ANSYS有限元仿真

ANSYS有限元仿真（精选10篇）

ANSYS有限元仿真 第1篇

关键词：转向系,ANSYS,应力

汽车驾驶模拟器(Vehicle Simulator) 是基于虚拟现实(Virtual Reality,VR ) 技术的一个新的研究热点,是一种能正确模拟汽车驾驶操作, 并能在主要性能上获得与实车相同感觉的汽车驾驶训练仿真教学设备,故又称为汽车模拟驾驶仿真教学系统[1,2,3]。它是应用虚拟现实、计算机控制、传感器、人工智能、网络通信等先进技术研制成的高新技术产品[3]。通过视觉、听觉、操作感觉、动力感觉的仿真,为驾驶者构造出一个“真实”的交互驾驶环境[4]。当前应用于驾驶培训的模拟驾驶器主要分为两种即简单型模拟驾驶器与复杂型模拟驾驶器。复杂型模拟驾驶系统不仅在“沉浸感”、“交互性”与“实时性”方面要求较高[1],而且对其本身操作机构仿真效果要求更高。为了能让驾驶员更好地感受到真实的驾驶状态,对驾驶模拟器转向系提出了手感'更真实、反应更灵敏、重量更轻的改进要求。为利于优化,现对其进行有限元分析,为下一步的工作打下理论基础。

1转向系

转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构,由方向盘与转向轴组成[5,6]。其性能直接影响到汽车的操纵稳定性,对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用[6]。在汽车行驶过程中,驾驶员通过对方向盘施加圆周力来保证各转向轮之间有协调的转角关系。在驾驶模拟器的过程中,转向系所受到的外力主要为驾驶员施加于其上的圆周力[6]。故本文仅对转向系在受到圆周力的情况下进行应力、变形分析。

2模拟转向系有限元分析

2.1模拟器转向系参数

本文分析的转向系模型是以驾驶模拟器转向系为蓝本建立的模型,其几何结构如图1所示[6];尺寸见表1。制作材料为45#钢,特性见表2。

2.2单元分析理论基础

单元分析就是用单元节点位移表示单元内任一点处的力学特性。其分析理论依据基础可简述如下[7]:

位移函数:fe=Nδe。

节点位移与应变:

节点位移与应力:

节点位移与节点力:

其中fe为节点力,δe为节点位移,Fe为节点力,Ke单元刚度矩阵,B为集合矩阵,N为单元形函数矩阵,D为单行矩阵,S为应力矩阵。

2.3建立模型

转向系模型采用高级3-D SOLID187单元,该单元拥有10个节点。建立轴对称有限元模型,共生成14 687个单元,节点25 399个。模型图见图2。

部分建模语言命令[8]:

2.4施加边界条件及加载

依据转向系转向特性对转向轴底部施加全约束,即ALL DOF 为0,同时依据GB/725887对轮缘施加245 N圆周力[9]。在轮缘上取8个载荷点,沿其圆周切线方向分别施加30.625 N的力。有限元模型见图3,具体载荷施加见图4(顺时针方向为加载力,逆时针方向为系统加载后反力)。

部分加载语言命令如下:

3计算结果及分析

通过分析图5(a)、(b)、(c)、(d),发现总体变形变化范围为0～0.94110-6 mm,最大变形发生在轮缘外侧;总体应力变化范围为0.281 912 331.367 MPa,其最大应力发生在转向轴外侧;周向变形变化范围为-0.94110-6～0 mm ,其最大变形发生在转向轴上;径向变形变化范围为-0.89010-8～0.89010-8 mm ,最大变形发生在轮缘一侧;具体如图所示 。通过与实际测试对比,模拟分析数据在允许误差范围内,可用于进一步分析。

4假设改进对比扩展

通过上面的分析我们得出,现有转向系转向轴材料已得到充分应用。为达到减少使用材料,降低重量的目的,现提出假设改进方案2与方案3,经验证可行。改进后的模型剖面图见图6。具体尺寸变化见表3。

各方案分析如下对比,其应力变化范围见图7a;变形范围见图7b。

5结论

通过采用有限元方法对模拟驾驶器转向系的力学特性进行了分析,通过分析加深了对模拟驾驶器转向系性能的认识,为以后进行优化设计,减轻转向系的重量提供了理论基础与依据。通过分析得出以下结论:

(1) 通过ANSYS有限元分析可以较准确地计算出转向系的应力、应变,变化范围,为下一步进行优化设计选择提供理论依据。

(2) 明确最大应力、应变出现部位,为零件加固、防止失效提供指导。

(3) 轮缘与转向轴所承受的应力与应变只与外载荷有关,与相互间尺寸或材料变化无关。

(4) 转向系优化降低重量可通过变化方向盘轮缘内径,或者寻找密度更低、硬度更高的材料。

参考文献

[1]李营,黄海东,姚其昌,等.六自由度驾驶模拟器视景仿真系统研究.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2005;6:29(3):388—391

[2]乔维高,徐学进,周政权,等.应用于驾驶模拟器的车辆动力学系统建模分析.设计研究,2007;10:25—28

[3]成经平,尹念东,陈定方.基于分布式虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器研究.黄石理工学院学报,2005:21(3):15—18

[4]陆虹,李刚,丁世民,等.驾驶模拟器中车辆智能体的动力学仿真研究.计算机与现代化,2010;5:174—178

[5]陈家瑞.汽车构造(第四版).北京:人民交通出版社,2002:271—272

[6]王望予.汽车设计(第四版).北京:机械工业出版社,2004:227—232

[7]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南.北京:清华大学出版社,2006:54—56

[8]包陈,王呼佳.ANSYS工程分析进阶实例(修订版).北京:中国水利水电出版社,2009:21—22

ANSYS仿真模拟在教学中的应用 第2篇

ANSYS仿真模拟在教学中的应用

通过热一结构实例来分析ANSYS在教学中的应用对教学效果的`改善.ANSYS仿真软件可以应用到多种学科教学中,使抽象的理论转变成直观的图形显示,而且可以进行动画演示.

