毕业设计论文-mc80型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计全套图纸

毕业设计论文-mc80型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计全套图纸内容摘要：

以达到减轻部件总体质量的目的。 重新进行有限元分析，检验改变尺寸后的刚度和强度。 重复进行以上步骤，直到获取最佳方案。 本章小结 本章主要介绍了这一次科学研究的对象：压力机。 在这一章节中，我们介绍了他的国内外发展历史和现状，针对它的实用性，我们对此再次就行优化设计以求得到更好的效果。 在这一章中，我们对研究目的和方法作了说明，在下面的章节中，我们会具体进行分析和改进。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 4 第二章 有 限单元法 有限元的发展与现状 有限元法作为一种数值计算方法，它的产生和发展却是首先在工程应用中取得突破。 固体力学中最早采用计算机进行数值计算的是杆系结构力学 ，以杆件为单元 ，称为矩阵位移法，它为有限元理论提供了思路。 有限元法基本思想的提出，可以追溯到 Courant 在 1943 年的工作 ， Courant 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数 和最小位能原理来求解 St .Venant 扭转问题。 开始涉及有限元的概念。 1954 年， Argris J． H．用系统的最小势能原理得到了系统的刚度矩阵 ，使已经成熟的杆件矩阵位移法可以用来分析连续介质。 1955 年美国波音飞机制造公司的 和 ， W ，在分析大型飞机结构时，第一次采用直接刚度法给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，并导出了其单元刚度矩阵，发展成矩阵位移法。 1960 年 把这种方法由航空结构工程扩展到土木工程，并正式命名为有限元法，这标志着有限元法的正式诞生。 到 60 年代末至 70 年代初 ,出现了大型通用有限元程序 , 它们以功能强、 用户使用方便、 计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技 术商品 ,成为结构工程强有力的分析工具。 目前 ,有限元法在现代结构力学、 热力学、 流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。 进入 20 世纪 80 年代以后，有限元法在理论的指导下， 其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题，从固体力学扩展到流体力学、传热学等学科，成为应用广泛的分析工具。 同时，随着计算机技术的发展和软件工程的兴起，大型商用有限元软件在更好的人机界面 、更强的分析功 能、更直观结果的显示方面取得了长足的进步，并日益和计算机辅助设计 CAD 软件集成 在 一起 ，形成了一个新的领域 CAE，给工程设计带来巨大的变革。 由于有限元法特别适合于计算机程序编写，因此许多国家都编制了大型通用的有限元程序，如美国加利福尼亚大学研制的 SAP 软件、麻省理工学院研制的 ADINA 软件、美国国家航空与宇航局研制的 NASTRAN 软件等。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 5 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视 , 主要表现在以下几个方面：增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，采用优化设计方案 ，降低原材料成本；缩短产品投向市场的时间；模拟试验方案，减少试验次数 ，从而减少 试验经费。 纵观当今国际上 CAE 软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展特点： （１）数据统一。 ＡＮＳＹＳ使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 （２）强大的建模能力。 ＡＮＳＹＳ具备三维建模能力，仅靠ＡＮＳＹＳ的ＧＵＩ（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。 （３）强大的求解功能。 ＡＮＳＹＳ提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。 （４）强大的非线性分析功能。 ＡＮＳＹＳ 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线 性及状态非线性分析。 （５）智能网格划分。 ＡＮＳＹＳ 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格 （６）良好的优化功能。 （７）良好的用户开发环境。 现在有限元的用途很广，用法很多，我们浅谈下振动工程中的有限元模态分析：模态分析技术开始于 20 世纪 30 年代，经过 70 多年的发展，模态分析已经成为振动工程中一个重要的分支。 有限元模态分析发展趋势，当今国际上方法和软件开发呈现出以下趋势特征： （ 1）从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题。 近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗 流和声场等 ―耦合 ‖场问题的求解计算； (2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。 有限元技术在岩土工程中也有应用。 它在镶嵌技术上也有应用。 上述主要介绍了有限元的发展及其应用，接下来介绍下有限元方法的基本思想。 有限元方法的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 6 一起的单元组合体。 由于各单元能按不同的联接方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。 有限元方法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设近似函数来分片地表达 求解域上的未知场函数。 单元内的近似函数通常由未知场函数或导数在单元的各个节点的数值和其差值来表示。 这样一来，在利用有限元方法分析问题时，未知场函数或其导数在各个节点的数值就成为新的未知量 ( 即自由度 ) ，从而使一个连续的无限自由度问题成为离散的有限自由度问题。 求解出这些未知量，就可以通过插值计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解区域上的近似解。 随着单元数目的增加 (单元尺寸减小 ) 或随着单元自由度的增加及插值函数的精度的提高，解的近似程度不断改进，只要各单元是满足收敛要求的，近似解最后将会收敛于精确 解。 有限元基本思想 有限元法的中心思想是对求解域 (结构 )进行单个儿划分和分片近似，其计算步骤为： (1)结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基础。 所谓结构的离散化，其过程简单地说，就是将分析的结构物划分成有限个离散体 (单元体 )，并在单元体指定点设置结点，把相邻的单元体在结点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构，显然单元体越多，越接近原来的结构。 不同的分析对象采用不同的单元类型，常用的有杆单元，梁单元，板单元，壳单元，体单元等。 (2)选择位移函数 在结构的离散化完成 以后，就可对单元进行特性分析。 分析方法可按节点未知量选用变形、位移和应力的不同，有力法、位移法、混合法和杂交法，最常用的方法是位移法。 为了能用结点位移表示单元体的位移、应变和应力，必须对单元中位移的分布作一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数 ——位移函数。 位移函数的适当选择是有限元分析的关键。 在有限元法应用中，普遍地选择多项式作为位移函数，因多项式的数学运算 (微分和积分 )比较方便，并且由所有光滑函数的局部来看都可以用多项式逼近。 根据所选定的位移函数，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式， 其矩阵形式是： 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 7 式中， {△ }为单元内任一点的位移列阵； [N]为形函数矩阵，它的元素是单元位置坐标的函数，反映了单元的位移形态； 为单元的结点位移列阵。 (3)分析单元的力学特性 位移函数选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。 它包括三部分内容： A．利用几何方程和位移表达式 (21)导出用结点位移来表示单元应变的关系式，寻求结点位移与应变的关系，即： {ε}=[B] 式中， {ε}是单元内任一点的应变列阵； [B]为单元应变矩阵。 B．利用物理方程，由应变的表达式 (22)导出用结点位移表示单元应力 的关系式，即： {ζ}=[D][B] 式中， {ζ}是单元内任一点的应力列阵； [D]为与单元材料有关的弹性矩阵。 C．利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式 (节点平衡方程 )，即： 式中， 在积分遍及整个单元的体积，为单元刚度矩阵； {R}为单元上节点力列阵。 (4)计算单元的等效节点力 弹性体经过离散化以后，假定力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。 因而，这种作用在单元边界上的表面力以及作用于单元的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单 元上的力。 移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节点力在任何虚位移上所做的虚功都相等的原则来进行的。 (5)集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括两个方面的内容：一个是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的荷载列阵。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 8 一般说来，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。 于是得到以整体刚度矩阵 [K]荷载列阵 {R}以及整个物体的节点位移列阵 {S}表示的整个结构的平衡方程： [K]{δ}={R} (6)求解未知节点 位移和节点等效荷载以及整体刚度矩阵组成的平衡方程解出节点位移，然后利用公式和已求出的节点位移来计算各单元的应力，最后利用公式求出单元内任一点的位移。 软件简介 ANSYS 是一款以有限元分析为基础的大型通用 CAE 软件，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一 [2]。 ANSYS 中的 Structral 模块提供了完整的结构分析功能，包括几何非线性 材料非线性 各种动力学分析等计算能力，此程序包在结构分析方面具有强大的功能 !在实际生产过程中，常常会遇到各种各样的机械结构分析问题：如机械结构受力，变形 及内部应力情况等等，利用 ANSYS 软件对机械模型进行仿真模拟计算，通过应力 应变云图直观展示构件的性能特点，从而为解决机械结构中常见的问题提供理论依据。 ANSYS 仿真分析的结果可以帮助设计人员对实际生产方案作出准确的判断，节省物力财力，为提高生产效率及缩短设计研发周期的产生有很大的作用 [3]。 ANSYS 软件计算分析的原理是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一个插值函 数来表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学 固体力学 结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题 [4]求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。 ANSYS 典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理３个部分组成。 前处理：有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据。 建模是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成，其中建模主要包括以下几步： （１） 确定工作名和分析标 （２） 设置分析模块 ； 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 9 （３） 定义单元类型和选项 ； （４） 定义实常数； （５） 定义材料性质 ； （６） 创建分析几何模型 ； （７） 建立有限元模型 ； （８） 对模型进行网格划分 ； 选择单元的要点包括： （１）对线性结构（应力）分析，建议采用高阶单元； （２）对非线性应力分析， 用低阶单元采用较密网格，而不用较粗网格高阶单元； （３）对壳应力分析，四边形比三角形结果要好。 加载及求解：加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。 载荷的含义有：自由度约束位移、节点力（力，力矩）、表面载荷压力、惯性载荷（重力加速度，角加速度）。 可以在实体模型或 ＦＥＡ（有限元分析）模型（节点和单元）上加载。 直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。 但要注意：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。 因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。 后处理：后处理是将计算所得的结果可视化。 ＡＮＳＹＳ有两个后处理器：通用后处理器，它只能观看整个模型在某一时刻的结果；时间历程后处理器，可观看模型在不同时间的结果。 但此后处理器只能用于处理静态或动力分析结果。 动力分析结果后处理的步骤主要包括： ① 从求解计算结果中读取数据； ② 对计算结果进行各种图形化显示； ③ 可对计算结果进行列表显示； ④ 进行各种后续分析。 而静力分析结果后处 理的步骤主要包括： ① 绘变形图， ② 变形动画， ③ 支反力列表， ④ 应力等值线图。 目前， ANSYS 软件已广泛应用于机械制造 石油化工 轻工 造船 航空航天 汽车交通 电子 土木工程 水利 铁道 日用家电等一般工业及科学研究 [27]，其技术涵盖多汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 10 个学科领域 !随着发展， ANSYS 提供的机械工程仿真技术将越来越成熟，设计人员以。