基于ANSYS在數(shù)控機床上的熱特性有限元分析畢業(yè)論文.doc

目錄1緒論.12有限元原理.12.1有限元法的基本思想.12.2有限元法的發(fā)展概況.22.3有限元法分類.32.4有限元法分析過程.43ANSYS概述.43.1ANSYS的發(fā)展.53.2ANSYS的內(nèi)容.53.3ANSYS的特征.74ANSYS的有限元法舉例.104.1實體建模.104.1.1簡單的三維建模.104.1.2直齒圓柱齒輪的實體建模.114.2直齒圓柱齒輪ANSYS有限元分析與典型算法的比較.144.3加工中心機床整機熱特性分析的必要性.174.3.1XH6650型臥式加工中心機床的有限元建模.174.3.2機床的有限元模型的建立.184.4機床的熱特性研究.194.4.1機床的熱源與發(fā)熱量的計算.194.4.2機床的穩(wěn)態(tài)溫度場分析.204.4.3機床的熱變形分析.215結論.22致謝.23參考文獻.2411緒論有限元法是工程領域中應用最廣泛的一種數(shù)值計算方法,它不但可以解決工程中的結構分析問題,而且已成功地解決了傳熱學、流體力學、電磁學和聲學等領域的問題。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,有限元方法的理論已經(jīng)相當完善,將有限元理論、計算機圖形學和優(yōu)化技術相結合,開發(fā)出了一批使用有效的通用與專用有限元軟件,它們以功能強、用戶使用方便、技術結果可靠和效率高而逐漸形成了新的技術產(chǎn)品,使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了機械、水工、土建、橋梁、機電、冶金、鍛造、造船、宇航、核能、地震、物探、氣象、水文、物理、力學、電磁學以及國際工程領域眾多的大型科學和工程計算難題。有限元軟件已經(jīng)成為推動科技進步和社會發(fā)展的生產(chǎn)力,并且取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。ANSYS軟件是集結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，可廣泛用于航空航天、土木工程、機械制造、車輛工程、生物醫(yī)學、核工業(yè)、電子、造船、能源、地礦、水利、輕工等一般工業(yè)及科學研究。該軟件可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行.國際對機床熱變形的理論研究始于20世紀60年代，開始階段是利用熱工學理論知識研究機床熱變形問題，初步建立了溫度場與熱變形之間的定性關系。直到70年代初，由于計算機等分析工具和遠紅外熱像儀、激光全息照相等測試技術在熱變形研究中的有效應用，使機床熱變形研究進入了定量分析的新階段，開始利用有限差分法和有限元法計算復雜的機床基礎件的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)溫度場和熱變形?，F(xiàn)在，由于計算機輔助工程(CAE)的迅速發(fā)展，開發(fā)了適于計算各種復雜模型的通用有限元分析軟件，利用有限元法求解分析熱變形成為主流方法。2有限元原理2.1有限元法的基本思想有限元法是在連續(xù)體上直接進行近似計算的一種數(shù)值方法。這種方法首先是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個單元(E1ernent)的組合體,而且認為單元之間只通過有限個點連接起來,這些連接點稱為節(jié)點(Node)。單元與節(jié)點是有限元法中最基本的兩個術語。有限元法利用在每一個單元內(nèi)假定的近似函數(shù)分片地表示全求解域上待求的未知場函數(shù)(如位移場、應力場)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)(或包括其導數(shù))在單元內(nèi)各個節(jié)點的數(shù)值通過函數(shù)插值來表示。這樣，未知場函數(shù)(或包括其導數(shù))在單元內(nèi)各個節(jié)點的數(shù)值就成為新的未知量(即自由度),從而使一個連續(xù)的無限2自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量,就可以通過函數(shù)插值計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值,從而得到整個求解域上場函數(shù)的近似值。顯然,隨著單元數(shù)量的增加,也即單元尺寸的減小,解的近似程度將不斷改進。