作 者：种法力 CHONG Li-fa 作者单位：徐州工程学院,数理学院,江苏,徐州,221008刊 名：宁波大学学报(教育科学版)英文刊名：JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY(EDUCATIONAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：31(5)分类号：G434关键词：ANSYS 仿真模拟 教学

ANSYS有限元仿真 第3篇

“基于仿真的研发创新平台”正是 ANSYS认定的仿真产品发展趋势，ANSYS每年在 ANSYSWorkbench仿真平台研发中的投入超过 2亿美元。日前，ANSYS全球销售副总裁 RobertKocis先生在 ANSYS中国上海办公室接受了记者的采访，并与记者分享了 ANSYS以“仿真驱动产品研发”为愿景的仿真平台战略。

基于平台的多物理场分析

我们所居住的真实世界包含着多种多样的物理现象，自然环境中的声、光、电、磁、气流以及产品自身的结构特征等一系列因素，都对产品的实际性能起着复合的影响作用。在理论分析过程中，常以“理想状态”设定环境，即假定产品在单一物理场或多物理场不会产生复合作用，但这样的分析结果对于真实使用的产品来说，显然不够准确。

随着产品功能、实用价值、生产周期及成本要求的不断提高，产品研发过程中对多物理场耦合的仿真需求也日益提升。越来越多的复杂环境被叠加在同一个产品的分析过程中，单一物理场的仿真分析已经无法满足产品研发过程中的仿真需求，建立统一的多物理场仿真平台势在必行。

ANSYS Workbench是 ANSYS近年来主推的仿真平台产品，其采用了 ANSYS的核心物理场功能，可以实现多物理场的互操作，并提供 CAD双向参数互动、修复几何结构、项目更新机制、全自动网格划分和后处理结果等常用工具。在平台中应用的项目视图理念，可以将整个仿真过程有机地串联起来，在很大程度上简化了复杂物理场分析的过程。为用户提供了广泛、深入的工程仿真技术基础框架，帮助用户建立全面的多物理场仿真环境。

在统一的仿真平台基础之上，ANSYS也在不断强化仿真的能力，扩展仿真的领域。自 2000年起，ANSYS对多家专业技术公司进行了并购整合，希望通过收购，以最快的速度充实仿真平台，借助统一的仿真平台，实现覆盖结构、流体、电磁以及热力学等多物理场分析的耦合，并在各个求解器之间实现协同仿真，从基础架构开始优化整个产品。

同时，为了满足更多用户的特殊需求，ANSYS还针对仿真平台提供了专门的客户定制化开发工具（ANSYSACT），支持平台与第三方应用程序的连接与整合，帮助非专业的软件用户完成不同特殊功能的定制化开发。

协同仿真与工程知识管理

“今天的社会是一个协作的社会，我们希望通过仿真平台，帮助用户在企业内部创立更好地仿真协作模式。 ”RobertKocis说。仿真平台不仅能实现求解器的协同，其另一个重要意义在于实现研发流程中的人员协同与数据协同。对于企业中的大型研发团队，甚至布局全球的工程研发项目，尤其是通过兼并和收购实现重组的公司，研发团队之间分属不同地区，研发背景、工程经验和数据基础都有很大差别，依托仿真平台的数据与团队整合显得尤为重要。

ANSYS为企业提供了一套用于管理研发流程和 CAE工程数据的平台 ——ANSYS Engineering KnowledgeManager工程知识管理平台（以下简称 EKM）。EKM可以实现对产品规格、性能标准及工程数据的无缝共享，有序管理产品从零件到系统的各项信息，并保证信息的实时更新与数据的准确性、唯一性。EKM可以将仿真数据管理、仿真流程管理与系统研发过程结合起来，进行有针对性的流程管理，在提高工程师数据应用效率的同时，完成企业的知识工程建设。

EKM平台还可以以灵活简单的许可模型支持单用户操作和多用户共享配置，由此每个研发人员都可以轻松地连接本地数据和企业研发数据库，促进分散型团队之间的仿真协作。在统一的集成环境中，提供广泛而深入的物理场工具，并将这些团队虚拟地联合起来，实现跨地域、跨团队的协作仿真，帮助工程师把更多的精力用在产品研发中。

对于 ANSYS来说，EKM管理平台是企业协同仿真的一个基础，在云计算与大数据的新技术趋势下，ANSYS也正在开展新的平台模式，在欧美地区与亚马逊合作推出的全新产品 ANSYS EnterpriseCloud就是运用了云技术的新平台。这款在全球亚马逊云服务平台上的全新解决方案简化并加速了云端仿真的转换工作，为端到端的仿真提供了参考架构，其可在几天之内完成部署，从而最大限度地降低风险，提高生产力。且 ANSYS EnterpriseCloud还可以根据用户需求扩展仿真容量，包括基础设施和软件资产，以满足不断变化的商业要求，优化效率和成本，并满足用户技术升级的需求。

服务用户，培养用户

基于平台的仿真更需要植根用户的服务。ANSYS在全球范围内有 2，700名正式员工，以及 100多个渠道合作伙伴，其中有一个专业的用户支持团队叫做顾客卓越支持团队ACE（ANSYS CustomerExcellence）。这个团队中有超过 660名工程技术人员，而其中又有 450位以上拥有博士学位。ACE团队负责帮助用户与研发团队、渠道合作商建立良好的对接和沟通，将产品与服务融为一个有机的整体。据ANSYS内部统计，ACE团队自成立以来，平均每年解答用户问题 117，000个，培训 16，400名 ANSYS终端用户，在线交流时间超过 120万小时。RobertKocis说：“我们希望为用户提供最适合且最全面的产品与服务，通过这样的全面解决方案，我相信我们一定可以帮用户实现更多的价值。 ”

在 ANSYS业务覆盖的 40多个国家，75个地区中，客户数量超过 4.5万。亚洲是 ANSYS市场体系中增长最快的一个地区，其全球营业额中有 30%来自亚洲市场，而在亚洲市场的业务中，中国市场的增长速度已经遥遥领先于其他国家。“越来越多的中国企业已经开始关注全球市场，关注创新，希望更多地把仿真应用到产品研发中，优化产品，降低功耗，压缩上市时间，这是我们很乐于看到的。目前，中国市场是 ANSYS全球范围内投资最多的市场之一，我们非常关注中国市场。”RobertKocis对 ANSYS在中国市场的发展前景很有信心。他认为以中国为代表的很多发展中国家都处在仿真技术高速发展的初期，针对这一阶段，ANSYS开展了很多促进仿真技术普及和推广的工作。

8月 18日，ANSYS正式发布了一款面向学生的免费入门级仿真套件——ANSYSStudent，为有兴趣学习仿真基础知识的学生提供免费的软件、自助技术支持、安装视频、常见问题解答和入门教程等。这款套件的推出，使更多初学 CAE的学生有了接触 ANSYS仿真工作流程、前处理、后处理和求解器产品的机会。在工程师的基础教育阶段，为ANSYS软件及 CAE技术的普及提前铺平了道路。

记者手记

ANSYS有限元仿真 第4篇

机械电子学课程的知识面非常广,并且机电融合,对实践要求较高。因此,在课程学习过程中,要求学生不仅能够掌握各个专业知识点及其关键技术,还应理解机械电子学的概念与精髓,掌握机电一体化的设计理论与实践方法,从而达到在工作中灵活运用这些技术的目的。笔者将ANSYS有限元仿真引入到教学中,模拟各种机电系统的实际工作过程,以加深学生对抽象的机电系统原理及其工程应用的理解,提高了学生分析和解决实际工程问题的能力。

1 ANSYS有限元仿真基础

有限元法是一种非常有效的数值计算方法,在工程分析领域获得了非常广泛的应用。有限元仿真能够分析系统结构参数对系统性能的影响,能够帮助设计人员对系统的制造工艺及试验方案进改进,从而实现对系统性能的全面优化。

