长江大学机械专业 CAD CAE课程设计

CAD/CAE软件实践

课程设计

专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械11001班 序 号： 27 姓 名： 夏忠伟 指导教师： 魏巍、王利成

起止日期：2014年2月18日 至3月9日

第一题（平面问题）：

1

如图所示零件，所受均布力载荷为q,分析在该作用力下的零件的形变和应力状况，本题简化为二维平面问题进行静力分析，零件材料为Q235。

序号 27 数据（长度单位mm，分布力单位N/cm） A 272 B 58 C 142 D Ф58 q 240 （1） 前处理

步骤一 创建几何实体模型 1.生成关键点。

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints >in Active CS 输入节点1(0,0) 点Apply

依次输入2(120,96） 3(272,96） 4（272，150） 5（0，150） 输完点OK

2.连线

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines >Straight Line 用光标点1，2点，连成直结；再依次点击（2, 3），（3，4），（4，5）连完点“OK”

2

3.生成一个面。

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary >By lines 点击6条线段，结果如图：

4，生成两个圆 建立左边的大圆

MainMenu>Proprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circles. 输入: WPX=50 WPY=100 RADIUS=30点Apply 建立右边的小圆

MainMenu>Proprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circles. 输入: WP X=178 WPY=122 RADIUS=15点OK

5在总体中减去2个圆

Main Menu>Proprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract> Areas, 弹出对话框中后，用光标先点基体(即总体，此时总体颜色变红），点“OK”，再点左边的大圆和右边的小圆，再点“OK” ，结果如图

3

步骤二 进行单元属性定义

1定义单元类型。

Main Menu>Proprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete 弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和“8 node 82”,点“OK”，退回到前一个对话框。

2.设置单元选项

点“Element Type”对话框中的“Options”

K3 处选：Plans strs (表示选平面应力单元没有厚度) K5处选：Nodal stree(表示需要额外输出单元节点应力) K6处选：No extra output.

3.定义实常数

Main Menu>Preprocessor>Real constants>Add/edit/delete在弹出的对话框中选Add再选Type1d，“THK”值输入“5”，点OK

4.定义材料属性

Main Menu>Proprocessor>Material Props>Material Models. 弹出对话框，双击Structural>Liner>Elastic>Isotropic。输入弹性模量21000和泊松比0.3，点OK

4

步骤三 对整个图形进行网格划分。 １. 定义网格(单元)尺寸 Main Menu>Proprocessor>Meshing>Size Cntrls>Manual Size>Areas> All Areas, 弹出对话框，输入单元边长为: 3

2. 划分网格

Main Menu>Proprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free, 弹出对话框，点“Pick All” 结果如图：

5

步骤四 对整个图形施加约束

Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structual Displacement>On lines弹出对话框。用光标点击线段（1,6），“OK ” ,弹出对话框。选“All DOF” ,VALUE 栏中输入0 。

结果如下图：

步骤五 对右边矩形单元定义载荷。

Main Menu >Solution> Define Loads >Apply >Structural > Pressure > On Lines,

选择需要加分布力的直线,如下图所示

6

在弹出的对话框中输入所加分布力的大小“26”（N/mm）,点ok。结果如图：

步骤六 求解

Main Menu >Solution> Solve >Current LS

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（2） 后处理

1. 查看总体变形

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Deformed shape选择Def+undeformed 则会出现变形前后的图形

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2查看位移分布图

Main Menu >GeneralPostproc >PlotResults >Contour Plot>Nodal Solu,在弹出的对话框中选：Nodal Solution> DOF Solution > Displacement vector sum

3. 查看应力分布图

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress或1st Principal stress

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4. 查看应力和形变列表数据

应力情况Main Menu >General Postproc >List Results >Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress 显示下列数据

形变情况Main Menu >General Postproc >List Results >Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> DOF Solution>Displacement vector sum

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显示下列数据

5. 结果分析

a.通过查看位移云图可知，远离固定约束的最末端形变量最大，这和理论

分析相符合；

b. 查看应力云图得知，在平板下端的拐点处应力最为集中，是需要进行强

度校核的。

第二题（简单三维问题）：

卷扬机卷筒心轴的材料为45钢，轴的结构和受力情况如下图所示。请先用材料力学计算公式校核心轴的强度；然后利用有限元软件对模型进行有限元分析；并最后对两者的结果进行比较分析。

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序号 36 27 数据（长度单位mm，力单位KN） A 210 200 B 940 950 C 92 92 D 102 102 E 90 86 F 20 25

材料力学公式分析过程：

模型简化:

2 A 1 1 3 3 4 4 B

2 由静力平衡方程求出支座反力 竖直方向：FRA+ FRB=2F

以A为距心：225F+1150F=1265FRB

联系方程组解得：FRA=31.96 KN FRB=38.04 KN 从而可得:

