模块化净水设备梁板结构有限元分析

济南大学泉城学院

毕 业 论 文

题 目 模块化净水设备梁板结构

有限元分析 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设07Q3 学 生 邱兵 学 号 20073006080 指导教师 冯德振

二〇一一年五月三十日

济南大学泉城学院毕业论文

摘 要

有限元分析能够解决复杂的工程分析及计算问题，而且能为开发新产品提供最佳优化方案。有限元分析的基本概念是化繁为简，用较简单的问题代替复杂问题后再求解。本论文则以ANSYS软件为例分析并探讨了建立有限元分析模型时单元类型的选择，从而为新产品的设计提供参考。

论文中用到了有限元分析软件ANSYS，其中使用该软件对梁板结构进行了实体建模及有限元分析，软件不仅能够对所建立的实体模型以图形的形式整体直观的显示出来，也可以只对其中某个部分进行分散分析。除了图形显示，还可以给出各元素的位移及受力大小，这对于实际工程问题的分析设计拥有较强的辅助作用。

论文中简要介绍了有限元分析理论和ANSYS软件在结构强度分析方面的应用，体现了其在辅助设计领域的重要作用。同时对模块化净水设备的梁板结构强度进行了计算分析，得出的结果与理论解答大体一致，从而验证了有限元分析理论的准确性。

关键词： ANSYS；有限元分析法；结构强度；净水设备

Ⅰ

济南大学泉城学院毕业论文

ABSTRACT

The finite element analysis not only can solve complex problems in engineering analysis and calculations, but also for the development of new products to provide the best optimal solution. The basic concept of the finite element analysis is a simple problem solving complex problems after instead. This paper which takes ANSYS as the example is discussed when the establishment finite element model is built and provide the references for new product design.

Paper uses finite element analysis software ANSYS, which uses the software on the slab structure of the solid modeling and finite element analysis, the software can not only create a solid model of the form to the overall intuitive graphical display, but also can only be distributed on a part of them. In addition to graphical display, you can also give each element the size of the displacement and stress, which for practical engineering analysis and design with a strong supporting role.

Paper briefly introduces the theory and ANSYS finite element analysis software in the application of structural strength analysis, reflecting its important role in the field aided design. Meanwhile, modular water purification equipment Beam intensity is calculated and analyzed, the result broadly consistent with the theoretical solution, which verifies the accuracy of finite element analysis theory.

Key words：ANSYS；Finite Element Analysis；Structural strength；Water purification equipment

II

济南大学泉城学院毕业论文

目 录

摘要……………………………………………………………………..…….….………….I ABSTRACT…………….……………………..………………………………………..….II 1 绪论与简介……….…………………………………………….………….……………..1

1.1有限元法论述………………………………………………………………1 1.2 ANSYS简介...........................……….......…………….………….………..3

1.2.1 CAE技术及应用…………………………………………………………3 1.2.2 ANSYS发展及应用………………………………………………………3 1.2.3 ANSYS的基本组成………………………………………………………4

2 结构分析中常用单元的特性及定义……………………………………………………5

2.1 结构静力学常用单元简介………………………………………………………..5

2.1.1 单元的定义………………………………………………………………5 2.1.2 单元简要介绍……………………………………………………………6 2.2 建模过程中对单元特性的定义…………………………….…………………..8

2.2.1 两种建模方法…………………………………………………………….8. 2.2.2 单元特性定义………………………………….…………………………...8

3 设计任务计算……………………………………………………………………………8

3.1 设计概况及参数…………………………………………………………………8

3.1.1 设计概况…………………………………………………………………8 3.1.2 设计参数…………………………………………………………………9 3.2主梁设计计算……………………………………………………………………9 4 ANSYS实体建模及有限元分析………………………………………………………10

4.1 利用ANSYS对主梁进行建模…………………………………………………10

4.1.1主梁加一根加强梁时模型建立…………………………………………10 4.1.2一根加强梁模型结果分析………………………………………………13 4.1.3 三根加强梁模型的建立及其结果分析…………………………………15 4.2 板结构模型建立及有限元分析………………………………………………18 5 结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...22 参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….24 致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….25