那么,單元越多,網(wǎng)格越密,解答就越接近于精確解嗎?不一定。所以對假定的未知場函數(shù)進行收斂性分析,是有限元法必須研究的一個問題。由于單元本身可以有不同的形狀,所以對幾何形狀復雜的問題都可方便地離散化,因此,有限元法可以處理各種復雜因素,如復雜的幾何形狀、任意的邊界條件、不均勻的材料特性、結構中包含不同類型構件等等,它們都能用有限元法靈活地求解。有限元法在工程中得到了廣泛的應用。2.2有限元法的發(fā)展概況有限元法基本思想的提出,可以追溯到Courant在1943年的工作,他第一次嘗試應用定義在三角形區(qū)域的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢能原理求解圣維南(St.Venant)扭轉問題。但由于當時沒有計算機這一工具,沒能用來分析工程實際問題,因而未得到重視和發(fā)展?，F(xiàn)代有限元法第一個成功的嘗試,是將剛架位移法推廣應用于彈性力學平面問題,這是TImer、Clough等人在分析飛機結構時于1956年得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求平面應力問題的正確解答,他們的研究打開了利用計算機求解復雜問題的新局面。1960年Clough將這種方法命名為有限元法。1963至1964年,Besseling、Melosh和Jbnes等人證明了有限元法是基于變分原理的里茲(Riu)法的另一種形式,從而使里茲法分析的所有理論基礎都適用于有限元法,確認了有限元法是處理連續(xù)介質問題的一種普遍方法。利用變分原理建立有限元方程和經(jīng)典里茲法的主要區(qū)別是,有限元法假設的近似函數(shù)不是在全求解域上規(guī)定的,而是在單元上規(guī)定的,而且事先不要求滿足任何邊界條件,因此它可以用來處理很復雜的連續(xù)介質問題。有限元法在工程中應用的巨大成功,引起了數(shù)學界的關注。20世紀60至70年代數(shù)學工作者對有限元的誤差、解的收斂性和穩(wěn)定性等方面進行了卓有成效的研究,從而鞏固了有限元法的數(shù)學基礎。我國數(shù)學家馮康,在20世紀60年代研究變分問題的差分格式時,也獨立地提出了分片插值的思想,為有限元法的創(chuàng)立作出了貢獻。四十多年來,有限元法的應用己由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題,由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定問題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等,從固體力學擴展到流體力學、傳熱學等連續(xù)介質力學領域。在工程分析中的作用己從分析和校核擴展到優(yōu)化設計,并和計算機輔助設計技術相結合?？梢灶A計,隨著現(xiàn)代力學、計算數(shù)學和計算機技術等學科的發(fā)展,有限元法作為一個具3有鞏固理論基礎和廣泛應用效力的數(shù)值分析工具,必將在國民經(jīng)濟建設和科學技術發(fā)展中發(fā)揮更大的作用,其自身亦將得到進一步的發(fā)展和完善。2.3有限元法分類有限元法可分為兩大類,即線彈性有限元法和非線性有限元法。其中線彈性有限元法是非線性有限元法的基礎,二者不但在分析方法和研究步驟上有類似之處,而且后者常常要引用前者的某些結果。（一）線彈性有限元法線彈性有限元法以理想彈性體為研究對象,所考慮的變形建立在小變形假設的基礎上。在這類問題中,材料的應力與應變呈線性關系,滿足廣義胡克定律:應變與位移也是線性關系。線彈性有限元問題歸結為求解線性方程組問題,所以只需較少的計算時間。如果采用高效的代數(shù)方程組求解方法,也有助于降低有限元分析的時間。線彈性有限元一般包括線彈性靜力分析與線彈性動力分析兩個主要內(nèi)容。學習這些內(nèi)容需具各材料力學、彈性力學、結構力學、數(shù)值方法、矩陣代數(shù)、算法語言、振動力學、彈性動力學等方面的知識。（二）非線性有限元法非線性有限元問題與線彈性有限元問題有很大不同,主要表現(xiàn)在如下三個方面:(1)非線性問題的方程是非線性的,因此一般需要迭代求解；(2)非線性問題不能采用疊加原理；(3)非線性問題不總有一致解,有時甚至沒有解。以上三方面的因素使非線性問題的求解過程比線彈性問題更加復雜、費用更高和更具有不可預知性。有限元法所解的非線性問題可以分為如下三類:1.材料非線性問題材料的應力與應變是非線性關系,但應變與位移卻很微小,此時應變與位移呈線性關系,這類問題屬于材料非線性問題。由于從理論上還不能提供能普遍接受的本構關系,所以,一般來說,材料的應力與應變之間的非線