在1-1截面处: M1=7.191KN.M 在2-2截面处:M2=5.4332KN.M

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在3-3截面处:M3=7.0238KN.M

在4-4截面处:M4=4.379KN.M

由上数据可见，弯矩最大在1处，但2、3处直径变小，所以需校核1、2、3三处。

132M1377.824Mpad1232M2332M3

Ansys 软件分析： (1)前处理

步骤一 创建几何实体模型 1.创建关键点

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints >in Active CS 输入节点1 (0,0) 点Apply 再依次输入2（0,46），3（100,46），4（100,45.5），5（220,45.5），6（220,49），7（275,49），8（330,49），9（330,46），10（1145,46），11（1145,49），12（1200,49），13（1255,49），14（1255,52），15（1265,52），16（1265,40），17（1365,40），18（1365,0）

2.连线

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines >Straight Line选中1,2点Apply,依次连接18个点。

3.建面

Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary >By lines 选中所有线段，点击OK 结果如图：

3d23373.440Mpa

d91.877Mpa许用强度是100Mpa，截面3受到的弯曲应力最大,因此截面3是危险截面。

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4.旋转

Main Menu>Proprocessor> Modeling>Operate>Extrude>Areas >About Axis, 弹出对话框中后，点面积,OK，再点对称线（1,18）,OK在弹出的对话框中输入ARC“360”点ok

步骤二 进行单元属性定义 1定义单元类型。

Main Menu>Proprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete

弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和brick“8 node 45”,点“OK”，退回到前一个对话框。 2.设置单元选项

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点“Element Type”对话框中的“Options”

K5处选：Nodal stree(表示需要额外输出单元节点应力) 3.定义材料属性

Main Menu>Proprocessor>Material Props>Material Models. 弹出对话框，双击Structural>Liner>Elastic>Isotropic。输入弹性模量210000和泊松比0.3 点击OK。

步骤三.对整个图形进行网格划分 １. 定义网格(单元)尺寸

Main Menu>Proprocessor>Meshing>sizecntrls>smartsize>basic在弹出的对话框中选择LVL“5” 2. 划分网格

Main Menu>Proprocessor>Meshing>Mesh>Volumes>Free, 弹出对话框，点“Pick All”

步骤四 对整个图形施加约束

1．Main Menu >Solution> Define Loads >Apply >Structural>Displacement > On

Areas,

选最左边端面，OK，在对话框中选择ALL DOF，VALUE输入0点

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OK

同样方法选择右边端面，UY和UZ，VALUE输入0

步骤五 加集中力

Main Menu >Solution> Define Loads >Apply >Structural > Force/Moment> On keypoints,选择关键点7，输入Y方向的力-35000N，同样的方法，选择关键点12，输入Y方向的力-35000N

步骤六 求解

Main Menu >Solution> Solve >Current LS

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（3） 后处理

1．查看总体变形

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Deformed shape 选择Def+undeformed

2．查看位移分布图

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solu,

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在弹出的对话框中选：Nodal Solution> DOF Solution > Displacement vector sum

3. 查看应力分布图

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress或1st Principal stress

4. 查看应力和形变数据 应力情况

Main Menu >General Postproc >List Results >Nodal Solution, 在弹出的

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对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress 显示下列数据

5. 结果分析

a.通过查看位移云图可知，第四轴段中心偏左位置变形量最大； b. 查看应力云图得知，在加载集中力附近的轴段的截面上出现集中应力，

而轴的两端由于受到约束，集中应力较大；

c.通过比较ANSYS分析方法和材料力学计算结果发现，结论是一致的，第

三轴段和第四轴段的临界位置也就是材料力学模型中的截面3出现了最大的应力，因而需要进行强度校核。

第三题（常见零件）：

一、如图所示零件，工作时该零件由图示4个螺栓（沉孔位置）固定，两Φ34孔中装有一轴，轴产生向上作用力为F，零件材料为Q235，图中长度单位为mm。建立三维实体模型，采用静力分析该零

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件的变形和应力状况。

序号 27 数据（长度单位mm，力单位N） A Ф50 B Ф35 C Ф30 D Ф25 E 22 F 2000 (1)前处理

步骤一 创建几何实体模型

1.在Pro/Engineer5.0中构建模型并保存为IGS文件 2.用ANSYS导入IGS文件。

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步骤二 进行单元属性定义 1定义单元类型。

Main Menu>Proprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete

弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和brick“8 node 45”,点“OK”，退回到前一个对话框。 2.设置单元选项

点“Element Type”对话框中的“Options”

K5处选：Nodal stree(表示需要额外输出单元节点应力) 3.定义材料属性

Main Menu>Proprocessor>Material Props>Material Models. 弹出对话框，双击Structural>Liner>Elastic>Isotropic。输入弹性模量210000和泊松比0.3点击ok。

步骤三 对整个图形进行网格划分 １. 定义网格(单元)尺寸

Main Menu>Proprocessor>Meshing>Size Cntrls>smart Size>basic, 弹出对话框，输入单元边长为: 3

2.划分网格

Main Menu>Proprocessor>Meshing>Mesh>Volumes>Free, 弹出对话框，点“Pick All”

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步骤四 对整个图形施加约束

定义位移约束(对四个螺栓约束)

