材料力學(xué)課本P

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)研究專題應(yīng)用CAE軟體於微飛行器塑膠套件材力分析及機(jī)構(gòu)分析的研究班級(jí):機(jī)電4B學(xué)號(hào):姓名:李相甫指導(dǎo)教授:楊龍杰摘要早期微飛行器支架及零件的發(fā)展一直都是以較簡(jiǎn)單、傳統(tǒng)方法製作，而由於微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微飛行器便利用微機(jī)電系統(tǒng)製作方式使尺寸更為精準(zhǔn)、強(qiáng)度更佳之塑膠套件。如今科技發(fā)展快速，使得科技產(chǎn)品愈來愈先進(jìn)，進(jìn)而使其中的零件愈精密，加上3DCAD軟體不斷的改進(jìn)，以滿足電腦繪圖者的要求，透過操作介面的智慧化，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)、快速完成的模型。而本專題是選用SolidWorks來學(xué)習(xí)使用，並學(xué)習(xí)如何繪出零件和組合件並以CAE軟體分析零件所受的應(yīng)力、應(yīng)變及其安全係數(shù)，找出問題並用理論進(jìn)行分析解決之。首先，我們學(xué)習(xí)各種機(jī)械零件設(shè)計(jì)，並針對(duì)SolidWorks2008軟體所附的光碟進(jìn)行練習(xí)。將楊龍杰教授實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)拍翼式飛行器的零件用SolidWorks中的CosmosXpress模式進(jìn)行分析，並先做各項(xiàng)的模擬以找出應(yīng)力集中且變形量較大的部分加以改善，再用CAD改變材質(zhì)及增加強(qiáng)度，並以CAE的模擬分析來達(dá)到基座的最佳化設(shè)計(jì)。目錄目錄-------------------------------------------------------------3第一章研究方法--------------------------------------------------41-1 SolidWorks使用學(xué)習(xí)----------------------------------------41-2CosmosXpress分析------------------------------------------41-3記錄與結(jié)論------------------------------------------------4第二章有限元素分析方法------------------------------------------5 2-1有限元素法分析--------------------------------------------5 2-2FEA結(jié)果的解釋--------------------------------------------10 2-3VonMises應(yīng)力 ---------------------------------------------10 2-4主應(yīng)力 ----------------------------------------------------12第三章執(zhí)行過程 -------------------------------------------------133-1SolidWorks3D繪圖軟體訓(xùn)練---------------------------------133-2CosmosXpress分析基座受力的應(yīng)力及位移分析------------------133-3CosmosXpress分析兩機(jī)翼的相位差分析------------------------13第四章基座工字梁分析--------------------------------------------14 4-1COSMOSXpress分析的運(yùn)算過程------------------------------14 4-2分析結(jié)果--------------------------------------------------20第五章飛行器相位差分析------------------------------------------44第六章結(jié)論------------------------------------------------------49參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------51第一章研究方法1-1SolidWorks使用學(xué)習(xí)詳讀SolidWorks2008原廠教育訓(xùn)練手冊(cè)，並練習(xí)課本範(fàn)例及習(xí)題，來學(xué)習(xí)SolidWorks基本零件、組合件與工程圖設(shè)計(jì)等技術(shù)練習(xí)內(nèi)容章節(jié)如下:Chp.1概論Chp.2草圖繪製Chp.3基本零件模型Chp.4複製排列Chp.5旋轉(zhuǎn)特徵Chp.8薄殼與肋Chp.9掃出Chp.13由上而下模型組合法1-2CosmosXpress分析利用SolidWorks內(nèi)建之CosmosXpress分析的功能去學(xué)習(xí)分析零件的受力情形和位移以及相位差等物理量。1-3記錄與結(jié)論將所學(xué)與練習(xí)分析做詳細(xì)記錄執(zhí)行過程第二章有限元素法分析2-1有限元素法分析FEA(FiniteElementAnalysis)稱為有限元素法分析，是一種以偏微分方程式求解專業(yè)問題的數(shù)學(xué)方法。FEA不是唯一的數(shù)值分析工具，其他應(yīng)用在工業(yè)上的數(shù)值方法還有：有限差分法(FiniteDifferenceMethod)、邊界元素法(BoundaryElementMethod)與有限體積法(FiniteVolumeMethod)。但由於它的多功能性和高數(shù)值效率，F(xiàn)EA在工程分析軟體市場(chǎng)上佔(zhàn)了主要的地位，同時(shí)其他的方法被歸類為適合的應(yīng)用程式。使用FEA，我們可以分析任何外型，利用多種方式來理想化幾何與產(chǎn)生需要精度的結(jié)果。FEA是工程分析中一大強(qiáng)力工具，可以處理從非常簡(jiǎn)單到非常複雜的問題。任何分析的起始點(diǎn)就是幾何模型，對(duì)此模型指定材料性質(zhì)，定義負(fù)載與拘束條件，接著，使用一種以數(shù)值近似的方法為基礎(chǔ)工具，我們離散這些要分析的模型，而此離散的過程，就是一般所稱的建立網(wǎng)格，將幾何切割成相當(dāng)小與簡(jiǎn)單形狀的實(shí)體，此小實(shí)體稱為有限元素法。