ANSYS分析

ANSYS分析（精选12篇）

ANSYS分析 篇1

在各工程领域中, 振动系统的外载荷或称振源, 可以分为确定性的和随机性的两类。一般来说, 随机振动产生的主要原因是随机激振, 但也有例外, 如随机系统的振动和非线性系统的“混沌”特性, 即使激振是确定性的, 系统的响应也是随机的。根据传递函数理论, 对于一个常参数的线性系统, 在多点的输入激励的作用下响应的自功率谱密度函数可按下式计算:

其中, Gfifj (f) (i, j=1, 2, …q是第i个输入激励和第j个输入激励之间的互功率谱宽度函数。当i=j时, Gf i f j (f) (i, j=1, 2, …q为第i个输入激励的自功率谱宽度函数。Hu i (f) 是第i个输入激励对计算输出点的频率响应函数。是Hu i (f) 的共轭函数。

在结构的随机振动响应分析的问题上, 国内外公司研制了多种以有限元为基础的分析软件, 如ANSYS, SAP2000等。

1 疲劳累积损伤理论

当材料承受高于疲劳极限的应力时, 每一循环都使材料产生一定量的损伤, 这些些损伤时能积累的, 当损伤积累到临界值时就发生损坏, 这表示发生了随机疲劳[], 随机疲劳和确定性疲劳分析在理论上是相同的。对于恒定应力幅的周期载荷作用下的随机疲劳过程, 波动应力的每次循环都在材料中产生小的变化, 产生微小裂缝, 累积损伤不断增多, 直到疲劳失效。结构疲劳损坏过程分为疲劳裂纹的形成, 疲劳裂纹的扩展, 瞬时断裂三个阶段。

现有的疲劳累积损伤理论分为以下几种[1]:1) 线性疲劳累积损伤理论;2) 双线性疲劳累积损伤理论;3) 非线性疲劳累积损伤理论 (Marco-Starkey理论;Henry疲劳累积损伤理论;C o r t e n-D o l a n累积损伤理论) ;4) 基于热力学势的疲劳累积损伤理论;5) 概率疲劳累积损伤理论。

2 ANSYS随机振动分析

结构运动的有限元方程可表达为如下矩阵形式:

式中, M, C, K分别为质量、阻尼、刚度矩阵;分别为节点位移、速度、加速度向量;F (t) 为输入力向量。在式 (1) 中, 令F (t) =0, 得到自由振动方程。在实际工程中, 阻尼对结构固有频率和振型的影响不大, 可忽略阻尼力, 得到无阻尼自振动方程:

设结构做简谐运动, 代入上式, 得齐次方程:

通过解上述特征方程即可得到结构固有频率和振型。

ANSYS随机振动分析可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数 (如:均值、均方根和平均频率等) , 根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构的随机疲劳寿命。

ANSYS的随机振动分析类型包括:直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程, 得出各频率对于外载荷的响应。该类分析是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼, 分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化获得传递函数。

模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的2类问题与直接频率响应分析解决的问题相同[2,3]。结构矩阵用忽略阻尼的实特征值分析进行了压缩, 然后用模态坐标建立广义刚度矩阵和质量矩阵。

A N S Y S随机振动分析功能十分强大, 主要表现在以下方面:1.具有位移、速度、加速度、力和压力等P S D类型;2.能够考虑α阻尼、β阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比;3.能够定义基础和节点P S D激励;4.能够考虑多个P S D激励之间的相关程度:共谱值、二次谱值、空间关系和波传播关系等;5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据:1s位移解, 1s速度解和1 s加速度解。

利用A N S Y S计算结构随机疲劳的一般过程是: (1) 计算感兴趣应力分量的统计平均频率 (应力速度/应力) ; (2) 假定68%的时间处于1σ水平, 2 7.4 5%的时间处于2σ水平, 4.3 3%的时间处于3σ水平; (3) 基于期望 (工作) 寿命和统计平均频率, 计算1σ, 2σ和3σ水平下的循环次数; (4) 基于S-N曲线计算疲劳寿命使用系数。

3 结语

A N S Y S的随机振动分析功能十分强大, 能够准确有效地研究结构的疲劳累积损伤问题。

参考文献

[1]刘建伟.疲劳累积损伤理论发展概述[J].山西建筑, 2008, 34 (23) :76～78.

[2]傅志方.振动模态分析与参数识别[M].北京:机械工业出版社, 1990.

[3]星谷胜.随机振动分析[M].北京:地震出版社, 1997.

ANSYS分析 篇2

高速旋转的轮的静力分析

学号：1145522222 姓名：刘建国 班级：机制二

★要求：该轮一方面高速旋转，角速度为62.8rad/s,另一方面在边缘受到压力的作用，压力的大小为1e6pa。圆的内径为5，外径为8。★3D图与2D平面图展示

★分析基本步骤

1.定义单元类型：本例选择四节点四边形板单元PLANE182。

2.定义材料属性：弹性模量EX为2.06e11，泊松比PRXY为0.3，材料密度DENS为7.8e3。

3.建立轮的截面：如下图4.网格划分

5施加载荷：在外圆面L28，L22，L13，L16，L21，L10，施加1e6N的力

速度载荷为62.8rad/s 6.进行求解 7.查看结果 A图X向位移即径向位移

B图X方向应力

ANSYS分析 篇3

摘 要：为判别井田内主要构造断裂的导水性，利用ANSYS 软件，对任楼井田7₂煤层构造应力场和断层受力状态进行了模拟分析，表明该井田断层导水性受多期构造应力场，尤其是燕山二期构造NEE向主压应力控制，使井田南部F₃至F₅之间大中型断层及井田北部NE向断层普遍出现淋水现象。

关键词：地质构造； 应力场模拟；ANSYS ；导水断层

中图分类号：P553文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0016-04

收稿日期：2007-11-19

作者简介：储党生（1964-），男，安徽安庆人，高级工程师，工程硕士，主要从事煤矿地质及采矿技术方面的工作和研究。

Analysis of Tectonic Stress Field Molding Based on ANSYS

——A Case Study Based on Conditions of Coalbed 7₂ in Renlou Coal Mine

CHU Dang-sheng1,TONG Hong-shu1,LI Quan1,ZHANG Yong-tai1

WANG Hong-zhi2, XU De-jin2

(1. Wanbei Coal & Electricity Group Company, Suzhou Anhui 234001, China；2. Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: In order to estimate water permeability of big tectonic faults in mine field, tectonic stress field andpressure in faults of Coalbed 7₂inRenlou Coal Mine were simulated and analyzed with software

ANSYS. The results present that water permeability of the faults in the mine field is controlled by multiple stage tectonic stress field, especially by principal compressive stress in NEE direction of Yanshan dichophase tectonic, which caused water spray from big and intermediate faults between F₃ and F₅ in the south of the mine field.

