带孔薄板有限元分析

实验一ANSYS软件环境一、实验目的：熟悉ANSYS软件菜单、窗口等环境、软件分析功能及解题步骤。

二、实验设备：微机（P4配置），ANSYS软件（教学版）。

三、实验内容：ANSYS软件功能、菜单、窗口及解题步骤介绍。

四、实验步骤：1、ANSYS界面介绍：ANSYS软件功能非常强大，应用范围很广，并具有友好的图形用户界面（GUI）和优秀和程序架构。

基于Motif标注的GUI主要由主窗口和输出窗口组成。

随着版本的不断升级，ANSYS界面不断改进，不同版本间的界面存在着较大差别。

下面介绍ANSYS7.0的用户界面。

（1）主窗口ANSYS7.0的主窗口主要由以下5个部分组成。

①Utility菜单这些菜单主要通过ANSYS的相关功能组件起作用，比如文件控制、参数选择、图像参数控制及参数输入等。

②Input Line(Input Window命令输入窗口)命令输入窗口（也称为命令栏）用于显示程序的提示信息并允许用户直接输入命令，简化分析过程。

③工具栏（Toolbar）工具栏主要由按钮组成，这些按钮都是ANSYS中的常用命令。

用户可以根据工作类型定义自己的工具栏以提高分析效率。

④主菜单（Main Menu）主菜单包括了ANSYS最主要的功能，分为前处理器（Preprocessor）、求解器（Solution）、通用后处理器（General Postprocessor）、设计优化器（Design Optimizer）。

展开主菜单可以看到非常多的树状建模命令，这也是ANSYS7.0版本和以前版本的一个显著差别。

虽然菜单的外观改变了，但是菜单结构没有变化，这对ANSYS用户平滑升级非常有利。

⑤图形窗口（Graphic Windows）图形窗口用于显示分析过程的图形，实现图形的选取。

在这里可以看到实体建模各个过程的图形并可查看随后分析的结果。

（2）输出窗口（Output Windows）输出窗口用于显示程序的文本信息，即以简单表格形式显示过程数据等信息。

如图所示，一个长300 mm，宽80 mm，厚5 mm的平板，上边缘有一个半径为10 mm的半孔，板的两端受50N1、在DM模块建立如图所示的面向有限元分析的的实体模型；2、将实体模型导入DS模块中进行静力学求解，给出其总体的位移图、应力图、开孔截面上的正应力分布图等；将理论值与实际值相比较；3、，分析两个模型求解结果的不同，并将理论值与实际值相比较；4、要求熟悉仿真分析的基本步骤，学会结合力学知识对有限元计算结果进行分析。

解题步骤（模型1）：1、启动ANSYS Workbench；2、在Toolbox下打开Component Systems，拖动Geometry至到右侧空白区域内；3、双击A2项，打开Design Modern界面，选择Millimeter单位，单击OK按钮；图1 选择单位制4、在XY平面创建模型，尺寸如图2所示，拉伸厚度为5mm；图2 模型的基本尺寸5、如图3所示，选中板的一个端面，单击新建平面Plane4，在明细窗口中设置如图4所示，单击Generate即生成平板的中心面；图3 中心面图4 明细窗口6、如图5所示，冻结模型（tools>freeze），在中心面处生成切片（create>slice），基准面选择Plane4；图5 冻结模型7、用鼠标直接拖住toolbox中的static structural至A2栏中，如图6所示，双击B4栏；图6 打开static structural模块8、设置单位制，选择units>metric（mm，kg，N，s，mV，mA）；9、定义材料属性，点击左侧结构树中的geometry，在出现的2个solid中单击其中的一个，添加新材料：返回到project schematic窗口，再双击B2栏，如图7所示；图7 workbench材料库10、设置材料属性，相关设置如图8所示；图8 编辑材料属性11、返回到project，然后用鼠标左键选中B4栏并在右键弹出的快捷菜单中选中refresh；12、确定材料，点击左侧结构树中的geometry中的第一个solid，然后执行如图9所示步骤（material >assignment >steel）；图9 确定材料13、划分网格，在mesh的明细栏窗口中设定element size为5mm，单击Generate生成如图10所示的网格；图10 网格划分14、施加约束和载荷，单击static structural，选择长方体的左侧面，用鼠标右键选择insert>fixed support，选择长方体右侧面，用鼠标右键选择insert>force，大小设定为50N，方向如图11所示；图11 约束和载荷15、求解，单击solution，在弹出的工具条deformation下选择totall查看总变形，stress下选择equivalent stress查看Von Mises等效应力；选择normal查看该面的正应力，单击Generate。

