《有限元基础教程》_【ANSYS算例】642及6428万吨模锻液压机主牌坊的分析(GUI)及命令流

【ANSYS算例】6.4.2(1)8万吨模锻液压机主牌坊的分析(GUI)取8万吨模锻液压机的中间牌坊主框架(将承受4万吨压力)作为计算模型，作为一个应用算例，这里将该中间牌坊简化为一个二维计算模型，并进行初步的分析。参数取为12.25mR，24.5mR，H=17m，D=3.4m（厚度），取材料参数E＝2.1×1011Pa，μ＝0.3，这里仅考虑工作状态，即在垂直方向上承受400MN的压力，则在上、下拱梁的内表面上有均布压力p=4×108/（4.5×3.4）Pa。图6-108万吨模锻液压机主牌坊的几何及外载情况(简化为2D模型)解答计算模型见图6-10，对该问题进行有限元分析的过程如下。(1)进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory（设置工作目录）→Initialjobname（设置工作文件名）：Press→Run→OK(2)设置分析特性ANSYSMainMenu：Preferences…→Structural→OK(3)定义单元类型ANSYSMainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add…→Solid:Quad4node42→OK（返回到ElementTypes窗口）→Options…→K3：PlaneStrsw/thk（带厚度的平面应力问题）→OK→Close(4)定义材料参数ANSYSMainMenu：Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic：EX：2.1e11（弹性模量），PRXY：0.3（泊松比）→OK→点击该窗口右上角的“×”来关闭该窗口(5)定义实常数以确定平面问题的厚度ANSYSMainMenu：Preprocessor→RealConstants…→Add/Edit/Delete→Add→Type1PLANE42→OK→RealConstantSetNo：1（第1号实常数），THK：3.4（平面问题的厚度）→OK→Close（6）生成几何模型生成上拱形梁ANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→NPTKeypointnumber：1，X，Y，ZLocationinactiveCS：-4.5，8.5→Apply→同样输入后5个特征点坐标（坐标分别为（-2.25，8.5），（2.25，8.5），（4.5，8.5），（0，13），（0，10.75））→OK→Lines→Lines→StraightLine用鼠标分别连接特征点1，2和3，4生成直线→OK→Arcs→ByEndKPs&Rad→用鼠标点击特征点2，3→OK→用鼠标点击特征点6→OK→RADRadiusofthearc：2.25→Apply（出现Warning对话框，点Close关闭）→用鼠标点击特征点1，4→OK→用鼠标点击特征点5→OK→RADRadiusofthearc：4.5→OK（出现Warning对话框，点Close关闭）→Areas→Arbitrary→ByLines→用鼠标点击刚生成的线→OK生成下拱形梁ANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→NPTKeypointnumber：7，X，Y，ZLocationinactiveCS：-4.5，-8.5→Apply→同样输入后5个特征点坐标（坐标分别为（-2.25，-8.5），（2.25，-8.5），（4.5，-8.5），（0，-13），（0，-10.75）→OK→Lines→Lines→StraightLine→用鼠标分别连接特征点7，8和9，10生成直线→OK→Arcs→ByEndKPs&Rad→用鼠标点击特征点8，9→OK用鼠标点击特征点12→OK→RADRadiusofthearc：2.25→Apply（出现Warning对话框，点Close关闭）→用鼠标点击特征点7，10→OK→用鼠标点击特征点11→OK→RADRadiusofthearc：4.5→OK（出现Warning对话框，点Close关闭）→Areas→Arbitrary→ByLines→用鼠标点击刚生成的线→OK生成两根立柱ANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→By2Corners→WPX：-4.5，WPY：-8.5，Width：2.25，Height：17→Apply→WPX：2.25，WPY：-8.5，Width：2.25，Height：17→OK粘结所有面ANSYSMainMenu：Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Glue→Areas→Pickall（7）网格划分ANSYSUtilityMenu：PlotCtrls→Numbering→LINE：On，→OK（显示线的编号）ANSYSMainMenu：Preprocessor→Meshing→MeshTool→位于SizeControls下的Lines：Set→ElementSizeonPicked…：1，2，5，6→Apply→NDIV：4（每一条线分为4段）→Apply→ElementSizeonPicked…：17，18，19，20→Apply→NDIV：20（每一条线分为20段）→Apply→ElementSizeonPicked…：3，4，7，8→Apply→NDIV：10（每一条线分为10段）→OK→Shape：Mapped→Mesh→Pickall（8）模型施加载荷和约束在上下拱梁内侧施加工作载荷ANSYSMainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines→ApplyPRESonLines：4，8→OK→VALUE：4e8/(4.5*3.4)→OK在左立柱左下角节点加X和Y两个方向的约束ANSYSUtilityMenu：Select→Entities...