機(jī)械設(shè)計(jì)圖形處理和性能分析實(shí)驗(yàn)-南京航空航天大學(xué)研究生實(shí)驗(yàn)課程匯報(bào)

研究生實(shí)驗(yàn)課程匯報(bào)課程名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)圖形處理和性能分析實(shí)驗(yàn)

學(xué)生姓名：晉曉飛學(xué)號(hào)：SX1503224專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程研究方向：生物機(jī)械接口導(dǎo)師：王浩2016年7月實(shí)驗(yàn)一一、實(shí)驗(yàn)名稱使用IDEAS/ProE和ANSYS進(jìn)行直齒圓柱齒輪建模和彎曲應(yīng)力分析。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠邢拊治?FEA)是對(duì)物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似。通過劃分單元，求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量。借助有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力與結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析可以節(jié)省大量的時(shí)間。通過本實(shí)驗(yàn)可以熟悉有限元軟件ANSYS與Proe的使用。三、實(shí)驗(yàn)要求1、使用Proe進(jìn)行直齒圓柱齒輪建模；2、使用ANSYS進(jìn)行齒根彎曲應(yīng)力分析。具體參數(shù)及要求如下：a：模數(shù)m=4mm，齒數(shù)z=25，齒寬b=30mm；b:傳遞扭矩＝500Nm、1000Nm、1500Nm、2000Nm（齒頂圓上的集中力按此扭矩計(jì)算），按照材料45號(hào)鋼許用彎曲疲勞強(qiáng)度（190Mpa），安全系數(shù)1.5，判斷是否滿足強(qiáng)度要求。c：要求使用2種以上的網(wǎng)格精度（單元數(shù)量，單元類型不同）。四、實(shí)驗(yàn)原理4.1Proe軟件簡介Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的軟件名稱，但在中國用戶所使用的名稱中，并存著多個(gè)說法，比如ProE、Pro/E、破衣等等都是指Pro/Engineer軟件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指軟件的版本。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。1．參數(shù)化設(shè)計(jì)程序主要用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本部分將利用Proe繪制漸開線圓柱齒輪，闡述如何通過函數(shù)曲線來建立漸開線圓柱齒輪的端面，然后擠塑成單個(gè)的齒體，通過陣列以及布爾運(yùn)算產(chǎn)生圓柱齒輪，然后轉(zhuǎn)入ANSYS中，求解齒輪的彎曲應(yīng)力。5.1直齒圓柱齒輪的繪制打開Proe軟件，在工具—參數(shù)中設(shè)置齒輪參數(shù)。如圖1.1所示。圖1.1齒輪參數(shù)設(shè)置其中模數(shù)m=4mm，齒數(shù)z=25，齒寬b=30mm。其余如d（分度圓直徑）、db(基圓直徑)、da(齒頂圓直徑)、df(齒根圓直徑)使用關(guān)系式進(jìn)行尺寸賦值。輸入關(guān)系式生成四個(gè)同心圓。點(diǎn)擊窗口“創(chuàng)建基準(zhǔn)曲線”按鈕，選取“從方程”，確定，選取模型樹中的坐標(biāo)系，類型為圓柱坐標(biāo)系后彈出程序運(yùn)行框和記事本，在記事本中輸入漸開線方程，創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，修剪齒形，拉伸基準(zhǔn)圓成實(shí)體，然后復(fù)制齒槽。生成的齒輪如圖1.2所示.圖1.2齒輪整體在整個(gè)齒輪中截取三個(gè)齒，如圖1.3所示。圖1.3三齒部分5.2在ANSYS中對(duì)齒輪進(jìn)行有限元分析將在Proe中繪制的三齒齒輪導(dǎo)入到ANSYS軟件中，并對(duì)其進(jìn)行受力的有限元分析。分別使用1mm和2mm的網(wǎng)格精度對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化。如圖1.4和1.5所示。圖1.41mm精度網(wǎng)格化圖1.52mm精度網(wǎng)格化施加四種不同的傳遞扭矩，即傳遞扭矩＝500Nm、1000Nm、1500Nm、2000Nm（齒頂圓上的集中力按此扭矩計(jì)算），對(duì)各個(gè)扭矩的作用力進(jìn)行有限元分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1.6所示。圖1.6有限元分析結(jié)果a：500Nm時(shí)的有限元分析結(jié)果；b：1000Nm時(shí)的有限元分析結(jié)果；c：1500Nm時(shí)的有限元分析結(jié)果；d：200Nm時(shí)的有限元分析結(jié)果。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)分析四種扭矩對(duì)應(yīng)的作用力下進(jìn)行有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1.1示。