ANSYS有限元仿真软件是由美国著名力学专家John Swanson博士创建发展起来的,其目的在于通过系统物理模型的建立与仿真,给出实际系统的行为特征。ANSYS有限元仿真的基本思想是结构离散化、单元分析和整体分析,将实际结构离散为有限数目的简单单元组合,并采用单元的集合逼近原有实际结构,从而实现整体性的分析,最终得到能够满足实际工程精度需求的分析结果。

2 ANSYS在机械电子学课程教学中的优势分析

在机械电子学课程中,含有许多对复杂机械结构进行分析的教学内容。对于这些内容,单纯讲解和板书绘图的传统教学方法导致学生普遍感到课程理论枯燥、难懂。特别是诸如模态分析等机电系统动力学分析的教学内容,由于理论抽象,一直是机械电子学课程中的教学难点。ANSYS有限元仿真能够紧密结合机电工程专业的工程实际问题,从而加强机械电子学课程教学与工程实际的结合。而且,ANSYS有限元仿真具有直观形象的图形显示功能,能够将抽象的应力、应变、位移等数据转化为形象生动的图形。在教学过程中借助于ANSYS有限元仿真软件,将原本抽象的理论和概念直观化、形象化,通过图形形式展现在学生面前,有助于提高学生的思维能力和结构分析能力,弥补了由于实际条件限制而导致的某些实验缺少的不足。

著名教育家杜威认为一种良好的教学方式就是将教材与实际经验相结合,使学生习惯于寻找这两个方面的接触点及相互之间的联系。①从该角度出发可以看出,通过ANSYS有限元仿真软件实现案例教学是将理论与实践有效结合的教学模式。②通过引导学生分析和讨论工程案例,帮助学生运用专业知识和创造性思维有效解决实际工程问题,并能够引导学生追本溯源,加深其对相关基础理论知识与概念的理解和掌握。

3 教学案例研究

模态分析能够确定机电系统结构的振动特性,即系统结构的固有频率与振型,这是进行瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等其它动力学分析的基础。通过模态分析,在机电系统结构设计时可以有意识地避免共振现象的发生。本节采用ANSYS有限元法建立典型微机电系统——电热微驱动器模型,并进行系统模态分析。

3.1模态分析理论基础

3.1.1模态分析理论基础

系统结构的动力学基本方程为:

对于模态分析,通常()= 0,[ ]一般不计,因此模态分析的表达式为:

其中,[M]为结构的质量矩阵,[C]为结构的阻尼度矩阵,[K]为结构的刚度矩阵,f(t)为节点的载荷向量,为结构的节点加速度向量,为结构的节点速度向量,{u}为结构的节点位移向量。

在微振动的情况下,可设上述方程组的解为:

其中,φ为节点位移幅值,为节点相位。

将式(3)代入式(2),得出

上式行列式为频率行列式,系统的固有频率可以通过求解上述方程的广义特征值得到。③

3.1.2 模态分析方法

具体的机电系统结构可认为是多自由度的振动系统,具有多个固有频率,而对应该固有频率的振动形状就是该阶的主振型。固有频率和主振型与外界因素无关,只与系统结构的刚度特性与质量分布相关。硅基电热微驱动器的结构尺寸参数为:材料密度为2330kg/m3,杨氏模量为130GPa,泊松比为0.22,驱动臂长200 m,宽15 m,高2 m。由于低阶固有频率对系统结构的性能影响较大,本节采用ANSYS有限元仿真提取了硅基电热微驱动器模态分析的前三阶低阶固有频率,并给出了相应的主振型图,如图1、图2 和图3 所示。仿真结果对提高电热微驱动器的设计质量和正确使用提供了理论依据。

从对教学案例的分析可以看出,采用ANSYS有限元仿真进行机电系统结构的模态分析,能够以云图的形式显示出系统结构应力、应变的分布情况,系统结构的变形情况等。通过ANSYS有限元仿真,可以计算出系统结构的固有频率和振型,从而通过观察系统在固有频率下的振动状态,直观了解系统结构振型。

4 总结

在机械电子学课程教学中运用ANSYS有限元仿真软件,能通过真实再现各种机电系统工作的过程原理,使许多抽象的概念和公式形象化。实践表明,引入ANSYS进行辅助教学,可以帮助学生理解课程上的难点,使学生能够对机电系统的工作过程和特征有直观的了解,加深其对基本理论知识和概念的理解,有效提高了机械电子学课程教学的效果和质量。

摘要：文章针对机械电子学课程内容抽象、数学基础多、学习及授课难度大等特点,为克服常规教学方法的不足,提高教学效果,提出将ANSYS有限元仿真应用到机械电子学的课程教学中,并对其辅助教学方法进行了研究,对基于ANSYS有限元仿真的教学案例进行了分析。实践表明,在课程教学过程中,ANSYS有限元仿真可以使学生直观地了解机电系统运行过程及特征,加深了对课程基础理论知识及概念的理解,提高了课程教学质量。

关键词：机械电子学,ANSYS有限元仿真,课程教学

注释

11单中惠.杜威的反思性思维与教学理论浅析[J].清华大学教育研究,2002(1):55-62.

22 夏雄,先礼琼.案例教学法在土力学课程教学中的实践与思考[J].高等建筑教育,2013,22(61):56-59.

ANSYS有限元仿真 第5篇

关键词：采棉机；锯齿滚筒；工作原理；结构静力分析；应力

中图分类号：S225.91+1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0023-03

新疆多年来基本保持年种植棉花150 hm2，并以其先进的植棉技术和产业优势，在全国棉花主产区占有重要地位。我国的植棉业属劳动密集型产业，棉花生产率较低，除耕地、播种、中耕、喷药等田间作业使用机械外，其余作業仍以人工为主。解决这一突出问题的唯一途径是大力发展棉花生产机械化。梳齿式采棉机属于“一次性采棉机械”（俗称“统收机”），其采摘台加工制造相对简单，制作成本较低。同时，梳齿式采棉机不受棉花种植模式以及采摘路线的限制。2010年，新疆农业科学院农业机械化研究所与山东天鹅棉业股份有限公司联合研制的4MZ-3000梳齿型组合式采棉机，可一次性完成采摘和清花预处理两项作业。作业时，机具把棉株上的籽棉、枝叶、青玲、短果枝、玲壳等全部梳脱下来。当工作速度较高时，采摘喂入量大会使预清理装置产生“卡堵”现象，有可能对锯齿滚筒造成破坏。因此，对其锯齿滚筒进行结构静力分析，为优化其结构设计提供参考。

