現(xiàn)代設(shè)計方法 止動墊圈有限元分析

1、現(xiàn)代設(shè)計方法課程訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)院機械工程學(xué)院專業(yè)機械設(shè)計制造及自 動化學(xué)生姓名張晟班級、學(xué)號0901013332訓(xùn)練報告題目現(xiàn)代設(shè)計方法課程設(shè)計技術(shù)參數(shù)、內(nèi)容及要求：一、有限元課程訓(xùn)練學(xué)習(xí)CAE軟件ANSYS，主要上機練習(xí)有（1）連桿的靜力學(xué)分析（2）桁架的有限元分析（3）梁與曲軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計 算（4）壓力容器的靜力學(xué)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(xué)生通過調(diào)研，在工廠、企業(yè)或科研單位進(jìn)行工程實踐的基礎(chǔ)上，結(jié) 合實際需要自己擬定的題目。二、優(yōu)化課程上機調(diào)試優(yōu)化計算程序，并結(jié)合工程實際自找算例進(jìn)行計算。 主要上機練習(xí)有：（1）二次插值法（2）P

2、owell法 （3）懲罰函數(shù)法進(jìn)度安排：一、有限元上機（20學(xué)時）第1次上機（4學(xué)時）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)1、2； 第2次上機（4學(xué)時）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)3、4； 第3次上機（4學(xué)時）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)5、6； 第4次上機（4學(xué)時）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)7； 第5次上機（4學(xué)時）：自擬題目上機。二、優(yōu)化設(shè)計上機（12學(xué)時）優(yōu)化計算程序的調(diào)試及計算算例注：利用業(yè)余時間撰寫課程設(shè)計說明書。指導(dǎo)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(shè)計方法課程訓(xùn)練原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:本課程設(shè)計的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人

3、獨 立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相 對應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本報告不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開 發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確 方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。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(fù)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(dǎo)求解這個域總的 滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是 準(zhǔn)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(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高， 而且能適應(yīng)各種復(fù)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(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)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(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)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(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù) 十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅 速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，做 為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛

5、并且實用高效的數(shù)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(jì)60年代初首次提出結(jié) 構(gòu)力學(xué)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(shù)，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(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)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(fù)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(zhì)和數(shù)學(xué)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(dǎo)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(jù)實際問題近似確定求解域 的物理性質(zhì)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(xí)慣上稱為有限 元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域的近似程度越 好，計算結(jié)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(shù)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(dǎo)：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo) 有限單元的列式，

7、其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試 函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單 元矩陣。為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 對工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩 的危險，將導(dǎo)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(shù)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(jié)點進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo) 數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)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(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量， 將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù) 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(wǎng)絡(luò)劃分； 后置處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解 計算結(jié)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(gòu)成2 .建立幾何結(jié)構(gòu)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(rèn)能夠簡單地利用矩形和圓的 組合來構(gòu)造支架。首先確定坐標(biāo)原點的位置然后根據(jù)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(cè)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(biāo)左鍵來 實現(xiàn)光標(biāo)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(biāo)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(guān)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(biāo)，更 改捕捉量并顯示網(wǎng)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(shù)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(biāo)數(shù)值，或選擇圖形窗口中圓形

11、網(wǎng)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(biāo)左鍵并輸入數(shù)值作為 圓的半徑。按下OK按鈕關(guān)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(biāo)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(fù)選框選中。按下OK鍵，關(guān)閉對話框并自動進(jìn)入重新繪圖狀態(tài)。Utility Menu： WordPlaneDisplay Working Plane （關(guān)閉）Main Menu： Preprocessor -Modeling-Create -Lines-Line Fillet。用鼠標(biāo)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(biāo)左鍵拖出一

13、個矩形框（將圓角包括在 內(nèi)）后再擊一下鼠標(biāo)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(guān)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(biāo)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(shù)值大圓的圓 心坐標(biāo)值作為圓心坐標(biāo)。在Radius后的編輯框中輸入數(shù)值0.4作為圓的半徑。按下OK按鈕關(guān)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(shù)值0作為圓 心坐標(biāo)。輸入數(shù)值0.4作為圓的半徑。按下OK按鈕關(guān)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(biāo)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(biāo)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(nèi)輸入200e7 （楊氏彈性模量）。在NUXY欄內(nèi)輸入0.27 （泊送比）。按下OK按鈕完成操作并關(guān)閉對話框。14.產(chǎn)生網(wǎng)格設(shè)置優(yōu)先權(quán)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(guān)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(cè)列表中選擇Structural Solid。在右側(cè)列表中選擇8-Noded Quad （PLANE82）。5按下OK按鈕完成操作并關(guān)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(guān)閉對話框。8關(guān)閉單元類型對話框15定義常數(shù)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(nèi)輸入厚度值0.5 o按下OK按鈕關(guān)閉對話框。16進(jìn)行網(wǎng)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(shù)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(yīng)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(nèi)輸入20。在Apply PRES on lines窗口的下面一行編輯框內(nèi)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(nèi)輸入200。在Apply PRES on lines窗口的下面一行編輯框內(nèi)輸入20。按下OK按鈕關(guān)閉對話框。Toolbar： SAVE_DB。18獲得解答進(jìn)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(nèi)的 信息，然后選擇File菜單內(nèi)的Close項關(guān)閉該窗口。按下OK按鈕，開始求解。19繪制von Mises等效應(yīng)力圖Main Menu： General PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu。在

21、彈出的對話框中，選擇左側(cè)列表框內(nèi)的，七建，項。 選擇右側(cè)列表框內(nèi)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(cè)列表框內(nèi)的Stress項。選擇右側(cè)列表框內(nèi)的von Mises (SEQV)項。按OK按鈕。15.737404.217792.S9S1181209.97759S.4589S6.93S157013751764iTODAZ SOLTJTIOiT3TEP=1 3TTB =1 TIME=1SEQV網(wǎng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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