表1.1有限元分析數(shù)據(jù)結(jié)果扭矩應(yīng)力有限元數(shù)據(jù)結(jié)果5001.5181.34941.18070.843420.506110.337460.168810.0001536910003.03612.69382.36151.68681.01220.674020.337610.0003073915004.55414.04813.54222.53031.51831.01240.506420.0004610820006.07215.39754.72293.37372.02451.34980.675230.00061487對(duì)上表進(jìn)行分析可知，扭矩500Nm時(shí)的最大應(yīng)力為1.518N/m2，最小應(yīng)力為0.00015369N/m2；扭矩越大，有限元分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果越大，而且扭矩成比例增加時(shí)，對(duì)應(yīng)得到的有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)也在以相應(yīng)的比例增加，即應(yīng)力分布與載荷分布呈線形分布。實(shí)驗(yàn)二一、實(shí)驗(yàn)名稱使用NASTRAN進(jìn)行一個(gè)懸臂梁的靜力分析和計(jì)算模態(tài)分析。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠邢拊治?FEA)是對(duì)物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似。通過劃分單元，求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量。借助有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力與結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析可以節(jié)省大量的時(shí)間。通過本分析可以熟悉有限元軟件nastran的使用。三、實(shí)驗(yàn)要求如圖所示，求解在力P作用下的最大應(yīng)力，已知條件如下：

作用力P=1000N；泊松比μ=0.3；梁的長度L=2000mm；彈性模量E=2.068E11；橫截面積A=30×50(mm)；四、實(shí)驗(yàn)原理4.1MSC.Patran軟件簡介MSC.Patran作為一個(gè)優(yōu)秀的前后之處理器，具有高度的集成能力和良好的適用性：自動(dòng)有限元建模:MSC.Patran的新產(chǎn)品中不斷增加了很多更靈活更方便的智能化工具,同時(shí)提供了自動(dòng)網(wǎng)格及工業(yè)界最先進(jìn)的映射網(wǎng)格劃分功能,使用戶快速完成他們想做的工作。同時(shí)也提供手動(dòng)和其它有限元建模方法，滿足不同的需求。分析的集成：MSC.Patran提供了眾多的軟件接口，將世界上大部分著名的不同類型分析軟件和技術(shù)集于一體，為用戶提供一個(gè)公共的環(huán)境。這樣可以使用戶不必?fù)?dān)心不同軟件之間的兼容問題，在其它軟件中建立的模型，在MSC.Patran中仍然可以正常使用，非常靈活。用戶也能夠根據(jù)多種類型的仿真結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)給出正確的判斷,進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，這就大大的提高了工作效率。用戶可自主開發(fā)新的功能：用戶可將MSC.Patran作為自己的前后置處理器,并利用其強(qiáng)大的PCL（PatranCommandLanguage）語言和編程函數(shù)庫把自行開發(fā)的應(yīng)用程序和功能及針對(duì)特殊要求開發(fā)的內(nèi)容直接嵌入MSC.Patran的框架系統(tǒng),或單獨(dú)使用或與其它系統(tǒng)聯(lián)合使用。這樣，MSC.Patran又成為用戶二次開發(fā)的一個(gè)良好平臺(tái)，可以為用戶提供更強(qiáng)大和更專業(yè)的功能。分析結(jié)果的可視化處理：MSC.Patran豐富的結(jié)果后處理功能可使用戶直觀的顯示所有的分析結(jié)果,從而找出問題之所在，快速修改，為產(chǎn)品的開發(fā)贏得時(shí)間，提高市場的競爭力。MSC.Patran能夠提供圖、表、文本、動(dòng)態(tài)模擬等多種結(jié)果形式，形象逼真、準(zhǔn)確可靠。Patran的主要功能有：開放式幾何訪問及模型構(gòu)造；各種分析的集成；有限元建模；分析條件定義；結(jié)果交互式可視化后處理；PATRAN-PCL命令語言等。4.2MSC.NASTRAN軟件簡介MSC.NASTRAN是一具有高度可靠性的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,有著36年的開發(fā)和改進(jìn)歷史,并通過50,000多個(gè)最終用戶的長期工程應(yīng)用的驗(yàn)證。MSC.NASTRAN的計(jì)算結(jié)果與其它質(zhì)量規(guī)范相比已成為最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),得到有限元界的一致公認(rèn)。通過無數(shù)考題和大量工程實(shí)踐的比較,眾多重視產(chǎn)品質(zhì)量的大公司和工業(yè)行業(yè)都用MSC.NASTRAN的計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)代替其它質(zhì)量規(guī)范。MSC.NASTRAN被人們?nèi)绱送瞥缍鴱V泛應(yīng)用使其輸入輸出格式及計(jì)算結(jié)果成為當(dāng)今CAE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),幾乎所有的CAD/CAM系統(tǒng)都競相開發(fā)了其與MSC.NASTRAN的直接接口,MSC.NASTRAN的計(jì)算結(jié)果通常被視為評(píng)估其它有限元分析軟件精度的參照標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也是處理大型工程項(xiàng)目和國際招標(biāo)的首選有限元分析工具。