有限元分析报告书
轴流式通风机叶轮与机座有限元分析分析与优化报告书
第2页共46页
目录
第一部分机座的有限元分析与优化------------------------------------4
1.1机座分析的已知条件------------------------------------------4
1.2材料的力学性能-----------------------------------------------4
1.3有限元分析模型-----------------------------------------------4
1.3.1分析前的假设-----------------------------------------4
1.3.2建立分析模型-----------------------------------------5
1.3.3建立有限元分析模型----------------------------------7
1.4计算结果------------------------------------------------------7
1.4.1变形结果-----------------------------------------------7
1.4.2应力结果-----------------------------------------------8
1.4.3路径结果-----------------------------------------------11
1.4.4分析结果评判------------------------------------------13
1.5机座优化------------------------------------------------------14
1.5.1优化参数的确定---------------------------------------14
1.5.2优化模型的建立---------------------------------------15
1.5.3优化分析的结果---------------------------------------16
1.5.4优化结果评判-----------------------------------------17第二部分轮毂的有限元分析与优化-------------------------------------18
2.1轮毂分析的已知条件-------------------------------------------18
2.2材料的力学性能------------------------------------------------18
2.3有限元分析模型------------------------------------------------19
2.3.1分析前的假设------------------------------------------19
2.3.2建立分析模型------------------------------------------20
2.3.3建立有限元分析模型-----------------------------------22
2.4计算结果-------------------------------------------------------
第3页共46页
22
2.4.1变形结果------------------------------------------------22
2.4.2应力结果------------------------------------------------25
2.4.3路径结果------------------------------------------------30
2.4.4结果分析------------------------------------------------36
2.5轮毂优化-----------------------------------------------------38
2.5.1轮毂转速在n=1000rpm--------------------------------38
2.5.2轮毂转速在n=750rpm---------------------------------43参考文献----------------------------------------------------------------46
第4页共46页第一部分机座的有限元分析与优化
1.1机座分析的已知条件
根据合同内容，甲方提供的已知条件有：
①机座结构的设计图1张(3号图纸)，见附件1(原图的复印件)。
②机座的工作环境条件：
工作温度：常温
工作环境：煤矿通风，并安装在地面上。
③配套电机型号：YBF355L1-8-185KW380V
④电机及叶轮的重量为：
电机总重量：2200kg(由甲方提供)
叶轮的总重量：543.8kg(由称重和分析模型计算得到)
1.2材料的力学性能
①根据设计图纸，机座结构的材料为：Q235A
查文献[1]有：
密度：ρ=7.85t m3(第1-6页)
弹性模量：E=196～206GPa(第1-7页),取E=200GPa
泊松比：μ=0.3
切变模量：G=79GPa
屈服极限：σs=235Mpa
σs=225Mpa 对于钢板厚度为：≤16mm(第3-12页)对于钢板厚度为：16-40mm
抗拉强度：σb=375-500Mpa
②叶片材料：ZL104
密度：ρ=2.7t m3(第1-6页)
重力加速度：9.8m/s2
1.3有限元分析模型
1.3.1分析前的假设
由于机座结构主要通过焊接和螺栓连接组成，没有相对运动的零部件，因此在建立有限元分析模型之前提出如下假设。
①假设结构件的焊接是完全可靠的，结构件之间已全焊透，没有焊接残余应力的存在，在分析时不考虑焊脚高度对结构的影响。
第5页共46页
②假设机座结构不存在任何制造或安装变形，在分析中按图纸的理想结构进行建模。
③假定螺栓连接可靠，不考虑螺栓连接的预应力对结构件的影响。
④不考虑工艺孔或不影响结构分析的附件结构(如通风孔的遮盖)。
⑤不考虑风压载荷对机座的影响。
⑥假定叶轮是完全平衡包括动平衡和静平衡。
1.3.2建立分析模型
1结构简化
根据对甲方提供图纸的分析可知，当不考虑电机引出线管结构时，机座结构具有对称性，而且其载荷即电机和叶轮的自重也是对称的，因此在分析时暂不考虑电机引出线管结构的影响，这样可以将机座结构进行简化，即根据其对称性，只要对机座结构的一半建立有限元分析模型即可。简化后的分析模型如图1所示
Z
对称面施加对称约束
图1机座的简化分析模型
2载荷简化
由于不考虑风压及其动载荷的影响，在仅考虑自重的情况下，机座的受力载荷有：
1、机座本身的自重
2、由电机、轮毂和叶片自重所构成的载荷，它们各自重量为：
①电机的重量：W
=2200kg(由甲方提供)
d
=327.8kg(按图纸计算)
②轮毂的重量：W
l
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③叶片的重量：单个叶片的重量为：13.5kg(实际称重)，则总的重量为：W
y
=13.5?16=216kg
轮毂与叶
片的重力
电机自重
图2电机及轮毂的受力结构示意图
其受力结构示意图如图2所示。
设电机的自重位于电机安装位置的轴心中部，轮毂与叶片的总重量作用在电机轴引出端的中心。将轮毂与叶片的重力向电机自重的作用位置平移，由此将产生一个弯矩M x和总重力W，其中：
W=W d+W l+W y=2200+327.8+216=2743.8kg
=26889.24N
M x=(W l+W y)?0.645=(327.8+216)?0.645=350.751kg?m
=3437.36N?m
将总重力作用在电机与机座的接触面上，并假设其接触均匀，则由图2可知，接触面的面积A为：
A=150?900?2=270000mm2
=0.27m2
则作用在接触面上的压力载荷P为：
P=W
A
=
26889.24
0.27
=99589.78Pa
考虑到结构和载荷的简化，将压力载荷放大20%，即有：
P计=P?1.2=119507.736Pa
综上所述，这样施加到机座用于有限元分析的载荷有3个：
①弯矩：M x=3437.36N?m
②压力：P计=119507.736Pa
③机座自身的重力
施加的位置如图1所示。
3约束简化
(1)机座与地面的约束
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当机座与地面的连接牢固时，可以假设机座与地面接触面的自由度完全限制，因此在分析时，将对机座与地面的接触面进行全约束。
(2)机座对称面的约束
由于结构的对称性，在分析时可以只要分析其中的一半即可，而在对称面上施加对称约束。
施加约束的具体情况可参考图1上的说明。
1.3.3建立有限元模型