1 采摘台基本结构与工作原理

1.1 基本结构

梳齿式采棉机的采摘台由防拔辊、梳齿总成、链钯式输送器、悬挂架、拨棉辊、压棉筒、预清理装置、机架、举升油缸、气力输送装置等组成。其中，预清理装置包括锯齿滚筒和刷棉滚筒。防拔辊位于采收台底部前端，在作业过程中对棉株起扶持作用。梳齿总成位于采摘台最前端，梳齿以一定间距均匀排列，同时与地面成一定角度。链钯式输送器的作用是把采摘下来的棉花输送到预清理装置，其与梳齿总成工作段的斜面平行，且有一段间隙。拨棉辊位于链钯式输送器顶部，主要作用是将链钯式输送器输送的棉花拨落到预清理装置。压棉筒位于梳齿总成上方，主要作用是防止机具作业时将棉秆拔起，对梳齿、链钯式输送器以及预清理装置造成卡堵。举升油缸是控制采摘台高度的关键，便于采收及道路行驶。机架是整个采摘台的支撑，起到支撑的作用。采摘台的结构简图见图1。

1.2 工作原理

采摘台是梳齿式采棉机的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响整机的各项工作指标。采摘部件的工作状况取决于结构尺寸、形状、材料及棉株相互作用。采摘原理可以归纳为：采集—预清理—集棉，分别由不同的工作单元完成。梳齿型采棉机采摘台的工作过程如下：液压系统将采摘台升到适当的工作位置，采棉部件随着机具前进；梳齿部件倾斜设置，从斜向上方穿过棉株，每棵棉株被强制通过梳齿间的间隙；因为梳齿间隙比棉铃直径小，棉铃不能通过，因而被采摘下来；梳齿后端下方的防拔辊对棉株起扶持作用，同时施加一个向下的拉力，使不能通过间隙的棉铃脱离棉株；同时，链钯式输送器及拨棉辊互相配合，将采摘下来的棉花输送到后部的预清理装置，最终由气力输送装置输送至棉箱。

2 锯齿滚筒结构静力分析

按照锯齿滚筒（见图2）安装位置和工作时的受力情况，对其进行结构静力学分析。基于ANSYS有限元分析软件，通过导入实体模型、定义材料属性、划分网格、定义边界调节、求解，得出锯齿的应力应变情况。

2.1 建立模型

建立结构的有限元模型，使用ANSYS软件进行静力分析。有限元模型的建立是否正确、合理，直接影响分析结果的准确及可靠程度。因此，建立有限元模型时根据问题的特点，对需要划分的有限元网格粗细和分布情况进行大致规划，将锯齿滚筒上的部分锯齿作为研究对象。由于锯齿滚筒的实际模型相对比较复杂，为免繁杂而又不必要的计算，对模型进行简化。应用Solidworks 2013软件通过一系列操作建立锯齿滚筒上锯齿的三维实体模型，将模型另存为*x_t文件，然后导入ANSYS中。

2.2 定义材料属性

U型齿条高7 mm、宽14 mm、厚1 mm。其材料属性如下：Q235A钢，弹性模量E=2E11，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850。

2.3 划分网格

模型建立之后，进行网格划分，主要涉及以下4方面：1） 选择单元属性（单元类型、实常数、材料属性）；2） 设定网格尺寸控制（控制网格密度）；3） 网格划分前保存数据库；4） 执行网格划分。

按照一般原则，有限元三维模型的单元网格划分越细密，单元数越多，则有限元分析的结果越精确。但是，单元网格不能无限划分，受硬件条件的限制，如CPU主频、内存大小等。一般情况下，单元网格的数目能达到要求的准确度即可。选用十节点四面体实体结构单元Tet 10Node187单元对模型进行网格划分（见图3），不需要设定实常数。

2.4 定义边界条件

建立有限元模型后，需要定义分析类型和施加边界条件及载荷。当籽棉开始进入锯片时，锯齿会把尚未从棉籽上脱落的棉花纤维钩住，使其随着锯齿滚筒运动，处在锯齿之间凹口内的棉花纤维在摩擦力的作用下，开始从凹口脱离，凡是分布在与摩擦力作用方向成β角的BD线右方的所有棉花纤维都在凹口离开，只有在△BCD内的纤维可以保持不动（如图4所示）。将锯齿截面轮廓的参数代入，可得下列简式：

f=S△BCD=

-

（1）

-

=A=常数 （2）

经推导可得，锯齿的钩住能力随α值的变化而变化。

锯齿结构示意图如图4所示。拾取锯齿条底部的四条边线，选择ALL DOF作为约束自由度。由于卡堵现象较容易解决，所以在锯齿条两侧面分别施加30 N的极限载荷。

2.5 求解及后处理

进行求解及后处理Solution〉Solve>Current LS，查看分析结果 General postpro>plot results，分析结果如图5—8所示。

从图5—8可以看出，大应力应变主要发生在锯齿齿根部附近。最大受力变形为0.521E-09mm，变形极其微小。同时，在机具正常工作的情况下，不会超过锯齿材料的许用应力，可满足实际的使用要求。

3 结论

通过对锯齿滚筒模型进行有限元分析，确定该锯齿滚筒受载荷时的变形及应力情况。由于锯齿材料为弹性材料，其缓冲作用允许籽棉通过，故变形不明显，可满足设计要求。在三维软件中建立实体模型，可以对设计部件的材料及强度进行判断，修正设计中存在的不足及缺陷。对梳齿式采棉机锯齿滚筒进行结构静力分析研究，找出影响实际问题的理论依据，为机具的进一步改进提供理论参考。

基于ANSYS车床主轴有限元分析 第6篇

重型加工车床CT61100主要用来加工大直径盘类和轴类零件,其中主轴单元是机床的重要部件之一。主轴的性能对机床的整体性能的影响很大,为使机床能安全可靠的工作,其结构必须具有良好的动静态特性。故对其进行动力学分析可以提高整个机床的设计效率,缩短开发周期,降低开发成本,提高机床工作安全和可靠性。可以在设计阶段尽可能提高主轴的使用性能。

对于机床主轴的分析主要存在以下不足:1) 只针对主轴本身的分析,没有考虑到在加工过程中,装夹工件后,工件的重力对主轴有很大的影响。这样孤立的分析主轴,对于加工小的零部件的车床影响不大。但是对重型车床而言,工件的重力对主轴的影响很大,所以工件重力是不可以省略。2) 没有考虑单元类型的选择对主轴分析结果的影响。单元类型的选择和网格划分质量好坏对分析结果影响很大。3) 利用经验公式对主轴进行计算,精度难以保证。对大型复杂零部件使用有限元法[1]具有精度高,适应性强以及计算格式规范等优点。其可以进行静力学和模态分析,如果能够很好的控制单元类型和有限元模型,以及边界条件,可以得到更加准确的分析结果。

现以CT611000车床主轴为分析对象,建立四面体和六面体两种有限元模型。加载时候使用质量单元和主轴使用Rigid单元刚性连接,得到主轴在复杂工况下的线性静态力学特性。对主轴模态分析,了解其动态特性,确定主轴的振动特性即固有频率和振型,从而可以判断主轴转速的是否合理。这些结果可指导主轴的设计,提高机床的加工精度。

