材料成型CAE综合实验课程设计.doc

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1、学 号： 课 程 设 计题 目材料成型CAE综合实验学 院材料科学与工程学院专 业材料成型及控制工程班 级姓 名指导教师2011年12月16日实验课程名称：材料成型CAE综合实验一 实验项目名称桁架的结构分析实验成绩实 验 者专业班级组 别同 组 者实验日期2011年12月13日一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）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，

2、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

3、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：l 前处理：步骤1）、2）l 加载求解：步骤7）、9）、10）、11）l 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。第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）上机实验步骤（GUI法，参考）建立文件：Utili

4、ty MenuFileChange Directoryinto yoursOKUtility MenuJ FileobnametrussOK定义单元类型：Main menuPreferenceStrucrturalOKMain MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddLink 2D Spar 1OK CloseMain MenuPreprocessorReal Constants Add/Edit/DeleteAddLINK 1OKAREA: 0.1OK Close定义材料属性：Main MenuPreprocessorMaterial Pr

5、opsMaterial ModelsStrucruralLinearElastic IsotropicEX: 30E6, PRXY: 0.3OK生成节点：Main MenuPreprocessorModelingCreateNodesIn Active CSNode 1: 0,0,0Apply Node 2: 1,0,0Apply 同理：Node 3: 2,0,0Node 4: 3,0,0Node 5: 4,0,0Node 6: 3,1,0Node 7: 2,1,0Node 8: 1,1,0OKUtility MenuPlotCtrlsNumberingNODE Node Numbers On

6、OK生成单元：Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedThru NodesPick 1,2ApplyPick 2,3Apply同理：3,44,55,64,63,63,72,81,87,86,7OK施加位移约束和载荷：Main MenuSolutionDefined LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick 1,3Lab 2: UYApplyPick 5Lab 2: UX, UYOKMain MenuSolutionDefined LoadsApplyStructuralFor

7、ce/MomentOn NodesPick 2,4,7Lab: FY, VALUE: -10000OK求解：Main MenuSolutionSolveCurrent LSOKClose后处理：绘制变形图：Main MenuGeneral PostprocessorPlot ResultsDeformed ShapeDef Shape onlyOK（对显示结果进行存储：Utility MenuPlot CtrlsCapture ImageFileSave as）显示节点位移：Main MenuGeneral PostprocessorList ResultsNodal SolutionDOF

8、Solution Displacement Vector sunOK显示节点受力：Main MenuGeneral PostprocessorList ResultsNodal LoadsAll stru forc FOK（或根据讨论的需要进行显示）教师签字_第三部分 结果与讨论（可加页）一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）二、小结、建议及体会三、思考题实验结果可以显示出构件的变形情况，各节点的位移，可以看出最大位移为DMX=0.35576；小结与体会通过本实验，我认识到通过采用ANSYS软件对桁架的分析，可以简易直观在了解到结构的变形情况。只要输入结

9、构的形式，约束条件和受力情况就可以得出结构的变形情况，很方便也很直观。实验课程名称：材料成型CAE综合实验二 实验项目名称自主设计构件的结构分析实验成绩实 验 者专业班级组 别同 组 者实验日期2011年12月13日一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）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

10、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

11、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：l 前处理：步骤1）、2）l 加载求解：步骤7）、9）、10）、11）l 后处理：步骤12）其余为软件自动进行。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。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。第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实

12、验过程发现的问题等）上机实验步骤（GUI法，参考）建立文件：Utility MenuFileChange Directoryinto yoursOKUtility MenuJ FileobnametrussOK定义单元类型：Main menuPreferenceStrucrturalOKMain MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddLink 2D Spar 1OK CloseMain MenuPreprocessorReal Constants Add/Edit/DeleteAddLINK 1OKAREA: 0.1OK Close定义材料

13、属性：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStrucruralLinearElastic IsotropicEX: 30E6, PRXY: 0.3OK生成节点：Main MenuPreprocessorModelingCreateNodesIn Active CSNode 1: 0,0,0Apply Node 2: 1,0,0Apply 同理：Node 3: 2,0,0Node 4: 1,1,0OKUtility MenuPlotCtrlsNumberingNODE Node Numbers OnOK生成单元：Main MenuP

14、reprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedThru NodesPick 1,2ApplyPick 2,3Apply同理：1,42,43,4OK施加位移约束和载荷：Main MenuSolutionDefined LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick 1Lab 2: UYApplyPick 3Lab 2: UX, UYOKMain MenuSolutionDefined LoadsApplyStructuralForce/MomentOn NodesPick 4Lab: FY, VALUE: -