基于solidworks 带孔平板的有限元分析1、题目要求计算分析如下模型：已知：cm50cm 5cm 100/7.23.0/2100001/100322距都为，内孔距左边距和下边，内孔模型长宽都为======R cm g cm N E cmt cm N p ρμ2、解题过程 解题思路对基础的平板进行分析 通过网格控制进行分析 对1/4平板进行分析对平板的应力奇异性进行思考讨论1）首先在solidworks 中对材质进行编辑2）、在solidwroks中的simlulation中新建算例‘plate-初次’3）、在夹具中选择固定几何体如下图所示：4）、在外部载荷中选取压力5）、生成网络6）运算求解结果如下对于上述模型局部进行优化新建算例‘plate-分割线’重复上述操作进行网格控制：对分割线的表面进行网格控制已达到较好的分析其中单元大小0.9mm比率取1.1控制结果为：再次进行运算求解：新建算例‘plate-分割线-四分之一’模型如下：重复上述操作：计算求解：应力奇异性的分析：这里选取进行网格控制的应力奇异性进行讨论：应力306.3746 308.2766 308.4553 308.7128 308.4333 309.483603 （N/cm^2）相对误差平0.2344%均值可以发现应力基本保持不变，不会随着网格控制的细化发生巨大变化，因此带孔平板不具有应力奇异性。

3、新的体会和学到的知识通过带孔平板的有限元分析，对于有限元分析的前期工作有了很深刻的了解，同时对于前期对称处理模型以便简化。

最主要的是了解到应力奇异性与应力集中式两个概念。

应力奇异性会随着网格的细化，应力发生急剧变化。

而应力集中则不然。

应力奇异一定应力集中，但是应力集中不一定应力奇异。

基于MARC的含圆孔正方形薄板四周受力性能的有限元分析学院：班级：学号：姓名：标题：针对含圆孔的正方形板四周受力性能的有限元分析摘要：采用通用的有限元程序MARC研究含圆孔的正方形板四周受力问题。

在工件工作时，小孔的边缘会产生应力集中的现象，极端情况下甚至会发生破坏，导致失效。

通过对该模型的分析，计算出其最大应力、最大位移及所发生的位置，得出其承载能力和变形特征，使该力学模型更好服务于建造等工程方面。

关键词:圆孔、正方形板、受均布力、最大应力、最大位移、位置、四分之一Title: hole for a square plate with four weeks of the force Finite Element AnalysisAbstract: In view of daily life, building structure, mechanical steel structure of the existence of multi-shaped plate with a circular hole is the mechanicalmodel, its bearing capacity and design studies and calculations of concern.In this paper, general finite element program MARC square hole of theplate four weeks with the force the issue. Through analysis of the model tocalculate the maximum stress, maximum displacement and the location ofoccurrence, reached its carrying capacity and deformation characteristics.So that the mechanical model to better serve the construction and otherprojects.Keywords: round hole, square plate, force, maximum stress, maximum displacement, position, deformation characteristics,horizontal direction, vertical direction,a quarter正文1.引言：鉴于日常生活中建筑结构，机械钢架等结构中多存在含圆孔的正形板的力学模型，其承载性能和设计方法的研究和计算值得关注。