由于机座结构是采用薄板通过焊接而成，板的厚度与其长或宽的尺寸相比要小得多，因此在有限元分析时宜采用壳单元进行分析，根据壳单元的特性，在建立几何模型时，可采用其中性面建立。在这里，本人采用了ANSYS软件中的壳单元SHELL63；由于结构的不规则性较多，划分网格时采用自由划分，设置单元的长度为0.030单位，共划分了壳单元33345个，节点33589个，分析计算运行时间为378.77秒，其网格图如图3所示。
Z
X
图3机座有限元分析的网格图
1.4计算结果
采用大型通用CAE软件ANSYS对图3所示的网格结构进行了分析计算，其计算结果如下，其中坐标系如图3所示。
1.4.1变形结果
1、X方向的变形分布云图
在X方向的变形分布如图4a所示，其中最大的X方向变形发生在内筒体的中部偏下的位置。其中最大的位移为：Ux=0.731?10-4m
2、Y方向的变形分布云图
在Y方向的变形分布如图4b所示，其中最大的Y方向变形发生在内筒体的中部螺栓连接板的位置。其中最大的位移为：Uy=-0.002193m，而其它位
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置的位移主要介于-0.2?10-3?0.494?10-4m之间
(a)X方向的变形结果(b)Y方向变形的结果
(c)Z方向的变形结果(d)机座的总变形分布
图4机座变形等值线分布图
3、Z方向的变形分布云图
Z方向的变形结果如图4c所示，其中最大的Z方向变形发生在电机安装
板的支撑板上，其值为：Uz=0.156?10-4m，其它位置基本上位于-0.355?10-5～
0.364?10-5m
4、总变形分布云图
机座的总变形结果分布云图如图4d所示，其中最大的变形值为
U=0.002193m，且发生在电机安装板的位置。内筒体与外筒体相比，其变形
要大一些，基本上介于0.122?10-4～0.244?10-3m之间。对于外筒体而言，其
筒体上部的变形要比筒体下部的变形要大。
1.4.2应力结果
1、X方向的应力分布云图
如图5a所示为机座在X方向的应力等值线分布云图，其中最大的X方向
拉应力和压应力均位于电机安装板的中心位置附近，最大拉应力为：σx=0.153?109Pa，最大压应力为：σx=-0.155?109Pa，其余位置的应力基
本介于-0.181?108～0.161?108Pa之间
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(a)X方向的应力等值线分布云图(b)Y方向应力等值线分布云图
(c)机座Z方向的应力等值线分布云图(d)Mises应力分布的等值线云图
图5应力等值线分布云图
2、Y方向的应力分布云图
如图5b所示为机座在Y方向的应力等值线分布云图，其中最大的方向应力位于电机安装板与通风孔口的连接处，其值为：σy=0.282?108Pa，大多数位置的应力位于-2.64?107～0.506?107Pa之间。
3、Z方向的应力分布云图
如图5c所示为机座在z方向的应力等值线分布云图，其中最大拉应力和压应力均位于电机安装板上，其最大拉应力的值为：σ
=0.104?109Pa；最大
z
压应力的值为：σ
=-0.104?109Pa。其它大多数位置的应力值均介于
z
-0.115?108～0.117?108Pa之间。
4、Mises应力强度分布云图
如图5d所示为机座的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于电机安装板上，其值为：σe=0.135?109Pa。从图11可以看到，内筒体上的应力值要大于外筒体上的应力值。
5、第一主应力分布云图
如图6a显示了机座上第一主应力的等值线分布云图，其中第一主应力的最大值发生在电机安装板上，其值为：σ1=0.154?109Pa，在电机安装板与
值 为 ：σ 2 = -0.848 ?108 Pa ， 其 它 位 置 的 应 力 值 大 多 数 介 于 - 0.178 ?10 ～ 第 10 页 共 46 页
内筒体相连接的位置，其应力也相对较大，而外筒体上的第一主应力值要小， 其值在 - 0.560 ?107 ～ 0.480 ?107 Pa 之间。
6、第二主应力分布云图
如图 6b 所示为机座第二主应力分布的云图，其最大的拉应力和压应力都 位于电机安装板上，最大拉应力的值为： σ 2 = 0.850 ?108 Pa ，最大压应力的
7
0.200 ?107
Pa 之间。
7、第三主应力分布云图
如图 6c 所示为机座上第三主应力的等值线分布云图，最大应力值为压应 力 ， 其 值 为 ： σ 3 = -0.156 ?109 Pa ， 其 它 大 多 数 位 置 的 应 力 值 介 于
- 0.164 ?108 ～ 0.109 ?107
Pa 之间。
(a) 机座第一主应力分布云图
(b) 机座第二主应力的分布云图
(c) 机座第三主应力的分布云图 图 6 机座上的主应力分布云图
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G2
G1
B1
C2
A2
D2
E1
C1
A1B2
F1
F2
E2
（a）（b）
图7机座上路径的设置情况
1.4.3沿指定路径的应力和位移分布
为了更好地查看结构上各部分的应力分布，了解零件剖面上的受载情况，如图7所示显示了机座结构上的路径设置，它们分别是：
①沿电机安装板的中心轴线方向即A1—A2路径；
②电机安装板的横剖面即图中B1—B2路径；
③沿电机支撑板的横向剖面即图中的D1—D2路径；
④沿内筒体中剖面的路径即G1—G2路径；
⑤沿下通风孔的横剖面路径即F1—F2路径；
⑥沿下通风孔的路径即E1—E2。
沿路径的应力和变形结果如下图所示。
(a)应力分布(b)位移分布
图8沿路径A1—A2的应力和位移分布
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(a)应力分布(b)位移分布
图9沿路径B1—B2的应力和位移分布
(a)应力分布(b)位移分布
图10沿路径D1—D2的应力和位移分布
(a)应力分布(b)位移分布
图11沿路径E1—E2的应力和位移分布
注：图中纵坐标分别表示应力或位移，其单位为：应力为Pa；位移为m。横坐标表示沿路径的距离。图中各符号的意义说明如下：
SX——表示X方向的应力；SY——表示Y方向的应力；
SZ——表示Z方向的应力；SEQV——表示为Mises应力。
UX——表示X方向的位移；UY——表示Y方向的位移；
UZ——表示Z方向的位移；USUM——表示为总位移。
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(a)应力分布(b)位移分布
图12沿路径F1—F2的应力和位移分布
(a)应力分布(b)位移分布
图13沿路径G1—G2的应力和位移分布
1.4.5分析结果评判
从“1.2材料的性能中”中已知，材料Q235A的性能为：
屈服极限：σs=235Mpa
σs=225Mpa
对于钢板厚度为：≤16mm(第3-12页)
对于钢板厚度为：16-40mm 1．强度条件
从图5d可以看到，最大的当量应力Mises应力值为σeq=135M Pa，且位于电机安装板上，由于电机安装板的厚度为20mm，因此取材料的屈服极限为σs=225Mpa。
另外若不考虑应力集中，则从图5d和图9a中可以看到此时的最大当量Mises应力值约为：σeq=59Mpa，则机座结构的应力集中系数为：
K t=
σeq,Max
σeq
=
135
59
=2.3
机座结构的安全系数为：
X=[x1x2??
σmax≤[σ]
f max≤[f]?第14页共46页
n=σs
σe
=
225
59
=3.8>2
即机座结构安全。
3．刚度评判
从图4d和图13b中可以看到，机座结构在重力载荷下产生的最大位移为：U=0.002193m=2.19mm，能够满足刚度要求。
1.5机座优化
从机座结构的初期分析看，在不考虑应力集中的影响时，其安全系数的裕量是很大的，这对于一个仅承受重力载荷，没有动载荷的结构件来说，其裕量是充足的，并且在前期的分析图中，也可以看到，无论是变形还是应力分布，都是机座结构中的内筒体部分所承受的载荷和变形都要大于外筒体部分，因此很有必要对机座结构进行优化分析。
1.5.1优化参数的确定
可以从图4至图13中看出，无论是结构的变形还是应力的分布，内筒体上的值都要大于外筒体上的值。这说明机座结构上的最大变形和受力主要由内筒体承担，而外筒体仅就重力载荷而言，其所受的载荷是较小的，因此在确定优化参数时，主要从外筒体考虑。而对于内筒体，从前期的有限元分析可知，在考虑应力集中影响时，则不满足强度要求。主要原因是，在分析中已假设叶轮是完全平衡的包括静平衡和动平衡都是平衡的，因此在优化时将不考虑内筒体结构尺寸变化，即内筒体结构的尺寸保持不变。
另外从前期分析也可以看到，内筒体上结构的布置也比较合理，在初步的预分析计算中，也没有出现非常不好的结构布置，因此对于结构布置将不进行优化。
因此从上述的分析中，仅将考虑外筒体上结构的尺寸作为优化参数来完成结构的优化。
1.5.2优化模型的建立
如图14所示为机座结构的外观图，图上显示了将要进行优化的零部件结构的名称。
由于优化的目标是在给定的强度和刚度条件下，使机座结构的重量达到最小。在不改变机座结构情况下，可建立如下的优化数学模型为：
?Min W(X)
?