Key words:tectonic; stress field modeling; ANSYS; fault with water permeability

任楼煤矿位于安徽省宿州市西南约30 km的濉溪、蒙城二县交界处。该井田属于童亭背斜东南翼，F₃断层以北地区为向东倾斜的单斜构造，F₃断层以西地区的走向转为北西西（见图1），区内地层产状较平缓，一般为13°～20°，尤其是西部童庄向斜部分地层倾角更缓，仅为8°～15°。区内揭露地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。该井田可采煤层有5层，分别是3₁、5₂、7₁、7₂和8₂煤层，目前主要开采7₂煤层。矿井生产期间曾经发生突水淹井事故，且多次出现断层出水现象。利用ANSYS有限单元软件对井田在煤系地层形成后不同构造期所受力状态进行分析［1］，以判别井田内主要断裂构造的导水性，为矿井防治水提供依据。

1 模型的建立

1.1 应力场方向的确定

根据区域构造地质条件［2-3］，结合煤的镜质组有限元分析［4］，任楼井田煤系地层形成后，经历了印支期构造、燕山期北东东向和新构造运动等多期构造复合应力场作用。其中印支期构造主压应力(σ₁)方向近南北(179°～359°)，燕山一期主压应力(σ₁)方向近南北 (140°～320°)；燕山二期主压应力(σ₁)方向来自75°方向［5］（见图1）。

本次构造应力场数值模拟范围，北以界沟断层为界，南至F₈断层，西起7₂煤层露头线， 东至7₂煤层～800 m投影线。 地质模型格架长10.7 km、宽9.0 km。主要研究7₂煤层构造特征， 在研究区范围内， 可将7₂煤层顶底板厚度近80 m左右的岩体看成一薄壳，采用二维地质模型。二维地质模型有限元网格单元划分的方法和步骤为：

(1) 分别进行沉积相区和断裂带单元划分，单元以四边形为主；

(2) 在施加应力边界条件和位移边界条件后，进行计算；

(3) 研究区在印支期构造应力作用下发生构造破裂，为了研究燕山期应力场早期断裂构造导水性的影响，进行单元剖分时，在各主要断层附近，均提高了剖分密度。根据该井田F₃、F₄断层带岩体工程地质特征将断层破碎带影响宽度定为30～50 m。

在构造展布特征及7煤段沉积特征的研究基础上，将研究区分为5个块段， 用四边形单元， 对模型进行划分， 并对主要断层影响带进行细化， 将模型分为2 810单元， 计2 910节点(见图2)。

1.3 位移边界条件确定

依据研究区格架特征，在结合地质模型和数学模型的基础上，确定了本区构造应力场的边界条件，即南北边界为Y轴固定，X轴自由，东西分别为压应力作用边界，为自由边界（见表1）。

1.4 应力边界条件的确定

应力边界条件是指作用于地质体外力的类型、大小和方向。在燕山一期模型东西边界施加SE140°方向的压力，在燕山二期模型东西边界施加NE75°方向的压力。由于具有走滑作用，在南北边界施加一定的剪应力。

不同时期应力值的大小主要参考区域构造应力值,其中燕山一期构造应力值确定为100 MPa。燕山二期构造应力值确定为50～70 MPa（见表1）。

1.5 模型岩石力学参数的确定

因地质模型的不均一性，要正确确定各单元的岩石力学参数是比较困难的，一般是根据一定的规则来选取。本次数值模拟材料参数的确定，在7₂煤层顶底板沉积相研究和样品岩石力学性质测试的基础上，利用纯砂岩和泥岩力学参数的实验分析结果，采用加权平均的方式，确定不同块段砂泥岩的力学参数，以反映地质体因相带变化所造成的非均质性。同时断层给予30～50 m宽度，并用较小的弹性模量模拟断裂带内的变形（见表2）。

1.6 力学模型类型

研究重点是在长期稳定地应力作用下的岩体受力平衡状态，不研究诸如断裂发生、断层应力的迅速释放、地震等动力学问题；也不研究应力的耗散、岩体变形的时间过程，即塑性和粘性因素。因此采用弹性静力学模型，主要分析在矿区受到边界区域应力作用下的岩体应力—应变关系。

2 结果分析

在分析讨论应力计算结果前应说明一点，计算输出的应力分量是按弹性力学的张量符号定义，张应力为正，压应力为负。

2.1 燕山一期

该期X方向主应力的变化范围多在-180 MPa～80 MPa之间。从主应力分布图上可以看出（见图3），X方向主应力负高值区分布在井田中部F₃~F2之间； 应力正高值位于童庄向斜地区。 Y方向主应力的极值变化范围在-200 MPa～113 MPa之间， 主要应力值在-28.6 MPa~37.5 MPa之间。 Y方向主应力正高值区分布在井田北部， 应力负高值分布在南部童庄向斜地区。 NWW向断层受X方向压应力， Y方向拉应力及剪应力作用明显（见图4）。 最小主应力的大小反映了断层的张开程度， 从模拟结果来看， 任楼井田断层在该期具有NWW向断层出现张剪特征， 而NNE向断层出现压剪的特征。

2.2 燕山二期

该期X方向主应力的变化范围多在-115 MPa～45.6 MPa之间（见图5），Y方向主应力的变化范围多在-104 MPa～264 MPa之间。X方向主应力和Y方向正高值区均分布于王大庄向斜地区，两者的差值较小。F₇、F₃ 和F₅断层在该期Y方向拉应力明显大于X方向拉应力（见图6）。可以判断任楼井田断层在该期应力作用下，南部地应力较大导致断层发育，而北部F₇、F₃ 和F₅等断层主要表现为张剪的特征。

3 结论

(1) 石炭—二叠系煤系地层形成后，本区受到多期主应力轴大角度相交构造应力场作用叠加复合，使井田及其外围的宏观地质构造(褶曲和断层)呈现出双重力学性质和“S”形展布井田地质构造形迹特征。

(2) 由于受多期构造应力大角度复合作用，任楼井田各方向断层破碎带普遍较发育，断层破碎带宽度与断层落差具有较明显的关系，即断层落差越大，破碎带宽度越大。

(3) 根据以上构造应力场分析，本区NE向断层及童亭背斜转折段部位的断层主要表现为张剪性。井下揭露断层时发现，井田南部F₃至F₅之间大中型断层及井田北部NE向断层普遍出现淋水现象,这主要是由于受到燕山二期构造NEE向主压应力作用断层表现为张剪性的原因。

参考文献：

［1］ ［美］莫维尼（MOAVENI S）.有限元分析：ANSYS理论与应用［M］.欧阳宇，译.北京：高等教育出版社,2003：112-130.