薄板有限元分析-FEM 作业1.题目描述：对于一个平面应力问题，在一个长度为30cm，宽度为20cm，中间有一椭圆的小孔的薄板，椭圆长半轴a=1cm，短半轴b=1/3cm，椭圆倾斜角度相对坐标轴X轴60度，薄板在左右两侧均受到10KN/m的均布拉伸载荷。

2.几何建模：首先建立长度为30cm，宽度为20cm的矩形板，建模单位需要转换为m，操作路径：Main menu/PreFERENCES/Preprocessor/Modeling/Creat/Areas/Rectangle/By Dimensions，弹出如下窗口，并输入尺寸参数。

建立矩形面的效果图如下矩形板中间有椭圆开孔，需要建立局部坐标系，首先将工作平面移动至矩形板中间位置，操作如下：Workplane/Offset WP by Increments，X向移动0.15m，Y向移动0.1m。

因为椭圆倾斜角度相对坐标轴X轴60度，所以需要将工作平面逆时针选择60°，如下所示。

在平面中间建立柱坐标系。

操作如下：Workplane/Local Coordinate System/Create Local CS/At WP Origin。

弹出如下菜单，设置坐标系类型为Cylindrical 1，点击OK。

其中Par1输入1/3，表示b=1/3分别通过关键点建立，建立椭圆的两个端点，坐标分别为（0.1,0,0）、（-0.01,0,0），关键点建立的操作路径如下：Main menu/PreFERENCES/Preprocessor/Modeling/Creat/ Keypoints/In Actice CS。

然后在当前坐标系下连接这两个关键点。

操作路径：Main menu/PreFERENCES/Preprocessor/Modeling/Creat/lines/In Active Coord，弹出对话框，分别拾取上述两个节点，点击OK完成建模，如下所示。

板中圆孔的应力集中问题：如图所示为一个承受单向拉伸的无限大板，在其中心位置有一个小圆孔。

材料属性为弹性模量E= Pa泊松比为0.3,拉伸载荷q=1000Pa平板厚度t=0.1.201、定义工作名和工作标题（1）定义工作文件名：在弹出的Cha nge Job name对话框中输入Plate。

选择New log and error files复选框，单击OK按钮。

（2）定义工作标题：在弹出的的Change Title对话框中输入The analysis of plate stress with small circle单击OK按钮。

（3）重新显示：执行replot命令。

2、定义单元类型和材料属性（1）选择单元类型：在弹出的Element Type中，单击Add按钮，弹出所示对话框，选择Structural Solid 和Quad 8node 82选项，单击OK ,然后 单击close 。

(2) 设置材料属性：在弹出的 defi ne material models behavior 窗口中，双 击 structural/linear/elastic/isotropic 选项，弹出 linear isotropic material properties for material number 1 对话框，EX 和 PRXY 分别输入 2e11 和0.3,单击OK,执行exit 命令Lintar Isotropic f^lattrial Proptrtits for f^lattrial Numbtr 1Add Temperature Delete Temperature□K（3）保存数据：单击SAVE_DB 按钮。

3、创建几何模型PRXYCancel Linejr Isotropic Properties for Material Nuinbcr 1T1Help（1）生成一个矩形面：执行相应操作弹出create recta ngle by dime nsio ns对话框，输入数据，单击OK,显示一个矩形。

开孔薄板有限元分析报告一、有限元分析的目的通过对两种模型（一个上边开口的和另一个上下两边开口的模型）的静力分析，比较与其对应的理论解的不同，了解有限元仿真软件与理论计算存在的，进一步熟悉workbench求解有限元问题的一般步骤。