?s.t.
?
?
?
x n]
第 15 页 共 46 页
式中： X 为设计变量，主要为外筒体结构零件的厚度； [σ ]为许用应力， [ f ]为 许用刚度条件。
外筒体 法兰 纵向连接板
加强圈
纵向加强板
下通风口支板
纵向加强板
图 14 机座的几何结构示意图
在对机座结构进行多次预分析计算并通过比较后，确定外筒体上各零件 的厚度为：
① 外筒体及加强圈的厚度由 8mm 改为 6mm; ② 外筒体上法兰的厚度由 18mm 改为 14mm ；
③ 法兰侧的纵向加强板的厚度由 12mm 改为 8mm; ④ 外筒体上纵向连接板的厚度由 18mm 改为 14mm;
⑤ 加强圈及筒体法兰的外径由Ф2710 改为Ф2600mm; ⑥ 下通风口支板与支撑板的厚度由 18mm 改为 14mm; 1.5.3 优化分析的结果
建立的有限元分析模型及网格模型可参考图 1、图 3，对其进行有限元分 析后，其分析结果如下图所示。
1、优化前，机座结构的总重量为 4829kg ；优化后，机座结构的总重量 为 3604kg ，下降了总重量的 25.4%。
2、优化后，机座结构 Mises 的应力等值线分布云图如图 15a 所示，其中 最大的 Mises 应力位于电机安装板上，其值为：σ e = 151Mpa 。
3、优化后，沿图 7 中所示的 A1—A2、B1—B2、C1—C2 路径的变形和应 力分布结果如图 16、图 17 和图 18 所示，其中从图 17a 中可以看到，在考虑 应力集中时，路径上的最大 Mises 应力为： σ e = 111.6Mpa ，若不考虑应力集 中，取其平均值，则最大 Mises 应力值为：σ e = 68Mpa 。对于变形位移来说， 从图 24 至 26 中可以看到，与优化前的结果变化不大。
第 16 页 共 46 页
4、优化后，机座结构的总变形等值线分布云图如图 15b 所示，其中最大 变形的位置与优化前相比，没有变化，其最大位移值为：U = 0.0022 m
(a)Mises 应力等值线分布图 (b)总变形等值线分布图
图 15 优化后机座的 Mises 和总变形等值线分布云图
(a) 应力分布图 (b) 位移分布图
图 16 优化后沿路径 A1—A2 的应力和位移分布图
1.5.4 优化结果评判 1、强度评判
从图 15 和图 18a 中可以看到，优化后机座结构中最大的当量应力为：
考虑应力集中在内有：σ eq = 151Mpa 不考虑应力集中则为：σ eq = 68Mpa 由于机座结构所取材料为 Q235，参考文献[2]第 129 页有，对于静载状 态，其安全系数可取 1.2～2.2。
机座结构的应力集中系数为：
K t = σ eq , max σ eq
= 151 68 = 2.22
第 17 页 共 46 页
(a) 应力分布图 (b) 位移分布图
图 17 优化后沿路径 B1—B2 的应力和位移分布图
(a) 应力分布图 (b) 位移分布图
图 18 优化后沿路径 C2—C1 的应力和位移分布图
机座结构的安全系数为：
n = σ s
σ e
= 225 68
= 3.31 > 2.2
所以所采用结构能够满足强度要求。
2、刚度条件
从图 15b 中可以看到，优化后结构的最大变形位移为：U = 0.0022 m ，与 优化前的结果相比，其值变化不大，可以满足刚度要求。
综上所述，对机座结构的优化改进是可行的。
第二部分 轮毂的有限元分析与优化
第18页共46页2.1轮毂分析的已知条件
根据合同内容，甲方提供的已知条件有：
①图纸有：叶轮组1张（2号图纸）、轮毂1张（2号图纸）、叶片1张
（3号图纸）和卡环1张（4号图纸），具体见附件2、附件3、附件4和附件
5(原图的复印件)。
②轮毂安装在电机轴上，电机又固定在机座上，机座的工作环境为：
工作温度：常温。
工作环境：煤矿通风，并安装在地面上。
③配套电机型号：YBF355L1-8-185KW380V。
④单个叶片的重量为：13.5kg（由实物称重确定）。
⑤电机的转速分别为：1450r/min、1000r/min、750r/min。
2.2材料的力学性能
由甲方给定的设计图纸可知，轮毂的材料为：Q235A；叶片的材料为：ZL104；卡环的材料为：45号钢。查文献[1]知，所用材料的力学性能分别为：
1、Q235A材料的力学性能
密度：ρ=7.85t m3(第1-6页)
弹性模量：E=196～206GPa(第1-7页),取E=200GPa
泊松比：μ=0.3
切变模量：G=79GPa
屈服极限：σs=235Mpa
σs=225Mpa 对于钢板厚度为：≤16mm(第3-12页)对于钢板厚度为：16-40mm
抗拉强度：σb=375-500Mpa
2、ZL104材料的力学性能
ZL104为铝硅合金，其合金牌号为：ZAlSi9Mg
密度：ρ=2.7t m3(文献[1]第1-6页)
弹性模量：E=70GPa(文献[1]第1-7页)
泊松比：μ=0.3
切变模量：G=26GPa
抗拉强度：σb=145MPa（见文献[3]第230页）
3、45号钢的力学性能
密度：ρ=7.85t m3(第1-6页)
弹性模量：E=196～206GPa(第1-7页),取E=200GPa 泊松比：μ=0.3
切变模量：G=79GPa
第19页共46页
屈服极限：σs=345Mpa钢材尺尺寸为：100-250mm(第3-12页)
抗拉强度：σb=590-740Mpa
4、重力加速度：9.8m/s2
2.3有限元分析模型
轮毂结构主要由板材焊接而成，叶片通过卡环卡在叶柄座上，叶片与叶柄座之间没有相互固定，在电机旋转时，叶片的离心力由卡环传递到叶柄座上，再由叶柄座传到轮毂上；轮毂与轴盘通过铆接，按圆周均布有8个铆钉，轴盘再与电机轴相接。
2.3.1分析前的假设
在进行有限元分析之前，建立如下假设：
①假设轮毂结构的焊接是完全可靠的，结构件之间已全焊透，没有焊接残余应力的存在，在分析时不考虑焊脚高度对结构的影响。
②假设轮毂结构不存在任何制造或安装变形，在分析中按图纸的理想结构进行建模。
③假定铆钉连接可靠，不考虑铆钉连接的预应力对结构件的影响。
④不考虑风压载荷对轮毂和叶片的影响。
⑤假设叶轮组结构是完全平衡包括动平衡和静平衡。
⑥不考虑轮毂及叶片本身的重量对结构的影响。
⑦卡环与叶片之间，卡环与叶柄座之间为全接触。
2.3.2建立分析模型
1、轮毂结构简化
根据给定的图纸可知，在轮毂的外圆周上均匀地分布着16个叶片，再加轮毂本身结构为轴对称结构，因此该结构具有轴对称性。由于不考虑轮毂及叶片的重力影响，只考虑动载荷即轮毂和叶片的惯性载荷影响，当轮毂随电机旋转时，该载荷也具有轴对称特性。因此该分析模型为轴对称问题，在建立有限元模型之前，可以先将轮毂结构按其结构和载荷的对称性进行简化，即将轮毂按圆周分成16等份，在分析时仅分析计算其中一个等份即可。
另外根据上述的假设，如果轮毂与轴盘之间的铆接可靠，则在分析时，可假设它们之间是一个整体，因此在建立模型时，可以作为一个零件看待，而不必要将它们分开。
=?104.72/s ?第20页共46页
简化后的模型如图19所示。
对称约束
Z
对称约束
施加关键点上
图19轮毂组结构简化示意图
2、约束简化
在几何模型分析时，已确定轮毂结构为轴对称模型，在分析时只要分析计算其中的16分之一部分即可，因此其约束也要根据对称模型的性质进行施加，如图19已显示了约束的施加，即在简化后的轮毂结构的两个侧面施加对称约束，而在轴盘下端的一个角点上施加一个Z方向的约束，这样有限元分析几何模型上的约束得到了全部限制。
3、载荷分析
由文献[1]第I-94页有，在已知转速n时，轮毂的角速度ω为：
ω=πn
30
?151.84/s
?
