1、现代设计理论及方法现代设计理论及方法作业ANSYS、MATLAB李想机129 129054441空载、高速旋转的带轮问题描述如图为带轮的机械零件图，主要尺寸如图所示。有关此轮的机械和运动参数如下。密度为：弹性模量：E=200GPa泊松比：v=0.3转速：1000转/秒根据图的结构，该图可以分为6个相同的部分，所以在分析时只需要分析一个部分即可。分析时需注意的是为了提高计算精度，划分网格时应将自由网格划分和映射网格划分两种方法互相结合，在加载是需要注意添加对称约束才能反映整个轮子的约束状况。解：步骤1：选择单元类型图1-2图1-1选取主菜单Preprocessor-Element Type-Ad
2、d/Edit/Delete,在弹出的Element Type对话框中，单击“Add”按钮。在此选择Structure Solid 中的Brick 8node 185,单击Apply按钮确认，在单击20node 186,单击OK按钮，在单元类型对话框中单击Close按钮关闭对话框。步骤2：定义材料特性选取主菜单Preprocessor-Material-Material Models,在弹出的图2-1所示的Define Material 图2-1Mode Behavior 对话框的右边选项框中，依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic按钮；在弹出的图2-2所
3、示的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框的EX文本框中，输入“2e11”，在PRXY文本框中，输入“0.3”（定义杨氏弹性模量和泊松比）；并在Material 图2-1图2-2Models Available框中操作Structual-Density。在弹出的图2-3所示对话框中DENS文本框输入“7800”并单击OK按钮确认。图2-3步骤3：直接建模（1） 生成矩形选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Rectangle-By 2 Corners命令，在生成矩形对话框中输入：X=20
4、，Y=-10，Width=10,Heighth=20,单击Apply按钮生成一个矩形，输入X=30，Y=-5，Width=40,Heighth=10,单击Apply按钮生成另一个矩形，X=70，Y=-25，Width=10,Heighth=50,单击OK按钮生成第3个矩形。（2）所有面相加选取主菜单Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Add-Areas命令，出现拾取对话框后单击Pick All按钮。（3）倒角选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Line Fillet命令。在出现的拾取对话框后，拾取两条直线，单
5、击Apply按钮，再在弹出的倒角对话框中Fillet radius文本框内填入倒角半径“2”，单击Apply按钮。在对其他需要倒角的进行相同的操作，半径均为“2”，刷新界面，结果如图3-1所示。图3-1（4）有倒角边界生成面选择Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Arbitrary-By Lines命令，在出现的拾取对话框后，拾取因倒角二生成的两条直线和一条圆弧，单击Apply按钮。在对其他倒角处进行相同的操作，结果如图3-2所示。图3-2（5）面相减选取Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Subtract-Areas
6、命令，此时需要减去的是在图3-2中最右边的4个倒角面。出现拾取对话框后，拾取最大的平面，在单击Apply按钮，然后单击4个倒角形成的面中的任何一个，单击Apply按钮。在对其他的3个倒角生成的面进行同样的操作。（6）所有面相加选取主菜单Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Add-Areas命令，出现拾取对话框后单击Pick All按钮，结果如图3-3。图3-3（7）线相加选取主菜单Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Add-Lines命令，出现拾取对话框后，拾取右上边的2个圆角线和一条直线，单击Apply按钮，
7、再拾取右下边的2个圆角线和一条直线，单击OK按钮，合成上述线的目的是为了生成的体能使用映射网格划分方法。（8）生成旋转轴关键点选择Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints-in Active CS命令，弹出生成关键点的对话框后，在X,Y,Z Location in active CS文本框内输入（0,0,0）单击Apply按钮，再输入（0,5,0）单击OK按钮，生成两个关键点，二者连线与Y轴平行。（9）旋转生成三维模型选取主菜单Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude-Areas-About Axis命令，出现拾取框以后单击
8、Pick All按钮，接着在拾取（0,0,0）和（0,5,0）两个关键点，单击OK按钮后弹出图3-4所示的对话框，在Arc length in degree文本框中输入圆弧角度60，在No.of volume segment文本框中输入“1”，即生成的实体由一块组成，单击OK按钮关闭对话框。图3-4（10）移动并旋转工作平面选择Work Plane-Offset WP by Increment命令，在出现的Offset WP对话框中X,Y,Z Offset文本框输入（0,5,0）按Enter键，再在XY,YZ,ZX Angles文本框内输入（0,-90,0），按Enter键并单击OK按钮，工作