［2］ 万天丰.中国东部中•新生代板内变形构造应力场及其应用［M］.北京：地质出版社，1993：20-32.

［3］ 万天丰,朱鸿.中国大陆及邻区中生代—新生代大地构造与环境变迁［J］.现代地质,2002,14(2)：107-120.

［4］ 李全, 胡宝林,张永泰,等.皖北任楼煤矿7₂煤层煤镜质组有限应变特征分析［J］.中国煤炭，2006，32(4)：37-39.

［5］ 胡宝林,宋晓梅,车遥,等.刘桥矿区多期构造复合断层导水性分析［J］.煤炭科学技术, 2002，30(8)：50-53.

基于ANSYS的机床模态分析 篇4

关键词：ANSYS,模态分析,固有频率,振型

1 引言

目前国际领域中非常重视机械产品的虚拟动力学研究。如日本的SHIN NIPPON KOKI Co.,Ltd在机床产品说明书上特别强调该产品是经过虚拟动力学研究的。我国的机床生产还相对落后,除了工业基础薄弱之外,还面临研究手段落后和资金短缺等困难。机床的加工性能与其动态性能关系非常密切,其动态性能(振动、噪声、稳定性等)是影响其工作性能及产品质量最重要的性能指标。

本题目所研究的对象是某立轴铣刀机床,该产品在机械制造行业中应用比较广泛。在产品设计阶段利用有限元软件进行虚拟动力学分析可以降低成本,缩短研发周期。当铣刀主轴在工作中以超高速运转进行实际切削加工时,容易引发整个系统的共振,使得刀具磨损或破损加剧,同时增加机床导轨承受的动态载荷,从而降低整机的寿命和机床的精度保持性。因此,需要对整个系统进行模态分析,以进一步提高系统的性能。[1]

2 有限元模态分析理论

2.1 模态分析简介

模态分析根据研究手段和方法可以分为理论模态分析和试验模态分析,以及二者相结合的理论一试验模态分析过程三种。理论模态分析是指以线性振动理论、有限元理论及方法为基础,以计算机及工程分析软件为手段,以建立研究对象物理参数及求解其动态特性为目标的研究激励、振动系统特性、响应三者之间关系的模态模型。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性,就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此,模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。

2.2 模态分析理论[1,2]

研究系统的固有振动特性,首先要建立该系统的动力方程.多自由度的运动方程可以应用牛顿第二定律,达朗伯原理,拉格朗日方程和哈密顿定理来建立。对于一个N自由度线性系统,其运动微分方程为:

式中[M],[C],[K]分别为系统的质量、阻尼、刚度矩阵,{x}及{F}分别为系统各点的位移响应向量和激励力向量。对于无阻尼无外载荷的自由振动问题来说,阻尼项和外力项均为零,于是,动力方程简化为:

由于弹性体的自由振动总可以分解为一系列简谐振动的叠加,为决定弹性体的自由振动固有频率及振型,考虑如下简谐振动的解:

其中{g}是位移δ(t)的振幅列向量,与时间t无关,ω是固有圆频率,将(3)式代入(2)式,得:

于是求(3)式的简谐振动就化为令ω和非零向量{g}满足(4)式,也就是广义特征值问题。ω2就是特征值,振型{g}就是特征向量。

由于{g}为非零向量,故(5)式中([K]-λ[M])的行列式为零,即:

它称为广义特征值方程。如果矩阵[K]阶数为n,有行列式展开公式可知,(6)式是λ的n次代数方程,可以决定n个广义特征值λi(i=1,2,…,n).若刚度矩阵[K]是对称正定阵,则这些广义特征值是正实数,因此由λ=ω2可以决定弹性体的n个固有频率值:

显然,特征值只取决于系统本身物理参数。

3 铣床模型的分析

3.1 分析对象描述

该分析对象为某立轴铣刀机床,,基本尺寸如图1所示,所使用的材料为40Cr钢。40Cr钢是机械行业使用最广的钢材,经弹氮共渗和高频淬火后可做受载荷较大及要求耐磨又不受很大冲击的零件.它主要的性能参数如下[1]:

弹性模量2.10*1011Pa,泊松比0.3,密度7820kg/m3。其床身模型图如图1所示。

3.2 主要分析思路

首先,进行理论分析计算系统的固有频率,然后在ANSYS中用实体建模的方法建立机床模型,通过网格划分和加载求解来得到系统的固有频率。最后,将理论计算结果与软件运算的结果进行比较,通过对结果的分析来得出结论。

3.3 ANSYS模态分析模型

本课题使用的是ANSYS8.0软件。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。AN-SYS的模态分析过程包括四个步骤:建立模型、加载及求解、扩展模态和后处理过程。

3.3.1 建立模型

本文利用ANSYS实体建模,由于模态分析只包括线性行为的分析,因此定义单元的时候必须采用线性单元。本文采用了solid95单元进行网格划分,solid 95是一个20节点的六面体等参实体单元,在保证精度的同时允许使用不规则的形状。该单元对构件形状的适应性较好,计算精度较高,但会导致节点数和自由度的增大,使求解规模变大。它能够吸收不规则形状的单元而精度没有损失,有可并立的位移形状,并且对于曲线边界的模型能很好的适应。机床模型网格划分情况如图2所示。

3.3.2 加载及求解

箱体上共两个紧固螺栓对它们在X、Y、Z方向施加零位移约束。然后进行求解。本文利用ANSYS软件进行模态分析时采用的是Block Lanczos法。Block Lanczos法是ANSYS默认的求解方法,它采用Lanczos算法,是用一组向量来实现递归的。Block Lanczos法适用于大型对称矩阵特征值求解问题,最适合由壳或壳与实体组成的模型,该方法精确度和Subspace法一样,收敛速度更快,但要求比Subspace法内存多大概50%。Block Lanczos法采用稀疏矩阵方程求解器。

3.3.3 计算结果及分析

振型的大小只是一个相对的量值(位移相对值),它表征的是各点在某一阶固有频率上振动量值的相对比值,反映该固有频率上振动的传递情况,并不反映实际振动的数值。模态分析计算结果如表1所示。

图3~图6给出了第7阶到第10阶频率下对应的振型图。

4 结果分析

(1)通过与理论计算的前两阶振型频率结果比较可以看出,一阶固有频率误差为9.93﹪,二阶固有频率误差为17.1﹪。我对出现以上的误差的原因进行了分析讨论,小结如下:

(1)计算时结构被简化,部分结果被省略。

(2)实际部件的非线性被简化为理想的线性结构。

(3)计算中对数据进行一定精度下的四舍五入,也会对结果产生影响。

(4)如果需要进一步提高精度降低误差,则必须提高结构简化的合理性,并注意单元的划分和选取。

(2)由固有频率可通过公式n=60*f(n为转速,单位rpm,f为频率,单位Hz),得出该机床的切削临界转速的范围(如表2所示)。

(3)高阶固有振型要比低阶对机床的振动影响大,固有频率越高其振动越剧烈对结构影响就越大,因此高阶振型对机床各部件的动态特性起决定作用。故应避免外界载荷频率过高。

(4)对于立柱等弯曲明显的部位可以考虑通过加上加强筋来减少这种振动。

4 结论

(1)通过实际应用可以看出,使用ANSYS模态分析可以将繁杂的分析过程简化,概念清晰,计算方便,在工程中有较广泛的应用。

(2)软件分析结果表明,该机床在工作中应该注意控制转速以避开低阶振型可能带来的共振现象。

(3)在前两阶的模态分析软件运算结果为26.58Hz和106.55Hz,而理论计算的结果为29.22Hz和124.84Hz。通过与计算结果进行比较,我们可以发现,在进行计算过程中,单元的选取和划分是影响计算精度的主要原因。另外,对模型的简化也是造成振型误差的重要原因。所以,在进行实际计算时,应该充分注意,尤其是部件结合处的模型简化处理要尽量做到与实际接近,以降低计算误差。

参考文献

[1]ANSYS工程应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2]有限元法—原理、建模与应用[M].北京:国防工业出版社,2004.

[3]张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]ANSYS在模态分析中的应用[J].杨康,韩涛.佳木斯大学学报,2005,1:85-87.

ANSYS分析 篇5

基于ANSYS的脱硫工程的有限元分析

摘要：本文结合经典工程算法,将ansys有限元软件应用于脱硫塔结构设计计算过程中,应用该软件计算脱硫塔结构的应力分布、模态分析以及大开口的局部补强设计,以确定结构的具体参数.作 者：于佳    孙荣国    霍龙  作者单位：沈阳工程学院 期 刊：科技信息   Journal：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)：, “”(18) 分类号：X7 关键词：ansys    脱硫工程    模态    应力   

ANSYS分析 篇6

关键词：空气轴承；有限元分析

0引言

超精密高速加工技术是一项重要的先进制造技术，广泛应用于机械、航空航天、微电子、国防等高科技领域。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，对高速度、高精度数控机床的需求迅猛增长。传统的滚动轴承主轴结构难以满足数控机床的高转速、高精度的要求。空气轴承的电主轴具有转速高，耐磨损，旋转精度高的特点，电主轴是实现机床高速化的核心部件，因此，研究空气轴承的电主轴结构对实现数控机床的高转速、高精度是具有非常重要意义的。现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。

本文以雕刻机电主轴的空气静压轴承为研究对象，基于fluent软件对气浮轴承进行有限元分析，对轴承在高速运行状态下的性能进行研究。

1空气静压轴承的工作原理

静压气体轴承的工作原理基于空气静压效应，如图1所示，压缩空气以供气压力Ps由供气通道经节流小孔进入气腔，然后通过轴与轴承内表面的间隙，形成气膜，沿轴向流至轴承的端部，由此排入大气。当节流小孔横截面积减小时，气流速度加快，剪切速率会增加，由于气体具有粘性，气体的内摩擦会消耗其动能，引起经节流小孔后气体的压力值产生损失，即气腔中的压力P0小于供气压力Ps，同理由于气膜厚度非常薄，空气在气膜中流动时的剪切速率很大，所以气体由气腔流经气膜时压力再次损失，又因直接排入大气，出口处的压力即环境压力Pa，应小于气腔压力P0。

在没通入压缩气体前，由于轴的自重和载荷的作用，轴与轴承内表面相互贴合，气膜厚度h为零；通入压缩气体时，当供气压力与气腔面积乘积值超过载荷F时，轴被浮起，气膜形成，气腔中的压力P0小于供气压力Ps，轴在气膜压力的支承下达到平衡。当外载荷增大时，气膜厚度减小，气膜的压力会增大，支承力增加，以平衡增大的外载荷；反之，当外载荷减小时，气膜厚度增加，气膜压力会减小，支承力减小，以平衡减小的外载荷。以上就是空气静压效应的基本原理。

2空气轴承性能的有限元分析

（1）求解区域的确定

由于轴承是双排节流孔，整体模型如图2所示，从模型可以看出两排孔的中间有一个对称的横截面，将直角坐标系的XY平面与这个对称面重合，坐标系的Z轴与轴承的轴心线重合。于是，可以取整个轴承的二分之一气流区域作为分析对象进行分析，其模型如图3所示

（2）有限元网格的生成

对求解区域进行网格划分，由于高压空气流经轴承节流孔小横截面通道时，其速度会急剧增加，所以在节流小孔区域，速度梯度和压力梯度都会很大，相应的网格密度也要很高。按照此原则，对二分之一轴承模型进行网格划分，

（4）边界条件的确定

从八个进气口施加供气压力0.6Mpa，且YZ面为对称面，出口压力为环境压力，施加气膜内壁的切向速度，其余所有表面施加速度边界0。

（5）求解器选择

由于几何图形长度尺度相差太多，所以选用Fluent3d——三维单精度求解器。

（6）选择计算模型：

由于高速可压流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法

（7）求解方法的设置及其控制、流场初始化、迭代求解计算。

（8）求解及结果分析处理

供气压力不变时，静压效应条件下的气膜压力的分布与偏心率有关，而在高速旋转的动压效应条件下，气膜的压力分布还与转速有关，因此我们选择相同的偏心率，分析在不同转速条件下的轴承动压效应，在此取ε=0.5。假设转轴向+Y方向偏移，观察在不同转速下气膜上的气膜压力分布，结果如图5所示。图中刻度为压强值（Pa）。

主轴处于静态即转速为零时，节流小孔出口处压力为气膜中的最大压力，当主轴以一定得转速旋转时，随着转速的提高，动压效应逐渐增强，气膜区的最大压力也会随之增大，且气膜高压区随转动方向移动，移动方向是向轴中间受载区域移动。当转速达到100000r/min时，气膜高压区已覆盖大部分气膜区域，且最高压力早已超过了供气压力；当转速达到140000r/min时，气膜的高压区扩散到所有进气孔位置，且沿轴向高压区不断扩大，最高压力也在增加。

根据气膜上的压力分布，可以求出气膜压力的合力F，即轴承的径向承载力，在Fluent仿真计算时，将轴承的内表面定义为某名称的墙面，然后利用Fluent软件中的面积分指令，对轴承内表面上的压力进行积分，得到轴承在不同转速时的承载力，径向承载力与主轴转速的关系如图7所示。

在主轴转速为零的条件下，当偏心率ε=0.5时，轴承的承载力是164.8N，由图6可看到，主轴转速为100000r/min时，轴承的承载力为177.6N，由于动压效应的作用，使承载力提高了7.8%，也就是说，如果不考虑静压轴承的动压效应的话，将会产生7.8%的误差。因此高速旋转静压轴承的动压效应不可忽略。总体上看，转速越高，动压效应越大，承载力随之不断增加。

3结论

本文首先对空气静压轴承的工作原理及特点做了介绍，进而运用三维实体建模分析方法，基于fluent软件对静压轴承的动压效应进行了有限元分析，分析结果表明，在偏心率为0.5情况下，主轴转速为100000r/min时，动压效应的作用可以提高轴承的承载能力约7.8%，所以高速转动的空气静压轴承的动压效应不容忽略。

参考文献：

[1] 温诗铸.静压空气轴承性能的实验研究.机械工程学报，1962，10（3）：16-31.