Main Menu >Solution> Define Loads >Apply >Structural>Displacement > On Areas,

在弹出对话框中选Circle ，以小孔中心为圆心 画圆,，将圆周边刚好划入, OK.。在弹出的对话框中选全约束, 输入值为:0。用同样的方法,对其它三个孔加全约束.。

步骤五 加载荷

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Main Menu >Solution> Define Loads >Apply >Structural > Force/Moment > On Nodes ,选取要加载的节点. 点OK。 弹出对话框后,输入值8000/21，点OK

步骤六 求解

Main Menu >Solution> Solve >Current LS

（2）后处理

1. 查看总体变形

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Deformed shape

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2查看位移分布图

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solu, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> DOF Solution > Displacement vector sum

3.查看应力分布图

Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress

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4. 查看应力和形变数据应力情况

Main Menu >General Postproc >List Results >Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress 显示下列数据

5. 结果分析

a.通过查看位移云图可知，两个孔由于受到轴向上的挤压，变形量最大； b. 查看应力云图得知，离轴最近的并且受到约束的三个沉孔螺纹孔出现了

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较大的集中应力，同时，受轴向上挤压的两个孔应力很大很集中。

二、如图所示轴，工作时所受扭矩为T，轴材料为45# 钢，图中长度单位为mm。建立三维实体模型，采用静力分析其变形和应力状况。（提示：两键槽传递扭矩）

序号 27 数据（长度单位mm，扭矩单位N.m） A Ф50 B Ф35 C Ф30 D Ф25 E 22 T 2000 (1)前处理

步骤一 创建几何实体模型

1.在Pro/Engineer5.0中构建模型并保存为IGS文件

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2.用ANSYS导入IGS文件。

步骤二 定义单元类型

Main Menu>Proprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete 弹出对话框中后，点“Add” 。双弹出对话框，选“Solid”和brick“8 node 45”,点“OK”，退回到前一个对话框。

步骤二 定义材料属性

Main Menu>Proprocessor>Material Props>Material Models. 弹出对话框，双击Structural>Liner>Elastic>Isotropic。输入弹性模量210000和泊松比0.3

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步骤三 划分网格

1 Main Menu>Proprocessor>Meshing>Size Cntrls>smart Size>Basic, 弹 ○

出对话框,选“3，并点OK.

2 Main Menu>Proprocessor>Meshing>Mesh>volumes>Free, 弹出对话○

框，点“Pick All”。所得结果如图：

步骤四 对整个图形施加约束

Main Menu >Solution>Define Loads >Apply >Structural >Displacement >On areas, 选中左边的键槽一个约束的面及内圆弧面，弹出下面的对话框中, 分别选择UX,UZ,并输入数值0，点OK。另外，对右边外圆表面进行径向约束也即UX输入数值0.

步骤五 加载荷

Main Menu >Solution> Define Loads >Apply >Structural > pressure> On areas，弹出对话框，选择对应的面，点“OK”，输入2000，点OK.

步骤六 求解

Main Menu >Solution> Solve >Current LS

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(2)后处理

1 查看总体变形：Main Menu >General Postproc >Plot Results > Deformed shape

2 查看位移分布图： Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solu, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> DOF

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Solution > Displacement vector sum

3 查看应力分布图： Main Menu >General Postproc >Plot Results > Contour Plot>Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress

4. 查看应力和形变数据应力情况:

Main Menu >General Postproc >List Results >Nodal Solution, 在弹出的对话框中选：Nodal Solution> Stress >von Mises stress 显示下列数据

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5. 结果分析

a.查看位移云图可知，轴由于受到扭矩作用，在轴的末端变形量最大； b. 通过查看应力云图得知，第三轴段和第四轴段应力最为集中，临界处出

现了最大应力。

课程设计小结

为期两周的CAD/CAE课设结束了，虽然以前也学过有限元分析这门课程，

但这次Ansys软件实习是一次系统的，完整的接触Ansys对力学问题受力位移分析的全过程。

通过这次的课程设计，我对Ansys软件的利用有了切身的体会。软件并不像我原所想的那样十分神秘，而是有着一个相对固定的模式和流程。在学习的过程中，我觉得自己的知识面还是有欠缺的。需要在以后的学习中加以注意，要全面的提高自己的知识层次。在加载力的过程中，我体会到计算应力是十分辛苦的。但在这种看似枯燥的过程中，我的软件应用水平有了一定程度的提高。这是课程设计中我最大的收获。以前学习计算机语言，总是静不下心来，不能认真的看书。这次课程设计，为了顺利的完成每个题目，我认真地学习了Ansys软件的应用，在图书馆借了相关书籍，并有了一定的心得体会，所以在以后的学习中，自己全身心的投入，这样的学习才会有效率，才会有效果。

从开始画点到可以进行三维实体建模，对网格划分、施加载荷和求解、后处理也有了一些了解。在做题的过程中遇到了不少问题，基本上通过查书籍、在网上找资料、请教别的同学就可以解决了。过程是最重要的。这次软件实习提升了自己学习新知识，解决新问题的能力。也认识到所学理论一定要联系实际，这样我们才能认识到自己的不足。

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