9、平面WZ轴将朝上，XY平面与筋的上表面重合。（11）生成部分圆环面选择Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Circle-By Dimensions命令，在图3-5所示的对话框中设置Outer radius=60，Optional inner radius=40，Starting angles=30，Ending angles=90，单击OK按钮在工作平面上生成要求的部分圆环面。图3-6图3-5（12）移动并旋转工作平面选择Work Plane-Offset WP by Increment命令，在出现的Offset WP对话框中XY,YZ,ZX Angles文本
10、框内输入（30,0,0）按Enter键，再在X,Y,Z Offset文本框输入（50,0,0）按Enter键并单击OK按钮。（13）生成圆面选择Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Circle-Solid circle命令，在图3-6所示的对话框中Radius文本框中输入“10”，单击OK按钮，生成图3-7所示。图3-7（14）两个面相加选取主菜单Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Add-Areas命令，出现拾取框后，拾取上面生成的圆环面和圆面（可长按左键并移动选取），单击OK按钮（15）拉伸生成被减部分选取主菜单P
11、reprocessor-Modeling-Operate-Extrude-Areas-Along Normal命令，出现拾取对话框后，拾取合并生成的面，单击OK按钮，在与3-8所示的对话框中设定Length of extrusion文本框值为-50，其拉伸深度以穿透肋板为准，拉伸结果如图3-9所示。图3-8图3-9（16）体相减选取主菜单Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Subtract-Volumes命令，出现拾取对话框后拾取轮的实体，单击OK按钮，再拾取刚刚拉伸生成的实体，单击OK 按钮。生成所以模型如图3-10所示。图3-10步骤4：网格划分（
12、1） 移动工作平面并用工作平面剖分体选择Work Plane-Offset WP to-Keypoint命令，出现拾取对话框后，拾取右侧面上的倒角边界点，单击OK按钮。选择Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Divide-Volu by WrkPlane命令，出现拾取框后单击Pick All按钮。同理进行右下侧面，如图4-1所示。关闭工作平面Work Plane-Display Work Plane命令。图4-1（2） 设置单元尺寸大小选取主菜单Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-ManualSize-Global-Siz
13、e命令，在单元尺寸设置对话框中设置Element edge length文本框为“2”，可以进行调整，数字越大，则网格越稀疏，计算时间也越短。（3） 采用映射网格划分网格选取主菜单Preprocessor-Meshing-Mesh Tool命令，在Mesh Tool工具条上选择Hex和Mapped，单击Mesh按钮，出现拾取框后拾取最上层和最下层的4个实体，单击OK按钮，生成网格如图4-2所示。图4-2（4） 改变单元类型选取主菜单Preprocessor-Meshing-Mesh Tool命令，单击Mesh Tool工具条中Element Attibute下的Set按钮，出现如图4-3所示的
14、属性设置对话框。在Element type number下拉列表中选择2SOLD186项，单击OK按钮。图4-3（5）设置单元尺寸大小选取主菜单Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-ManualSize-Global-Size命令，在单元尺寸设置对话框中设置Element edge length文本框为“1.8”。显示体，Plot-Volumes命令。（6）采用自由网格划分网格选取主菜单Preprocessor-Meshing-Mesh Tool命令，在Mesh Tool工具条上选择Hex和Mapped，单击Mesh按钮，出现拾取框后拾取中间的实体，单击OK按钮，生
15、成的网格如图4-4所示。图4-4（7）转变单元类型选取主菜单Preprocessor-Meshing-Modify Mesh-Change Tets命令，出现图4-5所示的对话框，在Change From下拉列表框中选择186to187项，单击OK按钮。图4-5（8）显示SOLID95的四面体单元选择Select-Entities命令，在出现的对话框中依次选择Element、By Attributes、Elem type num复选框，并在Min,Max,Inc文本框中输入“2”，单击OK按钮。显示单元Plot-Element命令，结果如图4-6所示。图4-6（9）选择全体实体和显示有限元模型
16、选择Select-Everything命令，Plot-Element命令。步骤5：求解（1）在面上施加对称约束选取主菜单Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-Symmetry B.C-On Areas命令，出现拾取框以后，拾取组成正面截面的所有平面，单击Apply按钮，再拾取组成背面截面的所有平面，单击OK按钮。施加约束后，效果如图5-1所示。图5-1（2） 施加UY方向的约束选取主菜单Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On Nodes命令，出现拾取框，可以随