15、10000OK求解：Main MenuSolutionSolveCurrent LSOKClose后处理：绘制变形图：Main MenuGeneral PostprocessorPlot ResultsDeformed ShapeDef Shape onlyOK（对显示结果进行存储：Utility MenuPlot CtrlsCapture ImageFileSave as）显示节点位移：Main MenuGeneral PostprocessorList ResultsNodal SolutionDOF Solution Displacement Vector sunOK显示节点受力：Mai

16、n MenuGeneral PostprocessorList ResultsNodal LoadsAll stru forc FOK（或根据讨论的需要进行显示）教师签字_第三部分 结果与讨论（可加页）一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）二、小结、建议及体会三、思考题在3点约束两个自由度，在1点处约束一个自由度，在4点加载向下的力，得到如上图，最大形变量DMX=.0.06595；小结与体会通过本实验，我认识了ansys在结构受力分析中的应用，可以大大的节省手工计算时间，还可以更加直观地看到结构的变形情况。实验课程名称：材料成型CAE综合实验三 实验项目

17、名称圆管的温度场和热应力分析实验成绩实 验 者专业班级组 别同 组 者实验日期2011年12月13日一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）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

18、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：l 前处理：建立几何模型；对几何模型进行离散化处理等。l 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。l 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

19、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。第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）上机实验步骤（GUI法，参考）建立文件：Utility Menu FileChange Directoryinto yoursOKUtility Menu FileJobnamethermalstressOK建模：Main menuPreferenceStrucrtural and ThermalOKMain Menu

20、PreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddThermal SolidQuad 4 node 55OK Element TypeOptionsK3: AxisymmetricOKMain MenuPreprocessorMaterial PropsTemperature UnitCelsuisOKMain MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsThermalConductivity IsotropicKXX: 1.2OKMain MenuPreprocessorModelingCreate AreasR

21、ectangleBy DimensionsX1, X2: 0.2, 0.8. Y1, Y2: 0, 0.05OK划分网格：Main MenuPreprocessorMeshingMeshingToolSize Controls: Lines SetsPick 1,3OKNDIV: 10OK Back to “MeshTool Windows” Size Controls: Lines SetsPick 2,4OKNDIV: 2OK Back to “MeshTool Windows”Shape: Quad FreeMeshPick allOKClose “MeshTool Windows”热分

22、析：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisSteady StateOKUtility MenuSelectEntitiesLines, By Num/Pick, From FullApplyPick 4OKUtility MenuSelectEntitiesNodes, Attached to, Lines,allOKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn NodesPick allOKLab 2: TEMP, VALUE: 80OKUtility MenuSelectEntit

23、iesLines, By Num/Pick, From FullApplyPick 2OKUtility MenuSelectEntitiesNodes, Attached to, Lines,allOKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn NodesPick allOKLab 2: TEMP, VALUE: 10OKUtility MenuSelectEverythingMain MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results FileBasic quantities,

24、Last substep, Value of N: 1OKMain MenuSolutionSolveCurrent LSOKCloseMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluNodal SolutionDOF SolutionNodal TemperatureDeformed Shape onlyOK （或根据讨论的需要进行显示，对显示结果进行存储：Utility MenuPlot CtrlsCapture ImageFileSave as）热应力耦合分析：Main MenuPreprocessorElement

25、TypeSwitch Elem Typethermal to StrucOKMain MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeletAdd OptionsK3: Axisymmetric OKMain MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElastic IsotropicEX: 1.2E11, PRXY: 0.3 Back to “Define Mareial Model Behavior”Windows: StructuralThermal ExpansionSecan

26、t CoefficientIsotropicALPX: 1.3E-6OKUtility MenuSelectEntitiesLines, By Num/Pick, From FullApplyPick 3OKUtility MenuSelectEntitiesNodes, Attached to, Lines,allOKMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFsPick allOKNSET: 7, LAB: UY OKUtility MenuSelectEverythingMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCou

27、ple DOFsPick 1, 14, 24OKNSET: 8, LAB: UXOKMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFsPick 2, 12, 13OKNSET: 9, LAB: UXOKMain MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisStaticOKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11Lab2: UY, VALUE: 0OKMain Me

28、nuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperaureFrom Thermal AnalysisFname Name of results file: thermalstress.rthOKMain MenuSolutionSolveCurrent LSOKCloseMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluNodal Solution StressX-Component of StressDeformed Shape onlyOK （或根据讨论的需要进行显示，对显示结果进行存储

29、：Utility MenuPlot CtrlsCapture ImageFileSave as）教师签字_第三部分 结果与讨论（可加页）一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）二、小结、建议及体会三、思考题第一幅图是温度场等值线图，现实的是内外径之间的温度场的分布，从10到80的渐变过程，温度逐渐升高；第二幅图是应力场图，其最大位移是DMX=.325E-4,SMN=-.248E-5,SMX=1105;随着温度的增加，管由内至外得热应力也逐渐变大；第三幅图是应力的分布。小结与体会通过本次实验，我了解到采用ANSYS对构件的温度与热应力分析，可以显示出的图片通