III

济南大学泉城学院毕业论文

1 绪论与简介

1.1 有限元法论述

1.1.1 有限元法简介

有限元法作为计算力学中的一种重要方法，在20世纪中期便被应用于应用数学、计算科学以及现代力学，但那时还只是徘徊在相互渗透并且整合使用的边缘科学阶段。在最初有限元法应用于工程科学分析的时候，它被用于解决力学、电磁学等问题，同时也可以模拟热学等物理问题。传统的解析方法不能够求解结构形状以及边界条件统统不规则的疑难问题，这时，有限元法便能够体现出它的应用优势来，从而有效的解决这类问题。其基本思想就是想把所要研究的对象所在的求解域离散开来，成为一组有限个数并且按规律联系在一起的组合，正因为单元不仅可以拥有不同形状，而且能够按不同方式进行连结组合，所以可以用它来模拟各种形状的求解域，再通过力学分析和整体的分析将单元依次求解便能够解决复杂问题了。简而言之，有限元基本思路就是化整为零。 1.1.2 有限元法基本思想

有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多成为是有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推到求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[1]。 1.1.3 有限元设计方法

（1）划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号。

（2）选定所需要的直角坐标系，并将有关信息填写并输入到程序之中。 （3）上机对已经编号的程序开始进行计算，同时对上一步输入的信息进行进一步的加工计算。

（4）对计算成果进行整理、分析，并能用表格或图线示出所需的位移和应力变化。

事实上，当划分的区域已经足够小了，每个区域的变形以及应力总是向趋于简单的方向过渡，于是计算出来的结果也就能够越来越接近真实解。理论上说，当单元的数目分的足够多了，有限单元能够向问题的精确解收缩，但是同时计算量也相应的增大了不少。因此在实际工作时要在计算量及精度的选择上找出平衡点。

1

济南大学泉城学院毕业论文 表2.1 结构静力学中常用的单元类型 类别 杆 形状和特性 普通 双线性 梁 普通 截面渐变 塑性 考虑剪切变形 管 普通 浸入 塑性 2-D实体 四边形 三角形 超弹性单元 粘弹性 大应变 谐单元 P单元 3-D实体 块 四面体 层 各向异性 超弹性单元 粘弹性 大应变 P单元 壳 四边形 轴对称 层 剪切板 P单元 单元类型 LINK1,LINK8 LINK10 BEAM3,BEAM4 BEAM54,BEAM44 BEAM23,BEAM24 BEAM188,BEAM189 PIPE16,PIPE17,PIPE18 PIPE59 PIPE20,PIPE60 PLANE42,PLANE82,PLANE182 PLANE2 HYPER84,HYPER56,HYPER74 VISCO88 VISO106,VISO108 PLANE83,PPNAE25 PLANE145,PLANE146 SOLID45,SOLID95,SOLID73,SOLID185 SOLID92,SOLID72 SOLID46 SOLID65,SOLID64 HYPER86,HYPER58,HYPER158 VISO89 VISO107 SOLID147,SOLID148 SHELL93,SHELL63,SHELL41,SHELL43,SHELL181 SHELL51,SHELL61 SHELL91,SHELL99 SHELL28 SHELL150

7

济南大学泉城学院毕业论文

2.2 建模过程中对单元特性的定义

2.2.1 两种建模方法

由ANSYS软件建立的用节点以及元素组成的有限元实体模型跟实际机械结构的几何外型对比起来基本一致。有限元实体建模分为直接法和间接法（也称实体模型Solid Modeling），直接法就是根据机械结构的几何外型建立节点并且定义各项元素，因此决定了直接法的适用范围（相对简易的机械结构），而间接法不同，它适用于节点及元素数目较多并且几何外型杂乱无规律的机械结构。这种方法可以在点、线、面、体基础上建立有限元实体模型，再对模型进行网格划分，从而建立起有限元模型。 2.2.2 单元特性定义

建立单元前，必须先行定义使用者欲选择的单元形式号码、单元材料特性、单元几何特性等，当上述特性确定后便可以依据该单元节点的连接方式建立单元。单元形式号码、单元材料特性、单元几何特性等只要在建立单元前说明即可，故可位于建立节点之前或之后，为了利于程序协调性，一般在进入/PREP7后，就先定义形式号码及其相关资料。对于实体建模，在划分网格前，要声明单元特性。