17、便取一点，并单击OK按钮，弹出节点自由度约束施加对话框，在DOFs to be constrained后面的列表框中选择UY项，单击OK按钮。（3） 施加旋转角速度选取主菜单Solution-Define Loads-Apply-Structural-Inertia-Angular Velocity-Global命令，在出现的如图5-2所示的对话框中Global Cartesian Y-comp后的文本框输入角速度“1000”，单击OK 按钮。图5-2（4） 选择PCG迭代求解器选择主菜单Solution-Analysis Type-SolnContral命令，在图5-3所示的对话框中，选择标
18、签为Soln Options的选项卡，在卡中选Pre-Condition CG单选框，单击OK按钮。图5-3(5)求解选取主菜单Solution-Solve-Current LS，关闭后面出现的STATUS Command窗口，在出现的Solve Current Load Step对话框单击“OK”，求解开始，等到出现Solution is done!对话框，求解结束，单击求解结束对话框中“Close”。步骤6：后处理选取主菜单General Postproc-Plot Result-Contour Plot-Nodal Solu命令，弹出如图6-1所示的对话框后，选择Stress-Von M
19、ises stress项，单击OK按钮确定。结果如图6-2所示。图6-1图6-21 下图所示一平面结构，长杆材料为铝（Pa，），横截面积m2，两短杆材料为不锈钢（Pa，），中间短杆m2，右边短杆横截面积m2，力F=1441（1000+学号后3位）N，计算各杆的轴向力、轴向应力。解：步骤1：选择单元类型图1-2图1-1选取主菜单Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete,在弹出图1-1所示的Element Type对话框中，单击“Add”按钮；在弹出的图1-2所示的Library of Element Types 对话框左边的列表中，选“3D finits
20、tn 180”(表示选择单元Link180)，单击对话框中的“OK”按钮；在返回的Element Type对话框中，单击对话框中的“Close”按钮退出，完成单元类型的选择。步骤2：定义实常数选取主菜单Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delete，在弹出的图2-1所示的Real Constants对话框中，单击”Add”按钮；在弹出的图2-2所示的Element Type for Real Constants图2-1图2-2图2-3对话框中，单击“OK”;然后在弹出的图2-3所示的Real constant Set Number1,for LINK18
21、0对话框的AREA文本框中，输入“1e-4”,单击Apply按钮；再在图2-3所示的Real constant Set Number1,for LINK180对话框的Real Constant Set No.文本框中输入“2”，在对话框的AREA文本框中，输入“2e-4”,单击Apply按钮；再在图2-3所示的Real constant Set Number1,for LINK180对话框的Real Constant Set No.文本框中输入“3”，在对话框的AREA文本框中，输入“1e-4”,单击OK按钮；在关闭Real Constants对话框。步骤3：定义材料特性选取主菜单Prepro
22、cessor-Material-Material Models,在弹出的图3-1所示的Define Material Mode Behavior 对话框的右边选项框中，依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic按钮；在弹出的图3-2所示的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框的EX文本框中，输入“68e9”，在PRXY文本框中，输入“0.34”（定义杨氏弹性模量和泊松比）。单击图3-1所示的Define Material Mode Behavior对话图3-1框的菜单Material-New
23、Model,在出现的Define Material ID对话框中采用默认的代号2，单击“OK”退出；在Define Material Mode Behavior 对话框的右边选项框中，再次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic按钮，在弹出的Linear Isotropic Properties for Material Number 2对话框的EX文本框中，输入“206e9”，在PRXY文本框中，输入“0.3”。图3-2单击图3-1所示的Define Material Mode Behavior对话框的菜单Material-New Model,在出现的Def
24、ine Material ID对话框中采用默认的代号2，单击“OK”退出；在Define Material Mode Behavior 对话框的右边选项框中，再次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic按钮，在弹出的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框的EX文本框中，输入“206e9”，在PRXY文本框中，输入“0.3”。步骤4：直接建模（1）创建各节点选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Nodes-In Active CS,在弹出的图4-1所示的对话框的X，Y