二、实体建模（两个模型）建立如下所示的模型，其中，边长300mm，宽80mm，厚5mm，边缘为半径是10mm的半孔。

上边开口的实体模型（模型A）上下两边开口的模型（模型B）模型A模型B模型采用的单元类型模型A：1 3862 LID186 (20 Node Quadratic Hexahedron)2 3858 SOLID186 (20 Node Quadratic Wedge)3 112 CONTA174 (Quadratic Quadrilateral Contact)4 112 TARGE170 (Quadratic Quadrilateral Target)5 64 SURF154 (3D Quadratic Quadrilateral)模型B：1 3856 SOLID186 (20 Node Quadratic Hexahedron)2 3866 SOLID186 (20 Node Quadratic Wedge)3 100 CONTA174 (Quadratic Quadrilateral Contact)4 100 TARGE170 (Quadratic Quadrilateral Target)5 64 SURF154 (3D Quadratic Quadrilateral)2.载荷与约束的施加方法（绘图表示并说明）；两模型施加的载荷与约束相同约束：单击static structural，选择长方体的左侧面，鼠标右键选择“insert>fixed support”载荷：选择长方体的左侧面，鼠标右键选择“insert>force”，大小为50N。

带孔方板的有限元分析GUI 操作(1) 启动ANSYS （设定工作目录和工作文件）运行ANSYS Product Launcher → 在Working Directory 下设置工作目录 → 在Job name 中设定任务名称为plate → 点击Run(2)设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences → Structural → OK (3) 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preproccessor → Element Type → Add/Edit/Delete → Add → Solid:Quad 4node 42 → OK → Option → K3: Plane Strs w/thk （带厚度的平面应力问题） → OK → Close(4) 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preproccessor → Material Props →Material Model → Structural → Linear → Elastic → Isotropic: EX: 2.1e11, PRXY : 0.3 → OK → 关闭窗口(5) 定义实常数以确定平面问题的厚度ANSYS Main Menu: Preproccessor → Real Constant → Add/Edit/Delete → Add → Type 1 → OK → Real Constant Set No.: 1（第1号实常数）, THK: 1（平面问题的厚度） → OK →Close2mp(6)生成几何模型生成平面方板ANSYS Main Menu: Preproccessor → Modeling → Create → Area → Rectangle → By 2 Corners → WP X: 0, WP Y:0, Width: 2, Height: 2 → OK生成圆孔模型ANSYS Main Menu: Preproccessor → Modeling → Create → Area → Circle → Solid Circle →WP X: 1, WP Y: 1, Radius: 0.05 → OK生成带孔方板ANSYS Main Menu: Preproccessor → Modeling → Operate → Booleans → Subtract → Area →鼠标点击Area 1（方板）（由于area 1和area 2位置重叠，因此需要通过Prv和Next来进行选择，注意窗口的提示）→ OK（在Multi-Entities窗口中）→ OK（在Subtract Area窗口中）→鼠标点击area 2（圆孔）→ OK → OK(7)网格划分ANSYS Main Menu: Preproccessor → Meshing → MeshTool →位于Size Controls下的Global: Set → NDIV: 32（每一条线分为32段）→ OK → MeshTool →点击Mesh按钮→ Pick All（位于Mesh Areas选择窗口的左下角）→ Close（关闭警告窗口）→ Close(8)模型施加约束和外载左边加X方向的约束ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads → Apply → Structural → Displacement → On Nodes →鼠标选择左侧所有节点（可用选择菜单中的Box拉出一个矩形框来框住左边线上的节点）→ OK → Lab2 DOFs: UX, V alue: 0 → OK左下角节点加X，Y两方向约束ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads → Apply → Structural → Displacement → On Nodes →鼠标选择左下角（0, 0）节点→ OK → Lab2 DOFs: UX, UY V alue: 0 → OK 右侧加X方向的均布载荷ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads → Apply → Structural → Pressure → On Line →鼠标选择右侧边→ OK → V alue: －1e6 → OK → Close（关闭警告窗口）(9)分析计算ANSYS Main Menu: Solution → Solve → Current LS → OK →警告窗口选择Y→ Close “Solution is done!”对话框→关闭文字窗口(10)结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc → Plot Result → Deformed Shape → Def + Undeformed → OK → Contour Plot → Nodal Solu → Stress, V on Mises, Def + Undeformed → OK（还可以继续观察其他结果）(11)退出系统ANSYS Utility Menu: File → Exit → Save Everything → OK命令流fini/clear,nostart/prep7ET,1,PLANE42 ！定义单元类型KEYOPT,1,3,3 ！定义单元选项MP,EX,1,2.1e11, ！定义弹性模量MP,PRXY,1,0.3, ！定义泊松比R,1,0.01, ！定义实常数BLC4,0,0,2,2, ！创建方板CYL4,1,1,0.05, ！创建圆孔ASBA, 1, 2, ！方板中剪掉圆孔ESIZE,0,32 ！设定分割数AMESH,ALL ！划分单元NSEL,S,LOC,X,0 ！选择最左侧节点D,ALL,UX,0 ！约束UX方向位移NSEL,R,LOC,Y,0 ！选择（0，0）处节点D,ALL,UX,0,,,,UY, ！约束UX，UY方向位移LSEL,S,LOC,X,2 ！选择右侧线SFL,ALL,PRES,-1e6 ！施加压力ALLSEL,ALL/soluSOLVE/POST1 PLDISP,2/DSCALE,1,1.0 PLNSOL, S,X, 0,1.0。