1 主轴部件的结构

CT61100主轴结构简图如图1所示。该机床主轴采用3支撑结构,其中前支撑采用双列圆柱轴承,承受径向力,推力轴承承受轴向力。中间支撑和后支撑采用圆柱滚子轴承轴承和带内锥孔的轴承承受径向力。主轴旋转的动力通过齿轮传递,根据主轴电动机的功率22kW,由公式undefined,可以得到转矩T=1112Nm。可以推导出主轴所承受的切向力Ft=11120N,径向力Fr=4047N。

2 有限元建模和加载

主轴采用三维实体造型软件和Ansys软件分别建立模型。通过UG软件建立几何模型后导入到Ansys中,选用四面体自由分网技术,采用solid92单元类型,完成有限元模型的建立。在Ansys建立几何模型使用solid45单元类型,选用六面体映射分网技术[1],得到更精确的有限元模型。通过两种分网技术对比分析结果,从而能了解不同单元类型模型对分析的准确性。材料选择45钢的弹性模量和泊松比。分网结束后,对主轴进行加载,如图2所示,根据工况,在前支撑的节点上约束Ux,Uy和Uz方向的自由度,后支撑和中间支撑约束Uy和Uz方向的自由度。加载完成后图中显示U。齿轮和主轴连接传动部分的节点加载Ft和Fr,Fr径向力经过换算成压强P均布在所选单元处,加载完成后如图显示F和PRES 230000。根据机床设计参数,能加工的零件最大质量为3t,根据这个工况,在主轴的右端中心部位建立一个质量单元mass21,主轴的端面的节点和中心质量单元建立rigid刚性单元连接,同时给质量单元加载切削扭矩。整个主轴的质量和品质单元重力加速度由于方向与Y方向相反,所以取-9.8。这样整个主轴的载荷设置结束,见图2主轴边界条件和载荷。

3 静态特性分析

对四面体有限元模型和六面体有限元模型分别进行了静力分析。两种情况下的位移和应力基本一致。下面列出了六面体网格的分析结果。

如图3主轴的变形图所示,最大变形量为0.5210-2mm,位置在右端端面位置。此处位移最大。

主轴x,y,z方向总位移,最大位移量为0.5210-2mm,位置和变形图上的一致。发生在右端端面处,如图4所示。

主轴的应力云图反映主轴上各个单元的受力情况[3]。从图5冯塞斯应力云图可以看到,SMX=0.572107Pa,远远小于材料的许应弯曲应力,最大应力的位置发生在主轴与支撑端面相交的截面上。此处受力最大。

分析结果最大应力都小于材料的许应应力,并且四面体和六面体分析的最大应力和位移的位置一致,在安全边界内。根据图5的位移图可知,主轴最大的位移为0.0052mm,位于主轴卡盘连接的端面处,远远小于机床设计手册推荐的值,可以判断主轴刚度足够用。

4 模态特性分析

1) 四面体网格分析的前5阶固有频率如表1所示。前5阶振型图如图6所示。

2) 六面体网格分析的前5阶固有频率如表2所示。前5阶振型图如图7所示。

结果表明:不管是四面体或六面体网格模型,分析结果的每阶振型都一致。2,3阶振型和固有频率基本一致,结果可以视为特征值重根,振型相互独立正交。4阶和5阶振型和固有频率也是同样重根。两种模型分析结果差值很小,尤其是低阶固有频率计算中,采用四面体或六面体单元对固有频率来说影响很小。如表3和表4所示。

5 结论

切削加工过程中,在工件重力和切削力载荷工况下,主轴与第一支撑端面相交处,产生的应力最大,通过主轴转动时,此处承受交变循环应力作用,易产生疲劳破坏,所以结构上应该强化处理。

机床主轴在切削力和传动力作用下最大变形在主轴右侧端面处,变形量为0.0052mm,因此主轴变形对机床加工中所产生的工件误差而言影响很小。

在建立有限元模型的基础上,对大型车床主轴最危险工况下的静力分析,可以得到主轴的位移和变形,从而根据变形量的大小判断主轴的刚度是否足够。

四面体和六面体网格的有限元模型模态分析结果表明,这两种单元类型对结果影响不大。根据模态分析的结果得到固有频率,计算主轴的临界转速,主轴的有效转速远远小于临界转速。完全避开共振区域。对主轴进行有限元分析可以优化主轴的结构,提高产品开发的效率,对以后的设计提供依据。

摘要：主轴部件动静态特性直接影响车床的加工精度和精度稳定性。以重型车床CT61100的主轴为分析对象,在工件重力和切削力载荷工况下,应用Ansys软件对其进行静态和模态分析。在产品试验之前,分析得到最大应力和变形位置。以此来判断主轴的刚度是否足够。根据固有频率计算主轴的临界转速,避开共振区域。这些分析结果为机床设计提供了依据。

关键词：主轴,有限元,静力,模态

参考文献

[1]刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程—机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2]吴国华.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社,1999.

[3]Wang W.R,Chang C.N,Dynamic Analysis and Design of aManchine Tool Spindle-Bearing System[J].Vibration and Acous-tics,1994,116:280-285.

[4]Cao Yuzhong.AGeneral Method for the Modeling of Spindle BearingSystems[J].Journal of Meehanieal Design,2004:1089-1104.

ANSYS有限元仿真 第7篇

关键词：载荷识别,随机振动,ANSYS有限元法

0引言

准确地获取一组动载荷是确保工程结构设计的正确性、可行性、可靠性和安全性的基本工作。连续结构的随机载荷识别是一类很复杂的问题, 研究的方法也多种多样, 研究的步骤都是先建立动力学识别模型, 再进行随机载荷的识别。载荷识别的研究应遵循从小规模系统到大规模系统、从线性系统到非线性系统、从弱非线性系统到严重非线性系统的发展准则。

动力学载荷识别研究的主要难点在于:①反演方程的非线性:由于模型控制方法固有的非线性特点, 方程的求解策略成为反演成败的关键;②信息量的不充分与冗余:工程实际中, 单一测量点的信息量是不充分的, 往往不能反映复杂结构的全貌, 当采用多路传感器时, 各种传感器之间的信息又存在交叉与冗余, 如何合理有效地利用这些数据是一个难点;③数值计算的稳定性与有限元数学模型的精度:由于实际测量的信号都是带有噪声的, 其噪声的大小与分布直接影响计算的稳定性, 寻找一个能够减小噪声影响的高精度有限元数学模型是研究人员的目标。

动态载荷识别的方法主要有频域反演法、时域反演法、神经网络反演法、逆虚拟激励法和优化反演法等5种[1,2,3,4]。

1基本原理

本文首先建立了结构模型在空间具有相同频域功率谱的随机分布载荷作用下的数学识别模型, 并由此识别模型推导出在空间具有变化频域功率谱的随机分布载荷作用下的有限元识别模型, 最后将建立的随机动载荷有限元识别模型用计算机仿真进行验证, 探讨了这种数学模型应用于动响应计算和有限元动载荷识别计算及实际应用的可行性[5]。