?78.54/s
n=1450rpm
n=1000rpm
n=750rpm
则离心惯性力的计算式为：
F gn=mω2r
式中：m为单个叶片的质量；r为叶片质心到圆心的半径。
质心位置
250mm
图20叶片的结构示意图
精讲solidworks有限元分析步骤
2013-08-29 17:31 by:有限元来源:广州有道有限元 1. 软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2. 使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要， （即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。 ▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。
基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析
目录 摘要 (1) 1引言 (1) 2 简要介绍有限元和极限平衡方法 (1) 3影响边坡稳定性的因素 (2) 3.1水位下降速度的影响 (2) 3.2 不排水粘性土对边坡失稳的影响 (5) 3.3 裂缝位置的影响 (9) 4 总结和结论 (12)
基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析 摘要：相较于有限元分析法，极限平衡法是一种常用的更为简单的边坡稳定性分析方法。这两种方法都可用于分析均质和不均质的边坡，同时考虑了水位骤降，饱和粘土和存在张力裂缝的条件。使用PLAXIS8.0(有限元法)和SAS-MCT4.0(极限平衡方法)进行了分析，并对两种方法获得的临界滑动面的安全系数和位置进行了比较。 关键词：边坡稳定；极限平衡法；有限元法；PLAXIS；SAS-MCT 1.引言 近年来，计算方法，软件设计和高速低耗硬件领域都得到快速发展，特别是相关的边坡稳定性分析的极限平衡法和有限元方法。但是，使用极限平衡方法来分析边坡，可能会在定位临界滑动面(取决于地质)时出现几个计算困难和前后数值不一致，因此要建立一个安全系数。尽管极限平衡法存在这些固有的局限性，但由于其简单，它仍然是最常用的方法。然而，由于个人电脑变得更容易获得，有限元方法已越来越多地应用于边坡稳定性分析。有限元法的优势之一是，不需要假设临界破坏面的形状或位置。此外，该方法可以很容易地用于计算压力，位移，路堤空隙压力，渗水引起的故障，以及监测渐进破坏。 邓肯(1996年)介绍了一个综合观点，用极限平衡和有限元两种方法对边坡进行分析。他比较了实地测量和有限元分析的结果，并且发现一种倾向，即计算变形大于实测变形。Yu 等人(1998年)比较了极限平衡法和严格的上、下界限法对于简单土质边坡的稳定性分析的结果，同时，他们也将采用毕肖普法和利用塑性力学上、下限原理的界限法得到的结果进行了比较。Kim等人(1999年)同时使用极限平衡法和极限分析法对边坡进行分析，发现对于均质土边坡，得自两种方法的结果大体是一致的，但是对于非均质土边坡还需要进行进一步分析工作。Zaki(1999年)认为有限元相对于极限平衡法更显优势。Lane和Griffiths (2000年) 提出一个看法，用有限元方法在水位骤降条件下评价边坡的稳定性，应绘制出适用于实际结构的操作图表。Rocscience有限公司(2001年)提出了一个文件，概述了有限元分析方法的能力，并通过与各种极限平衡方法的结果比较，提出了有限元方法更为实用。Kim等人(2002年)用上、下界限法和极限平衡法分析了几处非均质土体且几何不规则边坡的剖面。这两种方法给出了类似有限元分析法产生的安全系数，临界滑动面位置。 2.简要介绍有限元和极限平衡方法 有限元法(FEM)是一个应用于科学和工程中，求解微分方程和边值问题的数值方法。进一步的细节，读者可参考Clough和Woodward(1967年)，Strang和Fix(1973年)，Hughes(1987年)，Zienkiewicz和Taylor(1989年)所做的研究工作。 PLAXIS 8版(Brinkgreve 2002年)是一个有限元软件包，应用于岩土工程二维的变形和 折稳定性分析。该程序可以分析自然成型或人为制造的斜坡问题。安全系数的确定使用c
有限元分析及应用大课后复习
有限元分析及应用作业报告
目录 有限元分析及应用作业报告....................................... I 目录 ........................................................ II 试题1 . (1) 一、问题描述 (1) 二、几何建模与分析 (2) 三、第1问的有限元建模及计算结果 (2) 四、第2问的有限元建模及计算结果 (7) 五、第3问的有限元建模及计算结果 (13) 六、总结和建议 (16) 试题5 (17) 一、问题的描述 (17) 二、几何建模与分析 (18) 三、有限元建模及计算结果分析 (18) 四、总结和建议 (26) 试题6 (27) 一、问题的描述 (27) 二、几何建模与分析 (27) 三、有限元建模及计算结果分析 (27) 五、总结和建议 (35)
试题1 一、问题描述 图示无限长刚性地基上的三角形大坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常应变单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析，并对以下几种计算方案进行比较： 1)分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算； 2)分别采用不同数量的三节点常应变单元计算； 3)当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算。 图1-1模型示意图及划分方案
二、几何建模与分析 图1-2力学模型 由于大坝长度>>横截面尺寸，且横截面沿长度方向保持不变，因此可将大坝看作无限长的实体模型，满足平面应变问题的几何条件；对截面进行受力分析，作用于大坝上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力，满足平面应变问题的载荷条件。因此该问题属于平面应变问题，大坝所受的载荷为面载荷，分布情况及方向如图1-2所示，建立几何模型，进行求解。 假设大坝的材料为钢，则其材料参数：弹性模量E=2.1e11，泊松比σ=0.3 三、第1问的有限元建模 本题将分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算。1）设置计算类型：两者因几何条件和载荷条件均满足平面应变问题，故均取Preferences为Structural 2）选择单元类型：三节点常应变单元选择的类型是PLANE42（Quad 4node42），该单元属于是四节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为三节点单元；六节点三角形单元选择的类型是PLANE183（Quad 8node183），该单元属于是八节点单元类型，在网格划分时可以对节点数目控制使其蜕化为六节点单元。因研究的问题为平面应变问题，故对Element behavior（K3）设置为plane strain。 3）定义材料参数：按以上假设大坝材料为钢，设定：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:2.1e11, PRXY:0.3 → OK 4）生成几何模型： a. 生成特征点：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints→In Active CS→依次输入三个点的坐标：
有限元法的基本思想及计算 步骤
