材料成型CAE综合实验指导书.docx
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材料成型CAE综合实验指导书
武汉理工大学
“材料成型CAE综合实验”
上机实验指导书
使用班级:
成型0803-05
2011年12月
为杜绝抄袭,实验报告存在以下现象者,将被认定为抄袭:
(1)在实验一、三、五中,实验结果和分析讨论的内容完全相同者;
(2)在实验二、四、六中,自主设计的结构、承载、约束完全相同,且实验结果、分析讨论也雷同者。
抄袭者和被抄袭者,都须重做实验,并参加答辩。
否则,成绩为不及格。
实验报告按学校规定格式完成,尽量双面打印。
在实验二、四、六的报告中,应对自主设计方案进行说明;在每个实验的报告中,分析讨论应包括:
(1)学习用ANSYS软件对该问题进行数值模拟分析的具体收获和总体体会。
(2)对该模拟计算过程和计算结果的合理性等方面进行分析讨论。
目录
实验一:
桁架的结构分析…………………………………………………………….3
实验二:
自主设计构件的结构分析…………………………………………………4
实验三:
圆管的温度场和热应力分析……………………………………………….5
实验四:
自主设计构件的温度场和热应力分析…………………………………….7
实验五:
环形焊接接头冷却温度场和应力场分析……………………………….…7
实验六:
自主设计焊接接头的ANSYS命令流……………………………….…11
实验一:
桁架的结构分析
一)实验目的
掌握用ANSYS进行有限元结构分析的基本过程。
二)基本原理和方法
结构分析是有限元分析的基础内容,也是材料成型过程模拟的主要内容。
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
有限元刚度分析法的步骤:
1)建立几何模型;2)对几何模型进行离散化处理;3)将单元节点位移作为基本未知量;4)选择位移模式;5)确定单元应变与位移、应力与应变的关系;6)根据虚功原理建立单元中节点力与节点位移的关系;7)根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;8)将各单元的刚度方程叠加,组装成整体刚度方程;9)根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;10)求解整体刚度方程,得到节点位移;11)根据相应方程求解应力和应变;12)利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析。
从应用角度看(如用ANSYS分析软件),整个过程可分为:
●前处理:
步骤1)、2)
●加载求解:
步骤7)、9)、10)、11)
●后处理:
步骤12)
其余为软件自动进行。
三)实验内容
桁架结构如图所示,各节点等距离分布,1、2节点间距1m,集中力P=10KN,确定桁架各杆件内力。
本实验要求对分析结果进行讨论。
四)上机实验步骤(GUI法,参考)
建立文件:
UtilityMenu>File>ChangeDirectory>intoyours>OK
UtilityMenu>JFile>obname>truss>OK
定义单元类型:
Mainmenu>Preference>Strucrtural>OK
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add>Link2DSpar1>OK>Close
MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add>LINK1>OK>AREA:
0.1>OK>Close
定义材料属性:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Strucrural>Linear>Elastic>Isotropic>EX:
30E6,PRXY:
0.3>OK
生成节点:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes>InActiveCS>Node1:
0,0,0>Apply>Node2:
1,0,0>Apply同理:
Node3:
2,0,0>Node4:
3,0,0>Node5:
4,0,0>Node6:
3,1,0>Node7:
2,1,0>Node8:
1,1,0>OK
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering>NODENodeNumbersOn>OK
生成单元:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>ThruNodes>Pick1,2>Apply>Pick2,3>Apply>同理:
3,4>4,5>5,6>4,6>3,6>3,7>2,8>1,8>7,8>6,7>OK
施加位移约束和载荷:
MainMenu>Solution>DefinedLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes>Pick1,3>Lab2:
UY>Apply>Pick5>Lab2:
UX,UY>OK
MainMenu>Solution>DefinedLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes>Pick2,4,7>Lab:
FY,VALUE:
-10000>OK
求解:
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS>OK>Close
后处理:
绘制变形图:
MainMenu>GeneralPostprocessor>PlotResults>DeformedShape>DefShapeonly>OK
(对显示结果进行存储:
UtilityMenu>PlotCtrls>CaptureImage>File>Saveas)
显示节点位移:
MainMenu>GeneralPostprocessor>ListResults>NodalSolution>DOFSolution>DisplacementVectorsun>OK
显示节点受力:
MainMenu>GeneralPostprocessor>ListResults>NodalLoads>AllstruforcF>OK
(或根据讨论的需要进行显示)
实验二:
自主设计构件的结构分析
一)实验目的
通过自主设计的构件,熟悉用ANSYS进行有限元结构分析的过程。
二)基本原理和方法
同实验一
三)实验内容
1)参照实验一,自主设计一个构件的结构及其受力和约束状况。
2)用ANSYS进行有限元结构分析。
3)对分析结果进行讨论。
实验三:
圆管的温度场和热应力分析
一)实验目的
掌握用ANSYS进行温度场分析和热应力分析的基本过程。
二)基本原理和方法
温度场分析和热应力分析是材料成型过程分析的重要内容,对材料成型CAE起着至关重要的作用。
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
用ANSYS软件进行有限元分析,整个过程可分为:
●前处理:
建立几何模型;对几何模型进行离散化处理等。
●加载求解:
根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;求解整体刚度方程,得到节点位移;根据相应方程求解应力和应变等。