二、带孔平板的有限元分析1：问题描述图所示为一个有中心圆孔的薄板，薄板厚度t=0.01m，薄板弹性模量E=210000N/cm2,泊松比μ=0.3，p=100N/cm,ρ=2.7g/cm3此问题为平面应力问题，用有限元求解出带孔平板的应力集中问题，并与弹性力学的精确解进行比较。

2：求解步骤第一步：建立工作文件名和工作标题（1）选择Utility Menu—File—Change Jobname命令,出现Change Jobname对话框。

在Enter new jobname 输入栏中输入工作文件名plate，单击Ok按钮关闭该对话框。

（2）选择Utility Menu—File—Change Tile命令，出现Change Tile对话框，在输入栏中输入Stress analysis in a sheet，单击Ok按钮关闭该对话框。

第二步：设置计算类型选择Main Menu—Preference—Structural-Ok命令.第三步：选择单元类型选择Main Menu—Preprocessor—Element Type—Add/Edit/Delete命令,出现Element Type对话框，选择Solid-Quad 4node 42—Ok命令,再在Element Type对话框中选择Options—K3:Plane Strs w/thk/—Ok—Close命令.第四步：定义材料参数选择Main Menu—Preprocessor—Material Props—Material Models—双击Structural—双击Linear—双击Elastic—双击Isotropic命令，出现如下对话框填写Ex：2.1e5，PRXY：0.3；选择Ok命令。

第五步：定义实常数以确定平面问题的厚度选择Main Menu—Preprocessor—Real condtants—Add/Edit/Delete—Add—Type1—Ok命令，出现以下对话框，在Real condtant Set No中填写1，在THK中填写1，选择Ok—Close命令.第六步：创建几何模型1：生成平面方板选择Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creating—Areas—Rectangle—By 2 Corners—Wp X:0, Wp Y:0,Width:100,Height:100—Ok1：生成圆孔平面选择Main Menu—Preprocessor—Modeling—Creating—Areas—Circle—Solid Circle—Wp X:50, Wp Y:50,Radis:5—Ok2：生成带孔方板选择Main Menu—Preprocessor—Modeling—Operate—Booleana—Subtract—Areas，鼠标点击方板1—Ok，在Multi-Entities窗口点击Ok，在Subtract Areas窗口点击Ok.. 鼠标点击圆孔2—Ok, 在Multi-Entities窗口点击Ok，在Subtract Areas窗口点击Ok.出现如下图1：第七步：网格划分选择Main Menu—Preprocessor—Meshing—MeshTool命令，在MeshTool窗口点击Size Controls下的Globle:Set—NDIV:29—Ok, 在MeshTool窗口点击Mesh—Pick all—Close命令。

