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1、计算机辅助机械设计实验指导书目 录实验一 桁架的结构有限元静力分析19实验二 三维实体结构的有限元静力分析31实验三 桁架的结构有限元静力分析一、实验目的1掌握有限元分析的基本原理和有限元分析软件的操作及应用。2. 掌握用GUI和命令流方法建立桁架结构的有限元模型，通过静力分析确定结构的应力及变形分布。二、实验设备和工具计算机、ANSYS软件三、实验内容1用GUI和命令流的方法建立桁架结构模型；2单元类型、材料属性的确定；载荷和约束的施加；分析结果的后处理等。四、.实验步骤问题描述一个有三根杆组成的珩架承受纵向和横向载荷。珩架的重量在最大应力不超过400psi最小化。（因此重量为目标函数。）三
2、根梁的横截面面积和基本尺寸在指定范围内变化。结构的重量初始设计为109.10磅。缺省允差（由程序计算）为初始重量的1%（11磅）。但是，为了便于收敛，一阶方法的优化分析中将目标函数的允差定为2.0。问题参数分析中使用如下材料特性： E=2.1E6psi RHO=2.85E-4lb/in3 (比重) 最大许用应力=400psi分析中使用如下几何特性： 横截面面积变化范围=1到1000in2 (初始值为1000) 基本尺寸B变化范围=400到1000in （初始值为1000）问题简图第一步：指定文件名1 选择Utility MenuFileChange Jobname，打开文件名对话框。2 输入“
3、truss”为工作文件名。3 单击OK关闭对话框。第二步：指定分析题目1 选择Utility MenuFileChange Title，打开更改分析题目对话框。2 输入“Optimization of a Three-Bar Truss”作为分析题目。3 单击OK关闭对话框。第三步：定义参数初始值1 选择Utility MenuParametersScalar Parameters，打开数值参数对话框。在选择区域中输入下列内容：B=1000 按ENTER键A1=1000 按ENTER键A2=1000 按ENTER键A3=1000 单击OK。参数将在菜单中显示出来。2 在数值参数对话框中单击OK
4、。第四步：定义单元类型1 选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，打开单元类型对话框。2 在单元类型库对话框中单击Add。3 在左边列中单击Structural Link。4 在右边列中单击2D Spar 1。5 在单元参考号区域键入1。6 在单元类型库对话框中单击OK。7 在单元类型对话框中单击Close。第五步：定义实参1 选择Main MenuPreprocessorReal Constants，打开实参对话框。2 单击Add，打开实参对话框中单元类型。3 单击OK，打开LINK1实参对话框。4 在实参序列号区域中键入1。5
5、在横截面区域中键入A1。6 单击Apply。这将确认LINK1的实参并将1000输入实参1的横截面区域。7 在实参序列号区域键入2。8 在横截面面积区域键入A2。9 单击Apply。这将确认LINK1的实参并将1000输入实参1的横截面区域。10在实参序列号区域键入3。11在横截面面积区域键入A3。12在LINK1实参对话框中单击OK。13在实参对话框中单击 Close。第六步：定义材料特性1 选择Main MenuPreprocessorMaterial Props-Constant-Isotropic，打开各项同性材料特性对话框。2 在材料号区域中输入1。3 单击OK打开第二个各项同性材料
6、特性对话框。4 在杨氏模量对话框输入2.1E6。5 单击OK并关闭对话框。第七步：生成结点1 选择Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateNodesIn Active CS，打开在活动坐标系中生成结点对话框。2 在结点号区域中输入1。3 在活动坐标域，第一个域中输入-B，第二个域中输入0，第三个输入0。4 单击Apply。结点1将出现在ANSYS图形窗口。5 在结点号码域中输入2。6 在活动坐标域，第一个域中输入0，第二个域中输入0，第三个输入0。7 单击Apply。结点2将出现在ANSYS图形窗口。8 在结点号码域中输入3。9 在活动坐标域，第一个域中输入B
7、，第二个域中输入0，第三个输入0。10单击Apply。结点2将出现在ANSYS图形窗口。11在结点号码域中输入3。12在活动坐标域，第一个域中输入0，第二个域中输入-1000，第三个输入0。13单击OK关闭在活动坐标系生成结点对话框。结点4将出现在ANSYS图形窗口中。所有4个结点都出现在ANSYS图形窗口中。14打开结点号码。选择菜单Utility MenuPlotCtrlsWindow ControlsWindow Options打开窗口选项对话框。15在结点号码框上单击OFF（将切换为ON）。16单击OK关闭对话框。17选择菜单Utility MenuPlotCtrlsWindow Co