元素稱為”有限”是為了強(qiáng)調(diào)他們事實(shí)上不是無限小的，而是相對(duì)於整個(gè)模型尺寸而言是相當(dāng)?shù)奈⑿　Ｊ褂糜邢拊胤〞r(shí)，F(xiàn)EA求解器針對(duì)包含組合件的整個(gè)模型中個(gè)別元素的簡(jiǎn)單解，以數(shù)值近似求出所要求的解答。從FEA軟體的觀點(diǎn)來看，每個(gè)FEA應(yīng)用程式需要三個(gè)步驟：前處理(Preprocessimg)分析類性(靜態(tài)、熱傳、頻率等等)，材料性質(zhì)，定義負(fù)載與拘束條件，並將模型切割成有件元素。求解(Solution)計(jì)算所需要的結(jié)果。後處理(Postprocessing)解析結(jié)果。 從FEA方法論的觀點(diǎn)來看，我們列出下面的FEA步驟：建立數(shù)學(xué)模型。由零件或組合件模型為主的幾何開始，此幾何必須可以被切割成正確且適當(dāng)為小的有限元素。所謂的小，並不是參考元素的尺寸，而是網(wǎng)格中元素的數(shù)目，此必要條件有重要的含意，我們必須確保CAD幾何模型真正的網(wǎng)格化，且產(chǎn)生的網(wǎng)格可以提供所要數(shù)據(jù)的正確性。除了讓模型可以切成網(wǎng)格的單一目的，而適當(dāng)?shù)淖鯟AD幾何的理想化及簡(jiǎn)單化，這是非常重要的。常常我們簡(jiǎn)化模型會(huì)讓它正確地網(wǎng)格化，但產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)目卻太大，進(jìn)而造成分析速度非常緩慢。模型簡(jiǎn)單化考慮到較簡(jiǎn)單的網(wǎng)格與較短的運(yùn)算時(shí)間。成功的網(wǎng)格建立非常依賴模型的品質(zhì)，如同F(xiàn)EA軟體所提供的精密網(wǎng)格工具一樣。將一個(gè)尚未建立網(wǎng)格的可網(wǎng)格化幾何，我們定義好材料性質(zhì)、負(fù)載、支撐與拘束條件，並提供我們希望分析的類型訊息。此程序完成的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)則。建立有限元素模型我們藉由一個(gè)離散的過程將數(shù)學(xué)模型分割成有限元素，這稱為建立網(wǎng)格。離散化視覺上會(huì)顯示出幾何的網(wǎng)格。不過負(fù)載與支撐也是離散的，在模型已經(jīng)分割成網(wǎng)格後，這些負(fù)載與支撐才會(huì)附加在有限元素的網(wǎng)格上。求解有限元素模型。解析結(jié)果。FEA分析方法流程如圖2SEQ圖\*ARABIC\s11所示。CosmosXpress的FEA分析方法流程如圖22。負(fù)載條件拘束條件簡(jiǎn)化幾何負(fù)載條件拘束條件簡(jiǎn)化幾何數(shù)學(xué)模型FEA模型FEA結(jié)果理想化CAD幾何分析類型數(shù)值求解離散化(建立網(wǎng)格)材料性質(zhì)圖2SEQ圖\*ARABIC\s12FEA分析方法流程圖。分析類型材料性質(zhì)拘束條件負(fù)載條件分析類型材料性質(zhì)拘束條件負(fù)載條件FEA模型FEA結(jié)果圖22用CosmosXpress的FEA分析方法流程圖。2-2FEA結(jié)果的解釋FEA的結(jié)果提供了結(jié)構(gòu)分析中的位移、應(yīng)變與應(yīng)力，也提供熱分析中的溫度、溫度梯度與熱通量，其中，位移的準(zhǔn)則是十分明顯且容易確定，應(yīng)力則否。 我們?yōu)榱舜_保應(yīng)力在一個(gè)可以接受的範(fàn)圍範(fàn)圍內(nèi)，而執(zhí)行應(yīng)力分析，為了評(píng)估應(yīng)力結(jié)果，我們必須了解機(jī)構(gòu)的潛在破壞，如果一個(gè)零件遭到破壞了，哪一個(gè)應(yīng)力分量是破壞的主因？在這裡我們侷限討論於VonMises應(yīng)力與主應(yīng)力(Principalstress)概要上的不同，這兩者都是使用在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性的基本應(yīng)力測(cè)量法。2-3VonMises應(yīng)力VonMises應(yīng)力，也稱為Huber應(yīng)力，是針對(duì)一般3D狀態(tài)的應(yīng)力，計(jì)算其六個(gè)應(yīng)力分量的測(cè)量法。 如圖2-3，在一個(gè)立方體元素的每個(gè)面上都有兩個(gè)見應(yīng)力分量與正向應(yīng)力分量作用著。由於平衡的需要，故，，圖2-3應(yīng)力元素VonMises應(yīng)力方程式可以用整體座標(biāo)系統(tǒng)定義的應(yīng)力分量表示成：2-4主應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)也可以被描述成由三個(gè)主應(yīng)力分量所構(gòu)成：，，，其方向是正向於元素應(yīng)力立方的面，如圖2-4。則VonMises應(yīng)力可以表示成：圖2-4主應(yīng)力元素VonMises應(yīng)力是一個(gè)非負(fù)數(shù)的純量。當(dāng)VonMises應(yīng)力到達(dá)降伏應(yīng)力時(shí)，材料恰為降伏。安全係數(shù)＝在安全係數(shù)的規(guī)定下，必須大於1，故VonMises應(yīng)力必須小於材料的降伏應(yīng)力。第三章執(zhí)行過程3-1SolidWorks3D繪圖軟體訓(xùn)練零件：複製排列旋轉(zhuǎn)特徵薄殼與肋掃出組合件：嵌合與模塑建立工程圖3-2CosmosXpress分析基座受力的應(yīng)力及位移分析3-3CosmosXpress分析兩機(jī)翼的相位差分析第四章基座工字樑分析由此專題中，我們考慮飛行器在下降時(shí)，基座底部會(huì)受到向後的作用力，以及馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)成基座左右的震盪，所以我們改變基座的材料以及受力方向來取得最佳的材料。4-1COSMOSXpress分析的運(yùn)算過程(1)打開COSMOSXpress圖4-1COSMOSXpress(2)定義材料：選擇POMAcetal共聚物圖4-2COSMOSXpress(3)定義拘束：在基座裝置馬達(dá)及碳棒的地方給予拘束。圖4-3COSMOSXpress(4)定義負(fù)載：先定義材料底部的孔，受到相後負(fù)載1N圖4-4COSMOSXpress(5)執(zhí)行分析圖4-5COSMOSXpress執(zhí)行結(jié)果報(bào)告：選擇產(chǎn)生HTML報(bào)告可以得到應(yīng)力分布、位移分布、變形形狀的報(bào)告圖4-6C由HTML報(bào)告中，我們可以得到以下資訊：a.