哈工大-有限元-實驗報告.doc

實驗報告姓 名： 學(xué) 號： 課程名稱： 機械結(jié)構(gòu)有限元分析 實驗名稱： 機械結(jié)構(gòu)有限元分析實驗 實驗序號： 實驗日期： 實驗室名稱： 同 組 人： 實驗成績： 總成績： 教師評語：教師簽字： 年 月 日一、 實驗?zāi)康募耙饬x有限元分析實驗是有限元分析教學(xué)的一個重要的實踐性環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜化和多樣化，對產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)的布局和力學(xué)性能提出了更高的要求，不僅要求產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)滿足力學(xué)性能，還要在設(shè)計時使它的結(jié)構(gòu)尺寸和重量趨于最優(yōu)，而常規(guī)的力學(xué)計算已無法滿足。有限元法經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已達到相當(dāng)成熟的境地，在工程實踐中的作用從分析與校核擴展到優(yōu)化設(shè)計并和計算機輔助設(shè)計、計算機輔助生產(chǎn)等技術(shù)相結(jié)合，是有效地求解各種工程實際問題的最好方法之一。機械結(jié)構(gòu)有限元分析是面向近機械類專業(yè)的一門課程。通過該課程及其實驗教學(xué)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代機械設(shè)計的基本原理和方法，具有一定的利用已有的有限元分析軟件對機械結(jié)構(gòu)進行靜、動態(tài)特性分析的能力。掌握機械結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性測試的原理、方法和相關(guān)的儀器、設(shè)備的操作，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際和動手操作的能力。二、 實驗方法和步驟1. 實驗內(nèi)容本上機實驗是利用ANSYS有限元分析軟件對3個不同截面形狀懸臂梁試件的靜、動態(tài)特性進行分析，分析采用SOLID92實體單元。試驗件的二維圖如圖2-1和圖2-2所示。圖2-1 三個不同截面試驗件圖2-1 試驗件安裝尺寸2.ANSYS軟件介紹ANSYS是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件，主要用于機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載后所出現(xiàn)的狀態(tài)，如位移、應(yīng)力和振動狀態(tài)等。ANSYS有限元分析軟件在機械、電機、土木、電子及航空等不同領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為設(shè)計人員不可缺少的工具之一。ANSYS的使用有兩個模式，一是交互模式（Interactive Mode），另一是非交互模式（Batch Mode），初學(xué)者及大部分使用者都采用交互模式。ANSYS軟件用戶界面如圖3-3所示。圖3-3 ANSYS軟件用戶界面ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN，Alogor，UG，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)中的高級計算機輔助工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。3.有限元模型的建立利用ANSYS有限元分析軟件的前處理功能建立圖3-1和圖3-2所示實驗件的有限元實體模型，定義材料屬性。具體步驟如下： （1）啟動ANSYS。以交互模式進入ANSYS，定義工作文件名；（2）創(chuàng)建基本模型；（3）存儲ANSYS數(shù)據(jù)庫；（4）設(shè)定分析模塊；（5）設(shè)定單元類型。對于任何分析，必須在單元庫中選擇一個或幾個適合分析的單元類型，單元類型決定了輔加的自由度，許多單元還要設(shè)置一些單元選項，諸如單元特性和假設(shè)。對于本問題，只需選擇SOLID92實體單元并默認單元選項即可；（6）定義材料屬性。材料屬性是與結(jié)構(gòu)無關(guān)的本構(gòu)屬性，例如揚氏模量、密度等，一個分析中可以定義多種材料，每種材料設(shè)定一個材料編號。對于本問題，只需定義一種材料；（7）保存ANSYS數(shù)據(jù)庫文件。4.對有限元模型的網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。本實驗中網(wǎng)格劃分主要包括以下四個步驟：（1）確定所要劃分網(wǎng)格的單元屬性。對于本問題，由于只有一種單元，已經(jīng)默認；（2）設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制。ANSYS網(wǎng)格劃分中有許多不同的單元尺寸控制方法，如智能網(wǎng)格劃分“Smart sizing”、總體尺寸單元、給定關(guān)鍵點附近的單元尺寸控制和網(wǎng)格細化等，本實驗采用“Smart sizing”；（3）網(wǎng)格劃分以前保存數(shù)據(jù)庫；（4）執(zhí)行網(wǎng)格劃分；5.結(jié)構(gòu)的靜力分析靜力分析是用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性，應(yīng)力剛化，大變形，大應(yīng)變，超彈性，接觸面和蠕變，本實驗是線性分析。靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷的情況?？墒?，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷分析前要對模型施加載荷，本試驗施加的載荷為集中載荷，大小、方向和位置與力學(xué)測試實驗相同。6.結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析模態(tài)分析是用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。通過計算得出實驗件的前兩階固有頻率和振型?？梢垣@得懸臂梁振型圖。7.結(jié)構(gòu)后處理計算完成后要對分析結(jié)果以圖片的方式存儲打印出來，附在實驗報告后面。ANSYS有兩個后處理器：通用后處理器和時間歷程后處理器。前者只能觀看整個模型在莫一時刻的結(jié)果，后者可觀看模型在不同時間的結(jié)果。對于靜力分析，后處理的步驟主要包括：（1）繪變形圖：繪出結(jié)構(gòu)在靜力作用下的變形結(jié)果；（2）動畫：以動畫方式模擬結(jié)構(gòu)在靜力作用下的變形過程；（3）支反力列表：在任一方向，支反力總和必等于再此方向的載荷總和；（4）繪應(yīng)力等值線：應(yīng)力等值線可清晰描述一種結(jié)果在整個模型中的變化，可以快速確定模型中的“危險區(qū)域”；（5）應(yīng)力等值線動畫。對于模態(tài)分析，得出各階國有頻率下幅值變化的動畫。三、 實驗結(jié)果1.模型圖2.網(wǎng)格圖3.應(yīng)力圖4.應(yīng)變圖5.一階模態(tài)圖6.二階模態(tài)圖7. 各階自振頻率列表表1 有限元分析獲得的各階自振頻率 階數(shù)12345固有頻率（Hz）156.108200.867測試報告按照實驗的主要內(nèi)容填寫，如下所示：固有頻率值：124.72 Hz表2 一階固有頻率下的相對振幅值節(jié)點123456789相對振幅值-19.197-4.978-3.900-1.752-5.015-5.873-2.743-1.814-1.814繪出振型草圖，如圖1所示：圖1 振型草圖 四、 理論計算與實驗結(jié)果分析有限元理論分析所得一