8、ntrolsWindows Options打开窗口对话框。18在坐标位置出选取不显示选项。19单击OK关闭对话框。第八步：生成单元1 选择菜单Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElements-Auto Numbered-Thru Nodes打开结点对话框的单元项。2 在图形窗口，拾取结点1和4（按照该顺序）。在选择的结点周围将出现一个小框。3 在该对话框单击OK关闭对话框。ANSYS图形窗口中1和4结点之间将出现一个线单元1。4 选择菜单Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElementsElem Attribut
9、es打开单元特性对话框。5 在实参序列号中输入2。6 在单元特性对话框中单击OK。7 选择菜单Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElements-Auto Numbered-Thru Nodes打开结点对话框的单元项。8 在图形窗口，拾取结点2和4（按照该顺序）。9 在该对话框单击OK关闭对话框。ANSYS图形窗口中3和4结点之间将出现一个线单元2。10选择菜单Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElementsElem Attributes打开单元特性对话框。11在实参序列号中输入2。12在单元特性对话框中单击OK
10、。13选择菜单Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElements-Auto Numbered-Thru Nodes打开结点对话框的单元项。14在图形窗口，拾取结点2和4（按照该顺序）。15在该对话框单击OK关闭对话框。ANSYS图形窗口中3和4结点之间将出现一个线单元3。第九步：施加位移约束和载荷1 选择菜单Main MenuSolution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOn Nodes 打开Apply U，ROT on Nodes的对话框。2 在ANSYS图形窗口，拾取结点1，2和3。3 单击OK关闭对话框并打
11、开第二个Apply U，ROT on Nodes的对话框。4 在要约束的自由度菜单上单击ALL DOF选项。5 单击OK关闭对话框。6 选择菜单Main MenuSolution-Loads-Apply-Structural-Force/MomentOn Nodes打开Apply F/M on Nodes对话框。7 在ANSYS图形窗口，拾取结点4。8 在对话框中单击OK关闭并打开第二个Apply F/M on Nodes对话框。9 将Force/Mom方向设为FX。10在Force/Moment Value域输入200000。11单击OK关闭对话框。在结点4上将出现一个横向箭头表示施加的载荷
12、。12选择菜单Main MenuSolution-Loads-Apply-Strutural-Force/MomentOn Nodes打开Apply F/M on Nodes对话框。13在ANSYS图形窗口，单击结点4。14在对话框中单击OK关闭并打开第二个Apply F/M on Nodes对话框。15将Force/Mom方向设为FX。16在Force/Moment Value域输入-200000。17单击OK关闭对话框。在结点4上将出现一个垂直箭头表示施加的载荷。第十步：求解模型1 选择菜单Main MenuSolution-Solve-Current LS打开Solve Current
13、Load Step对话框。求解目标和载荷步选项在出现在状态窗口。2 查看状态窗口中的目标信息并在菜单条上单击Close关闭。3 在该对话框中单击OK。4 求解完毕后，将出现信息框告诉用户求解完毕。单击Close关闭对话框。第十一步： 进入后处理器并读出单元总体积1 选择菜单Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table 打开Element Table Data 对话框。2 单击Add定义单元表格并打开Define Additional Elementary Table Items 对话框。3 在User Label域中输入EVOL。4 在I
14、tem,Comp Results Data Item菜单的左列单击Geometry，在右列单击Elem Volume VOLU。5 单击OK关闭对话框。6 在Element Table Data对话框中单击Close。7 选择菜单Main MenuGeneral PostprocElement TableSum of Each Item打开Tabular Sum of Each Element Table Item对话框。8 单击OK计算总和。SSUM命令窗口将显示总和为0.382842E+07。9 单击菜单条上的Close关闭SSUM命令窗口。10选择菜单Utility MenuParame
15、tersGet Scalar Data打开Get Scalar Data对话框。11在Type of Data to be Retrieved 菜单左列单击Results Data，在右列单击Elem Table Sums。12单击OK关闭对话框并打开Get Element Table Sum Results 对话框。13在Name of Parameter to be Defined域输入VTOT。14单击OK关闭对话框。15选择菜单Utility MenuParametersScalar Parameters 打开Scalar Parameters对话框。16在Selection域输入RH
