有限元分析及应用报告-利用ANSYS软件对三角形大坝有限元分析

有限元分析及应用报告题目：利用ANSYS软件对三角形大坝有限元分析姓名：xxx学号：xxx班级：机械xxx学院:机械学院指导老师：xxx二零一五年一月2/18ANSYS2一．问题概述图示无限长刚性地基上的三角形大坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常应变单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析，并对以下几种计算方案进行比较：1）分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算；2）分别采用不同数量的三节点常应变单元计算；3）当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算求解10M6M不同划分方案试例ABC3/18ANSYS3二．问题分析由题目所给条件可知，该大坝为无限长度，即大坝长度远大于横截面尺寸，且横截面尺寸沿长度方向不变；作用于大坝的载荷平行于横截面且沿大坝长度方向均匀分布，所以该问题属于平面应变问题。因此在利用ansys软件建模分析时可以只分析其一个截面，即能得出大坝体内各处的应变和应力分布状况。三．有限元建模1．设置计算类型由问题分析可知本问题属于平面应变问题，所以选择preferences为structure。2．单元类型选定由题目可知需要分别使用三节点常应变单元和六节点三角形单元进行有限运分析。三节点常应变单元选择的类型是PLANE42（Quad4node42），该单元属于是四节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为三节点单元；六节点三角形单元选择的类型是PLANE183（Quad8node183），该单元属于是八节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为六节点单元。因研究的问题为平面应变问题，设置option选项中的Elementbehavior（K3）设置为planestrain。3．材料参数大坝常用材料混凝土的弹性模量为14~29×109N/m²，本题选为20×109N/m²，泊松比为0.10~0.18，本题选为0.15。4/18ANSYS44．几何建模按照题目所给尺寸利用ansys的modeling依次建立keypoint：1(0,0),2(6,0),3(0,10)，createLINES依次连接三个keypoint即可建立三条线，createAREAS依次选择三条线即建立了所需的三角形截面。5．网格划分划分网格时，拾取竖直和水平直角边进行SizeControl，设定NDIV为15；拾取斜边，设定NDIV为20，选择网格划分方式为Tri和Mapped。下图3-1、3-2分别为meshattribute设置为plane183和plane42的有限元网格模型。图3-1plane183网格，600个单元,1261个节点数5/18ANSYS5图3-2plane42网格，600个单元,331个节点数6．定义约束和载荷题目条件为位于刚性地基上的大坝，所以约束为水平直角边全约束，设置约束方法为点击displayment拾取水平直角边ALLDOF全约束。大坝左边直角边受到均匀变化的水压，压强公式为P=ρgh=98000−9800∗{Y}在ansys的parameter中定义该载荷函数P，在pressure选项中选择existingtable施加该载荷P即可。四．计算求解在划分网格施加载荷和约束后，点击solution的solve即可进行计算求解，结果分析时主要关注最大位移、最大应力及其位置，由于6/18ANSYS6材料为混凝土，应力云图采用第一强度应力。1.三节点常应变单元结果（600单元）图4-1三节点单元模型节点位移图，最大位移0.212mm图4-2六节点单元模型节点位移云图，最大位移0.212mm7/18ANSYS7图4-3第一强度应力分布云图，最大应力在直角部位为0.44MPa8/18ANSYS82.六节点三角形单元结果（600单元）图4-4六节点单元模型节点位移图，最大位移0.219mm9/18ANSYS94-5六节点单元模型节点位移云图，最大位移0.219mm4-6第一强度应力分布云图，最大应力在直角部位为0.67MPa3.常应变三节点单元结果（20886个单元）改变sizecontrol中的elementeaglelength为0.1，增加单元数进行分析。10/18ANSYS10图4-7三节点单元模型节点位移图，最大位移0.219mm图4-8三节点单元模型节点位移云图，最大位移0.219mm图4-9第一强度应力云图，最大应力0.77MPa4.将以上三组分析结果数据整理为如下表格：11/18ANSYS11不同单元类型、单元个数结果数据表单元类型单元数节点数最大位移(mm)最大应力MPa常应变三节点单元6003310.2120.44六节点三角形单元60012610.2190.67常应变三节点单元20886106210.2190.775选择不同的划分方案比较在初始几何模型上再建立三个keypoint:4(3,0),5(3,5),6(0，5),分别连接六个点形成题目所示的两种划分方案，在mesh的sizecontrol中将NDVI设置为1，即可得到所建几何模型对应的网格。约束为1、4、2三个keypoint全约束DOF，施加载荷同样使用载荷函数。