[2] 党报茂.气体润滑技术.南京：东南大学出版杜，1990.

[3] 江帆，黄鹏编著.Fluent高级应用与实例分析。清华大学出版社.2008，8-91.

应用ANSYS分析轨道板温度力 篇7

无砟轨道结构主要分为板式和枕式结构。板式结构中的混凝土轨道板直接受大气影响而产生温度变化。混凝土是敏感性材料, 热传导性能差, 其温度变化导致轨道板出现伸长、收缩和翘曲变形。这些变形受到轨道板上部结构的钢轨和扣件、板下基层和接触面的摩擦阻力、基层反力、板自重和相邻板等约束作用时, 板内产生温度应力。温度应力是轨道板产生裂缝、影响轨道结构功能的重用因素之一。温度骤降产生收缩应力可使早期强度较低的轨道板开裂, 持续升温则可使轨道板或毗邻结构受到高压应力。正温度梯度下产生的温度翘曲应力可接近或者超过列车荷载应力。轴向拉应力和翘曲应力的共同作用往往是轨道板出现开裂的主要原因。

目前, 国内对此方面的研究甚少, 设计人员主要是参考国外的设计经验和国内相关专业的做法进行设计, 但其合理性和实际情况相差多少是个未知数。应用ANSYS有限元软件分析温度荷载对轨道结构的受力影响, 以P4930型轨道板为例, 分析温度荷载作用下的应力分布及变形情况, 为板式结构无砟轨道设计提供参考。

2 轨道板有限元分析模型建立

2.1 几何模型

选取P4930型轨道板进行温度分析, 其为平板型轨道板, 尺寸为4 930×2 400×l90 mm。轨道板上层结构分为2层:轨道板, 厚度190 mm;CA砂浆层, 厚度50 mm。材料参数见表1。

在热与结构的耦合分析中, 主要考虑温度相对稳定时的翘曲应力, 可利用对流系数直接求出温度分布。ANSYS软件中对热应力分析推荐采用顺序耦合分析, 先进行热分析计算, 将计算所得的节点温度施加到结构单元上的节点, 再求解温度应力。

2.2 计算步骤

(1) 热分析。选定单元类型, 建立三维模型, 轨道板和CA砂浆层选用solid70;设置参数, 输入回弹模量、泊松比、密度及导热系数。三维模型中层间完全连续, 采用体 (volume) 与体的黏结 (glue) ;将材料属性施加到体上后划分网格, 采用扫略网格。按对流系数施加温度荷载, 即温度沿板垂向均匀变化;求解得到各节点的温度分布。

(2) 计算温度应力。将热单元转换为相应的结构单元, 加入热膨胀系数, 读入热分析结果。施加约束, 模型中设置的CA砂浆层底面节点的各个自由度为零, 在X、Y、Z方向分别进行耦合, 进行求解。

(3) 后处理。利用通用后处理器, 求得最大拉 (压) 应力、最大位移和其位置, 通过彩色云图了解任意横截面上某一方向应力的分布情况。上下板温差为10℃时的翘曲位移见图1。

2.3 分析温度应力

通过ANSYS计算, 得到最大温度翘曲拉应力约在轨道板纵横向边缘。上下板温差为10℃时的板纵向应力见图2。

3 模型验证

温度力作用下轨道板应力极值及位移量见表2。

根据参考文献[1]给出的温度力计算方法, 计算轨道板上下表面温度差为10℃时, P4930型轨道板的温度力, 得到板中最大拉应力为:

轨道板的板端最大缩短量为:

板中最大压应力为:

轨道板的板端最大伸长量为:

轨道板上下表面温度差为10℃时, ANSYS模型应力计算结果比上述方法略大, 而变形略小, 这是因为建模时只选择对轨道板和CA砂浆层进行分析, 没有考虑基层垫板作用对轨道板和CA砂浆层应力产生的影响。另外, 模型尺寸、材料参数的选取也对结果有一定影响。

4 结论

(1) 采用有限元软件ANSYS, 通过其耦合功能, 求出最大温度应力及其位置。

(2) 利用模型求出的温度应力与理论计算值有一定出入, 是由于网格划分、约束条件、参数选取、模型尺寸等因素造成, 可通过施加约束方程、调整边界条件、建立接触单元等得到更接近的真实值。

参考文献

[1]王荣森.板式无砟轨道温度力研究[D].成都:西南交通大学, 2007

[2]高俊英.土质路基上CRTS-Ⅰ型板温度力分析[D].成都:西南交通大学, 2008

[3]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社, 2003

基于ANSYS的转向节强度分析 篇8

转向节是车辆转向系统中重要的零部件之一,实际工作场合比较复杂多样,工作是否可靠、是否安全将直接危胁着人自身的安全。实际工况下,转向节不仅承受着转向轮自身载荷和路面不平整所产生的冲击力,而且还要传递着来自转向器所产生的转向力来实现对汽车行驶方向的改变。在转向节冲击性方面、静强度方面以及可靠性方面都必须满足很高的实际要求。因而,其内部应力应变规律的分析是转向节设计过程中必不可少的环节之一[1]。

根据实际运行情况,断裂部位常常发生在轮毂轴承轴颈圆柱面与圆锥面的交汇处,导致转向节结构早期失效。本次研究主要是针对以上问题提出的。转向节的实物模型如图1所示。

1、转向节受力分析

根据汽车设计手册[2],分析转向节在紧急制动、侧滑(向左侧滑)和越过不平路面3种工况下的受力情况,表1为某自卸车参数表。

1.1 紧急制动工况

紧急制动工况下,转向节大、小轴颈处受到轮胎经轴承传递过来的力,将其分解为法向反力FZ1和切向反力FX1。由于车轮轮毂安装在轴承上,因此制动时转向节大小轴颈不受扭矩作用。此时转向节的受力如图2所示。

此时,前轴载荷为:(所有公式用公式编辑器进行了修改)

切向反力为:

1.2 侧滑工况(向左侧滑时)