16、O=2.85E-4并按ENTER键。本信息应显示在菜单上。17在Selection域输入WT=RHO*VTOT并按ENTER键。总的体积将计算并显示在菜单中。重量应为1091.10173。18单击Close关闭对话框。第十二步：读出轴向应力1 选择菜单Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table打开Element Table Data对话框。2 单击Add打开Define Additional Element Table Items对话框。3 在User Lable for Item域键入SIG。4 在Item,Comp Results
17、Data Item菜单左列单击By Sequence Num，在右列单击LS。5 在Selection域，在“LS”后键入1（表示序列号为1）。6 单击OK关闭对话框。7 在Element Table Data对话框中单击Close。8 选择菜单Utility MenuParametersGet Scalar Data打开Get Scalar Data对话框。9 在the Type of Data to be Retrieved菜单，在左列单击Results Data，在右列单击Elem Table Data。10单击OK关闭对话框并打开Get Element Table Data对话框。11
18、在Name of Parameter to be Defined 域输入SIG1。12在Element Number N域输入1。13将Elem Table Data to be Retrieved 域设为SIG。14单击Apply关闭对话框并打开Get Scalar Data 对话框。15在Type of Data to be Retrieved菜单，在左列单击Results Data，在右列单击Elem Table Data。16单击OK打开Get Element Table Data 对话框。17在Name of Parameter to be Defined 域输入SIG2。18在El
19、ement Number N域输入2。19将Elem Table Data to be Retrieved 域设为SIG。20单击Apply关闭对话框并打开Get Scalar Data 对话框。21在Type of Data to be Retrieved菜单，在左列单击Results Data，在右列单击Elem Table Data。22单击OK打开Get Element Table Data 对话框。23在Name of Parameter to be Defined 域输入SIG3。24在Element Number N域输入3。25将Elem Table Data to be Re
20、trieved 域设为SIG。26单击OK关闭对话框。27计算轴向应力的绝对值。选择菜单Utility MenuParametersScalar Parameters打开Scalar Parameters对话框。在Selection域输入以下信息：SIG1=ABS(SIG1) 输入ENTERSIG2=ABS(SIG2) 输入ENTERSIG3=ABS(SIG3) 单击OK28单击Close关闭对话框。第十三步：显示当前设计1 选择菜单Utility MenuPlotCtrlsStyleSize and Shape打开the Size and Shape对话框。2 在Display of ele
21、ment shapes based on real constant description表示的行中单击OFF将其切换为ON。3 在Real constant Multiplier 域中输入2。4 单击OK关闭对话框。5 选择菜单Utility MenuPlotCtrlsPan,Zoom,Rotate打开Pan,Zoom,Rotate对话框。6 单击ISO显示3杆珩架的轴测图。7 单击Close关闭对话框。8 选择菜单Utility MenuPlotElements画出珩架。第十四步：生成优化分析文件1 选择菜单Utility MenuFileWrite DB Log File打开Write
22、 Database Log对话框。2 在Write Database Log To域中添加“truss.lgw”到路径名中。3 单击OK关闭对话框。第十五步：进入优化处理器并指定分析文件1 选择菜单Main MenuDesign Opt-Analysis File-Assign打开Assign Analysis File对话框。2 在Selection域添加“truss.lgw”到路径名（或在文件列表中拾取truss.lgw）。3 单击OK关闭对话框。第十六步：定义优化设计变量1 选择菜单Main MenuDesign OptDesign Variables打开Design Variables