1.1 多输入/多输出情况下的数学识别模型

假设系统为线性系统, 符合叠加原理和频率保持特性[6], 该系统有p个输入 xi (t) (i=1, 2, , p) , q个输出yl (t) (l=1, 2, , q) , 其对应关系如1图所示。图1中Xi (S) 为对应输入xi的拉普拉斯变换, Yl为对应输出yl的拉普拉斯变换, h (t) 为系统特性在时域内的表示, 对应于H (S) , H (S) 为系统的传递函数, 该值取决于系统的输入、输出的对应关系, 与系统初始值无关。

对应于任意输入的一个样本列阵x (t) , 由线性叠加原理和卷积积分运算, 可以得到稳态输出的一个样本列阵y (t) 。其表达式为:

其中:h (u) 为系统的脉冲响应矩阵, u为脉冲信号。

利用下式可求系统响应列阵y (t) 的几何平均值μy:

系统的p个输入和q个输出的自协方差矩阵为Cxx (τ) , 互协方差矩阵为Cyy (τ) , 则p个输入的自功率谱与互功率谱构成pp阶输入功率谱矩阵Sxx (ω) 为:

undefined。 (3)

其中:ω为频率;τ为卷积积分变换参数。q个输出的自功率谱与互功率谱构成qq阶输出功率谱矩阵Syy (ω) 为:

undefined。 (4)

又 Sxx (ω) =[H (ω) -1]Syy (ω) [HT (ω) ]-1 。 (5)

其中:H (ω) 为系统的频率响应矩阵。式 (5) 给出了多输入/多输出情形下系统输入功率谱矩阵与系统输出功率谱矩阵之间的关系式, 它说明只要知道系统的频率响应特性H (ω) 与系统响应的功率谱, 那么系统的激励功率谱就可以因此而确定。

1.2 复杂结构分布简谐力识别

假设作用在结构上的分布简谐力为f (x) sinωt, 当正交多项式的阶数取m时, 可以满足函数f (x) 的拟合精度, 正交多项式拟合为:

undefined。 (6)

其中:ai为未知系数;Ti (x) 为基函数。利用有限元软件ANSYS建立有限元模型, 分别使用由正交多项式的基函数Ti (x) (i=1, 2, , m) 构成的分布简谐力Ti (x) sinωt作用在小阻尼复杂架构上, 计算出模型上n个测点的简谐加速度响应幅值undefined;j=1, 2, , n) , 其关系为:

undefined。 (7)

其中:L为杆长;Hj (x) 表示x点激励的频响函数。

任意分布的简谐力作用在建立的有限元模型上, 测量出结构上n个位置点简谐加速度幅值为undefined, 根据线性小阻尼系统激励与响应之间的线性叠加关系得:

undefined。 (8)

由式 (8) 可得:

undefined

。 (9)

当n≥m时可求出未知量ai (i=1, 2, , m) , 代入式 (6) 就可识别出未知力f (x) 。

2ANSYS有限元仿真算例

为了使研究方法更加具有工程的可实现性, 采用有限元方法对分布作用动载荷模型进行研究。复杂实体结构见图2, 其厚度为10 mm。按实体尺寸在ANSYS中建立有限元模型见图3, 设定弹性模量E=210 GPa, 密度ρ=7 800 kg/m3, 泊松比μ=0.3, 对左侧150 mm100 mm部分上下表面进行全部约束。系统的固有频率见表1。

Hz

在模型上加一随机载荷f (x, t) , 其理论分布曲线为:f (x, t) =2x2+10x。在结构模型测量侧选取15个点作为结构响应的测量点, 在上述随机载荷f (x, t) 的作用下模型的位移响应幅值为X～ (x, k) 。在k=100 Hz时取其有限元模型的位移响应幅值, 另外取多项式的拟合阶数为6阶, 通过复杂结构识别模型动态标定计算, 获得标定系数矩阵。识别出加载在模型上的动态载荷广义正交多项式系数见表

图4为理想曲线和识别曲线对照图。

3结论

本文基于动态载荷识别理论和有限元分析理论, 解决了利用有限的动态响应测量信息在一定误差精度范围内识别具有连续分布动载荷模型的无限未知量问题, 数值仿真结果证明了该方法的有效性和正确性, 表明该方法具有明显的工程实际价值。

参考文献

[1]石长伟, 刘志明, 缪龙秀.有限元法在载荷识别中的应用[J].铁道机车车辆, 2006, 26 (5) :30-32.

[2]白金泽, 孙秦.动态载荷识别方法研究[J].飞机工程, 2002, 12 (4) :22-25.

[3]许锋, 陈怀海, 鲍明.机械振动载荷识别研究的现状与未来[J].中国机械工程, 2002, 13 (6) :526-530.

[4]张方, 秦远田, 邓吉宏.复杂分布动载荷识别技术研究[J].振动工程学报, 2006, 19 (1) :81-84.

[5]张韶光, 范勇, 马汝建, 等.海洋平台振动载荷识别研究进展[J].济南大学学报 (自然科学版) , 2004, 18 (4) :332-335.

有限元分析软件ANSYS及其使用 第8篇

有限元法是目前工程技术领域中实用性最强, 应用最为广泛的数值模拟方法。它是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统, 该系统由节点及单元组合而成。有限元系统可以转化成一个数学模式, 并根据数学模式, 进而得到该有限元系统的解答, 并通过节点、单元表现出来。随着计算机技术的迅速发展, 有限元方法现在已经广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等领域, 已成为现代设计理论中强有力的设计方法之一。目前国际上大型的有限元分析程序主要有ANSYS, NASTRAN, ASKA, AUTOFORM、CFORM、eta/Dynaform等。其中以ANSYS为代表的有限元分析软件具有以下优点:减少设计成本;缩短设计和分析的循环周期;增加产品和工程的可靠性;采用优化设计, 降低材料的消耗和成本;在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;可以进行模拟实验分析;进行机械事故分析, 查找事故原因。

(二) ANSYS软件使用方法

应用ANSYS软件对产品进行模拟和分析时, 一般要经历如图1所示的步骤, 即前处理、求解计算和后处理。

1. 前处理

这个模块主要有两部分内容:实体建模和网格划分。ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时, 用户定义一个模型的最高级图元, 如球、棱柱, 程序则自动定义相关的面、线及关键点, 用户利用这些高级图元直接构造几何模型;自底向上进行实体建模时, 用户从最低级的图元向上构造模型, 即:用户首先定义关键点, 然后再生成相关的线、面和体。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模, 用户均能使用布尔运算 (如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠) 将各个独立的实体模型适当地连接在一起, 从而创建出一个实体模型。