侧滑工况下,由于作用在两前轮上的侧向力FY1、FY2不相等,再加上侧向力和垂直反作用力所产生的力矩方向也不同,致使作用在左、右转向节轴颈上的弯矩也不相同。假定该矿用车出现向左侧滑,此时左转向节所承受的弯矩M1远远大于右转向节所承受的弯矩M2[3]因此,我们以承受较大弯矩的左转向节为研究对象。则左转向节的前轴载荷为:

侧向反力为:

由于FY1是作用在车轮上,在将其平移到转向节轴颈处时,必须加上由FY1对车轮所产生的力矩:

此时受力情况如图3所示。

1.3 越过不平路面工况

此工况下这相当于冲击载荷,则作用于转向节的力为:

此时受力如图4所示。

综上所述,将所需参数带入以上各公式中,分别求出各工况下转向节所受力和力矩的值。具体值如表2所示。

2、转向节有限元模型的建立

由于转向节形状较为复杂,所以在建立模型时对其进行了适当的简化,去除了一些对分析模型没有影响的转角,使其能够快速方便地建模。本文采用UG软件建立了几何模型,然后导入到ANSYS软件中。本模型采用solid92单元类型,生成34881个单元,54740个节点。如图5所示,为网格划分后的转向节有限元模型。

转向节的材料为40Cr,其弹性模量E=196 GPa,泊松比μ=0.3,屈服极限σs=785 MPa,取安全系数n=2,则许用应力[σ]=393MPa。

3、仿真分析

根据分析所得的等效应力与应变图(图6、图7、图8),发现三种危险工况下最大应力均出现在大轴颈根部。因此,在设计时需要在转向节大轴径处采用适当的过渡圆角来避免应力集中的现象。此外,在小轴颈处的位移最大,由于该处类似于悬臂梁的末端,其在外载荷作用下所产生的位移表现最明显。三种危险工况下的最大等效应力和最大位移如表3所示。从表中可以得知,无论是转向节处于哪一种危险情况下,转向节的最大应力都小于40Cr材料的许用应力[σ]=393MPa。因此该转向节的计算结果是完全符合汽车设计手册中的安全条件。

此外,可以发现该自卸车上的转向节没有明显的材料多余。因为该转向节是用在自卸车车体上,其本身就需要较高的安全系数才能保证转向节的可靠性。从三种工况所得的应力云图来看,该转向节的应力分布是比较均匀的。其次,由于汽车是在颠簸路面上行驶,使得转向节在路面激振力的作用下载荷条件出现脉动,甚至出现交变载荷,这就会造成零件的疲劳破坏。再次,由于转向节可能存在材料缺陷或在制造过程中产生的制造缺陷(如热处理缺陷等),这都使得材料机械性能明显下降。

4、结论

本文运用UG软件和ANSYS软件,建立了3工况转向节有限元模型,分析3种工况下的转向节应力应变分布规律。通过寻找最大应力处和最大位移处,找出了转向节在各种工况下易损坏部位,并探讨了其易损坏的具体原因。以上例子表明,我们可以通过有限元法在产品设计中的应用,有效优化该转向节结构,改善设计质量,从而显著降低设计成本。

参考文献

[1]宋黎明,胡巧英,宋晗,董志明,吕捷.某电动轮矿用车转向节有限元分析[J].工程机械.2011,(07).

[2]徐颧,蔡春源,严隽琪.《机械设计手册》第4卷[M].机械工业出版社,2000.6.

ANSYS分析 篇9

关键词：金属挤压,建立模型,划分网格,等直线图

0引言

近年来, 随着挤压机台数的急剧增加, 挤压力的不断增大, 结构形式的不断更新, 自动化程度的不断提高, 挤压机也由中小型向大型化的方向发展。人们对挤压工模具的设计计算、结构选择、装卸方法、制模技术等提出了更高的要求。挤压模具的形式多种多样, 但无论什么形式的模具设计时都要考虑到其在挤压过程中的变形, 因为它不仅影响模具的使用寿命, 还直接关系到工艺水平。因此, 研究挤压过程中模具的应力应变就显得十分重要。

本文利用ANSYS对铝合金挤压模具进行分析, 虽然模型简单, 但分析方法适用于任何模型, 可以起到触类旁通的作用。

1铝合金坯料和挤压模具模型

坯料和模具之间摩擦系数为0.1, 坯料弹性模量E1=69 GPa, 泊松比u1=0.26;模具弹性模量E2=360 GPa, 泊松比u2=0.3。坯料和模具结构见图1, 铝合金应力应变曲线见图2。

该问题属于状态非线性大变形接触问题。在分析过程中根据轴对称性, 选择挤压试样和模具纵截面的1/2建立几何模型;选择Contact172接触单元和Target169目标单元以及Plane182结构单元进行求解。

2基于ANSYS的挤压过程分析

2.1 建立模型并划分网格

首先, 定义工作文件名和工作标题, 其次, 定义单元类型和材料的性能参数。本文定义的方法和线性问题中类似。ANSYS中提供了3种建模方法:

(1) 直接建模法:在ANSYS显示窗口中直接建立节点和单元, 模型中没有实体。

(2) 实体建模法:包括自下而上建模和自上而下建模。自底向上建模是指用户从最低级的图元向上构造模型。自顶向下则相反。

(3) 输入外部模型:ANSYS可与多种CAD软件连接, 输入外部模型。

由于模具结构简单, 对其采用直接建模。建立的模型网格划分后如图3所示。

2.2 施加约束和加载求解

施加约束后的模型如图4所示。ANSYS中的载荷可分为6类, 即位移载荷、力或力矩、面载荷、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷, 本文对模型施加位移载荷。

2.3 查看求解结果

进入ANSYS的后处理模块可以得到一系列分析结果。后处理模块包括通用后处理模块和时间历程响应后处理模块。通用后处理模块可以用于查看整个模型或选定的部分模型在某一子步或时间步的结果。而时间历程响应后处理模块用于查看特定点在某一时间步的结果。

选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令, 出现Contour Nodal Solution Date 对话框, 选择Nodal Solution/DOFSolution/X-Component of Displacement, 单击Apply按钮, 便可得到径向位移图, 如图5所示。

选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令, 出现Contour Nodal Solution Date 对话框, 选择Nodal Solution/Stress/X-Component of stress, 单击Apply按钮, 便可得到径向应力图, 如图6所示。

选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令, 出现Contour Nodal Solution Date 对话框, 选择Nodal Solution/Stress/Y-Component of stress, 单击Apply按钮, 便可得到轴向应力图, 如图7所示。

选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令, 出现Contour Nodal Solution Date 对话框, 选择Nodal Solution/Stress/Z-Component of stress, 单击Apply按钮, 便可得到周向应力图, 如图8所示。