MSC.NASTRAN全模塊化的組織結(jié)構(gòu)使其不但擁有很強(qiáng)的分析功能而又保證很好的靈活性,用戶可針對(duì)根據(jù)自己的工程問題和系統(tǒng)需求通過模塊選擇、組合獲取最佳的應(yīng)用系統(tǒng)。此外,MSC.NASTRAN的全開放式系統(tǒng)還為用戶提供了其它同類程序所無法比擬開發(fā)工具DMAP語言。MSC.NASTRAN的主要?jiǎng)恿W(xué)分析功能如：特征模態(tài)分析、直接復(fù)特征值分析、直接瞬態(tài)響應(yīng)分析、模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、模態(tài)復(fù)特征值分析、直接頻率響應(yīng)分析、模態(tài)頻率響應(yīng)分析、非線性瞬態(tài)分析、模態(tài)綜合、動(dòng)力靈敏度分析等。4.3實(shí)驗(yàn)步驟。創(chuàng)建有限元模型（利用patran可建立有限元模型）；–創(chuàng)建或讀入幾何模型；施加載荷進(jìn)行求解（本分析主要采用patran完成）；–施加載荷及載荷選項(xiàng)；查看結(jié)果（本分析主要采用nastran完成）；–查看分析結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5.1懸臂梁模型繪制打開Patran軟件，輸入以下參數(shù)：泊松比μ=0.3；梁的長度L=2000mm；彈性模量E=2.068E11；橫截面積A=30×50(mm)；生成懸臂梁模型如圖1.1所示。圖1.1懸臂梁模型5.2網(wǎng)格化對(duì)生成的模型劃分有限元網(wǎng)格，建立網(wǎng)格種子，如圖1.2所示。圖1.2網(wǎng)格模型5.3應(yīng)力有限元分析施加作用力P=1000N；進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，結(jié)果如圖1.3所示。圖1.3有限元應(yīng)力分析5.4模態(tài)分析第一階模態(tài)分析如圖1.4所示。圖1.4一階模態(tài)分析第六階模態(tài)分析如圖1.5所示。圖1.5六階模態(tài)分析六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行模態(tài)分析可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。如安裝在結(jié)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，為避免其過大的振動(dòng)，必須看轉(zhuǎn)動(dòng)部件的頻率是否接近結(jié)構(gòu)的任何一階固有頻率。也可以評(píng)估載荷的可能放大因子。使用固有頻率和正交模態(tài)，可以指導(dǎo)后續(xù)動(dòng)態(tài)分析（如瞬態(tài)分析、響應(yīng)譜分析、瞬態(tài)分析中時(shí)間步長t的選取等）。實(shí)驗(yàn)三一、實(shí)驗(yàn)名稱螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠邢拊治?FEA)是對(duì)物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似。通過劃分單元，求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量。借助有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力與結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析可以節(jié)省大量的時(shí)間。進(jìn)行模態(tài)分析可以更好的評(píng)估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。三、實(shí)驗(yàn)要求如圖所示，螺栓聯(lián)接框架模型由兩塊1600×70×3.5mm長鋼板，兩塊600×70×3.5mm短鋼板，四塊120×120×6mm的角鋼以及16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)M10螺栓組合而成，重量為11.13Kg。在長鋼板、短鋼板以及角鋼上相應(yīng)的位置加工螺栓孔，并通過螺栓聯(lián)接成一個(gè)矩形框架。四、實(shí)驗(yàn)原理模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。4.1有限元分析利用有限元分析模型確定模態(tài)試驗(yàn)的測量點(diǎn)、激勵(lì)點(diǎn)、支持點(diǎn)（懸掛點(diǎn)），參照計(jì)算振型對(duì)測試模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辯識(shí)命名，尤其是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)很重要。利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元分析模型進(jìn)行修改，以達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)要求。利用有限元模型對(duì)試驗(yàn)條件所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行仿真分析，如邊界條件模擬、附加質(zhì)量、附加剛度所帶來的誤差及其消除。