ANSYS提供了两种使用便捷、高质量的网格划分方法:即自由网格划分和映射网格划分。自由网格对于单元形状无限制, 并且没有特定的准则。ANSYS程序的自由网格划分功能是十分强大的, 可对复杂模型直接划分。与自由网格相比, 映射网格对包含的单元形状有限制, 而且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边形或三角形单元, 而映射体网格只包含六面体单元。如果想要这种网格类型, 必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。

2. 加载及求解

加载是用边界条件数据描述结构的实际情况。计算模型的边界条件处理, 是为了使所建的模型能够逼真地模拟所分析结构的安装、固定以及其与周围其他结构之间的相互关系, 同时能准确地模拟结构在各种工况下的受力情况。ANSYS程序提供了两种加载方式, 一种是在实体模型上加载;另一种是在有限元分析 (FEA) 模型上加载。无论采取何种加载方式, ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上, 即加载到实体上的载荷将自动转化到经过网格划分后其所属的节点或单元上。ANSYS的求解就是解方程。ANSYS通过各类求解器, 求解由有限元方法建立的联立方程组, 其结果是得到节点的自由度解, 并进一步得到单元解。

3. 后处理

用ANSYS软件处理有限元问题时, 建立有限元模型并求解后, 并不能直观地显示求解结果, 必须用后处理器以图形形式显示和输出。例如, 计算结果 (如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示, 不同的等值线颜色, 代表了不同的值 (如应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区 (如应力范围) , 清晰地反映了计算结果的区域分布情况。另外还可以检查在一个时间段或子步历程中的结果, 如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线, 有助于形象化地表示分析结果。

(三) 实例

已知在滑动轴承座孔圆周上施加推力载荷1000MPa, 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷5000 MPa, 四个安装孔施加径向对称约束, 轴承座底部施加位移约束 (UY=0) 。利用ANSYS软件对滑动轴承座进行实体建模、网格划分、加载、求解及后处理。

1. 前处理

(1) 实体建模

1) 创建基座模型

生成长方体Main Menu:Preprocessor>Create>Block>By Dimensions

平移并旋转工作平面Utility Menu>Work Plane>Offset WP by Increments

创建圆柱体Main Menu:

拷贝生成另一个圆柱体

Main Menu:Preprocessor>Copy>Volume拾取圆柱体, Apply, DZ输入1.5, OK。

从长方体中减去两个圆柱体Main Menu:

使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致

Cartesian

2) 创建支撑部分

3) 偏移工作平面到轴瓦支架的前表面

4) 创建轴瓦支架的上部

5) 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备

6) 从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔

7) 创建一个关键点

在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点:

8) 创建一个三角面并形成三棱柱Main Menu>

a) 拾取轴承孔座与整个基座的交点。

b) 拾取轴承孔上下两个体的交点

c) 拾取基座上上步建立的关键点, 单击OK完成了三角形侧面的建模。

d) 沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。

e) 输入DIST=-0.15, 厚度的方向是向轴承孔中心。

9) 关闭working plane display

10) 沿坐标平面镜射生成整个模型

11) 粘接所有体

实体建模后的结果如图2所示。

(2) 网格划分

1) 定义单元类型1为10-节点四面体实体结构单元

2) 定义材料特性

3) 用网格划分器Mesh Tool将几何模型划分单元

a) 将智能网格划分器 (Smart Sizing) 设定为“on”

b) 将滑动码设置为“8” (如果你的机器速度很快, 可将其设置为“7”或更小值来获得更密的网格)

c) 确认Mesh Tool的各项为:Volumes, Tet, Free

d) MESH

网格划分后的结果如图3所示。

2. 加载及求解.

(1) 加载

1) 约束四个安装孔

2) 整个基座的底部施加位移约束 (UY=0)

3) 在轴承孔圆周上施加推力载荷

4) 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷, 这个载荷是由于受重载的轴承受到支撑作用而产生的。

(2) 求解

3. 后处理

后处理后得到的应力等值线图如图4所示。

(四) 结束语

有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点, 已成为现代机械产品设计中的一种重要工具, 应用该方法, 可以对复杂受力情况下结构进行应力应变分析, 并且分析的结果与实际情况比较符合, 因而在实际中可以很好地指导和优化设计。随着电子计算机技术的飞速发展, 从而为ANSYS的推广应用创造了更为良好的条件, 并将展示出更为广阔的工程应用前景。

摘要：ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点, 因而成为大型通用有限元程序的代表。通过一个滑动轴承座的简单例子的详细操作, 说明它在力学分析上的应用。从其构成及功能中可以看到, ANSYS软件的确是工程应用分析的有效工具。

关键词：有限元,ANSYS,前处理,求解,后处理

参考文献

[1]马奎兴.有限元及软件ANSYS简介[J].水利科技与经济, 2004, 10 (3) .

ANSYS有限元仿真 第9篇

在工程中会遇到大量的接触问题,如齿轮的啮合、法兰联接、机电轴承接触、卡头与卡座、密封、板成形、冲击等。接触问题是典型的状态非线性问题,需要较大的计算资源,为了进行实际有效的计算,理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。ANSYS软件具有较先进的接触分析功能,可分析刚体与柔体、柔体与柔体之间的接触。本文应用ANSYS软件,按照弹簧卡头与卡座的几何结构和已知数据,建立其计算模型,并对卡头压进卡座的力学过程进行有限元分析,考察其刚度特性、应力分布情况及接触状态,以提高模型的计算精度。

1 弹簧卡头和卡座几何模型的建立

弹簧卡头和卡座的材料参数如下:弹性模量为3 600MPa;泊松比为0.32;摩擦系数为0.2。弹簧卡头和卡座的结构示意图如图1所示。

利用ANSYS的前处理模块建立卡头和卡座的结构模型,卡头和卡座的底板被认为是刚性的,因此建模时不需要考虑。由于对称,用右半部分来建模和计算,定义单元类型为平板单元类型,生成的卡头和卡座几何模型如图2所示。然后对模型进行网格划分及加载求解,分析类型设置为静力学分析。对模型施加位移约束,卡座固定,卡头在垂直方向上有位移,所以对卡座施加全约束,对卡头施加横向的自由度。对模型的位移约束如图3所示。

2 求解结果及分析

2.1 不同载荷子步的变形结果

图4为不同载荷子步的变形结果。从图4中可以看出在卡头压进卡座的过程中,卡头和卡座都产生了弹性变形。

图5为第8载荷子步位移等值线图、摩擦应力等值线图和等效应力等值线图。

2.2 耦合完成后的残余应力等值线图

图6为耦合完成后的残余应力等值线图。从图6可以看出,耦合完成后在卡头和卡座的尖端部位存在着大量的残余应力,为避免此情况,可以将卡座和卡头接触的尖锐部分设置为圆头的。