有限元法的基本思想及计算步骤 有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。 用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为： 1）连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。 2）单元分析。所谓单元分析，就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。现以三角形单元为例说明单元分析的过程。如图1所示，三角形有三个结点i，j，m。在平面问题中每个结点有两个位移分量u，v和两个结点力分量F x，F y。三个结点共六个结点位移分量可用列
solidworks进行有限元分析的一般步骤
1.软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2.使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要， （即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。 ◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下具体零件的某个“Body”并选择“应用材料到实体”——只有
有限元分析及优化设计
《有限元分析及优化设计》实验指导书 桂林电子科技大学机电工程学院 庄未编 2012年05月
实验一:平面问题的结构分析计算 1.实验目的 ?了解ANSYS软件的基本功能与应用范围； ?熟悉在计算机上运用ANSYS软件的基本步骤和方法； ?结合具体平面问题实例,利用ANSYS软件进行计算分析； ?时间许可,可对上述实例利用有限元方法进行计算，并与ANSYS计算结 果进行分析比较. 2.实验内容 1. 结合具体平面问题实例,利用ANSYS软件进行计算分析； 2. 利用ANSYS软件进行建模，并施加约束和载荷； 3 对计算结果进行比较分析与讨论； 4. 时间许可,可对上述实例利用ANSYS的非交互模式（Batch Mode/命令流 的方式）再进行一次计算，并与用ANSYS交互模式的计算结果进行分 析比较. 3.实验预习报告内容要求 实验预习报告在实验前写好，其主要内容应包括： 复习有限元法基本原理、解题方法与步骤等,建立有限元模型应包含的内容； 提供具体平面问题的结构简图,画出计算模型； 对给定的平面问题实例的结果进行预估,以供计算后进行比较讨论用； 4.上机实践举例 一）如图1所示的6结点4单元平面应力平板问题.各三角形单元的直角边的长度为α=10mm,假设平板的厚度t=5mm,材料均匀,其弹性模量E=200GPa, 泊 松比μ=0.3.今在结点1处,竖直向下作用一个力P=1,若不计平板重量( 即设容重γ=0 ).利用ANSYS软件进行分析。
图1 二）、求解下图所示的平面问题。 图2 实验二：轴对称实体结构静力有限元分析 1. 实验目的 ? 了解ANSYS 软件的基本功能与应用范围； ? 熟悉在计算机上运用ANSYS 软件的基本步骤和方法； ? 结合具体实体问题实例,利用ANSYS 软件进行计算分析； ? 时间许可,可对上述实例利用有限元方法进行计算，并与ANSYS 计算结 果进行分析比较.
基于ansys的连杆机构的有限元分析
目录 摘要 ............................................................................................ 错误！未定义书签。Abstract (2) 第一章分析方法和研究对象 ........................................... 错误！未定义书签。 1.1 有限单元法的概述....................................................... 错误！未定义书签。 1.1.1 有限单元法的历史 (4) 1.1.2 有限单元法的基本概念 (4) 1.2 ANSYS软件简介 (4) 1.2.1 ANSYS主要应用领域 (4) 1.2.2 ANSYS操作界面 (5) 1.2.3 ANSYS的主要功能 (6) 1.2.4 ANSYS主要特点 (7) 1.3 曲柄滑块机构简介 (7) 1.3.1 曲柄滑块定义 (8) 1.3.2 曲柄滑块机构特性应用以及分类 (8) 第二章曲柄滑块机构的求解 (10) 2.1 曲柄滑块机构的问题描述 (10) 2.2 曲柄滑块机构问题的图解法 (10) 2.2.1 图解法准备工作 (11) 2.2.2 图解法操作步骤 (11) 第三章有限元瞬态动力学概述 (14) 3.1 有限元瞬态动力学定义 (14) 3.2 瞬态动力学问题求解方法........................................... 错误！未定义书签。 3.2.1 完全法 (14) 3.2.2 模态分析法 (14) 3.2.2 缩减法 (15) 3.1 有限元结构静力学分析基本概念 (15) 3.1 有限元结构静力学分析步骤 (16) 第四章曲柄滑块的有限元瞬态动力学分析 (17) 4.1 曲柄滑块机构瞬态简要概述 (17) 4.2曲柄滑块有限元瞬态动力学分析步骤 (18)
ANSYS 有限元分析基本流程
第一章实体建模 第一节基本知识 建模在ANSYS系统中包括广义与狭义两层含义，广义模型包括实体模型和在载荷与边界条件下的有限元模型，狭义则仅仅指建立的实体模型与有限元模型。建模的最终目的是获得正确的有限元网格模型，保证网格具有合理的单元形状，单元大小密度分布合理，以便施加边界条件和载荷，保证变形后仍具有合理的单元形状，场量分布描述清晰等。 一、实体造型简介 1．建立实体模型的两种途径 ①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模： ②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。 2．实体建模的三种方式 (1)自底向上的实体建模 由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。 (2)自顶向下的实体建模 直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。 (3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模 可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型的建立比较1e单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。 二、ANSYS的坐标系 ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。 ①全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位置。 ②显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。 ③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 ④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 1．全局坐标系 全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y-柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系(cartesian)，1是柱坐标系 (Cyliadrical)，2是球坐标系(Spherical)，5是Y-柱坐标系(Y-aylindrical)，如图2-1所示。
优化设计有限元分析总结
目录 目录 (1) 1. 优化设计基础 (2) 1.1 优化设计概述 (2) 1.2 优化设计作用 (3) 1.3 优化设计流程 (3) 2. 问题描述 (4) 3. 问题分析 (5) 4. 结构静力学分析 (6) 4.1 创建有限元模型 (6) 4.2 创建仿真模型并修改理想化模型 (7) 4.3 定义约束及载荷 (7) 4.4 求解 (8) 5. 结构优化分析 (9) 5.1 建立优化解算方案 (9) 5.2 优化求解及其结果查看 (11) 6. 结果分析 (13) 7. 案例小结 (14)
