現(xiàn)代設計方法 止動墊圈有限元分析

1、現(xiàn)代設計方法課程訓練任務書學院機械工程學院專業(yè)機械設計制造及自 動化學生姓名張晟班級、學號0901013332訓練報告題目現(xiàn)代設計方法課程設計技術參數、內容及要求：一、有限元課程訓練學習CAE軟件ANSYS，主要上機練習有（1）連桿的靜力學分析（2）桁架的有限元分析（3）梁與曲軸結構的內力計 算（4）壓力容器的靜力學分析（5）機翼模型的模態(tài)分析（6）壓桿穩(wěn)定臨界載 荷計算（7）過盈配合與拔銷耦合分析由學生通過調研，在工廠、企業(yè)或科研單位進行工程實踐的基礎上，結 合實際需要自己擬定的題目。二、優(yōu)化課程上機調試優(yōu)化計算程序，并結合工程實際自找算例進行計算。 主要上機練習有：（1）二次插值法（2）P

2、owell法 （3）懲罰函數法進度安排：一、有限元上機（20學時）第1次上機（4學時）：學習ANSYS軟件，作練習1、2； 第2次上機（4學時）：學習ANSYS軟件，作練習3、4； 第3次上機（4學時）：學習ANSYS軟件，作練習5、6； 第4次上機（4學時）：學習ANSYS軟件，作練習7； 第5次上機（4學時）：自擬題目上機。二、優(yōu)化設計上機（12學時）優(yōu)化計算程序的調試及計算算例注：利用業(yè)余時間撰寫課程設計說明書。指導教師（簽字）：安曉衛(wèi)2012年6月9日教研室主任（簽字）安曉衛(wèi)2012年6月9日現(xiàn)代設計方法課程訓練原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:本課程設計的所有工作，是在導師的指導下，由作者本人

3、獨 立完成的。有關觀點、方法、數據和文獻的引用已在文中指出，并與參考文獻相 對應。除文中已注明引用的內容外，本報告不包含任何其他個人或集體已經公開 發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均己在文中以明確 方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。作者（簽字）：日 期： 年 月 日有限元簡介有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將 求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單 元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的 滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是 準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替

4、。由 于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高， 而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單 元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產生并得到了應用，例如 用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一 種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似 方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性 和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經過短短數 十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅 速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，做 為一種豐富多彩、應用廣泛

5、并且實用高效的數值分析方法。有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它 的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結 構力學計算有限元概念的克拉夫教授形象地將其描繪為：“有限 元法=Rayleigh Ritz法+分片函數，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。不同于求解滿足整個定義域邊界條件的允許函數的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數定義在簡單幾 何形狀的單元域上，且不考慮整個定義域的復雜邊條件，這是有 限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。對于不同物理性質和數學模型的問題，有限元求解法的基本 步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。有限

6、元求解 問題的基本步驟通常為：第一步：問題及求解域定義：根據實際問題近似確定求解域 的物理性質和幾何區(qū)域。第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小 和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習慣上稱為有限 元網絡劃分。顯然單元越?。ňW絡越細）則離散域的近似程度越 好，計算結果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域 的離散化是有限元法的核心技術之一。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通 ?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為 適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。第四步：單元推導：對單元構造一個適合的近似解，即推導 有限單元的列式，

7、其中包括選擇合理的單元坐標系，建立單元試 函數，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關系，從而形成單 元矩陣。為保證問題求解的收斂性，單元推導有許多原則要遵循。 對工程應用而言，重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩 的危險，將導致無法求解。第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的聯(lián)合方程組， 反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數的連續(xù)性要滿足 一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結點進行，狀態(tài)變量及其導 數（可能的話）連續(xù)性建立在結點處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結果解釋：有限元法最終導致聯(lián) 立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代

8、法和隨機法。求 解結果是單元結點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結果的質量， 將通過與設計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復 計算。簡言之，有限元分析可分成三個階段，前置處理、計算求解 和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網絡劃分； 后置處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解 計算結果。有限元分析創(chuàng)建一個止動墊圈由一個長方體和兩個圓環(huán)構成2 .建立幾何結構定義矩形在ANSYS中有幾種創(chuàng)建幾何模型的方法，較其它軟件 更為方便。第一步首要的是確認能夠簡單地利用矩形和圓的 組合來構造支架。首先確定坐標原點的位置然后根據該原點來定義矩形 和圓。原點的位置是任意的，這里用的

9、是左上側孔的中心。 ANSYS不需要知道原點的位置，只是簡單地從定義一個矩 形開始。Main Menu： Preprocessor-Modeling-Create-Areas-RectangleBy Demensionso輸入X1=0（注意：使用鍵盤上的Tab鍵或用鼠標左鍵來 實現(xiàn)光標在編輯框中的切換），3 .按下Apply按鈕創(chuàng)建第一個矩形。4改變工作平面為極坐標并創(chuàng)建第一個圓1. Utility Menu： PlotCtrlsPan, Zoom, Rotate。按下小圓點按鈕使圖形縮小。按下Close按鈕關閉對話框。Utility Menu: WorkPlaneDisplay WorkPl