单元特性一般包括单元类型、实常数、材料特性、截面类型和单元坐标系。在实际的ANSYS分析中只有BEAM188和BEAM189单元才需要定义单元的截面类型。在对空间梁进行划分网格时，还要指定方向关键点。为适应不同的分析需要，ANSYS提供了190多种不同的截面类型。从普通的线单元、面单元、块单元到特殊的接触单元、间隙单元和表面效应单元。在计算单元矩阵时，有一些数据可能无法从节点坐标或材料特性得到，这就需要定义单元实常数。典型的实常数包括：厚度、横截面积、高度等。材料特性包括杨氏模量、转动惯量等[6]。对于BEAM188和BEAM189单元，需要定义单元横截面积。ANSYS提供了11种常见的截面类型，用户可以从中选择与实际结构相近的类型来使用。单元坐标系根据实际的需要定义。在完成单元特性定义后，划分网格之前，用户要对几何模型各部分指定单元特性。

在完成单元特性定义后，如果不是采用直接法建模，就可以划分单元网格了，即生成有限元模型。通过设置网格控制选项，用户可以对网格划分方式、网格划分的形状、网格的大小以及中间节点的位置进行控制。ANSYS提供两种网格划分方式：自由网格和映射网格。

3 设计任务计算

3.1设计概况及参数

3.1.1 设计概况

随着我国城市化进程的加速进行，城市化供水规模的不断增加，使得我国对于新

8

济南大学泉城学院毕业论文

型水厂的建设有着很大需求。无论在大中城市还是在农村，寻求一种方式灵活、占地面积小的水厂建设形式成为必然。模块化净水厂的优点则是投资小、见效快、占地面积小、操作方便、自动化程度较高，而且其规模形式灵活多样，适应我国的基本国情，能够在经济发展中展现巨大作用。

图3.1模块化净水设备实物图

3.1.2 设计参数

主梁材料为方型空心型钢160×160×4.5mm，横梁中心处折算工作水压0.0375MPa，板材料为钢1260×460×3.5mm，其弹性模量均为2E+005，泊松比为0.3，主梁长度为7080mm，因跨度较大，需用加强梁支撑，加强梁材料为160×80×4.0mm空心钢。

3.2主梁设计计算

N/mm （3.1） q?(1260/2?1510/2?160)?0.0375?57.9375

考虑实际约束时，

)?0.0375?42.75N/mm （3.2） q??(1260/2?1510/2?160-440/2-370/2

最大力矩为

9

济南大学泉城学院毕业论文

Mmax1257.9375?17702?ql??15126032.8N?mm （3.3） 1212

抗弯截面惯量为10947345mm4 最大应力为

?max?MmaxH15126032.8?80???110.54MPa （3.4） I210947345

4 ANSYS实体建模及有限元分析

4.1利用ANSYS对主梁进行建模

4.1.1 主梁加一根加强梁时模型建立

由于主梁跨度较大，需要用到加强梁，所以在建模过程中先在主梁中心处加一根加强梁。

利用ANSYS分析的命令流[7]：

/COM, Structural ！设置解题类型 !*

/PREP7 ！进入前处理器 !*

ET,1,BEAM4 ！定义单元类型 !*

R,1,2745.2,10947345,10947345,160,160,0, ！定义转动惯量 RMORE,0,0,0,0,0,0, !*

R,2,1811.7,5976910,2035320,80,160,0, RMORE,0,0,0,0,0,0, !* !*

MPTEMP,,,,,,,, ！缺省设置 MPTEMP,1,0

10

济南大学泉城学院毕业论文

MPDATA,EX,1,,2E+005 ！定义杨氏模量 MPDATA,PRXY,1,,0.3 ！定义泊松比 K,1,0,0,0, ！建立关键点 K,2,1770,0,0, K,3,3540,0,0, K,4,0,0,2600, K,6,3540,0,2600, K,7,-1770,0,0, K,8,-3540,0,0, K,10,-3540,0,2600, /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST

LSTR, 10, 8 ！通过关键点建立线 LSTR, 8, 7 LSTR, 7, 1 LSTR, 1, 2 LSTR, 2, 3 LSTR, 3, 6 LSTR, 1, 4 TYPE, 1 MAT, 1 REAL, 1 ESYS, 0 SECNUM, !*

FLST,2,6,4,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-6 LMESH,P51X TYPE, 1 MAT, 1 REAL, 2 ESYS, 0 SECNUM,

11

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fiu5.html