选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令, 出现Contour Nodal Solution Date 对话框, 选择Nodal Solution/Stress/von Mises stress, 单击Apply按钮, 便可得到等效应力图, 如图9所示。

选择Nodal Solution/Contact/Contact friction stress, 单击OK按钮, 便可得到摩擦应力图, 如图10所示。

3分析结果讨论

从图9可以看出模具所受应力最大部位在与坯料接触的中间位置, 远离坯料则所受应力依次下降。而坯料在进入模具之前和在挤压过程中所受应力最大。图10显示摩擦应力则是在坯料与模具接触的中间部位最大。通过ANSYS的分析, 可以直观地从分析结果图中看出挤压过程中的应力分布, 这就为提高挤压模具设计与制造水平提供了依据。在模具受力大的部位采用强度高且摩擦系数小的材料, 不仅能增加模具的使用寿命, 还可以提高工艺水平。通过ANSYS分析还可预知坯料在成形以后内部所受应力的情况, 对其是不是符合生产标准作出判断。

4结论

本文针对挤压过程中的模具和坯料进行了有限元分析, 得到了等效应力图和摩擦应力图, 达到了预期的分析效果。分析结果表明, 在挤压过程中模具所受应力远大于坯料所受应力, 这就对模具材料提出了一定要求, 只有选择合适的模具材料, 才能增加模具的使用寿命, 取得好的经济效益。

参考文献

[1]刘静安.挤压模具技术的理论与实践[M].重庆:科学技术文献出版社重庆分社, 1989.

[2]谷兰成, 陈学同.我国铝型材挤压业的现状及未来[J].山东冶金, 1998, 20 (4) :16-20.

[3]刘汉武, 丁桦, 崔建忠.铝型材挤压分流组合模型有限元分析与计算[J].模具工业, 1999 (4) :9-11.

[4]孟凡中.弹塑性有限变形理论和有限元法[M].北京:清华大学出版社, 1985.

ANSYS分析 篇10

储罐是在机械领域广泛使用的设备, 储罐的种类繁多、形式多样, 但其基本结构是类似的, 多由筒体、封头、接管及支座组成。储罐类设备在工程应用中必须有足够的强度, 否则不能保证安全运行。在实际工况中, 储罐经常会遇到地震载荷, 为了避免储罐因地震载荷受到破坏, 需要对其在地震作用下的强度进行校核。虽然地震运动是随机的, 但是可以定义为沿着3个互相正交的轴运动 (1个垂直和2个水平) , 3个地震分量的作用假定是同时发生的。通过计算模型在楼层反应谱曲线上每一个方向的加速度值来进行地震载荷的计算分析, 为机械设计类人员解决同类问题提供了参考。

1 计算方法

本文以福建福清核电厂的含氧疏水废气罐为例, 首先通过利用ANSYS有限元分析软件对其进行参数化建模, 其次通过模态分析确定设备的一阶频率, 然后通过一阶频率的计算结果, 按设备所在厂房、楼层标高查相应楼层反应谱确定设备的x、y、z 3个方向的地震加速度, 最后通过静力学分析对设备进行抗震计算[1]。

2 确定一阶频率

含氧疏水废气罐内径为500mm, 总高为1510mm, 设计压力-0.1MPa, 设计温度90°C, 主要材料均为不锈钢S30403, 设备由支架上的4个M16的膨胀螺栓固定在墙上。

2.1 有限元分析模型

本文采用NX 8.5软件建立储罐的三维模型, 只保留筒体、封头、支架等主要部件, 在不影响总体分析的情况下适当省略部分结构。通过NX软件与ANSYS的无缝连接, 将几何模型导入ANSYS进行有限元分析, 获得的设备力学模型如图1所示。

设备空重120 kg, 满水运行时的全部质量为220 kg, 受压材料的许用应力为120 MPa, 弹性模量为2.06×105MPa, 泊松比为0.3。在使用有限元分析时, 考虑到制造厂的制造误差及材料代用的影响, 空重采用1.2倍的放大系数。介质充满容器, 不考虑液体的晃动, 在计算中将总重 (1.2倍空重+介质重量) 等效折算到设备的密度上, 通过修改设备材料属性中材料密度的方法实现。

2.2 网格划分

采用ANSYS有限元分析软件提供的20节点实体单元 (SOLID186) 进行网格划分, 节点数149600, 单元数32 900, 如图2所示。

2.3 模态分析

由于含氧疏水废气罐在地震载荷的作用下, 其变形与内力均与设备的自振周期和振型有关, 因此模态分析是对含氧疏水废气罐进行抗震计算的基础。对支座上4个直径为26 mm的螺栓孔内表面进行全自由度约束, 施加载荷并求解, 可获得设备的固有频率, 地震载荷只考虑模型的一阶基本振型与固有频率的影响, 一阶振型如图3所示, 可以看出一阶固有频率为22 Hz。

3 确定地震加速度

本文采用反应谱理论来计算地震载荷对含氧疏水废气罐的影响, 该方法的优点是对模型进行简化, 求出在地震期间的最大反应值作为载荷施加在结构上做静力分析。反应谱理论虽然采用静力分析的方法来研究动载荷问题, 但是考虑了设备本身的振型与固有振动周期的影响, 在设计和分析的应用上带来了很多方便。

根据含氧疏水废气罐所在厂房和楼层, 只考虑一阶振型的影响, 查福建福清现场的厂房楼层反应谱数据可知, 在设备安装标高处OBE水平方向加速度为 (插值法) :ax=0.597g, ay=0.657g;竖直方向加速度为:az=1.648g。

4 约束和边界条件

位移边界条件:在支架的4个螺栓孔处施加固定约束。

力边界条件:设备承受重力、地震载荷及外压的共同作用, 设备总质量为244 kg, 在设备重心处x、y、z 3个方向各施加相应的地震加速度, 同时设备承受-0.1 MPa的外压。

5 计算结果

5.1 应力和位移结果

如图4~图6所示, 计算中所得最大应力没有超过21 MPa, 其许用值为120 MPa, 不需要进行应力线性化, 设备最大变形量为0.07 mm, 因此局部应力满足强度要求[2]。含氧疏水废气罐应力较大的部位主要分布在支架处及支架与筒体连接处, 最大应力发生在支架的4个螺栓孔处, 因此需要对支架进行强度校核, 提取螺栓孔处的受力情况, 计算膨胀螺栓的规格是否满足需求。

5.2 膨胀螺栓校核

膨胀螺栓规格M16, 查表得, 该规格膨胀螺栓的许用剪力为FC=21 400 N, 许用拉力为FT=16 500 N。

提取支座4个膨胀螺栓孔处的受力分别为:

膨胀螺栓许用剪力FC>螺栓所受剪力FZ, 膨胀螺栓许用拉力FT>螺栓所受拉力FY;组合应力, 满足要求, 因此可以采用该规格的膨胀螺栓。

6 结论

本文以机械设备中典型储罐结构的含氧疏水废气罐为例, 利用ANSYS软件对设备进行参数化建模并进行了模态分析和静力学分析, 用来计算其在地震载荷下的强度是否满足需求。对于储罐设备, 其主要结构是由筒体、封头、接管和支座等结构组合而成, 在结构上有很大的相似性, 本文的参数化分析方法为相似结构的容器类设备进行抗震计算提供了依据, 可以提高分析工作的效率, 为设计和优化模型提供了方便可行的实现方法, 为机械类人员解决对类似储罐的设计提供了借鉴[3]。

参考文献

[1]余伟炜, 高炳军, 陈洪军.ANSYS在机械与化工装备中的应用M].2版.北京:中国水利水电出版社, 2007.