10、ane （選中）。注意：工作平面原點立即在圖形窗口中被畫出，并用符號 WX和WY來表示；而且是與以符號X和Y表示的球面原 點相重合。接下來的工作是將工作平面類型改為極坐標，更 改捕捉量并顯示網格。Utility Menu： WorkPlaneWP Settings。選中Polar選項。選中 Grid and Triad選項。在Snap Incr后的編輯框中輸入數值0.1。按下OK按鈕。Main Menu： Preprocessor-Modeling-Create-Areas-CircleSolid Circle o在窗口中WPX和WP Y后的編輯框中分別輸入圓心坐 標數值，或選擇圖形窗口中圓形

11、網格的中心點，這兩種 操作的目的都是確定所要創(chuàng)建圓的圓心。在Radius后的編輯框中單擊鼠標左鍵并輸入數值作為 圓的半徑。按下OK按鈕關閉對話框。Toolbar： SAVE_DB。5按照上述步驟創(chuàng)建第二個圓除了坐標需要修改意外其余的 步驟按照上一個圓的步驟即可。6將多個面積合成為一個Main Menu： Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-AddAreas o按下選擇菜單上的Pick All按鈕（選擇所有待組合面 積）。Toolbar： SAVE_DB7創(chuàng)建圓角創(chuàng)建圓角線條Utility Menu： PlotCtrlsNumbering o將“Line

12、 numbers后的復選框選中。按下OK鍵，關閉對話框并自動進入重新繪圖狀態(tài)。Utility Menu： WordPlaneDisplay Working Plane （關閉）Main Menu： Preprocessor -Modeling-Create -Lines-Line Fillet。用鼠標選擇L8和L17兩條線。按下選擇菜單上的OK鍵完成線條的選擇。再RAD后的編輯框中輸入半徑值0.4。按下OK鍵。Utility Menu： PlotLines o8創(chuàng)建圓角面積Utility Menu： PlotCtrlsPan，Zoom, Rotateo按下Zoom按鈕。單擊并拖動鼠標左鍵拖出一

13、個矩形框（將圓角包括在 內）后再擊一下鼠標左鍵，使的圓角部分放大顯示。Main Menu： PreprocessorCreate-Areas-ArbitraryBy Lines。選擇線條L1, L4, L5。按下選擇菜單上的OK鍵。按下 Pan-Zoom-Rotate 窗 口中的 Fit 按鈕。關閉對話框。Utility Menu： PlotAreasoToolbar： SAVE_DBo將所有面積組合為一個Main Menu： Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-AddAreas。按下選擇菜單上的Pick All按鈕，或在圖形窗口中用鼠 標拖動的方法選

14、擇所有要組合在一起的面積。Toolbar： SAVE_DB。創(chuàng)建第一個圓孔1. Utility Menu： WorkPlaneDisplay Working Plane。-Modeling-Create-Areas-CircleSolid Circle。在WPX和WP Y后的編輯框中分別輸入數值大圓的圓 心坐標值作為圓心坐標。在Radius后的編輯框中輸入數值0.4作為圓的半徑。按下OK按鈕關閉對話框創(chuàng)建第二個圓孔1. Utility Menu： WorkPlaneOffset WP toGlobal Oringin。2 Main Menu： Preprocessor-Modeling-Cre

15、ate-Areas-CircleSolid Circle。3.在WPX和WP Y后的編輯框中分別輸入數值0作為圓 心坐標。輸入數值0.4作為圓的半徑。按下OK按鈕關閉對話框。6 Utility Menu： WorkPlaneDisplay Working Plane。Replot。8 Utility Menu： PlotLines o9. Toolbar： SAVE_DB從支架上刪除圓孔Main Menu： Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-SubtractAreas。用鼠標選擇支架面積作為將要執(zhí)行挖除操作的基底面積。按下選擇菜單上的Apply按鈕。

16、用鼠標單擊兩個小圓孔作為要挖除的面積。定義材料特性Main Menu： PreprocessorMaterial PropsMaterial Models o 在材料特性定義窗口中選擇：Structural LinearElastiIsotropic。在EX欄內輸入200e7 （楊氏彈性模量）。在NUXY欄內輸入0.27 （泊送比）。按下OK按鈕完成操作并關閉對話框。14.產生網格設置優(yōu)先權Main Menu： Preferences在彈出的對話框中將“Structural選項選中。按下OK按鈕完成操作并關閉對話框。定義單元類型及其選項Main Menu： PreprocessorElemen