1.优化设计基础 1.1优化设计概述 优化设计是将产品/零部件设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和运用软件求解该数学
模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法，有限元被广泛应用于结构设计中，采用这种方法任意复杂工程问题，都可以通过它们的响应进行分析。 如何将实际的工程问题转化为数学模型，这是优化设计首先要解决的关键问题，解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果是在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标，因此，设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的3个基本要素。 因此概括来说，优化设计就是：在满足设计要求的前提下，自动修正被分析模型的有关参数，以到达期望的目标。 1.2优化设计作用 以有限元法为基础的结构优化设计方法在产品设计和开发中的主要作用如下： 1）对结构设计进行改进，包括尺寸优化、形状优化和几何拓扑优化。2）从不合理的设计方案中产生出优化、合理的设计方案，包括静力响应优化、正则模态优化、屈曲响应优化和其他动力响应优化等。 3）进行模型匹配，产生相似的结构响应。 4）对系统参数进行设别，还可以保证分析模型与试验结果相关联。 5）灵敏度分析，求解设计目标对每个设计变量的灵敏度大小。 1.3优化设计流程 不同的优化软件其操作要求及操作步骤大同小异。一般为开始、创建有限元模型、创建仿真模型、定义约束及载荷，然后进行结构分析，判断是否收
MD Nastran突破有限元分析的极限
MD Nastran突破有限元分析的极限 作者：MSC.Software公司来源：汽车制造业 有限元法FEM分析变得日益复杂，同时有限元分析模型的大小和细节设计要求也在不断增加。尤其是在汽车行业，这一趋势尤其明显。 项目背景 由数百万个单元和数百万的自由度组成的有限元网格的模型已经变得司空见惯，然而模型的尺寸仍在不断地增加。由于数学方法和软件工程学技术的改进，有限元法程序的工作效率和计算能力也在不断提升，同时构建模型和网格划分软件技术的飞速进步使模型的生成变得更加方便快捷。数年前，发动机引擎气缸体的网格划分需要几个月的时间，而现在只是几个小时的问题。 德国汽车制造商宝马公司是大范围使用虚拟仿真技术的公司之一。在宝马公司和其他一些制造商中，为了缩短研发周期，减少物理样机和物理试验的次数，完整的汽车模型得到了最优化的使用，其基础便是日益复杂的有限元仿真模型，包括对噪音和舒适度的刚性评定、乘客安全性和空气动力学仿真等。在数值计算方法方面，使用了隐式线性分析和显式非线性瞬态分析。 图1 “后天之模型”的基础是宝马X3汽车的车体 早在2007年初，宝马公司便对计算机辅助工程CAE的流程重新进行了检测，以便发现将来可能由仿真模型尺寸增加引起的瓶颈问题。宝马公司的车体和零部件设计小组开发了迄今为止最大的有限元法模型作为基准测试的考题模型，被冠以“后天之模型（Model of the
Day After Tomorrow）”的名称。小组成员丹尼尔·海泽尔博士表示，“对我们来说，在标准的硬件和软件设备上进行此次基准测试是非常重要的，使用当前的基础设施解决基准模型问题的目的，并不是为了要减少计算时间，而是为了识别理论极限和当前方法的瓶颈。” 基准考题的目的是为了寻找标准分析（双载荷工况条件下的线性静态分析）中进行有限元法分析基本步骤的极限和时间： 1. 读取输入数据，对它们进行分类、制成表格，并进行一致性检查； 2. 计算单元刚体矩阵，并集成一个整体刚体矩阵； 3. 计算位移和应力数据； 4. 输出结果。 宝马公司提出的问题是有限元分析还能应对这一增长趋势多长时间？用“后天之模型”作为考题的目的是如何突破近10年间所要面临的硬件和软件极限问题。MSC.Software公司同美国国际商用机器IBM公司合作，能够在短短的几个月的时间内解决这一问题。在一份用该模型分析的详细报告中，项目成员彼得·沙尔茨和杰拉德·希姆莱（MSC.Software公司），丹尼尔·海泽尔（宝马汽车制造公司）和D·皮特施（IBM公司）详细介绍了他们实现宝马公司苛刻要求的方法。 图2 BMW X3减振器支座外壳模型（蓝色），MODAW部分描绘图（黄色） 软、硬件的发展 大多数有限元法分析程序都存在计算能力不在最佳状态的情形。1957年，雷W克拉夫和他的学生在一台内存只有16位的IBM701计算机上开发出了后来成为有限元法的程序。方程式大约在40个以上的问题需要out of core（即数据不全部存储在内存中，而是存储在硬盘的临时文件夹中）求解逻辑，这意味着要借助二级存储介质。10年之后，Nastran软件被开发出来之后，要求条件也非常类似。软件客户美国国家航空航天局（NASA）要求开
车架的有限元分析及优化
车架的有限元分析及优化 作者：马迅盛…文章来源：湖北汽车工业学院点击数：1687 更新时间：2008-8-5 有限元法将设计人员丰富的实践经验与计算机高速精确的计算完美地结合在一起，大大提高了设计计算精度，缩短了产品开发时间。 概念设计阶段车架的结构方案 参考某一同类型车架，考虑到车身安装和其他总成的布置，将概念设计阶段的车架大致结构拟定如下：选用框架式平行梯形车架结构，由2根左右分开的纵梁和8根横梁组成，全长6.3m，宽0.8m，轴距3.65m。各梁的大致形状尺寸及板材厚度如表1所示。 除第3、4根横梁外，其他各横梁的尺寸与参考的同类型车架几乎相同。由于参考车架的第3、4根横梁为上下两片形状复杂的钢板组合而成，无法用梁单元模拟，在概念车架中将之改用两根方型截面的等直梁代替。第1、6横梁为非等截面梁，其宽和高分别由两个尺寸表示。参考车架纵梁的前后两段和中间段的连接采用的是线性渐变的截面，在概念车架中用一等直梁来代替，等直梁的高度等于渐变梁的中间高度。纵横梁上所有的孔及连接板都不予以考虑。 车架的有限元模型 为了后续的优化设计，必须对车架进行参数化建模。选择表1中车架纵横梁的截面尺寸为模型参数，先建立左半个车架的几何模型，选用ANSYS中的二节点12自由度梁单元BEAM188号单元采用不同的梁单
元截面形式对其进行网格剖分；再将左边的几何模型和网格模型进行映射得到右边车架模型，最终合并对称面上的节点使左右车架模型“牢固的”“粘结起来”。 在ANSYS中用BEAM188单元实施网格剖分时，为了保证单元的正确方向，应事先定义该单元的方向点并检查所要剖分的线的法向。单元截面形状和偏置量需用命令SECTYPE、SECOFFSET和SECDATA设定。单元总数为312，节点总数为626。网格剖分并映射后车架模型如图1所示。图中显示出了梁单元的截面形状。 图1 车架的有限元模型 边界条件 车架刚度有多种，其中最重要的是车架的弯曲刚度和扭转刚度。参照车架的刚度试验方法确定车架弯扭刚度的边界条件。 1.弯曲工况的边界条件 计算时约束前后桥在车架纵梁上的竖直投影点的垂直位移，让车架形成一简支梁结构，并在前后支承点中点处加一垂直向下的力，让车架产生纯弯曲变形，如图2所示。
用ANSYS进行四连杆机构的有限元分析
用ANSYS进行四连杆机构的有限元分析 作者：谭辉 日期：08年3月6日 分析目的 1、利用ANSYS对典型的四连杆机构进行分析，主要包含各点的轨迹分 析，例如X和Y方向的位移等。 2、为五连杆和六连杆机构的分析提供可行的分析方法以及原型代码。 问题简述 分析主动杆1绕节点1旋转一周时节点4的运动轨迹，杆2和杆3为从动杆，具体问题见下图：