25、，Z Location in CS后面的文本框，依次输入图示数据，单击“Apply”仍保留此对话框，即在激活的坐标系（默认的全局坐标系）原点创建了1号节点；再在此对话框的X，Y，Z Location in CS后面的文本框中，输入全局坐标系的（0.4,0,0）位置创建了2号节点（国际单位），单击“Apply”；再在此对话框的X，Y，Z Location in CS后面的文本框中，输入全局坐标系的（0.3,-0.173,0）位置创建了3号节点，单击“Apply”；再在此对话框的X，Y，Z Location in CS后面的文本框中，输入全局坐标系的（0.3,0,0）位置创建了4号节点，单击“OK
26、”退出对话框。图4-1（2）通过节点生成单元选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Elem Attributes,弹出4-2所示的Element Attributes对话框，确认对话框TYPE Element type number（单元类型号）是1，MAT Material number(材料号)是1，单击“OK”或“Cancel”退出，不需要作任何改动；选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Auto Numbered-Thru Nodes,在图形窗口分别单击1号节点和3号节点，在鼠标选取对话框E
27、lements from Nodes中单击“OK”确认并退出，即生成了表示AB杆的一个Link180单元。图4-2再选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Elem Attributes,弹出4-3所示的Element Attributes对话框，在材料号后的下拉文本框中选择材料号2，在实常数号后选择实常数2，单击“OK”退出；选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Auto Numbered-Thru Nodes,在图形窗口分别单击2号节点和3号节点，在鼠标选取对话框Elements from Nod
28、es中单击“OK”确认并退出，即生成了表示AC杆的一个Link180单元。图4-3再选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Elem Attributes,弹出4-4所示的Element Attributes对话框，在材料号后的下拉文本框中选择材料号3，在实常数号后选择实常数3，单击“OK”退出；选取主菜单Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Auto Numbered-Thru Nodes,在图形窗口分别单击4号节点和3号节点，在鼠标选取对话框Elements from Nodes中单击“OK”确认并退出，即
29、生成了表示AD杆的一个Link180单元。图4-4步骤5：求解（1） 定义分析类型选取主菜单Solution-Analysis Type-New Analysis,在出现的图5-1对话框中选择第一项“Static”,单击“OK”退出。图5-1(2) 添加约束选取主菜单Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On Nodes,在图形窗口分别单击1号节点、2号节点和4号节点，在鼠标拾取对话框中单击“OK”确认，在出现的5-2 Apply U,ROT on Nodes对话框的Lab2 DOFs to be constrained后选择“
30、ALL DOF”,在VALUE Displacement value后的文本框中输入“0”或不输任何数值，单击“OK”退出（表示限制了1号、2号和4号节点的所有自由度）。图5-2(3)添加载荷选取主菜单Solution-Define Loads-Apply-Structural-Force/Moment-On nodes,在图形窗口单击3号节点，在鼠标拾取对话框中单击“OK”确认，在出现的图5-3对话框的Lab Direction of force/mom后选择“FY”,在VALUE Force/moment value后文本框中输入“-1441”，单击“OK”退出。图5-3图5-4为求解前所
31、加的各边界条件图5-4(4)求解选取主菜单Solution-Solve-Current LS，关闭后面出现的STATUS Command窗口，在出现的Solve Current Load Step对话框单击“OK”，求解开始，等到出现Solution is done!对话框，求解结束，单击求解结束对话框中“Close”。步骤6：后处理（1） 显示变形选取主菜单General Postproc-Plot Result-Contour Plot-Nodal Solu，在出现的图6-1所示的Contour Nodal Solution Data对话框的Item to be contoured中选择“Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vector sum”(表示显示的是节点的总变形)，在Undisplaced shape key下拉框中选择“User Specified”,在此下拉框后面的文本框中输入“1000”（显示放大1000倍的变形结果，加入未变形的模型边界作为比较），单击“OK”退出。图6-1变形图（2） 显示轴向力选取主菜单General Postproc-Plot Result-Contour P