23、对话框。2 单击Add打开Define a Design Variable对话框。3 在Parameter Name菜单单击B；B将出现在Selection域。4 在Minimum Value域中输入400。5 在Maximum Value域中输入2000。6 单击Apply确认设计变量。7 在Parameter Name菜单单击A1；A1将出现在Selection域。8 在Minimum Value域中输入1。9 在Maximum Value域中输入1000。10单击Apply确认设计变量。11在Parameter Name菜单单击A2。12在Minimum Value域中输入1。13在Ma
24、ximum Value域中输入1000。14单击Apply确认设计变量。15在Parameter Name菜单单击A3。16在Minimum Value域中输入1。17在Maximum Value域中输入1000。18单击OK关闭对话框。19单击Close关闭Design Variables对话框。第十七步：定义优化状态变量1 选择菜单Main MenuDesign OptState Variables打开State Variables对话框。2 单击Add打开Define a State Variable 对话框。3 在Parameters Name域选择SIG1；SIG1将出现在Selec
25、tion 域。4 在Upper Limit 域输入400。5 单击Apply确认状态变量。6 在Parameters Name域选择SIG2；SIG2将出现在Selection 域。7 在Upper Limit 域输入400。8 单击Apply确认状态变量。9 在Parameters Name域选择SIG3；SIG3将出现在Selection 域。10在Upper Limit 域输入400。11单击OK关闭对话框。12单击Close关闭State Variable对话框。第十八步：存储优化数据库1 选择菜单Main MenuDesign Opt-Opt Database-Save打开Save
26、Optimization Data 对话框。2 在Selection域添加“trussvar.opt”到路径名。3 单击OK关闭对话框。第十九步：设置重量为目标函数1 选择菜单Main MenuDesign OptObjective 打开Define Objective Function对话框。2 在Parameter Name菜单单击WT；WT将出现在Selection域。3 在Convergence Tolerance域输入2。4 单击OK关闭对话框。第二十步：指定一阶优化方法1 选择菜单Main MenuDesign OptMethod/Tool打开Specify Optimizatio
27、n Method对话框。2 在Select Method/Tool列表中单击First-Order radio按纽。3 单击OK打开Controls for First-Order Optimization对话框。4 在maximum Iterations域中输入45。5 单击OK关闭对话框。第二十一步：运行优化1 选择菜单Main MenuDesign OptRun打开Begin Execution of Run 对话框。2 查看分析信息，单击OK开始优化运算。求解过程要持续一些时间。在优化循环结束后，最佳设计序列号为16，重量为301.23。第二十二步：列出最佳设计序列和所有设计序列1 选
28、择菜单Main MenuDesign Opt-Design Sets-List打开List Design Set对话框。2 在列表选项中拾取BEST序列。3 拾取OK打开OPLIST命令窗口。最佳序列为16。4 在查看优化参数值后，在菜单条上单击Close。5 选择菜单Main MenuDesign Opt-Design Sets-List打开List Design Sets 对话框。6 在列表选项中拾取ALL序列。7 单击OK打开OPLIST命令窗口。8 查看完所有设计序列后，单击菜单条上的Close。第二十三步：将重量和基本尺寸作为迭代次数的函数显示1 选择菜单Utility MenuPl
29、otCtrlsPan,Zoom,Rotate 打开Pan-Zoom-Rotate对话框。2 单击Front选择X-Y平面视角。3 单击Close关闭对话框。4 选择Utility MenuPlotCtrlsStyleGraphs打开Graph Controls对话框。5 在X-Axis标记域输入ITERATION NUMBER。6 在Y-Axis标记域输入STRUCTURE WEIGHT。7 单击OK关闭对话框。8 选择菜单Main MenuDesign OptGraphs/Tables打开Graph/List Tables of Design Set Parameters对话框。9 在Y-V
30、ariable Params菜单单击WT。10单击OK关闭对话框。在ANSYS图形窗口将显示重量和迭代的图形。11选择Utility MenuPlotCtrlsStyleGraphs打开Graph Controls对话框。12在Y-Axis 标记域输入BASE DIMENSION。13单击OK关闭对话框。14选择菜单Main MenuDesign OptGraphs/Tables打开Graph/List Tables of Design Set Parameters 对话框。15在Y-Variable Params菜单单击WT不选它，然后单击B。16单击OK关闭对话框。在ANSYS图形窗口将显