分析思路 1、根据分析目的，在ANSYS选用link1单元进行单元建模，主要考虑 是link1单元具有X和Y方向的自由度，可以获得各个节点的位移轨迹。 之后可以用梁单元等实现更高级的分析目的，例如获得杆上的力，位移， 加速度等相关信息。 2、该模型结构简单，可以利用直接建模方法进行有限元系统建模，主 要命令：N，E。 3、利用自由度耦合对重合节点进行建模，例如节点2和节点3、节点4 和节点5进行建模，主要命令：cpintf，利用该命令可以一次性将重合节 点生成自由度耦合。 4、利用表数组对于杆1（主动杆）的节点2进行瞬态边界条件的载荷施 加，分析类型为瞬态分析，主要命令：*dim，d等。 5、生成节点位移的对应变量，从而获得节点4的随时间的位移曲线， 主要命令：nsol，plvar等。 命令流如下 行号命令符号注释 结束上一次的分析 1finish ！ 清除数据库，并读取启动配置文件2/clear,start ！ 3 ！ 设置图形显示的背景颜色 4/color,pbak,on,1,5 ！ 5 ！
6/units,si ！ 设置单位制：国际单位制 7*afun,deg ！ 设置三角函数运算采用度为单位 8 ！ 9/prep7 ！ 进入前处理模块 10et,1,link1 ！ 设置单元类型：link1 11mp,ex,1,2.07e11 ！ 设置材料的弹性模量 12r,1,1 ！ 设置单元的实常数，面积为1 13n,1,0,0,0 ！ 在（0，0，0）处建立节点1 14n,2,3,0,0 ！ 在（3，0，0）处建立节点2 15n,3,3,0,0 ！在（3，0，0）处建立节点3，和节点2重合 16n,4,8,7,0 ！ 在（8，7，0）处建立节点4 17n,5,8,7,0 ！在（8，7，0）处建立节点4，和节点4重合 18n,6,10,0,0 ！ 在（10，0，0）处建立节点6 19e,1,2 ！ 建立单元1（连接节点1和2） 20e,3,4 ！ 建立单元2（连接节点3和4） 21e,5,6 ！ 建立单元3（连接节点5和6） 22 ！ 23cpintf,all,1e-3 ！对于重合节点一次性的建立耦合自由度，容差1e－3 24 ！ 25/pnum,node,1 ！ 显示节点编号 26/pnum,elem,1 ！ 显示单元编号 27eplot ！ 显示单元
风力发电机组轮毂极限强度的有限元分析
风力发电机组轮毂极限强度的有限元分析 文章是基于有限元理论，对兆瓦级风力发电机组的轮毂进行强度及疲劳计算。轮毂是风力发电机中的重要组成部分，铸造而成，是将机械能转换为电能的核心部件，其形状复杂，轮毂的设计质量会直接影响到整个机组的正常运行及使用寿命，在其受复杂风载荷的作用下，其强度和疲劳耐久性成为此行业关注的焦点。此分析利用大型有限元分析软件Ansys对轮毂模型分析。模型中包含轮毂、主轴及叶片，从轮毂的应力分布情况，从中找出最危险的部位，为轮毂的设计提供可靠依据。 标签：风力发电机；轮毂；有限元分析；极限强度 1 绪论 1.1 课题研究背景 经济发展过程中，我国作为世界上人口最多的发展中国家，能源消耗量不断增加，传统化石能源无以为继，面临的能源开发利用的资源约束越来越多，环境压力也越来越大。如今，生态环境承载能力弱、资源相对紧张。传统能源利用导致的环境问题越来越严重，以及全国范围内的雾霾天气都在提醒我们要努力做到全面、协调、可持续发展，以符合当今国情。在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的瞩目。 1.2 轮毂在大型风力发电机组的重要性 在大型风力发电机组中，轮毂是核心构件，其不仅承担着与驱动连的链接，而且将叶片所受的风载荷通过主轴传递给齿轮箱，承担着风力发电机组容量增大而带来的更大的负荷。它需要有足够的强度和刚度，以保证机组在各种工况下能正常运行。由此可看出轮毂在风力发电机组的设计和制造过程中的重要性。 2 轮毂的强度校核计算 2.1 轮毂模型介绍 轮毂模型结构见图1 此机组风轮由三片叶片对称安装在轮毂上构成，叶片间的夹角为120°。利用CAD绘图软件Solidworks，绘制了轮毂的三维实体几何简化模型。在保证计算精度的前提下，由于小的孔类、圆角及小凸台类结构对计算结果影响很小并且不是关键部位，已经略去。叶片产生的气动载荷以及由于风轮旋转和机舱对风轮转动引起的离心力、惯性力和重力通过三片叶片连接点传递到轮毂上，这些载荷和轮毂自身的重力构成了轮毂载荷。最终，轮毂简化后的几何模型如图1所示。
基于ANSYS Workbench的定位卡锁机构有限元分析
基于ANSYS Workbench的定位卡锁机构有限元分析 摘要本文首先在Pro/E中建立了定位卡锁机构受最大外力时的简化模型，然后将该模型导入到ANSYS Workbench 13平台中进行了有限元模型的分析求解，最后结合求解结果用第四强度理论对定位卡锁机构各零件进行了强度校核，同时对该定位卡锁机构的改进提出了建议。 关键词定位卡锁机构；有限元分析 在某工程项目中应用的定位卡锁机构承担着为某输送设备准确定位的作用。由于该输送设备运行一个周期位就要启停一次，启停工作由定位卡锁机构配合实现。定位卡锁机构收回，输送设备开始运转，一个周期位后电机停转，定位卡锁机构伸出，进入与之配合的凹槽使输送设备完全停位。因此，定位卡锁机构成为该输送设备的关键部件，是保证输送设备正常工作的必备条件。所以，对定位卡锁机构的研究与分析有着重要的意义。 定位卡锁机构在伸出状态受最大外力时，其所受最大应力不应超过材料的许用应力是保证定位卡锁机构实现其功能的充分条件。为了保证定位卡锁机构的工作可靠性，本文利用ANSYS Workbench对该机构进行有限元分析，研究在定位卡锁机构受最大外力时的受力及变形情况，并依据理论知识对其强度进行校核。 1 定位卡锁机构模型的建立与导入 在对定位卡锁机构进行有限元分析之前，首先应建好定位卡锁机构的三维模型。一般在整个有限元分析的过程中，几何建模的工作量占据了非常多的时间，同时也是非常重要的过程[2]。ANSYS Workbench 13中，建模工作主要由ANSYS Workbench 自带的几何建模工具Design Modeler模块完成。对于小型或简单模型的建立可以直接在Design Modeler模块中建模，这样避免了从CAD系统中导入ANSYS的模型可能不能直接进行网格划分，需进行大量修补完善工作的麻烦。对于零部件较多的装配体的建模，通常先利用专业的三维建模软件完成模型的建立，然后再把它导入到ANSYS中进行分析。这样，工程技术人员就可以使用自己擅长的CAD软件建好模型，从而避免了重复现有CAD模型的劳动。 本文采用PTC公司的Pro/Engineer对定位卡锁机构进行三维建模。定位卡锁机构简化模型由液压缸、卡锁活塞杆、端盖、螺塞、螺钉组成，建好的三维模型如图1所示。建好后的三维模型可以在Pro/E中直接导入到ANSYS Workbench 13 中进行有限元分析。 图1 定位卡锁机构的三维模型 2 定位卡锁机构的有限元分析 2.1 定义模型材料属性
有限元分析及应用例子FEM14
第9章受内外压筒体的有限元建模与应力变形分析(Project 2) 计算分析模型如图9-1 所示, 习题文件名: cylinder。 X (a) σO=100N/mm2 σI =200N/mm2 γ =7.85g/cm3 μ =0.3 E =210000N/mm2 (b) 图9-1 计算分析模型 9.1进入ANSYS 程序→ANSYSED 6.1ed →Interactive →change the working directory into yours→input Initial jobname: cylinder→Run 9.2 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences…→select Structural →OK 9.3 选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor → Element Type →Add/Edit/Delete… → Add… →select Solid Quad 4node 42 →Apply →select Solid Brick 8node 45 → OK → Close (the Element