檔案資訊b.材料c.負(fù)載和拘束資訊d.專題屬性e.結(jié)果(a)應(yīng)力(b)位移(c)變形f.附錄檢視結(jié)果：擷取我們要的資料—材料、應(yīng)力分布圖、位移分布圖圖4-7應(yīng)力分布圖：紅色區(qū)域顯示最大應(yīng)力為7.201×106(Pa)圖4-8位移分布暨模型變形圖：紅色區(qū)域顯示最大位移為8.763×10(mm)4-2分析結(jié)果POMCase1(工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-9POMCase1受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case1分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.52向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.201×106(N/㎡)撓度=8.763×10(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.443×106(N/㎡)撓度=1.187×10(mm)Case2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-10POMCase2受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case2分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.54向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.216×106(N/㎡)撓度=8.889×10(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.471×106(N/㎡)撓度=8.277×10(mm)Case3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-11POMCase3受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case3分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.54向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.168×106(N/㎡)撓度=7.014×10(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.782×106(N/㎡)撓度=1.103×10(mm)Case4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-12POMCase4受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case4分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.56向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.164×106(N/㎡)撓度=7.125×10(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.605×106(N/㎡)撓度=7.944×10(mm)表4-1四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較表質(zhì)量估算(g)向後負(fù)載的撓度(mm)向右負(fù)載的撓度(mm)Case1(工字梁)0.528.763×10-21.187×10-1Case2(工字梁+肋條)0.548.889×10-28.277×10-2Case3(無工字梁)0.547.014×10-21.103×10-1Case4(無工字梁+肋條)0.567.125×10-27.944×10-2(a)(b)(c)圖4-13四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較圖表(a)質(zhì)量比較；(b)向後負(fù)載撓度；(c)向右負(fù)載撓度ABSCase1(工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-14ABSCase1受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case1分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.52向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.306×106(N/㎡)撓度=7.385×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.416×106(N/㎡)撓度=9.944×10-2(mm)Case2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-15ABSCase2受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case2分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.54向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.289×106(N/㎡)撓度=7.492×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.589×1012(N/㎡)撓度=6.943×10-2(mm)Case3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-16ABSCase3受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case3分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.54向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.320×106(N/㎡)撓度=5.92×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.765×106(N/㎡)撓度=9.267