓桿穩(wěn)定的輔助教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，7（1）：121～123.

[2]王德玲，沈疆海.ANSYS在結(jié)構(gòu)動力學(xué)的工程抗振教學(xué)中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（1）：39～41.

[3]Ismail Algelli Sassi Ehtiwesh，eljko urovi. Comparative Analysis of Different Control Strategies for Electro-hydraulic Servo Systems[J].World Academy of Science Engineering and Technology，2009（56）：906-909.

[4]王在偉，焦青.Solidworks與Ansys之間的數(shù)據(jù)交換方法研究[J].煤礦機(jī)械，2011，32（9）：248-250.

[5]薛大維，趙雨腸.客車車架有限元靜力學(xué)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38（7）：1075～1078.

[6]李小彭，趙志杰，聶慧凡.某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報，2011，32（7）：988-991.

[7]WANG Dazhi，DONG Guang，ZHANG Jinhuan.Car Side Structure Crashworthiness in Pole and Moving Deformable Barrier Side Impacts[J].TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY，2006，11（6）：725-730.

[8]王曉楠，邸洪雙，梁冰潔.輕量化設(shè)計(jì)的重型卡車車廂應(yīng)力有限元數(shù)值模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報，2010，31（1）：60-63.

作者簡介：沈潔（1986-），女，漢，江蘇，無錫市協(xié)新技工學(xué)校，職稱：初級，助理講師。endprint