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ANSYS有限元软件在机械类有限元课程中的应用研究

2018-11-10铁瑛侯玉亮李成孙振辉

世界家苑 2018年10期
关键词:本科教学机械工程

铁瑛 侯玉亮 李成 孙振辉

摘 要:随着工业智能化技术的快速发展,有限元的计算结果已逐渐变成各类工业产品,尤其是机械类产品在进行设计和性能分析时经常采用的方法。掌握“有限元方法”的计算原理,学会熟练运用这种高效精确的计算方法和计算手段,现在已逐渐变成高等院校机械类专业的必修课程和学生必备技能。本文介绍了有限元及其应用课程的结构以及ANSYS 的主要功能和在教学中的应用,并通过基于ANSYS 进行结构机械产品结构分析的应用实例,引导学生完成有限元模型的求解与分析。

关键词:有限元方法;ANSYS;机械工程;本科教学

1引言

1943年Courant第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合研究了St.Venant的扭转问题,这是有限元思想的初次提出,但当时没有引起人们的注意。20世纪70年代以后,随着计算机和软件技术的发展,有限元法得到了迅猛的发展[1]。

有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值方法,有限元法的优越性在于:能够分析形状复杂的结构,并且其采用的单元不限于均匀的规范网格,单元形状、大小、曲面、曲线有一定任意性;能够处理复杂的边界条件;能够保证规定的工程精度,当单元尺寸减小或插值函数的阶次增加时,有限元解收敛于实际问题的精确解;能够处理不同类型的材料,包括各向同性、正交各向同性、各向异性及复合材料以及随时间、温度变化、非均匀分布的材料。

有限元的计算结果已逐渐变成各类工业产品,尤其是机械类产品在进行设计和性能分析时经常采用的方法。因此,掌握“有限元方法”的计算原理,学会熟练运用这种高效精确的计算方法和计算手段,现在已逐渐变成高等院校机械类专业的必修课程和学生必备技能[2]。

2有限元及其应用课程结构讨论

有限元法适用于理论体系庞大、内容丰富、要求较多的先修课程,包括:高等数学,工程力学,材料力学、工程材料、数值方法、弹性力学等。同时,有限元分析方法功能强大,涵盖了结构分析、热分析、弹塑性、磁场分析和流体分析。

对于24个课时的课程来说,如果全面覆盖有限元整个理论,授课时间显然是不够的。同时,如果课程计划安排大量课时用于讲述弹性力学理论和数学理论推导,对于本科应用型人才的培养也并不适用。有限元及其应用课程,作为机械类专业的本科学生,主要的要求是使學生掌握有限元方法的基本概念和基本理论,掌握有限元分析的基本处理方法,熟悉常用有限元分析软件在实际工程中的应用。研究目的应该为掌握有限元方法的基本理论和初步应用对适应工程中的各类课题。

课程理论部分主要包括有限元方法导论、弹性力学基本知识、刚度法、弹性力学平面问题有限元法、弹性力学空间问题有限元法。课程的另一侧重点主要在有限元软件的应用上,通过课程学习让学生掌握运用有限元软件分析基本机械产品力学性能和进行机械产品结构设计的能力。

3 ANSYS软件在机械类有限元课程中的应用

随着有限元技术的发展,一批大型工程有限元分析软件得到了迅速发展,其中,ANSYS以其极大的分析功能和强度的技术支持,在世界范围内已经成为机械行业分析软件的主流[3]。为了更好的达成有限元及其应用课程的教学目标,课程紧密集合理论章节,并针对不同理论章节开展教学实例。另外,采用机房远程管理和主机同步演示功能软件,实现软件程序操作讲解和学生上机练习的同步进行。

3.1有限元法的分析求解步骤

有限元法通过对实际的物理现象进行模拟,从数值上对这些现象给出了求解结果。我们在应用有限元法时,首先要完成对所分析对象的网格划分,然后对对象施加合适的边界条件,设定分析步各个参数,最后利用求解器完成求解。

因此,ANSYS分析求解步骤可分为以下三个主要的步骤:

1)创建合理的有限元模型

(1)创建或者读入几何模型。

(2)定义材料属性。

(1)划分网格。

2)施加载荷并求解

(1)施加载荷,设定边界条件

(2)设定分析步参数,求解。

3)查看结果

(1)查看分析结果。

(2)检验分析结果。

3.2杆系结构分析

机械结构中有许多杆系结构,如起重机械和运输机械的动臂、汽车的车架、钢结构等,都是由杆件组成。通过构建线单元或杆单元,利用有限元方法,对相关结构进行建模、加载和分析的讲解。通过实例使学生学习了单元的类型、有限元刚度矩阵的作用等内容。

首先,在ANSYS软件中完成杆件结构的建模,然后寻求合适的尺寸对模型进行网格划分。其次,在杆件结构的受力出施加载荷,并在分析步中设定分析步时间和增量步时间。最后,进行求解,并获得杆件结构的应力分布结果。

3.3 平面结构有限元

机械结构中几何特征满足一个方向的尺寸比另两个方向的尺寸小的多,并且外力和约束仅平行于板面作用的模型都可以作为平面问题研究,如内燃机的连杆、直齿圆柱齿轮等。通过构建面单元或壳单元,对相关结构受力的初始分析,可以完成相关有限元分析方法的讲解。

首先,在ANSYS软件中完成平面结构的建模,然后寻求合适的尺寸对模型进行网格划分。其次,在平面结构的受力出施加载荷,并在分析步中设定分析步时间和增量步时间。最后,进行求解,并获得平面结构的应力分布结果。

3.4 三维结构有限元

机械结构中大多产品都属于三维空间结构,通过构建三维实体单元,利用有限元方法,对相关结构进行建模、加载和分析的讲解,同时,讲授了ANSYS软件的安装和分析结果的后期处理。首先,在ANSYS软件中完成三维空间结构的建模,然后寻求合适的尺寸对模型进行网格划分。其次,在三维空间结构的受力出施加载荷,并在分析步中设定分析步时间和增量步时间。最后,进行求解,并获得三维结构的应力分布结果。

4结论

本文对ANSYS有限元法在机械类课程中的应用进行了分析,并通过合理的安排有限元及其应用课程的结构,将ANSYS实例分析与有限元基本理论各部分有机结合,能够引导学生完成简单有限元模型的求解与分析,为培养高素质应用型工程技术人才奠定了良好基础。

参考文献

[1] 任重.ANSYS 实用分析教程[M].北京:北京大学出版社,2003.

[2] 杨创创,刘洪萍.“有限元法”课程的教与学[J].教育教学论坛,2013(46):93-95.

[3] 张洪伟,席军,许月梅.基于应用能力培养的本科有限元法课程的教改探讨[J].中国现代教育装备,2016(7):68-70.

(作者单位:郑州大学机械工程学院)

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