→Nodes（第1个方框中）→ByLocation（第2个方框中）→Xcoordinates→-4.5→Apply→Reselect→Ycoordinates→-8.5→OK（返回到Structural窗口中）→Displacement→OnNodes→Pickall→Lab2：AllDOF→OKANSYSUtilityMenu：Select→Everything在右立柱右角节点加Y方向的约束ANSYSUtilityMenu：Select→Entities...→Nodes（第1个方框中）→ByLocation（第2个方框中）→Xcoordinates→4.5→Fromfull→Apply→Reselect→Ycoordinates→-8.5→OK（返回到Structural窗口中）Displacement→OnNodes→Pickall→Lab2：UY→OKANSYSUtilityMenu：Select→Everything（9）分析计算ANSYSMainMenu：Solution→Solve→CurrentLS→OK（10）结果显示ANSYSMainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→Deformedshape…→Defshapeonly→OK（返回到PlotResults）→ContourPlot→NodalSolu→Stress→vonMisesstress→OK（还可以继续观察其他结果）（11）退出系统ANSYSUtilityMenu：File→Exit…→SaveEverything→OK（12）计算结果验证按以上计算方案，可得到最大的VonMises等效应力和最大的Y方向应力分别为：48.9MPa、33.4MPa，等效应力与Y方向应力分布分别如图6-11(a)、(b)所示。(a)VonMises等效应力(Pa)(b)Y方向(垂直方向)的应力(Pa)图6-118万吨模锻液压机主牌坊的计算结果为验证计算结果，以立柱为对象，假设其受均布载荷，Y方向(垂直)应力为：400MN/（2×2.25×3.4）=26.1MPa，可见与上右图相吻合。可以看出，主牌坊的立柱都处于承受拉应力的状态，最大值达到33.4MPa，这对材料提出了较高的要求；一种改进方式就是在机架的外圈采用钢丝缠绕技术来施加预紧力，以此来抵消液压机工作时所产生的拉应力，使得机架处于完全的压应力状态，这将完全改善机架的应力状态，有关的计算见本章的习题。【ANSYS算例】6.4.2(2)8万吨模锻液压机主牌坊的参数化建模与分析(命令流)ANSYS中的APDL可以实现参数化设置，基于8万吨模锻液压机的中间牌坊主框架(将承受4万吨压力)的有限元分析，给出相应的参数化设置操作过程。解答给出参数化建模与分析的命令流。(1)如果希望将拱梁的半径和立柱高度设为参数（每个变量不超过8个字符）：beam_R1=2.25beam_R2=4.5stud_H=17(2)如果希望将牌坊的厚度设为参数：stud_D=3.4(3)将弹性模量和泊松比设为参数：e_modu=2.1e11prxy_Poi=0.3(4)将每边的单元分段设为参数：立柱短边:line_div1=4立柱长边:line_div2=20拱梁圆弧:arc_div1=10(5)将外载值设为参数：pressure=4e8/(4.5*3.4)完整的命令流如下：!%%%%%%%%[ANSYS算例]6.4.2(2)%%%%%begin%%%%%%!------注：以下命令流中的符号$，表示可将多行命令流写成一行-----------/prep7!进入前处理/PLOPTS,DATE,0!设置不显示日期和时间!=====进行参数化建模的参数设置beam_R1=2.25!设置拱梁的内半径beam_R2=4.5!设置拱梁的外半径stud_H=17!设置立柱的高度stud_D=3.4!设置牌坊的厚度e_modu=2.1e11!弹性模量prxy_Poi=0.3!泊松比line_div1=6!立柱短边划分单元份数line_div2=40!立柱长边划分单元份数arc_div1=20!拱梁圆弧划分单元份数pressure=4e8/(4.5*3.4)!工作载荷!=====设置单元和材料ET,1,PLANE42!定义单元类型（PLANE42）KEYOPT,1,3,3!带厚度的平面应力问题MP,EX,1,e_modu!定义弹性模量MP,NUXY,1,prxy_Poi!定义泊松比R,1,stud_D,!设置实常数!=====进行几何建模!基于几何参数定义上拱梁的6个关键点K,1,-1*beam_R2,0.5*stud_H,,K,2,-1*beam_R1,0.5*stud_H,,K,3,beam_R1,0.5*stud_H,,K,4,beam_R2,0.5*stud_H,,K,5,0,beam_R2+0.5*stud_H,,K,6,0,beam_R1+0.5*stud_H,,!-----连接上拱梁的线，并生成上拱梁的面L,1,2$L,3,4!连接两点生成直线LARC,1,4,5,beam_R2,!生成半径为beam_R2的半圆弧LARC,2,3,6,beam_R1,!生成半径为beam_R1的半圆弧AL,1,2,3,4!选择线生成半圆环面!基于几何参数定义下拱梁的6个关键点K,7,-1*beam_R2,-0.5*stud_H,,!定义关键点K,8,-1*beam_R1,-0.5*stud_H,,K,9,beam_R1,-0.5*stud_H,,K,10,beam_R2,-0.5*stud_H,,K,11,0,-1*(beam_R2+0.5*stud_H)