下面是分析结果图：1）：网格划分方案一图4-10受载变形图，最大位移0.076mm12/18ANSYS12图4-11位移云图，最大位移为0.076mm13/18ANSYS13图4-12第一强度应力云图，最大应力0.14MPa2）网格划分方案二图4-13受载变形图，最大位移为0.086mm14/18ANSYS14图4-14位移云图，最大位移为0.086mm图4-15第一强度应力云图，最大应力0.06MPa将以上数据整理为表格得：网格划分方案最大位移(mm)最大应力(MPa)方案一0.0760.14方案二0.0860.06五．结果分析由以上各图和数据表可知，采用三节点和六节点的三角形单元分析计算：（1）对于前三组分析，最大位移都发生在A点，即大坝顶端，最大应力发生在B点附近，即坝底和水的交界处，且整体应力和位移变化分布趋势相似，符合实际情况；（2）由前面三组分析分析比较可知，选择同样的单元数，六节点15/18ANSYS15比三节点三角形单元网格模型结果更精确；在同一个单元类型的情况下，通过增加单元数能使结果更精确。（3）对于两种网格划分方案准确性比较，方案一的最大应力大于方案二，更接近于精确值，且在应力云图中，方案二的最大应力位于C点附近，明显和实际情况不符，所以方案一更优。另外不论是方案一还是方案二，和精确的解还是有较大的差异，所以单元数不应太少，在允许的情况下应该尽量增加单元数。六．结论和体会1.在解决一个实际工程应用问题，问题分析和简化是非常重要的一步，把次要的结构简化抹去，将空间问题在一定的条件下转换为平面应变问题，不仅使建模过程大大简化，同时能减少计算机运算时间提高设计和校核效率。2.学会手工划分网格，合适的控制网格尺寸能使分析的结果更加精确。手动调整单元数和单元类型进行分析比较，能帮助理解单元数和类型对分析结果的影响，对了解有限元思想和掌握有限元方法有重要帮助。七．附录（操作步骤）1进入ANSYS2设置计算类型ANSYSMainMenu:Preferences→selectStructural→OK3选择单元类型ANSYSMainMenu:Preprocessor→ElementType→16/18ANSYS16Add/Edit/Delete…→Add…1→selectPLANE42→APPLY→Add…2→selectPLANE183→OK→(backtoElementTypeswindow)→Close(theElementTypewindow)4定义材料参数ANSYSMainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:2.9e10,PRXY:0.15→OK5建立几何模型生成keypointANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入三个点的坐标：input:1(0,0),2(6,0),3(0,10)→OK生成lineANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Lines→lines→Straightlines→分别连接三个特征点→OK生成areaANSYSMainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Areas→bylines→分别连接三条线→OK6网格划分ANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshAttributes→Pickedareas→OK→MAT[1],TYPE[1PLANE42]ANSYSMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool→(Size17/18ANSYS17Controls)lines:Set→依次拾取两条直角边:OK→inputNDIV:15→Apply→拾取斜边:OK→inputNDIV:20→OK→(backtothemeshtoolwindow)Mesh:Areas,Tri，Mapped→Mesh→PickAll(inPickingMenu)→Close(theMeshToolwindow)7模型施加约束和载荷给底边施加全约束ANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onlines→pickthelines→OK→selectLab2:UX,UY→OK定义载荷函数Parameter→function→define/edit→下拉框选择{Y}，输入result=98000-9800*{Y}→saveParameter→function→readfromfile→打开save的文件→定义载荷为P给直角边施加x方向的分布载荷PANSYSMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines→拾取斜边；OK→在下拉列表框中，选择：Existingtable→OK→选择需要的载荷参数名P→OK8分析计算ANSYSMainMenu:Solution→Solve→CurrentLS→OK(toclosethesolveCurrentLoadStepwindow)→OK9结果显示18/18ANSYS18ANSYSMainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape…→selectDef+Undeformed→OK(backtoPlotResultswindow)→ContourPlot→NodalSolu…→select:DOFsolution,UX,UY,Def+Undeformed,Stress,SX,SY,SZ,Def+Undeformed→OK→selectSTRESS→1STprinciplestress（以上只是一组分析的步骤，其他组分析步骤与以上相同，只需修改相关参数即可）