兩套模型頻譜一致性和振型相關(guān)性分析。利用有限元模型仿真分析解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。4.1.1動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集及頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)分析(1)激勵(lì)方法。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是人為地對(duì)結(jié)構(gòu)物施加一定動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及激振力信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)，用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)。激勵(lì)方法不同，相應(yīng)識(shí)別方法也不同。目前主要由單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）多輸入多輸出（MIMO）三種方法。以輸入力的信號(hào)特征還可分為正弦慢掃描、正弦快掃描、穩(wěn)態(tài)隨機(jī)（包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機(jī)）、瞬態(tài)激勵(lì)（包括隨機(jī)脈沖激勵(lì)）等。(2)數(shù)據(jù)采集。SISO方法要求同時(shí)高速采集輸入與輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，用不斷移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)位置或響應(yīng)點(diǎn)位置的辦法取得振形數(shù)據(jù)。SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數(shù)據(jù)的高速并行采集，因此要求大量的振動(dòng)測量傳感器或激振器，試驗(yàn)成本較高。(3)時(shí)域或頻域信號(hào)處理。例如譜分析、傳遞函數(shù)估計(jì)、脈沖響應(yīng)測量以及濾波、相關(guān)分析等。4.1.2建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型根據(jù)已知條件，建立一種描述結(jié)構(gòu)狀態(tài)及特性的模型，作為計(jì)算及識(shí)別參數(shù)依據(jù)。目前一般假定系統(tǒng)為線性的。由于采用的識(shí)別方法不同，也分為頻域建模和時(shí)域建模。根據(jù)阻尼特性及頻率耦合程度分為實(shí)模態(tài)或復(fù)模態(tài)模型等。4.1.3參數(shù)識(shí)別按識(shí)別域的不同可分為頻域法、時(shí)域法和混合域法，后者是指在時(shí)域識(shí)別復(fù)特征值，再回到頻域中識(shí)別振型，激勵(lì)方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相應(yīng)的參數(shù)識(shí)別方法也不盡相同。并非越復(fù)雜的方法識(shí)別的結(jié)果越可靠。對(duì)于目前能夠進(jìn)行的大多數(shù)不是十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只要取得了可靠的頻響數(shù)據(jù)，即使用較簡單的識(shí)別方法也可能獲得良好的模態(tài)參數(shù)；反之，即使用最復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型、最高級(jí)的擬合方法，如果頻響測量數(shù)據(jù)不可靠，則識(shí)別的結(jié)果一定不會(huì)理想。4.1.4振形動(dòng)畫參數(shù)識(shí)別的結(jié)果得到了結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)模型，即一組固有頻率、模態(tài)阻尼以及相應(yīng)各階模態(tài)的振形。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由許多自由度組成的振形也相當(dāng)復(fù)雜，必須采用動(dòng)畫的方法，將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。以上四個(gè)步驟是模態(tài)試驗(yàn)及分析的主要過程。而支持這個(gè)過程的除了激振拾振裝置、雙通道FFT分析儀、臺(tái)式或便攜式計(jì)算機(jī)等硬件外，還要有一個(gè)完善的模態(tài)分析軟件包。通用的模態(tài)分析軟件包必須適合各種結(jié)構(gòu)物的幾何物征，設(shè)置多種坐標(biāo)系，劃分多個(gè)子結(jié)構(gòu)，具有多種擬合方法，并能將結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動(dòng)在屏幕上三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5.1螺栓聯(lián)接框架有限元模型繪制按照實(shí)驗(yàn)要求中的參數(shù)，繪制出的螺栓聯(lián)接框架如圖1.1所示，并進(jìn)行有限元分析，有限元模型如圖1.2所示。圖1.1螺栓聯(lián)接框架圖1.2螺栓聯(lián)接框架有限元模型5.2ANSYS模態(tài)分析模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有