2.3 A点水平位移和压下位移的关系曲线

图7为A点水平位移和压下位移的关系曲线。由图7可以看出,A点的水平位移和竖直位移之间的关系不是正比关系,这是因为在耦合的过程中BC面受到的压力在竖直方向的分力使得卡头产生了弹性变形。随着耦合的进行这种变形越来越大,到耦合完成时卡头恢复原状。

2.4 L点水平位移和压下位移的关系曲线

图8为L点水平位移和压下位移的关系曲线。由图8可以看出,L点在卡头压进的耦合过程中,水平位移和竖直位移基本成线性关系,卡座产生的变形不是很明显。

2.5 H点竖直位移和压下位移的关系曲线

图9为H点竖直位移和压下位移的关系曲线。由图9可以看出,H点的压下位移和竖直位移之间的关系不是正比关系,这是因为在耦合的过程中HG面受到的压力在竖直方向的分力使得卡头产生了弹性变形。随着耦合的进行这种变形越来越大,到耦合完成时卡头恢复原状。

3 结束语

本文在研究接触问题的基础上,利用ANSYS软件对弹簧卡头压进卡座的力学过程进行了分析。通过对各载荷子步变形形状的讨论,最终得出卡座和卡头接触的尖锐部分应设置为圆头。然后通过对典型部位水平位移和竖直位移与压下位移关系曲线的分析,考察了其刚度特性、应力分布情况及接触状态,对提高模型的计算精度有一定的帮助。

摘要：在对接触问题分析的基础上,利用ANSYS软件的接触分析能力,对弹簧卡头压进卡座的力学过程进行了分析。首先根据已知数据对结构建模,然后通过加载、求解等步骤读取载荷子步的计算结果及变形形状,最终得出水平位移以及竖直位移和压下位移的关系曲线图,并对结果进行了分析。

关键词：接触分析,弹簧,有限元

参考文献

[1]邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析实例导航[M].北京:中国铁道出版社,2004.

ANSYS有限元仿真 第10篇

在目前的家用空调压缩机中,滚动转子式压缩机以其结构简单、性价比高、易于大批量生产控制的特点,占据了全世界的绝大多数份额[1]。滚动转子式压缩机的转子和曲轴是过盈联接的,通常先将转子进行加热膨胀,套入曲轴后风冷,从而抱紧曲轴,通过曲轴将电机扭矩传递给泵体。本文的主要目的是校核目前某系列转子与曲轴的过盈量是否能满足最小过盈时接触面不滑动、最大过盈时材料不失效的要求。

从力学角度看,过盈配合是接触问题的一种,属于边界条件高度非线性的复杂问题,配合面间呈现出很复杂的接触状态和应力状态[2]。ANSYS是目前应用比较广泛的有限元分析软件,具有强大的非线性分析功能,可进行几何非线性、材料非线性及接触非线性分析等。本文采用ANSYS11.0作为分析工具,不考虑转子加热和冷却的时间历程,校核目前某系列转子与曲轴的过盈量是否能满足设计要求,为转子与曲轴过盈配合的设计提供理论依据。

2 转子曲轴过盈问题的理论分析

如图1所示,转子与曲轴过盈装配在一起,在接触面上必将产生相互压紧的装配压力p。转子与曲轴接触面摩擦系数为f,接触面积为S,产生滑动所需扭矩为T,则T=fpSd。通过T来传递电机扭矩TN。在转子内径D、曲轴外径d、接触长度L一定的情况下,只能通过调整过盈量的值来调整装配应力,从而使T大于电机扭矩TN,保证最小过盈时接触面不滑动。但是过盈量太大有可能导致材料失效,因此在确定过盈量时还应保证最大过盈时材料不失效。

传统的过盈配合设计是以拉美(Lame)方程为基础,并在俄罗斯学者加道林院士提出的组合圆筒理论基础上进行的[3]。按照组合厚壁圆筒理论,内筒受压应力,外筒受拉应力,内外筒应力分布如图2所示[4]。

3 转子曲轴过盈配合的有限元分析

采用ANSYS的GUI模式进行分析,其基本流程为建立模型、网格划分、添加约束载荷、求解及结果分析。

3.1 建立模型、划分网格、定义接触对、添加约束

(1)建立模型

由于模型结构比较复杂,故首先在Pro/E中建立转子和曲轴三维实体组件模型,本例中某系列转子与曲轴尺寸为:D=19.9580+0.018mm,d=19.988-0.005+0.005mm,L=54mm,过盈量最小值为0.0035mm,过盈量最大值为0.0175mm,根据转子内径和曲轴外径的基本尺寸建立的三维模型如图3所示。为简化分析将一些对结果影响微小的结构(如倒角)省略。

由于模型是对称件,为简化计算量,取实体的1/4进行有限元分析,如图4所示。然后再对称扩展恢复为完整结构分析。转子的材料是硅钢片,曲轴的材料是灰铸铁,两种材料的弹性模量和泊松比如表1所示。

(2)划分网格

选择合适的单元类型是进行有限元分析的基础,在满足计算精度的同时可以有效地简化单元划分的难度。在本例中选用有中节点的SOLID186三维8节点单元,8个节点的分布能真实有效拟合弹塑性材料的变形[5],同时考虑到与后续定义接触单元的匹配。自由划分网格,接触面网格细化。

(3)定义接触对

根据材料属性,定义转子内孔表面为接触面,用CONTA174单元模拟;曲轴外圆表面为目标面,用TARGE170单元模拟。

(4)约束

曲轴和转子的剖分面循环对称边界约束,转子的端面轴向约束。

3.2 结果分析

(1)最小过盈量时

最小过盈时转子和曲轴的最大等效应力如图5、图6所示,从图中可以看出转子最大等效应力约47.5MPa,曲轴最大等效应力约31MPa,由曲轴最大等效应力值求得T=206Nm,而该系列电机的扭矩TN一般只有几牛米,因此最小过盈时满足转子和曲轴接触面不滑动的要求。

(2)最大过盈量时

最大过盈时转子和曲轴的最大等效应力如图7、图8所示,从图中可以看出转子最大等效应力约238MPa,曲轴最大等效应力约155MPa,没有超出材料的许用应力,满足设计要求。

图9为A-A位置转子与曲轴等效应力截面图,从截面图上可以看出,曲轴压应力由内向外逐渐减小,转子拉应力由内向外逐渐减小的趋势与图2所示内外筒压力分布相同。

4 结语

通过对转子与曲轴过盈配合的有限元分析,得出该系列压缩机在最小过盈时转子和曲轴接触面不滑动,最大过盈时材料不失效,过盈量满足设计要求。

参考文献

[1]周易.空调压缩机的噪声振动分析及问题解决[D].上海:上海交通大学,2003.

[2]许小强,赵洪伦.过盈配合应力的接触非线性有限元分析[J].机械设计与研究,2000(1):33-35.

[3]张松,艾兴,刘战强.基于有限元的高速旋转主轴过盈配合研究[J].机械科学与技术,2004,23(1):15-17.

[4]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1992.