[2]JB4732-1995钢制压力容器-分析设计标准[S].北京:中国标准出版社, 1995.

ANSYS分析 篇11

关键词：ANSYS；有限元；超静定

集装箱龙门起重机作为一种结构受力较明确的机型，手工计算往往已经能达到比较好的精度要求，但对于大跨度、大外伸距的龙门吊，往往设置拉杆，主梁因此成为超静定结构，在这种情况下，手工计算之外，有必要利用有限元软件对结构进行分析，并依据计算结果对龙门起重机门框结构的强度、刚度、稳定性进行判断，在满足使用条件、规范要求的前提下确定尽量优化的结构尺寸。

当小车位于悬臂最远端时，整个结构的最大应力为178MPa，且只位于局部一点，远小于Q345B的许用应力；主梁悬臂端的下绕度为27.577mm，规范要求对于集装箱龙门起重机，其悬臂端的下绕不得大于跨距的1/350，即28.6mm，有限元分析结果也小于规范要求。因此小车位于悬臂端时，结构满足使用及规范要求。

ANSYS分析 篇12

关键词：ADAMS,ANSYS,连杆运动,动力学仿真

1 概述

在连杆运动的设计制造中, 通常需要进行机构的运动学仿真, 模拟机构的运动过程, 通过运动分析获得构件上关键位置的位移、速度和加速度等。传统设计多采用图解法和解析法。本文应用虚拟样机技术来实现机构的设计与运动轨迹求解, 通过ADAMS进行运动分析, 输出机构所需的运动参数, 然后把这些参数作为构件进行强度设计的边界条件, 在ANSYS中进行应力应变分析, 以优化构件的外形参数。

2 ADAMS与ANSYS结合

对于ADAMS和ANSYS而言, ADAMS进行动力学分析时可生成ANSYS软件使用的载荷文件 (即.lod文件) , 利用此文件可向ANSYS软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。ANSYS可直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条件, 以进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究, 这样可得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果, 提高计算精度。

3 ADAMS和ANSYS联合仿真步骤

3.1 ADAMS输出边界条件。

(1) 创建模型或导入。在ADAMS/View中创建刚性构件, 一种方法是利用ADAMS/View提供的建模工具, 直接创建刚性构件;另一种方法是通过ADAMS与其它CAD软件的数据接口, 直接导入CAD几何模型, 通过适当的编辑后就可以转变成ADAMS中的刚性构件。本文主要通过专业CAD软件SOLIDWORKS建立好模型, 通过Parasolid格式, 把文件导入到ADAMS下进行分析。 (2) 添加约束和驱动。要模拟系统的真实运动情况, 就需要根据实际情况抽象出相应的运动副, 并在构件间定义运动副。要使系统能够运动起来, 还需要在运动副上添加驱动和载荷, 以及在构件之间施加载荷。驱动从本质上来说, 也是一种约束, 只不过这种约束是约束两个构件按照确定的规律运动, 而运动副约束两个构件的运动规律是相对静止不动, 系统根据运动副建立的约束方程的右边等于零, 而根据驱动建立的约束方程右边等于驱动规律。 (3) 绘制曲线图。ADAMS/Postprocessor, 用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。ADAMS/Post Processor的主要特点是:具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能;具有完备的曲线数据统计功能:如均值、均方根、极值、斜率等;具有丰富的数据处理功能, 能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等;可进行几何属性的细节的动态演示。

3.2 刚性部件的强度分析。

通过以上分析计算, 得到构件的运动参数, 然后通过ANSYS有限元分析软件, 确定构件的边界条件, 进行实际情况分析。ANSYS有限元分析过程如下: (1) 创建有限元模型。创建或导入几何模型、定义材料的属性、实常数、单元类型和划分单元网格。 (2) 施加载荷并求解。施加边界条件, 进行求解计算。此时载荷即通过ADAMS进行动力学分析计算后得到的载荷文件。如果想简化计算过程, 可通过查询载荷文件, 确定在某时刻的最大载荷值, 根据此载荷进行分析计算, 对构件的强度和寿命进行校核与评估分析。

4 ADAMS和ANSYS结合实例

在某平面连杆机构中, 曲柄连杆原动件长100mm, 中间构件长200mm, 从动件150mm, 所用材料弹性模量7.2e10Pa, 泊松比0.33, 密度为2700kg/m3, 原动件转速为7200rpm。利用ADAMS进行动力学仿真, 测量运动构件在整个运动过程中的位移、速度、加速度等, 得到其运动规律, 同时确定载荷谱信息, 见图1所示。

图1中曲线是平面连杆机构受到重力作用时, 在全局坐标系下的相关参数。从曲线上可以看出, 原动件在做有规律的运动时, 中间构件与它同步运动。即两者在相同的时间同时达到X最大位移。一个运动周期完成, 可以得到平面运动机构各个构件上指定点在全局坐标系X、Y、Z方向上的速度、位移、加速度、作用力的分量曲线和合成曲线。

平面连杆机构中的中间连杆是一个二力杆, 从载荷曲线中, 确定中间连杆在整个运动过程中的最大载荷。

在ANSYS中, 建立中间构件模型, 将一端的自由度DOF全部约束, 给另一端在X、Y两个方向施加曲线中得到的边界条件, 对平面连杆机构中的中间构件进行受力变形分析。如图2所示。分析的得到中间构件的最大应变图, 验证了实际结构尺寸和材料性能。

根据工程需要还可以对其它零部件进行有限元分析。总之, 上述方法不失一般性, 关键是要把各个构件之间的约束关系添加正确。

5 结论

利用ADAMS软件对平面连杆机构进行运动学分析、动力学分析, 结合有限元软件对构件中的关键零部件进行有限元分析, 这种分析方法既可以得到构件的准确运动, 又可以对构件进行准确的强度、刚度、寿命等计算分析。

参考文献

[1]孙桓, 陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 1996.

[2]王国强, 等.虚拟样机及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社, 2004.