31、示Base Dimension和Iteration图形。第二十四步：将最大应力和截面尺寸作为迭代数的函数显示1 选择菜单Utility MenuPlotCtrlsStyleGraphs打开Graph Controls对话框。2 在Y-Axis 标记域输入MAXIMUM STRESS。3 单击OK关闭对话框。4 选择菜单Main MenuDesign OptGraphs/Tables打开Graph/List Tables of Design Set Parameters对话框。5 在Y-Variable Params菜单单击B不选它，然后单击SIG1，SIG2，SIG3。6 单击OK关闭对话框。
32、在ANSYS图形窗口将显示应力和迭代数的图形。7 选择菜单Utility MenuPlotCtrlsStyleGraphs打开Graph Controls对话框。8 在Y-Axis 标记域输入CROSS-SECTIONAL AREA。9 单击OK关闭对话框。10选择菜单Main MenuDesign OptGraphs/Tables打开Graph/List Tables of Design Set Parameters对话框。11在Y-Variable Params菜单单击 SIG1，SIG2，SIG3不选它，然后单击A1，A2，A3。12单击OK关闭对话框。在ANSYS图形窗口将显示截面面积
33、和迭代数的图形。第二十五步：退出ANSYS1 在ANSYS工具栏单击Quit。2 选择一个选项存盘，然后单击OK。实验二 三维实体结构的有限元静力分析一、实验目的利用有限元分析软件建立三维实体的有限元模型，要求熟练掌握实体模型建立，前、后处理，单元类型选择，材料属性确定等。二、实验设备和工具计算机、ANSYS软件三、实验内容1在有限元软件中自底向上、自顶向下建立实体模型；将CAD软件中建立的实体模型导入有限元软件；2单元类型、材料属性的确定；网格划分、载荷和约束的施加；分析结果的后处理等。四、实验步骤轴承系统 (分解图)具体步骤：首先进入前处理(/PREP7)1. 创建基座模型 生成长方体Ma
34、in Menu：PreprocessorCreateBlockBy Dimensions输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3平移并旋转工作平面Utility MenuWorkPlaneOffset WP by IncrementsX,Y,Z Offsets 输入2.25,1.25,.75 点击ApplyXY，YZ，ZX Angles输入0，90点击OK。创建圆柱体Main Menu：PreprocessorCreateCylinder Solid CylinderRadius输入0.75/2, Depth输入1.5,点击OK。 拷贝生成另一个圆柱体Main Menu：
35、PreprocessorCopyVolume拾取圆柱体,点击Apply, DZ输入1.5然后点击OK从长方体中减去两个圆柱体Main Menu：PreprocessorOperateSubtract Volumes首先拾取被减的长方体，点击Apply,然后拾取减去的两个圆柱体，点击OK。使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致Utility MenuWorkPlaneAlign WP with Global Cartesian2. 创建支撑部分Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle on)Main Menu: Preprocess
36、or - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z在创建实体块的参数表中输入下列数值:WP X = 0WP Y = 1Width = 1.5Height = 1.75Depth = 0.75OKToolbar: SAVE_DB3. 偏移工作平面到轴瓦支架的前表面Utility Menu: WorkPlane - Offset WP to - Keypoints + 1.在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点2. OKToolbar: SAVE_DB 4创建轴瓦支架的上部Main Menu: Preprocessor - Modeli
37、ng-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder +1).在创建圆柱的参数表中输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Rad-1 = 0Theta-1 = 0Rad-2 = 1.5Theta-2 = 90Depth = -0.752).OKToolbar: SAVE_DB 5. 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder +1.)输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Radius