●后处理:
利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析等。
本实验主要进行热分析和热力耦合分析,将温度场作为载荷施加给所分析的构件。
三)实验内容
有一截面为圆环形的输暖管道,内外半径分别为200mm、800mm,管道内水的温度为80℃,管道外表层温度为10℃,求管道内的应力分布。
(假设管道内充满水)
该问题为轴对称问题,沿管道横截面取宽为50mm的矩形截面(如图)为计算模型。
本实验要求对分析结果进行讨论。
四)上机实验步骤(GUI法,参考)
建立文件:
UtilityMenu>File>ChangeDirectory>intoyours>OK
UtilityMenu>File>Jobname>thermalstress>OK
建模:
Mainmenu>Preference>StrucrturalandThermal>OK
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add>ThermalSolid>Quad4node55>OKElementType>Options>K3:
Axisymmetric>OK
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>TemperatureUnit>Celsuis>OK
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal>Conductivity>Isotropic>KXX:
1.2>OK
MainMenu>Preprocessor>Modeling>CreateAreas>Rectangle>ByDimensions>X1,X2:
0.2,0.8.Y1,Y2:
0,0.05>OK
划分网格:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshingTool>SizeControls:
LinesSets>Pick1,3>OK>NDIV:
10>OKBackto“MeshToolWindows”>SizeControls:
LinesSets>Pick2,4>OK>NDIV:
2>OKBackto“MeshToolWindows”>Shape:
QuadFree>Mesh>Pickall>OK>Close“MeshToolWindows”
热分析:
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis>SteadyState>OK
UtilityMenu>Select>Entities>Lines,ByNum/Pick,FromFull>Apply>Pick4>OK
UtilityMenu>Select>Entities>Nodes,Attachedto,Lines,all>OK
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Temperature>OnNodes>Pickall>OK>Lab2:
TEMP,VALUE:
80>OK
UtilityMenu>Select>Entities>Lines,ByNum/Pick,FromFull>Apply>Pick2>OK
UtilityMenu>Select>Entities>Nodes,Attachedto,Lines,all>OK
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Temperature>OnNodes>Pickall>OK>Lab2:
TEMP,VALUE:
10>OK
UtilityMenu>Select>Everything
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFile>Basicquantities,Lastsubstep,ValueofN:
1>OK
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS>OK>Close
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu>NodalSolution>DOFSolution>NodalTemperature>DeformedShapeonly>OK(或根据讨论的需要进行显示,对显示结果进行存储:
UtilityMenu>PlotCtrls>CaptureImage>File>Saveas)
热应力耦合分析:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType>thermaltoStruc>OK
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delet>Add>Options>K3:
Axisymmetric>OK
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic>EX:
1.2E11,PRXY:
0.3Backto“DefineMareialModelBehavior”Windows:
Structural>ThermalExpansion>SecantCoefficient>Isotropic>ALPX:
1.3E-6>OK
UtilityMenu>Select>Entities>Lines,ByNum/Pick,FromFull>Apply>Pick3>OK
UtilityMenu>Select>Entities>Nodes,Attachedto,Lines,all>OK
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs>Pickall>OK>NSET:
7,LAB:
UY>OK
UtilityMenu>Select>Everything
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs>Pick1,14,24>OK>NSET:
8,LAB:
UX>OK
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs>Pick2,12,13>OK>NSET:
9,LAB:
UX>OK
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis>Static>OK
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes>Pick1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11>Lab2:
UY,VALUE:
0>OK
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperaure>FromThermalAnalysis>FnameNameofresultsfile:
thermalstress.rth>OK
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS>OK>Close