×10-2(mm)Case4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-17ABSCase4受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case4分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.56向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.315×106(N/㎡)撓度=6.015×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.463×106(N/㎡)撓度=6.673×10-2(mm)表4-2四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較表質(zhì)量估算(g)向後負(fù)載的撓度(mm)向右負(fù)載的撓度(mm)Case1(工字梁)0.527.385×10-29.944×10-2Case2(工字梁+肋條)0.547.492×10-26.943×10-2Case3(無工字梁)0.545.92×109.267×10-2Case4(無工字梁+肋條)0.566.015×106.673×10-2(a)(b)(c)圖4-18四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較圖表(a)質(zhì)量比較；(b)向後負(fù)載撓度；(c)向右負(fù)載撓度PA66Case1(工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-19PA66Case1受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case1分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.52向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.306×106(N/㎡)撓度=7.385×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.416×106(N/㎡)撓度=9.944×10-2(mm)Case2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-20PA66Case2受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case2分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.54向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.289×106(N/㎡)撓度=7.492×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.589×1012(N/㎡)撓度=6.943×10-2(mm)Case3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-21PA66Case3受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case3分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.54向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.320×106(N/㎡)撓度=5.92×10(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.765×106(N/㎡)撓度=9.267×10-2(mm)Case4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-22PA66Case4受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e)向右撓度Case4分析結(jié)果：質(zhì)量估算=0.56向後的負(fù)載：最大應(yīng)力=8.315×106(N/㎡)撓度=6.015×10-2(mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力=7.463×106(N/㎡)撓度=6.673×10-2(mm)表4-3四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較表質(zhì)量估算(g)向後負(fù)載的撓度(mm)向右負(fù)載的撓度(mm)Case1(工字梁)0.527.385×10-29.944×10-2Case2(工字梁+肋條)0.547.492×10-26.943×10-2Case3(無工字梁)0.545.92×10-29.267×10-2Case4(無工字梁+肋條)0.566.015×10-26.673×10-2(a)(b)(c)圖4-23四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較圖表(a)質(zhì)量比較；(b)向後負(fù)載撓度；(c)向右負(fù)載撓度

表44POM與PA66的材料性質(zhì)比較表[1]MaterialPropertyPOM(Dupont900P)PA66(Dupont101L)ABSDensity(g/cm3)1.421.141.26Tensilestrength(MPa)708230Elongation(%)17256Heatdistortiontemperature(℃)162200220Tensilemodulus(GPa)3.33.12.7Flexuralmodulus(GPa)3.02.84Waterabsorption(%)1.8-2.01.50.15-0.2HardnessR120R108R115第五章飛行器相位差分析此專題中，我們以COSMOSMotion進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，藉由改變左右其中一邊的齒輪與中央齒輪的配合，進(jìn)而改變兩機(jī)翼的相位差，而在拍翼式的飛行器中，我們要選擇相位差最小的方案來使用。[2]MAV_360MAV_360i圖5-1分析模組分析結(jié)果MAV_360表5-1齒數(shù)與左右機(jī)翼相位差齒數(shù)左右翼相位差齒數(shù)左右翼相位差25.272243.1411.962441.79618.442639.5824.392836.251029.73032.11234.263227.151437.993421.521640.783615.281842.5738