30、过颜色的渐变来反映出温度与应力的变化过程，还可以得出应力壮态。实验课程名称：材料成型CAE综合实验四 实验项目名称自主设计构件的温度场和热应力分析实验成绩实 验 者专业班级组 别同 组 者实验日期2011年12月13日一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）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（

31、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：l 前处理：建立几何模型；对几何模型进行离散化处理等。l 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。l 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

32、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。有一截面为圆环形的输暖管道，内外半径分别为500mm、2000mm，管道内水的温度为90，管道外表层温度为20，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100mm的矩形截面（如图）为计算模型。第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）上机实验步骤（GUI法，参考）建立文件：Utility

33、 Menu FileChange Directoryinto yoursOKUtility Menu FileJobnamethermalstressOK建模：Main menuPreferenceStrucrtural and ThermalOKMain MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddThermal SolidQuad 4 node 55OK Element TypeOptionsK3: AxisymmetricOKMain MenuPreprocessorMaterial PropsTemperature UnitCelsuis

34、OKMain MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsThermalConductivity IsotropicKXX: 1.2OKMain MenuPreprocessorModelingCreate AreasRectangleBy DimensionsX1, X2: 0.2, 0.8 Y1, Y2: 0, 0.03OK划分网格：Main MenuPreprocessorMeshingMeshingToolSize Controls: Lines SetsPick 1,3OKNDIV: 10OK Back to “MeshTool Wind

35、ows” Size Controls: Lines SetsPick 2,4OKNDIV: 2OK Back to “MeshTool Windows”Shape: Quad FreeMeshPick allOKClose “MeshTool Windows”热分析：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisSteady StateOKUtility MenuSelectEntitiesLines, By Num/Pick, From FullApplyPick 4OKUtility MenuSelectEntitiesNodes, Attached

36、to, Lines,allOKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn NodesPick allOKLab 2: TEMP, VALUE: 90OKUtility MenuSelectEntitiesLines, By Num/Pick, From FullApplyPick 2OKUtility MenuSelectEntitiesNodes, Attached to, Lines,allOKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn NodesPick a

37、llOKLab 2: TEMP, VALUE: 20OKUtility MenuSelectEverythingMain MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results FileBasic quantities, Last substep, Value of N: 1OKMain MenuSolutionSolveCurrent LSOKCloseMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluNodal SolutionDOF SolutionNodal Temperatu

38、reDeformed Shape onlyOK （或根据讨论的需要进行显示，对显示结果进行存储：Utility MenuPlot CtrlsCapture ImageFileSave as）热应力耦合分析：Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Typethermal to StrucOKMain MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeletAdd OptionsK3: Axisymmetric OKMain MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStr

39、ucturalLinearElastic IsotropicEX: 1.2E11, PRXY: 0.3 Back to “Define Mareial Model Behavior”Windows: StructuralThermal ExpansionSecant CoefficientIsotropicALPX: 1.3E-6OKUtility MenuSelectEntitiesLines, By Num/Pick, From FullApplyPick 3OKUtility MenuSelectEntitiesNodes, Attached to, Lines,allOKMain Me

40、nuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFsPick allOKNSET: 7, LAB: UY OKUtility MenuSelectEverythingMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFsPick 1, 14, 24OKNSET: 8, LAB: UXOKMain MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFsPick 2, 12, 13OKNSET: 9, LAB: UXOKMain MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisStati

41、cOKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn NodesPick 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11Lab2: UY, VALUE: 0OKMain MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperaureFrom Thermal AnalysisFname Name of results file: thermalstress.rthOKMain MenuSolutionSolveCurrent LSOKCloseMain MenuGener

42、al PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluNodal Solution StressX-Component of StressDeformed Shape onlyOK （或根据讨论的需要进行显示，对显示结果进行存储：Utility MenuPlot CtrlsCapture ImageFileSave as）教师签字_第三部分 结果与讨论（可加页）一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）二、小结、建议及体会三、思考题实验四同三的原理相同，只改变了内外径,温度和截面宽度的情况下，得出如图所示的结果图显示了温度

43、由20到80在构件中的分布情况，很直观。小结与体会通过这次实验，我认识ANSYS软件在热分析中的应用，而且可以直观地看出温度的分布。实验课程名称：材料成型CAE综合实验五 实验项目名称环形焊接接头冷却温度场和应力场分析实验成绩实 验 者专业班级组 别同 组 者实验日期2010年12月23日一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）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

44、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：l 前处理：建立几何模型；对几何模型进行离散化处理等。l 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。l 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、