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu>NodalSolution>Stress>X-ComponentofStress>DeformedShapeonly>OK
(或根据讨论的需要进行显示,对显示结果进行存储:
UtilityMenu>PlotCtrls>CaptureImage>File>Saveas)
实验四:
自主设计构件的温度场和热应力分析
一)实验目的
通过自主设计的构件,熟悉用ANSYS进行有限元温度场和热应力分析的过程。
二)基本原理和方法
同实验三
三)实验内容
1)参照实验三,自主设计一个构件的结构及其受热和约束状况。
2)用ANSYS进行有限元温度场和热应力分析。
3)对分析结果进行讨论。
实验五:
环形焊接接头冷却温度场和应力场分析
一)实验目的
通过对焊接接头温度场和应力场的有限元模拟,学习用ANSYS对实际工程问题进行数值分析的过程。
二)基本原理和方法
对焊接接头应力及温度场分析是材料成型CAE中较为复杂的问题。
它涉及到热与结构耦合等问题。
有限元法是一种离散化的数值计算方法。
离散后的单元和单元之间只通过节点相联系,所有场变量(位移、应力、温度等)都通过节点进行计算。
对于每个单元,选取适当的插值函数,使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程都组装起来,就得到整个结构的方程组。
求解方程组,就可以得到方程的近似解。
用ANSYS软件进行有限元分析,整个过程可分为:
●前处理:
建立几何模型;对几何模型进行离散化处理等。
●加载求解:
根据作用力等效原则将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上;根据边界条件修改刚度方程,消除刚体位移;求解整体刚度方程,得到节点位移;根据相应方程求解应力和应变等。
●后处理:
利用计算机图形方式,将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析等。
三)实验内容
某一圆环由环形钢板和铁板焊接而成,焊接材料为铜,如图为其纵截面的1/2。
圆盘初始温度为800℃,将圆环放置于空气中进行冷却,周围空气为30℃,对流系数为120W/(m2℃)。
求5min后圆环内部的温度场和应力场分布。
(材料参数见表)
各种材料的属性见下表:
材料
温度℃
弹性模量GPa
屈服强度GPa
切变模量GPa
导热系数
W/(m℃)
线胀系数1/℃
比热容J/(kg℃)
密度kg/m3
泊松比
钢
30
206
1.40
20.6
49.8
1.10×10-5
465
7840
0.3
200
192
1.33
19.8
44.8
400
175
1.15
18.3
39.4
600
153
0.92
15.6
34.0
800
125
0.68
11.2
29.0
铜
30
103
0.9
10.3
399
1.66×10-5
386
8930
0.3
200
99
0.85
9.8
389
400
90
0.75
8.9
379
600
79
0.62
7.5
366
800
58
0.45
5.2
352
铁
30
118
1.04
11.8
80.5
1.18×10-5
455
7870
0.3
200
109
1.01
10.2
63.5
400
93
0.91
8.6
50.3
600
75
0.76
6.9
39.4
800
52
0.56
5.1
29.6
四)上机实验步骤(GUI法,参考)
建立文件:
UtilityMenu>File>ChangeDirectory>intoyours>OK
UtilityMenu>File>Jobname>weld>OK
定义单元类型:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add>Couplefield>VectorQuad13>OKElementType>Options>K1:
UXUYTEMPAZ,K3:
Axisymmetric>OK>Close
设置钢的弹性模量:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Strucrural>Linear>Elastic>Isotropic>单击4次AddTemperature>Temperature:
30,200,400,600,800,EX:
依次钢的弹性模量(单位Pa):
2.06e11,1.92e11,1.75e11,1.53e11,1.25e11,PRXY:
依次0.3>OK
设置钢的线膨胀系数:
In”DefineMaterialModelBehavior”Windows>Structural>ThermalExpansion>SecandCoefficient>Isotropic>ALPX:
1.10e-5>OK
设置钢的密度:
In”DefineMaterialModelBehavior”Windows>Structural>Density>DEN:
依次7840>OK
设置钢的双线性材料属性:
In”DefineMaterialModelBehavior”Windows>Structural>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>IsotropicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>Bilinear>单击4次AddTemperature>Temperature:
30,200,400,600,800,YieldStss:
依次钢的屈服强度(单位Pa),TangMod:
依次钢的切变模量(单位Pa)>OK
设置钢的热传导率:
In”DefineMaterialModelBehavior”Windows>Thermal>Conductivity>Isotropic>单击4次AddTemperature>Temperature:
30,200,400,600,800,KXX:
依次钢的导热系数>OK
设置钢的比热容:
In”DefineMaterialModelBehavior”Windows>Thermal>SpecificHeat>C:
465>OK
设置第2种和第3种材料的属性:
In”DefineMaterialModelBehavior”Windows>NewModel>DefinedMaterialID:
2>OK
按设置第1种材料(钢)属性的方法定义第2种材料(铜)的属性。
同理:
设置第3种材料(铁)的属性。
生成有限元模型:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS>输入关键点:
1(1,0,0);2(1.8,0,0);3(2.6,0,0);4(1,0.2,0);5(1.7,0.2,0);6(1.9,0.2,0);7(2.6,0.2,0),每次输入一组数据后必须单击Apply按钮确认。
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Area>Arbitrary>ThroughKPs>Pick1,2,5,4>Apply>2,3,7,6>OK
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create
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- 材料 成型 CAE 综合 实验 指导书