有限元课程设计结构静力学分析

课 程 论 文 封 面

课程名称： 结构分析的计算机方法 论文题目：齿轮轴3的静力学有限元分析 学生学号： 学生姓名： 任课教师： 学位类别： 学硕

评分标准及分值 评分 论文评语： 选题与参阅资料（分值 20 ） 论文内容 （分值 30 ） 论文表述 （分值 30 ） 创新性 （分值 20 ） 总 评 分 评阅教师: 评阅时间 年 月 日

目录

1. HyperMesh软件介绍 ............................................................................. 1 1.1 HyperMesh简介 ............................................................................. 1 1.2 HyperMesh的优势...................................

前言

【有限元法】

有限元法是R. courant于1943年在解决圣维南扭转问题近似解时首先提出来的。其后，W. prager于1947年，J. L. syge于1953年提出了超椭圆法，促进了这方面工作的发展。有限元法在弹性力学平面问题中第一个成功的应用，首先是由美国学者M. J. turner和R. W. clough等人于1956年解决飞机结构强度是提出来的。并于1960年有R. W. clough首次将这种方法起名为有限元法（The Finite Element Method）。1965年由我国数学家冯康教授和西方科学家各自独立奠定了有限元法的数学基础。由于越来越多的数学家加入了发展有限元法的行列，这种方法便由工程局限性中解脱出来，代之以统一的观点和严密的数学描述，并确立了它的数学基础。

经过几十年的发展，有限元法已经成为现代结构分析的有效方法和主要手段。它的应用已经从弹性力学的平面问题扩展到空间问题和板壳问题，如：对拱坝、涡轮叶片、飞机和船体等复杂结构进行应力分析；由平衡问题扩展到稳定问题与动力问题，如：对结构在地震力与波浪力作用下的动力反应进行分析；由弹性力学问题扩展到弹塑性与黏弹性问题，如：土力学与岩石力学问题﹑疲劳力学与脆性

前言

【有限元法】

有限元法是R. courant于1943年在解决圣维南扭转问题近似解时首先提出来的。其后，W. prager于1947年，J. L. syge于1953年提出了超椭圆法，促进了这方面工作的发展。有限元法在弹性力学平面问题中第一个成功的应用，首先是由美国学者M. J. turner和R. W. clough等人于1956年解决飞机结构强度是提出来的。并于1960年有R. W. clough首次将这种方法起名为有限元法（The Finite Element Method）。1965年由我国数学家冯康教授和西方科学家各自独立奠定了有限元法的数学基础。由于越来越多的数学家加入了发展有限元法的行列，这种方法便由工程局限性中解脱出来，代之以统一的观点和严密的数学描述，并确立了它的数学基础。

经过几十年的发展，有限元法已经成为现代结构分析的有效方法和主要手段。它的应用已经从弹性力学的平面问题扩展到空间问题和板壳问题，如：对拱坝、涡轮叶片、飞机和船体等复杂结构进行应力分析；由平衡问题扩展到稳定问题与动力问题，如：对结构在地震力与波浪力作用下的动力反应进行分析；由弹性力学问题扩展到弹塑性与黏弹性问题，如：土力学与岩石力学问题﹑疲劳力学与脆性

线性静力学分析实例

线性静力学问题是简单且常见的有限元分析类型，不涉及任何非线性（材料非线性、几何非线性、接触等），也不考虑惯性及时间相关的材料属性。在ABAQUS中，该类问题通常采用静态通用（Static，General）分析步或静态线性摄动（Static，Linear perturbation）分析步进行分析。

线性静力学问题很容易求解，往往用户更关系的是计算效率和求解效率，希望在获得较高精度的前提下尽量缩短计算时间，特别是大型模型。这主要取决于网格的划分，包括种子的设置、网格控制和单元类型的选取。在一般的分析中，应尽量选用精度和效率都较高的二次四边形/六面体单元，在主要的分析部位设置较密的种子；若主要分析部位的网格没有大的扭曲，使用非协调单元（如CPS4I、C3D8I）的性价比很高。对于复杂模型，可以采用分割模型的方法划分二次四边形/六面体单元；有时分割过程过于繁琐，用户可以采用精度较高的二次三角形/四面体单元进行网格划分。

一 悬臂梁的线性静力学分析

1.1 问题的描述

一悬臂梁左端受固定约束，右端自由，结构尺寸如图1-1所示，求梁受载后的Mises应力、位移分布。

材料性质：弹性模量E?2e3，泊松比??0.3 均布载荷：p?0.6

线性静力学分析实例

线性静力学问题是简单且常见的有限元分析类型，不涉及任何非线性（材料非线性、几何非线性、接触等），也不考虑惯性及时间相关的材料属性。在ABAQUS中，该类问题通常采用静态通用（Static，General）分析步或静态线性摄动（Static，Linear perturbation）分析步进行分析。

线性静力学问题很容易求解，往往用户更关系的是计算效率和求解效率，希望在获得较高精度的前提下尽量缩短计算时间，特别是大型模型。这主要取决于网格的划分，包括种子的设置、网格控制和单元类型的选取。在一般的分析中，应尽量选用精度和效率都较高的二次四边形/六面体单元，在主要的分析部位设置较密的种子；若主要分析部位的网格没有大的扭曲，使用非协调单元（如CPS4I、C3D8I）的性价比很高。对于复杂模型，可以采用分割模型的方法划分二次四边形/六面体单元；有时分割过程过于繁琐，用户可以采用精度较高的二次三角形/四面体单元进行网格划分。