Types window) 9.4定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Materials Models →Structural→Lineal →Elastic→Isotropic…→input EX:2.1e5, PRXY:0.3→ OK 关闭材料定义窗口 9.5构造筒体模型 ?生成模型截平面 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling→Create →Keypoints →In Active CS… →按次序输入横截平面的十个特征点和旋转对称轴上两点坐标（十个特征点：(300,0,0), (480,0,0), (480,100,0), (400,100,0), (400,700,0), (480,700,0), (480,800,0), (300,800,0), (300,650,0), (300,150,0)，对称轴上两点：(0,0,0), (0,800,0)）（每次输入完毕，用Apply结束，0可以不输入） →Cancel (back to Create window) →-Areas- Arbitrary → Through KPs →依次连接截面边线上的十个特征点(注意在选完第10点后结束，不要再选第1点)→ OK ?对平面进行网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing→Mesh Tool →(Size Controls) Globl: Set →input SIZE (element edge length): 50 →OK (back to MeshTool window)→Mesh → Pick All (in Picking Menu) → Close( the MeshTool window) ?用旋转法生成筒体模型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling→Operate →Extrude→Elem Ext Opts→select TYPE:SOLID 45→Element sizing options for extrusion No. Elem divs: 1→OK (back to Extrude window)→Areas →About Axis →Pick All(in Picking Menu)→OK→Pick the two keypoints (11,12) of the Symmetrical Axis → OK→input ARC: 90; NSEG: 3→ OK 9.6 模型加位移约束 ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural→Displacement ?两截面分别加Z, X方向的约束 ANSYS Utility Menu: Select → Entities…→Nodes → By Location →select X coordinates →input 0→ OK (back to Displacement window)→On Nodes → Pick All(in Picking Menu) → select Lab2:UX →OK →ANSYS Utility Menu: Select → Everything ANSYS Utility Menu: Select → Entities…→ Nodes → By Location →select Z coordinates →input 0→ OK (back to Displacement window)→On Nodes →Pick All(in Picking Menu) → select Lab2:UZ →OK →ANSYS Utility Menu: Select →Everything ?底面加Y方向的约束 ANSYS Utility Menu: Select → Entities… → Nodes → By Location →select Y coordinates →input 0→ OK (back to Displacement window)→On Nodes →Pick All(in Picking Menu) →
有限元法分析过程
有限元法分析过程 有限元法分析过程大体可分为：前处理、分析、后处理三大步骤。 对实际的连续体经过离散化后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元的前处理过程。在这一阶段，要构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元分析的输入数据，这一步是有限元分析的关键。 有限元分析过程主要包括：单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解约束方程等过程。这一过程是有限元分析的核心部分，有限元理论主要体现在这一过程中。 有限元法包括三类：有限元位移法、有限元力法、有限元混合法。 在有限元位移法中，选节点位移作为基本未知量； 在有限元力法中，选节点力作为未知量； 在有限元混合法中，选一部分基本未知量为节点位移，另一部分基本未知量为节点力。 有限元位移法计算过程的系统性、规律性强，特别适宜于编程求解。一般除板壳问题的有限元应用一定量的混合法外，其余全部采用有限元位移法。因此，一般不做特别声明，有限元法指的是有限元位移法。 有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编辑组织和图形表示三个方面。它可以把有限元分析得到的数据，进一步转换为设计人员直接需要的信息，如应力分布状态、结构变形状态等，并且绘成直观的图形，从而帮助设计人员迅速的评价和校核设计方案。 附：FELAC 2.0软件简介 FELAC 2.0采用自定义的有限元语言作为脚本代码语言，它可以使用户以一种类似于数学公式书写和推导的方式，非常自然和简单的表达待解问题的微分方程表达式和算法表达式，并由生成器解释产生完整的并行有限元计算C程序。 FELAC 2.0的目标是通过输入微分方程表达式和算法之后，就可以得到所有有限元计算的程序代码，包含串行程序和并行程序。该系统采用一种语言(有限元语言)和四种技术(对象技术、组件技术、公式库技术生成器技术)开发而成。并且基于FELAC 1.0的用户界面，新版本扩充了工作目录中右键编译功能、命令终端输入功能，并且丰
《有限元分析及应用》配书盘说明
《有限元分析及应用》配书盘 曾攀 (清华大学机械工程系) 说明 该配书盘针对《有限元分析及应用》一书中有关有限元分析的自主程序开发、与ANSYS平台的衔接、基于ANSYS的有限元建模、基于MARC的有限元建模的章节，提供相应的电子材料及文档，以便在进行实际编程和应用国际著名商业软件进行建模和分析时参考。电子文档材料包括三大部分：(1)有限元分析源程序(f,c,ANSYS衔接)；(2) 四类问题有限元分析的操作指南(ANSYS,MARC)；(3) ANSYS一般性帮助文件。具体的文件目录和清单如下。 在目录/有限元分析源程序(f,c,ANSYS衔接)/中有以下内容 (1) 使用说明文件 自主程序开发使用说明(fortran,C,ANSYS平台衔接).pdf (2 ) 在子目录/fortran源程序及与ANSYS衔接(FEM2D)/中有以下文件 源程序文件： FEM2D.FOR 程序需读入的数据文件： BASIC.IN(模型的基本信息文件，需手工生成) NODE_ANSYS.IN (节点信息文件，可由ANSYS前处理导出，或手工生成) ELEMENT_ANSYS.IN(单元信息文件，可由ANSYS前处理导出，或手工生成)程序输出的数据文件： DATA.OUT (一般结果文件) FOR_POST.DAT(专供ANSYS进行后处理的结果数据文件) 与ANSYS后处理衔接的接口程序： USER_POST.LOG(在ANSYS中进行后处理的命令流文件) (3 ) 在子目录/c源程序及与ANSYS衔接(JIEKOU)/中有以下文件 源程序文件： JIEKOU.CPP 程序需读入的数据文件： NODE_ANSYS.IN(从ANSYS前处理导出的节点信息文件) ELEMENT_ANSYS.IN(从ANSYS前处理导出的单元信息文件) INPUT.DAT(包含除网格划分信息之外的所有前处理信息) 程序输出的数据文件：