17、t TypeAdd/Edit/Delete。按下Add按鈕來打開添加單元類型對話框。從左側列表中選擇Structural Solid。在右側列表中選擇8-Noded Quad （PLANE82）。5按下OK按鈕完成操作并關閉該對話框按下Element Typ（單元類型）窗口中的Options按鈕， 打開更改選項對話框。在第一個（K3后的）下拉列表中選擇Plane Strs w/Thk 項。按下選項對話框中的OK按鈕完成操作并關閉對話框。8關閉單元類型對話框15定義常數Main Menu： PreprocessorReal Constants o按下Add按鈕。在出現(xiàn)的 Element Type

18、 for Real Constants 窗口中，選擇 單元類型Type 1 PLANE82，并按下OK按鈕。在THK編輯框內輸入厚度值0.5 o按下OK按鈕關閉對話框。16進行網格劃分Main Menu： PreprocessorMesh Tool。按下Mesh Tool窗口中的Global后的Set按鈕。在Global Element Sizes窗口中，在SIZE后的編輯框中 輸入數值0.5作為單元邊長。按下OK按鈕。在下拉列表中選擇Areas。按下Mesh按鈕。按下選擇菜單上的Pick All按鈕。8.17施加載荷一一求解階段的開始應用位移約束條件位移約束可以直接加在線條上。1. Main

19、 Menu : Solution 一 Define Loads 一 Apply 一Structural一Displacement一On Lines。壓力載荷1 . Main Menu : Solution Define Loads 一 Apply 一Structural一Pressure一On Lines。選擇右下角小圓左下角的折線。按下選擇菜單中的Apply按鈕。在Apply PRES on lines窗口的上面一行編輯框內輸入20。在Apply PRES on lines窗口的下面一行編輯框內輸入 200。按下對話框中的Apply按鈕。選擇右下角小圓的右下角的折線。按下選擇菜單中的Appl

20、y按鈕。在Apply PRES on lines窗口的上面一行編輯框內輸入200。在Apply PRES on lines窗口的下面一行編輯框內輸入20。按下OK按鈕關閉對話框。Toolbar： SAVE_DB。18獲得解答進行求解Main Menu： Solution-Solve-Current LS。上步操作后，屏幕上出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口。瀏覽窗口內的 信息，然后選擇File菜單內的Close項關閉該窗口。按下OK按鈕，開始求解。19繪制von Mises等效應力圖Main Menu： General PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu。在

21、彈出的對話框中，選擇左側列表框內的，七建，項。 選擇右側列表框內的von Mises (SEQV)項。按OK按鈕。Utility Menu： Plot CtrlsAnimateDeformed Results o在彈出的對話框中，選擇左側列表框內的Stress項。選擇右側列表框內的von Mises (SEQV)項。按OK按鈕。15.737404.217792.S9S1181209.97759S.4589S6.93S157013751764iTODAZ SOLTJTIOiT3TEP=1 3TTB =1 TIME=1SEQV網GIMi =_224E-05 3Mff =15.737 3MX =17

22、的20繪制變形圖Main Menu： General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu選擇 DOF solution, USUM, Def + Undeformed （包括變形前和變形后）。按OK按鈕。DlSPLACEMEin：3TEP=1 3TTB =1TIHE=1EMC =.22E-05應力解答NODESXSYSZSXYSYZSXZ113-222.37-215.030.00001.54820.00000.0000137-226.49-225.150.0000-4.02950.00000.000038520.301-141.220.0000

23、142.260.00000.000038619.187-144.830.0000-140.030.00000.0000MINIMUM VALUESNODE881811VALUE-1454.5-913.210.0000-704.790.00000.0000MAXIMUM VALUESNODE6415711011VALUE610.72701.480.0000562.80Y向應變113 -0.54771E-05-0.51663E-05 0.39366E-05 0.13109E-06 0.00000.0000137 -0.55234E-05-0.54665E-05 0.40647E-05-0.3411

24、6E-06 0.00000.00000.19477E-05-0.48902E-05 0.10883E-05 0.12045E-04 0.00000.00000.19431E-05-0.50005E-05 0.11308E-05-0.11855E-04 0.00000.0000MINIMUM VALUES TOC o 1-5 h z NODE88157811VALUE -0.40263E-04-0.17350E-04-0.78976E-05-0.59672E-040.00000.0000MAXIMUM VALUESNODE6415781011VALUE 0.20214E-04 0.21798E-

25、04 0.21309E-04 0.47650E-04整體應變113 0.39366E-05-0.51531E-05-0.54903E-05 0.94269E-05 0.75887E-05137 0.40647E-05-0.53220E-05-0.56679E-05 0.97326E-05 0.80387E-050.54538E-05 0.10883E-05-0.83963E-05 0.13850E-04 0.97102E-050.53409E-05 0.11308E-05-0.83983E-05 0.13739E-04 0.96674E-05MINIMUM VALUESNODE3415783424VALUE 0.22439E-06-0.78976E-05-0.60766E-04 0.71956E-060.64886E-06MAXIMUM VALUESNODE 157301688VALUE 0.32325E-04 0.76997E-05-0.19203E-06 0.82075E-040