一 悬臂梁的线性静力学分析

1.1 问题的描述

一悬臂梁左端受固定约束，右端自由，结构尺寸如图1-1所示，求梁受载后的Mises应力、位移分布。

材料性质：弹性模量E?2e3，泊松比??0.3 均布载荷：p?0.6

四、受力分析

1.试画出以下各题中圆柱或圆盘的受力图。与其它物体接触处的摩擦力均略去。

F O W O B W B (a) (b)

O W O W (d)

(e)

解： F O O FB B W W FA

B FA FB (a)

(b)

FB FB FA O W O W FA (d)

(e)

2. 试画出以下各题中AB杆的受力图。

(a)

(b)

A O W (c)

FO O FA

W (c)

(c)

解：

A C B (d)

(e) A C B FE FD FB

(a) A FA C B FA FA FD FB

(b)

A FA C FB B (e)

(c)

FB

FB

(d)

3. 试画出以下各题中AB梁的受力图。

解：

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a) (b)

(c)

(d) (e)

4. 试画出以下各题中指定物体的受力图。

(a) 拱ABCD；(b) 半拱AB部分；(c) 踏板AB；(d) 杠杆AB；(e) 方板ABCD；(f) 节点B。 (a)

(b)

(d)

(e)

解： (a)

第15章 转子动力学分析实例

15.1转子动力学理论背景

15.1.1 概述

带有旋转部件的整体结构，比如说飞机引擎，它的动力学行为分析需要旋转部件、定子部件和不同的连接设备的模型。模型的处理过程采用的是有限元方法。为了评估系统的整体动力学性能，在对系统的主要方程进行表述之后也要对其进行不同的分析。

这些分析类型主要如下： ? ? ?

转子系统的临界转速计算；

当系统中包含控制设备时，检查在旋转速度范围内的稳定性也是必要的； 叶片丢失等不平衡引起的振动量级预测。

主要的假定有以下方面。首先，结构元件的振动水平保持弹性和几何线性行为，也就是说转子和定子都假定是线弹性的。非线性行为主要是局部的并且存在于模型装配时。另一方面，有足够能量去获得需要的旋转速度。由于弹性的定子对系统的响应有很大的影响，并且这些结构大多数不是轴对称结构，所以系统用惯性坐标系来描述。

15.1.2 转子

有三种有限元模型可用来描述转子系统。

1D模型：转子用梁、弹簧和集中质量单元来模拟，这个模型计算速度快，它适用于有大量参数需要调整时的初期设计分析。但是，比如前文提到的飞机引擎，这个模型的细节可能需要许多专业的经验还有可能耗费很多时间。

图2.1 梁

有 限

元 大 作 业 程 序 设

学校：天津大学

院系：建筑工程与力学学院 专业：01级工程力学 姓名：刘秀 学号：\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 指导老师：

计

连续体平面问题的有限元程序分析

[题目]：

如图所示的正方形薄板四周受均匀载荷的作用，该结构在边界

上受正向分布压力，

p?1kNm，同时在沿对角线y轴上受一对集中压

力，载荷为2KN，若取板厚t?1，泊松比v?0。

2kN 1kN/m 2kN

[分析过程]：

由于连续平板的对称性，只需要取其在第一象限的四分之一部分参加分析，然后人为作出一些辅助线将平板“分割”成若干部分，再为每个部分选择分析单元。采用将此模型化分为4个全等的直角三角型单元。利用其对称性，四分之一部分的边界约束，载荷可等效如图所示。

[程序原理及实现]：

用FORTRAN程序的实现。由节点信息文件NODE.IN和单元信息文件ELEMENT.IN，经过计算分析后输出一个一般性的文件DATA.OUT。模型基本信息由文件为BASIC.IN生成。 该程序的特点如下：

问题类型：可用于计算弹性力学平面问题和平面应变问题 单元类型：采用常应变三角形单元 位移模

学号：08507019

2011届本科生毕业论文（设计）

题 目：基于ANSYS的齿轮模态分析

学院(系)：机械与电子工程学院 专业年级： 机制072班 学生姓名： 何旭栋 指导教师： 杨创创 合作指导教师：

完成日期： 2011-06- I

目 录

第一章 绪论 .......................................................................- 1 -

1.1课题的研究背景和意义 ..........................................................- 1 - 1.2 齿轮弯曲应力研究现状 .........................................................- 1 - 1.3 齿面接触应力研究现状 .........................................................- 2 - 1.4 齿轮固有特性研究现状 ...........

计算分析模型如图所示, 习题文件名: scf

材料参数：E=205GPa, v = 0.3 力载：4500N

注意单位的一致性：使用N, mm, MPa单位制

建模教程

在ANSYS工作文件夹内新建“stress concentration factor”目录，以存放模型文件。

注意定期保存文件，注意不可误操作，一旦误操作，不可撤销。

1.1 进入ANSYS

开始→程序→ANSYS 14.5→Mechanical APDL Product Launcher14.5→然后在弹出的启动界面输入相应的working directory及文件名scf

如通过Mechanical APDL 14.5进入，则进入预设的working directory

working directory必须设置在电脑最后一个分区（因为教学用电脑只有最后一个分区不受系统保护）

至此ANSYS静力学分析模块启动，ANSYS在“stress concentration factor”目录下自动创建了.log、.err等必要的文件。 2.2设置计算类型

ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK 2.3选择单元类