带孔平板的有限元分析（Finite Element Analysis）一、图标结果显示（Plot Results）二、有限元模式摘要（Finite element model summary）Largest Number Number Number Defined Selected Nodes . . . . . . . . . . . 4 4 4 Elements. . . . . . . . . . 3 3 3Element types . . . . . . . 1 1 n.a. Real constant sets. . . . . 1 1 n.a. Material property sets. . . 1 1 n.a.Coupling. . . . . . . . . . 0 0 n.a. Constraint equations. . . . 0 0 n.a. Master DOFs . . . . . . . . 0 0 n.a. Dynamic gap conditions. . . 0 0 n.a.三、建模及求解过程（Modeling establish & Solution procedure）1、进入ANSYS，设置工作名称plate2、设置计算类型为结构型（structural）3、选择单元类型为带厚度的平面应力问题（Plane Strs w/thk）4、定义材料为线弹性体，设置其弹性模量及其泊松比5、定义实常数以确定厚度6、建立几何模型：生成平面方板，圆孔，通过进行布尔减运算生成带孔方板7、进行网格划分：设置全局（Global）网格划分边长分为32段8、模型施加约束和外载：限定左侧边界所有节点X方向约束，左下角节点加X和Y两个方向的约束，右边施加X方向的均布载荷9、进行分析计算10、显示结果11、求解完成，保存结果，退出程序。

有限元分析带孔钢板在100°C条件下的热机械应力分布关键词：有限元；带孔钢板；应力分布1 创建模型1）在ABAQUS 中创建2D平面，使用矩形绘图工具绘制钢板轮廓并输入钢板材料性质，钢板传热材料性质和边界条件如图1所示，设置其为壳状结构，使用m为单位，由于其是对稱结构，所以只分析其1/4结构的应力变化，输入矩形的角坐标和对角坐标，绘制矩形，并画出1/4圆。

设置矩形钢板得弹性参数：杨氏模量210Gpa 和泊松比0.3，由于此问题是用于热传递分析，钢板的热性质也需要考虑其中，将特殊热（600 J/kgK），膨胀系数（12*10-6/C），传导率（45W/mK）所对应的值输入，选择“传热稳态步骤”，并设置边界条件，对于初始步骤，将整块钢板的温度设置为20度，代表边界环境温度，其次限定中心圆孔温度为100度。

在这个问题中，由于定义了边界传热系数25W / m2k，且所绘制钢板又是四分之一对称板，因此建模中需要在板传热材料的性质和边界条件的上侧和右应用对流条件。

2）设置网格。

首先直接使用数字网格且未分区分割提交分析，再根据分析结果修改网格，钢板应力梯度变化大的部分，增加网格数量，梯度变化小的部分，减少网格数量。

从分析中得知梯度变化较大部分是板右侧，靠近孔的部分，于是增加孔附近元素的数量，而板左侧变化较小，所以减少板左侧的元素数量，并尽量确保未有畸形元素形状。

这种情况下该板的温度值的变化结果由颜色等高线图表示，红色表示高温，且越红的部分表示温度越高，蓝色则表示低温，越蓝的部分表示温度越低。

板的最高温度所在处是螺栓附近，但是对于板的左侧，由于对流和热传导的热量损失，温度低于螺栓的温度，与预期一致。

2 钢板的应力分布在这个问题中，1/4对称钢板被用来分析稳态传热应力分布，由于是稳态分析系统中且没有其他外加负载，因此钢板的应力分布主要是由热应力决定，板的热传递是通过热传导和对流进行的。

为了更好的分析钢板的应力分布情况，对钢板进行了机械应力分析，热应力分析，以及热机械应力分析，三种情况下的V on-Mises应力图如下列图所示。