38、 = 1Depth = -0.18752.)拾取 Apply3.)输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Radius = 0.85Depth = -24.) 拾取 OK6从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes +1.拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布尔“减”操作的母体。单击Apply2.拾取大圆柱作为“减”去的对象。单击Apply3.拾取步1中的两个体，单击Apply4.拾取小圆柱体，单击OKToolbar: SAVE_DB合并重合的关键点：Main Menu Pre
39、processor Numbering Ctrls Merge Items 将Label 设置为 “Keypoints”, 单击 OK7. 创建一个关键点在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点:Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Keypoints KP between KPs +拾取如图的两个关键点,单击OKRATI = 0.5,单击OK 8. 创建一个三角面并形成三棱柱Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Areas- Arbitrary Through KPs +1.拾取轴承孔座与整个基座的交
40、点。2.拾取轴承孔上下两个体的交点3.拾取基座上上步建立的关键点，单击OK完成了三角形侧面的建模。4 沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate Extrude -Areas- Along Normal +拾取三角面, 单击 OK5.输入DIST = -0.15，厚度的方向是向轴承孔中心, 单击 OKToolbar: SAVE_DB9. 关闭 working plane display.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off)10沿坐标平面
41、镜射生成整个模型.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Reflect - Volumes +1.拾取All2.拾取 “Y-Z plane，单击OKToolbar: SAVE_DB11. 粘接所有体.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Volumes +拾取 AllToolbar: SAVE_DB恭喜! 你已经到达第一块里程碑 - 几何建模. 下一步是网格划分.12 定义单元类型1为10-节点四面体实体结构单元 (SOLID92)Main Menu: Preprocessor
42、- Element Type - Add/Edit/Delete .1.Add2.选择 Structural-Solid, 并下拉菜单选择 “Tet 10Node 92”单击OK3.Close 13 定义材料特性.Main Menu: Preprocessor - Material Props - Constant-Isotropic.1.OK (将材料号设定为 1)2.在 “Youngs Modulus EX” 下输入：30e6单击OK。Toolbar: SAVE_DB14. 用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元.Main Menu: Preprocessor - MeshTool
43、.1将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on”2.将滑动码设置为 “8” (可选: 如果你的机器速度很快，可将其设置为“7”或更小值来获得更密的网格)3.确认 MeshTool的各项为: Volumes, Tet, Free4.MESH5.Pick All说明: 如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”。 划分网格时网格密度可由滑动码控制，滑动码的调节范围从0-10，当数值较大时网格稀疏，反之，网格加密。 6.关闭 MeshToolToolbar: SAVE_DB15. 约束四个安装孔Main Menu: Solution - Loads-Ap
44、ply - Structural-Displacement -Symmetry B.C.-On Areas +1.绘出 Areas (Utility Menu: Plot- Areas)2.拾取四个安装孔的8个柱面 （每个圆柱面包括两个面）说明：在拾取时，按住鼠标的左键便有实体增亮显示，拖动鼠标时显示的实体随之改变，此时松开左键即选中此实体。单击OK。16 整个基座的底部施加位移约束 (UY=0)Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement - on Lines +1.拾取基座底面的所有外边界线，picking menu 中的 “count” 应等于 6，单击OK。2. 选择 UY 作为约束自由度，单击OK17. 在轴承孔圆周上施加推力载荷Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1.拾取轴承孔上宽度
